Глава 5 Логическая модель дивергенции возбудителей псевдотуберкулеза o:1b и чумы

Логическая модель видообразования микроба чумы позволяет создать в общих чертах представление о том, при каких обстоятельствах происходило изменение генофонда и смещение прежней нормы реакции в сторону облигатного паразитизма в части популяции (клоне) псевдотуберкулезного микроба, попавшем в кровь спящего сурка, где в организме хозяина при низкой температуре происходит инактивация ферментов, и скорость обменных процессов, согласно общеизвестному правилу Вант-Гоффа, резко снижается. Объективную картину таких преобразований могла бы дать экспериментальная селекция in vivo микроба псевдотуберкулеза по фактору устойчивости к «фагоцитарной агрессивности» крови сурка по мере медленного перехода от торпора к эутермии и обратно в течение подземного периода жизни. Но пока не ясны даже подходы к ее осуществлению, исследования в этом направлении еще только предстоят.

В процессе становления любых биологических систем у согласованно развивающихся видов складываются отношения дополнительности, нередко сопровождающиеся утратой функций, которые полностью или частично передаются партнерам (упрощение) и/или совершенствованием специализированных органов, и появлением механизмов взаимодействия (Красилов, 1997). В отношении паразитарных систем «микроб — хозяин» молекулярно-биологические и иммунологические аспекты эволюции в общем виде рассмотрены в монографии П.Н.Бургасова и С.Н.Румянцева (1985). Согласно взглядам этих авторов, возникновение любой такой системы включает приобретение микробами приспособлений, обеспечивающих им возможность использования хозяина как среды обитания и источника питательных веществ. В результате — микроб достигает уровней патогенности и специализации, которые необходимы и достаточны для обеспечения его потребностей за счет поражаемых организмов. Реализация этого процесса дает микробу возможность интенсивного самовоспроизведения и распространения, но создает неблагоприятные условия для самих хозяев, поскольку любые инфекционные заболевания, как острые, так и хронические, снижают жизнеспособность пораженных особей и тем самым угрожают их существованию. Поэтому взаимодействия с теми или иными микробами неблагоприятны для жизни поражаемых ими видов. В ответ организмы-жертвы вырабатывают защитные иммунные реакции, которые подавляют воздействия микроба и тем самым ограничивают возможности его экспансивного размножения в популяции хозяина. Таким образом, сущность взаимодействия паразита и хозяина состоит в борьбе противоречивых свойств патогенность–иммунность и вирулентность–резистентность, но принципы и механизмы формирования высокой патогенности и вирулентности паразитических организмов пока не раскрыты.

Изменения условий существования, созданные свойствами иммунитета хозяина, затрагивают жизненно важные интересы патогенных микробов и потому не могут не служить факторами естественного отбора новых форм возбудителей, более приспособленных к существованию в новых условиях и получающих, благодаря этому, возможность для самовоспроизведения и распространения. В итоге — протекает сопряженная эволюция, в ходе которой совершенствуются как патогенные свойства микроскопических паразитов, так и конституциональные свойства иммунности поражаемых видов хозяев. Все инфекционные болезни, возбудители которых характеризуются внутриклеточным паразитизмом, относятся к заболеваниям с преимущественно хроническим течением инфекционного процесса, например, туляремия, бруцеллез, туберкулез. Чума здесь не составляет исключения (Сулейменов, 2004). Эволюционные процессы при паразитарных инвазиях в принципе подчиняются тем же закономерностям (Догель, 1941; Балашов, 1982; Сопрунов, 1987 и др.). И нет никаких оснований подозревать, что эволюционный процесс при становлении эпизоотической системы чумы имеет какие-либо принципиальные отличия от этой общей схемы взаимоотношений компонентов системы «хозяин — паразит» (Султанов, Козлов, 1995; Friedlander et al., 1995).

Эволюционные события, непосредственно приведшие к появлению чумы, стали последствием некоторых биотических изменений в степных или горно-степных центрально-азиатских биоценозах в плейстоцене. Микроб чумы начал путь становления от локальной (сурочьей, тарбаганьей) популяции (клона) микроба псевдотуберкулеза из экскрементов, а завершил — в фагоцитах крови активных сурков, пройдя генотипические и фенотипические преобразования в гетеротермной крови зимующих зверьков и содержимом пищеварительного тракта сурочьих блох. Внедрение в качественно новую среду обитания произошло благодаря механическому нарушению защитных свойств слизистых пищеварительного тракта у монгольского сурка личинками блох. Пищевые связи в биоценозе, будучи древнейшей и важнейшей формой отношений живых организмов к среде обитания, обеспечивают вместе с тем самый распространенный путь эпизоотических процессов — пищевой (Бургасов, Румянцев, 1985). Число кишечных инфекций огромно. Возникновение же стабильных травматических «ворот» инфекции в кровь или другие ткани хозяев случается не так часто, только в особых экологических условиях. Именно такой особый случай представляет происхождение чумы. Нашу логическую модель симпатрического видообразования ее возбудителя (которому мы придаем подвидовой статус — Y.pestis tarbagani) в местной(ых) популяции(ях) монгольского сурка можем представить в виде схемы (приводится в книге).

Роль монгольского сурка в адаптациогенезе чумного микроба заключалась: 1) в создании предпосылок для устойчивого контакта псевдотуберкулезного микроба с кровью теплокровных хозяев и 2) в формировании «промежуточной» среды (температурно-иммунологического поля) между неживой (экскременты) и живой органикой — кровью активных теплокровных животных — средой чумного микроба. Роль блохи O.silantiewiоказалась также двуединой: личинки механическим путем открыли устойчивый доступ псевдотуберкулезному микробу в кровь монгольского сурка, а имаго обеспечили его интенсивное размножение и векторизованную внутрисемейную трансмиссию по температурно-иммунологическому градиенту в зимнее время и межсемейную передачу в популяции хозяина — в летнее. В формировании новой паразитарной (эпизоотической) системы участвовало, таким образом, минимальное число видов — возбудитель псевдотуберкулеза 1-го (O:1b) серотипа, монгольский сурок и сурочья блоха в двух ипостасях — личинка-имаго, что можно трактовать как экономию энергетических затрат, сопровождавшую установление гомеостаза экосистемы, за счет минимизации побочных структур и процессов. В этом усматривается проявление принципа «Occam’s Razor» в природе — «истина изящна своей простотой».

Выше мы отметили, что в поселениях сурков, как и у многих других колониальных норовых животных, выделяются ядра поселений, где многочисленны сложные устойчивые семьи, состоящие из большого числа разновозрастных особей. В «ядрах» отмечается круглогодичное паразитирование на хозяевах блохи O.silantiewiс ее максимально высокой численностью в постоянных норах. Поэтому естественно предположить, что территориально происхождение чумы связано с ядрами поселений монгольского сурка, с оптимальными местообитаниями, в которых отмечается наиболее высокая плотность населения зверьков и максимальные индексы обилия специфической блохи.

Значимость пространственной структуры популяций основных хозяев в формировании ареала очагов чумы просматривается в наличии у них разного уровня инфекционной чувствительности на внутри- и внеочаговых территориях. М.И.Леви (1960, 1973, 1997) проследил эту закономерность у песчанок рода Meriones. Полуденные песчанки Волго-Уральского междуречья (территория очага) высоко резистентны, в то время как на правом берегу Волги — высоко чувствительны к возбудителю чумы. Краснохвостые песчанки Иранского нагорья высоко резистентны, а зверьки того же вида в северной периферической части ареала в Азербайджане высоко чувствительны к возбудителю. Персидские песчанки в Иране резистентны, а на краю ареала в Южном Азербайджане — высоко чувствительны. Для горных видов сурков в Монголии и Средней Азии известены многочисленные факты протекания разлитых эпизоотий в менее благоприятных местообитаниях в периферических частях популяций, где, надо полагать, иммунитет к возбудителю у зверьков выражен слабее (Дэмбэрэл и др., 1988; Зонов и др., 1988). На Хангае — это наиболее подверженные засухам южные склоны (Тарасов, 1961). Таким образом, на периферии ареала хозяина, где его популяции разобщены и отсутствуют надежные условия для постоянного присутствия возбудителя, естественный отбор наиболее резистентных особей заметно ослаблен. Эту мысль развил и в более обобщенном виде высказал А.И.Дятлов (1989): «Отмеченные факты существенных внутривидовых различий в инфекционной чувствительности к чуме у ряда популяций грызунов-хозяев инфекции свидетельствуют о популяционных [а не видовых] особенностях распространения признака «резистентность»... Количественное соотношение резистентных и чувствительных особей является признаком популяций, а не видов, так как виды могут состоять из контрастных по этому признаку популяций». Действительно, биоценозы образованы не совокупностью видов, а совокупностью видовых популяций. Один и тот же вид может входить в различные биогеоценозы (Шилов, 2001), и межвидовые взаимодействия в биогеоценозах происходят только на уровне популяций. Взаимно адаптируются не вид паразита и вид хозяина, а популяция (подвид) паразита и популяция (подвид) хозяина (Сафьянова, Овезмухамедов, 1994; Чайка, 1998; Сулейменов, 2004 и др.).

Приобретение новым видом изолирующих механизмов составляет обязательную ступень видообразования. Изолирующие механизмы обеспечивают образование межвидового хиатуса и предохраняют генетический комплекс формирующегося вида от дестабилизации и разрушения (Майр, 1968; Назаров,1991). Критическим моментом симпатрического видообразования Y.pestisпосле его отделения в крови спящих сурков отY.pseudotuberculosis, видимо, следует считать начало синтеза при температуре выше 26–30^оС антибиотика пестицина.

Обычно продукцию пестицина чумным микробом связывают с гостальной адаптацией — вирулентностью по отношению к хозяевам и/или со способностью к «блокообразованию» (Мартиневский, 1969; Наумов, Самойлова, 1992; Кушнерев и др., 1993; Анисимов и др., 1994; Кокушкин и др., 1994; Кокушкин, 1995; Анисимов, 2002; Ferber, Brubaker, 1981; Sikkema, Brubaker, 1987; Wren, 2003 и мн. др.). Способностью наиболее активно подавлять продукцию кислородзависимых факторов бактерицидности макрофагов обладают штаммы, несущие плазмиду пестициногенности (Анисимов и др., 1994). В то же время имеются факты, свидетельствующие об иной, чем поддержание определенного уровня вирулентности к хозяину, функции пестицина или о его дополнительной (сцепленной) функции (Wren, 2003). По данным И.В.Домарадского и Ю.Г.Сучкова (1996), передача pst-фактора закавказским полевочьим штаммам с «избирательной» вирулентностью, которые лишены пестицина-I, не способствует превращению их в типичные. Следовательно, надо искать иное объяснение значения пестицина в биологииY.pestis. Подтверждение такого предположения можно найти также в результатах исследований значимости пестицина в вирулентности и иммуногенности микроба чумы, полученных Н.Н.Гребцовой с соавторами (1991). В эксперименте авторы показали, что пестицин-1 не играет существенной роли в экспрессии вирулентности и иммуногенности, стойкое выключение pst-гена не вызывает снижения вирулентности и не ослабляет его иммуногенности для белых мышей.

Известно, что пестицин активно подавляет рост исходной анцестральной формы — микроба псевдотуберкулеза 1-го серотипа и, в меньшей мере, других серотипов и других близкородственных микробов (Мартиневский, 1969; Апарин, Голубинский, 1989; Анисимов, 2002; Borrows, Bacon, 1960; Ferber, Brubaker, 1979; Butler, 1983; McDonough, Hare, 1997). Биологической функцией многих антибиотиков служит защита от агрессии со стороны других микроорганизмов (Бургасов, Румянцев, 1985). Микробные популяции, как и популяции других живых организмов, представляют собой саморегулирующиеся системы с аутометаболическими принципами внутри- и межвидовой регуляции (Туманский, 1935; Пшеничнов и др., 1975; Громов, Павленко, 1989; Домарадский, 1997б). Регуляторные внутрипопуляционные процессы у бактерий с участием бактериоцинов (колицинов) подробно изучены на модели Escherichia coli(Смит, 1981; Feldgarden, Reley, 1998). Надо полагать, что микроб чумы здесь не составляет исключения. К важнейшим из факторов, обеспечивающих в его популяциях такие процессы как рост, развитие, репликацию, а также обусловливающих дифференциацию и интеграцию особей внутри микробного сообщества, поддержание популяционного и видового гомеостаза, тоже относится видоспецифичный бактериоцин — пестицин (Султанов, Козлов, 1995). Наиболее активное подавление роста псевдотуберкулезного микроба 1-го (O:1b) серотипа можно считать дополнительным свидетельством происхождения микроба чумы от клона псевдотуберкулезного микроба именно этого серотипа.

Возникновение способности к синтезу капсюльного антигена F1, который полноценно осуществляется при температуре выше 30^оС, надо рассматривать как завершение адаптации микроба чумы к крови активного первичного хозяина — монгольского сурка, когда температура его тела устанавливается на уровне 37^оС. Тем самым микроб чумы открыл себе путь к дальнейшей широкой географической экспансии — проникновению в популяции многих видов незимоспящих животных (песчанок, полевок, пищух), имеющих постоянную температуру тела около 37^оС и ставших основными хозяевами микроба в разных природных очагах. Но, так как адаптация новообразованного чумного микроба изначально была направлена к циркуляции в бинарной среде «грызун — блоха», у него, как и у псевдотуберкулезного микроба, сформировалась вторая ферментная система, которая стала ответственной, в частности, за утилизацию гемина. Эта аддитивная система проявляет свою активность при температуре ниже 30^оС, то есть, когда микроб находится в блохе, в пищеварительном тракте которой накапливается гемин как продукт переваривания крови теплокровного хозяина (Бибикова, Классовский, 1974; Straley, Perry, 1995).

Формирование в Евразии неогеновой степной фауны и образование множественных паразитарных систем «норовый грызун (пищуха) — блоха» было, по нашим представлениям, лишь ландшафтно-экологической предпосылкой для появления будущих первичных природных очагов. Важнейшей ее составляющей стало видоспецифичное поведение сурка-тарбагана, как обитателя сухих степей с дефицитом почвенной влаги. Возбудитель чумы появился значительно позднее, когда изотермы января –20^o~ –30^oC сместились из Восточной Сибири в Центральную Азию и достигли плотных поселений сурка-тарбагана. Эти природные процессы надежно датируются временем наступления глобальных похолоданий на Земле — поздним плейстоценом, а точнее — наиболее холодным в Сибири сартанским временем, с которым были связаны широкомасштабные природные и социальные события в Центральной Азии и в мире.

Индуктором видообразования микроба чумы послужил абиотический фактор, вызвавший глубокое промерзание грунта и, тем самым, заметные экологические сдвиги в экосистемах. Пусковым экологическим фактором был положительный термотаксис — простейшая поведенческая реакция в границах нормы температурного реагирования одного из компонентов центральноазиатского горностепного биогеоценоза — личинок O. silantiewi. Вновь образованная эпизоотическая система сформировалась на базе двух древних устойчивых паразитарных систем «сурок —Y. pseudotuberculosis — почва (экскременты)» и «сурок — имагоO. silantiewi» и одной молодой факультативной системы «сурок — личинкиO.silantiewi», отношения между сочленами которой еще не закрепились генетически. Возникновение такой механистической паразитарной системы привело к биоценотическим «возмущениям», перекомпоновке старых и формированию новых межвидовых связей, то есть — к коэволюции сочленов биоценоза, главным образом, компонентов трех вышеназванных паразитарных систем, завершившейся появлением нового вида — микробаY.pestisв новой самоорганизующейся и саморегулирующейся системе.

Последовательность событий, которые привели к появлению эпизоотической системы чумы, прослеживается в течение кайнозоя поэтапно:

I — становление рода Marmota(в Северной Америке или Центральной Азии) и специфических блох сурков (Oropsylla, Diamanus);

II — диверсификация рода Marmota, переход через Берингийскую сушу, видообразование сурочьей блохиO.silantiewi; при этом ареал вида паразита стал уже ареала рода его хозяев;

III — формирование вида M. sibiricaв Центральной Азии с паразитирующей на нем блохой O.silantiewi, образование паразитарной системы I порядка «M.sibirica — O.silantiewi», структурированной на ядро и периферию;

IV — возникновение особых физико-географических и экологических условий в определенной территориальной структуре (ядре) паразитарной системы I порядка «M. sibirica — O.silantiewi» в Центральной Азии и формирование на ее основе структурированной на ядро и периферию паразитарной системы II порядка — эпизоотической системы «M.sibirica — O.silantiewi — Y.pestis»; при этом ареал паразитарной системы II порядка стал уже ареала системы I порядка и ареала хозяина: эпизоотическая система территориально совмещена только с ядрами поселений хозяина.

Связующим элементом трех вовлеченных в эволюционные процессы паразитарных систем был монгольский сурок — ландшафтообразующий вид центральноазиатских среднегорий. Поэтому совокупность видовых популяций, формирующих биоценоз, наиболее тесно связанных функционально и пространственно с сурком, можно представить как сурочий коадаптивный комплекс. Это позволяет говорить об относительно самостоятельной эволюции сурочьего коадаптивного комплекса (сурочьего консорциума) как составной части биоценоза по пути усложнения его структуры. Именно в этой структурной единице биоценоза сформировались свойства чумного микроба как облигатного кровепаразита, и исходной формой политипического вида Y.pestisследует считать подвид, циркулирующий в популяциях монгольского сурка, которому, следуя гостальному принципу классификации, мы даем названиеY.pestis tarbagani. То есть первоначально появилась «замороженная чума сурков», как ее образно именовали И.Г.Иофф с соавторами (1951). Этот подвид стал в дальнейшем основой нового хорошо выраженного филума. Исходно узкая гостальная специализация новообразованного микроба оказалась эволюционно высоко потентной.

Генетические и морфофизиологические изменения клона псевдотуберкулезного микроба, попавшего в стерильную кровь спящего сурка можно рассматривать в рамках концепции некогерентной эволюции (Красилов, 1969). В сбалансированных насыщенных экосистемах происходит когерентная эволюция — плавная, относительно медленная, осуществляющаяся путем конкурентного замещения видов в рамках прежней экологической структуры и прогрессирующего сужения экологических ниш. Крупные эволюционные новации при этом маловероятны. Некогерентная эволюция начинается при разрушении биоценотических структур, когда регулирующее воздействие ценоза на филогенез ослабевает и вероятность приобретения существенно новых свойств увеличивается. При некогерентной эволюции популяционно-генетические механизмы, высвобождаясь из-под ценотического контроля, становятся определяющими. В таких случаях, когда снят буферный эффект ценоза, некогерентная эволюция проходит много быстрее (как показали опыты Г.Х.Шапошникова, 1965 на тлях — в миллион раз!), чем в полноценных насыщенных биоценозах (Жерихин, 1978, 2003; Расницын, 2004; Axelrod, 1967; Lewin, 1983; Hoffman, Parsons, 1997). Принципы эволюции в когерентной и некогерентной среде можно образно сравнить с движением, в первом случае, в густой, вязкой, клейкой массе, которая сковывает, обволакивает и не дает двигаться быстро, и, во втором случае, — в легкой жидкой, а еще вернее, газообразной среде, когда движения в любом направлении не вызывают затруднений. Происхождение чумы не было следствием явного обеднения ценоза, но предковый микроб механическим путем попал в упрощенную ценотическую среду. Поэтому, надо полагать, процесс формирования чумного микроба в стерильной крови спящих сурков заключался, главным образом, в выработке механизма нейтрализации антител и ингибирования фагоцитоза и прошел очень быстрыми темпами, сравнимыми со скоростями преобразований при искусственном отборе, по образному выражению Б.Рена — «in eye blink (в мгновение ока)» (Wren, 2003). С другой стороны, А.В.Марков (1996) полагает, что экологическое пространство в пределах адаптивной зоны, занимаемое новым видом, никогда не бывает полностью «свободным» (или в нашем случае — стерильным). Корректнее, вероятно, говорить об областях с пониженным конкурентным давлением, как это делают Н.Н.Каландадзе и А.С.Раутиан (1984, 1993), развивая концепцию «экологических лакун».

Наиболее важные свойства, поддержанные естественным отбором, которые приобрел возбудитель чумы как облигатный паразит, в отличие от своего сапрозоонозного предшественника, выражаются в следующем:

1) хозяевами становятся теплокровные животные; другая, не менее важная среда обитания — кровь хозяина в организме блохи на разных стадиях ее переваривания; сохранилась широкая норма температурного реагирования — может размножаться при температурах от 0 до 42^оС; при разных температурах срабатывают разные ферментные системы: капсюльный антиген F1 отвечает за подавление иммунитета и синтезируется только в организме теплокровного хозяина, но не в блохе, а ферментировать гемин микроб способен только в организме блохи, но не теплокровного хозяина; энергетические выгоды такой эволюции состоят в экономии на адаптации;

2) при завоевании новой среды обитания не было необходимости в затратах энергии на межвидовую борьбу за существование с другой микрофлорой, так как кровь теплокровных хозяев в норме — стерильная среда; важное новоприобретение — синтез пестицина, «оторвавшего» его от предковой формы; основные адаптационные энергетические затраты были направлены на межвидовую борьбу только со средой обитания — хозяином, а точнее, с его иммунной системой — антителами и фагоцитами лимфатической системы, в результате которой функция иммунитета была ингибирована;

3) находясь в организме хозяина, питается за его счет; при этом в обмене использует вещества, не требующие сложной химической переработки, а также готовые к усвоению аминокислоты; это позволяет ему освободиться от сапрофитических свойств предковой формы, проявляющихся в способности активно размножаться в органике внешней среды, и он становится полиауксотрофом;

4) теряет органы движения; эту функцию принимают на себя хозяин (движение лимфы и крови в организме) и переносчик (трансмиссивная передача между хозяевами).

Возбудитель псевдотуберкулеза, преобразуясь в микроба чумы, перешел из открытой системы «теплокровное животное — почва» в замкнутую — «монгольский сурок — O.silantiewi», то есть его специализация шла по пути приспособления к новой очень узкой среде обитания. Микроб псевдотуберкулеза может существовать независимо от непосредственного взаимодействия с другими живыми организмами, перемещаясь в пространстве за счет физических факторов среды: течением воды, движением воздуха. Подобные стихийные способы перемещения к источникам пищи эффективны лишь при условии, что эти источники распределены в природе более или менее диффузно. Поскольку субстраты питания автотрофов и сапрофитов имеют относительно диффузную дислокацию в природе, такие механизмы перемещения оказываются достаточно эффективными для их существования (Бургасов, Румянцев, 1985). Кроме того, микроб псевдотуберкулеза обладает собственной подвижностью, поэтому может осуществлять микроперемещения в среде самостоятельно.

В гостальной фазе развития микроб псевдотуберкулеза имеет широкий круг хозяев среди млекопитающих, птиц, рыб, беспозвоночных и рассеивается животными также диффузно. Первичным же хозяином новообразованного микроба чумы стал только монгольский сурок. Отдельные особи хозяина, организованные в популяции, как непосредственная среда обитания этого микроба, имеют уже не диффузное, а дискретное распределение в природе. В связи с этим микроб чумы, в отличие от псевдотуберкулезного, приспособлен не к пассивным способам перемещения, а к трансмиссивному — более надежному и специализированному. Это — пример видо(родо)образования путем узкой эволюционной специализации предковой формы, которая имела широкие эволюционные перспективы. Кардинальные свойства возбудителя, как паразита крови активных сурков, оказались необходимым и достаточным условием для освоения других паразитарных систем «грызун (пищуха) — блоха».

На модели происхождения микроба чумы можно проследить различные эволюционные явления: преадаптацию анцестральных форм; адаптивную радиацию; мозаичную эволюцию — разную скорость формирования отдельных признаков; макроэволюцию — завоевание видом принципиально новой среды обитания. Рассмотрим подробнее последний феномен.