От микроорганизмов до мегаполисов. Поиск компромисса между прогрессом и будущим планеты

Микроорганизмы и вирусы

Если бы невидимость без микроскопа была единственным критерием классификации, то все вирусы были бы микроорганизмами – но поскольку эти простые связки нуклеиновых кислот в белковой оболочке (ДНК и РНК) являются неклеточными и не могут жить за пределами подходящего организма-хозяина, их следует классифицировать отдельно. Существуют некоторые многоклеточные микроорганизмы, но большинство микробов, включая архей и бактерий, являются одноклеточными. Эти одноклеточные организмы – простейшие, старейшие и наиболее многочисленные формы жизни, но их классификацию никак не назвать простой. Два основных принципа деления связаны с их структурой и обменом веществ. Прокариотические клетки не имеют ни ядра, ни других внутренних органелл; эукариотические клетки имеют защищенные мембраной органеллы.

Археи и бактерии – два домена прокариотов. Это деление появилось относительно недавно: Везе и др. (Woese et al., 1990) поделили все организмы на три основных домена (категории суперцарств): археи, бактерии и эукариоты, и это деление опирается на секвенирование пар нуклеотидов в универсальном рибосомном гене, который кодирует клеточный механизм соединения белков (Woese and Fox, 1977). Лишь крошечная доля эукариотов, включая протозоа и некоторые водоросли и грибы, является одноклеточными. Основное деление по типу питания проходит между хемоавтотрофами (способными извлекать углерод из CO₂) и хемогетеротрофами, получающими углерод путем расщепления органических молекул. Первая группа включает все одноклеточные водоросли и множество фотосинтезирующих бактерий, второй путь обмена веществ распространен среди архей, и, конечно, все грибы и животные являются хемогетеротрофами.

Дальнейшее деление происходит в зависимости от устойчивости к разнообразным условиям окружающей среды. Кислород необходим для роста всех одноклеточных водорослей и многих бактерий, включая такие распространенные виды, как Bacillus и Pseudomonas. Условные анаэробы могут расти в присутствии или в отсутствие кислорода и включают такие распространенные виды бактерий, как Escherichia, Streptococcus и Staphylococcus, а также Saccharomyces cerevisiae, грибок, отвечающий за ферментацию алкоголя и дрожжевое тесто. Анаэробы (все метанобразующие археи и многие виды бактерий) не терпят присутствия кислорода. В зависимости от переносимости температуры окружающей среды одноклеточные организмы делятся на психрофильные виды, способные выживать при низких (и даже отрицательных) температурах, мезофильные, лучше всего чувствующие себя при умеренных температурах, и термофильные, которые могут расти и размножаться при температуре выше 40 °C.

Психрофилы включают бактерии, вызывающие порчу продуктов в холодильнике: Pseudomonas растут на мясе, Lactobacillus – на мясных и молочных продуктах, а Listeria – на мясе, морепродуктах и овощах всего при температуре 1–4 °C. Некоторые виды метаболизируют даже при отрицательных температурах: в переохлажденных каплях облаков, соляных растворах или льдах Антарктики, температура которых ниже точки замерзания (Psenner and Sattler, 1998). До 1960-х годов считалось, что нет бактерий, более устойчивых к высоким температурам, чем Bacillus stearothermophilus, способной расти в воде с температурой 37–65 °C; это была самая устойчивая к высоким температурам известная бактерия до того, как открытие в 1960-е годы супертермофильных разновидностей Bacillus и Sulfolobus повысило максимальную температуру до 85 °C и затем до 95–105 °C для Pyrolobus fumarii, архея, обнаруженного на стенах глубоководных морских теплоотводных труб для горячей воды; более того, Pyrolobus перестает расти в воде с температурой ниже 90 °C (Herbert and Sharp, 1992; Blöchl et al., 1997; Clarke, 2014).

Экстремофильные бактерии и археи имеют еще большую амплитуду устойчивости к сильнокислой среде. Большинство видов лучше всего растут в нейтральных (pH 7,0) условиях, однако оптимальной кислотностью для роста Picrophilus oshimaehas является pH 0,7 (более чем в миллион раз кислее по сравнению с нейтральной), что еще более удивительно с учетом необходимости поддерживать внутренний (цитоплазматический) pH всех бактерий на уровне, близком к 6,0. Бактерии, живущие в кислой среде, сравнительно часто встречаются на геотермальных участках и в кислых почвах, содержащих пириты или сульфиды металлов, и их рост используется в коммерческих целях для извлечения меди из раздробленной низкокачественной руды, сбрызнутой подкисленной водой.

В отличие от них алкалифильные бактерии не выносят даже нейтральной среды и растут только при pH 9–10 (Horikoshi and Grant, 1998). Такая среда распространена в щелочных озерах Северной и Южной Америки, Азии и Африки, в том числе озере Моно и Оуэнс в Калифорнии. Halobacterium – крайне алкалифильная бактерия, устойчивая к уровню pH, достигающему 11, и процветает в сильносоленых прибрежных водах. Один из лучших видов на разросшиеся водоросли с характерными красными и фиолетовыми оттенками, обусловленными бактериородопсином, можно наблюдать на окруженных насыпью заболоченных участках в южной оконечности залива Сан-Франциско, подлетая к городскому аэропорту.

Кроме того, существуют полиэкстремофильные бактерии, устойчивые к нескольким экстремальным условиям. Пожалуй, лучшим примером в данной категории является Deinococcus radiodurans, часто встречающаяся в почве, экскрементах животных и канализации: она выживает при крайне высоких дозах радиации, ультрафиолетового излучения, обезвоживании и сушке замораживанием благодаря своей необычайной способности восстанавливать поврежденную ДНК (White et al., 1999; Cox and Battista, 2005). В то же время для роста некоторых бактерий имеет значение даже небольшая разница температуры: Mycobacterium leprae предпочитает в первую очередь захватывать немного более прохладные части тела, именно поэтому лепра часто появляется на конечностях, а также ушах. Неудивительно, что оптимальные условия для роста распространенных бактериальных патогенов совпадают с температурой человеческого тела: Staphylococcus aureus, отвечающий за кожные инфекции и инфекции верхних дыхательных путей, предпочитает температуру 37 °C, как и Clostridium botulinum (производящий опасный токсин) и Mycobacterium tuberculosis. Но для Escherichia coli, вида бактерии, с которым чаще всего связаны вспышки диареи и инфекции мочевыводящих путей, оптимальная температура роста составляет 40 °C.

Рост микроорганизмов

Для роста микроорганизмов требуются основные макро- и микроэлементы, в том числе азот (незаменимый компонент аминокислот и нуклеиновых кислот), фосфор (для синтеза нуклеиновых кислот, АДФ и АТФ), калий, кальций, магний и сера (необходимая для серосодержащих аминокислот). Многие виды также нуждаются в микроскопических количествах металлов, особенно меди, железа, молибдена и цинка, а также таких факторах роста, как витамины группы В. За бактериальным ростом лучше всего следить, сделав посев в плотную (агар, полученный из полисахарида, содержащегося в клеточных стенках некоторых водорослей) или жидкую (питательный бульон) среду (Pepper et al., 2011).

Монод (Monod, 1949) описал последовательность фаз роста культур бактерий: начальная лаг-фаза (отсутствие роста), фаза ускорения (темп роста возрастает), экспоненциальная фаза (темп роста постоянный), фаза затухания (темп роста снижается) и стационарная фаза (рост снова отсутствует, на этот раз в результате истощения питательных веществ или присутствия ингибиторов), за которой следует фаза смерти. Эта обобщенная последовательность имеет множество вариаций: одна или несколько фаз могут или отсутствовать, или длиться так недолго, что почти не регистрируются; в то же время траектории могут быть более сложными, чем идеальная базовая. Поскольку средний размер растущих клеток может значительно отличаться на разных фазах их роста, концентрация клеток и плотность бактерий не являются эквивалентными единицами измерения, но в большинстве случаев вторая из этих переменных более важна.

Базовая траектория роста культивируемых клеток бактерий, очевидно, является сигмоидальной: на рис. 2.2 показан рост Escherichia coli O157:H7, часто встречающегося серотипа, заражающего сырую пищу и молоко и вырабатывающего токсин Shiga, вызывающий эшерихиозы (коли-инфекции). Микробиологи и математики применяли множество стандартных моделей, демонстрирующих сигмоидальный рост, в том числе аутокаталитические, логистические уравнения и уравнение Гомпертца, и разрабатывали новые модели в поиске наилучшего соответствия для наблюдаемых траекторий роста и попытках спрогнозировать три основных параметра бактериального роста: длительность лаг-фазы, максимальную скорость роста для конкретного вида и время удвоения (Casciato et al., 1975; Baranyi, 2010; Huang, 2013; Peleg and Corradini, 2011).

В целом результаты распространенных моделей логистического типа часто бывают почти неразличимыми. Пелег и Коррадини (Peleg and Corradini, 2011) продемонстрировали, что, несмотря на разную математическую структуру (а также несмотря на отсутствие механистической интерпретации), модель Гомпертца, логистическая, смещенная логистическая и степенная модель роста отлично подходят для описания и могут взаимно заменяться для отслеживания экспериментального изотермического роста бактерий. Более того, Бушанан и др. (Buchanan et al., 1997) обнаружили, что изображение траектории роста Escherichia coli не требует функций кривых и может быть выполнено не хуже с помощью простой трехфазной линейной модели. Отсюда следует логичный вывод, что для количественного отображения роста бактерий следует выбирать самую простую и удобную модель.

Рис. 2.2. Логистический рост Escherichia coli O157:H7. График составлен на основе данных (Buchanan et al., 1997)

 

В оптимальных лабораторных условиях время генерации (интервал между последовательным делением) повсеместно распространенной Escherichia coli составляет 15–20 минут. Параллельно выращиваемые на сукцинате культуры демонстрируют время генерации, в среднем близкое к 40 минутам (Plank and Harvey, 1979), но время их удвоения в кишечнике составляет 12–24 часа. Эксперименты Майтры и Дилла (Maitra and Dill, 2015) показывают, что на пределе скорости воспроизведения (режиме быстрого роста в присутствии обильного питания) Escherichia быстро удваивает все свои белки, производя пропорционально больше рибосом – протеиновых комплексов, которые производит клетка, чтобы синтезировать все белки, – чем других белков. Следовательно, по-видимому, энергетическая эффективность клеток в условиях быстрого роста является основной функцией приспособленности клетки.

Время генерации Streptococcus pneumoniae, ответственной за синуситы, отиты среднего уха, остеомиелит, инфекционный артрит, эндокардит и перитонит, составляет 20–30 минут. Lactobacillus acidophilus – распространенная в желудочно-кишечном тракте людей и животных и присутствующая (вместе с другими видами того же рода, Lactobacillus bulgaricus, bifidus, casei) в йогурте и пахте – имеет время генерации приблизительно 70–90 минут. Rhizobium japonicum, азотфиксирующему симбионту, сообщающему питательность бобовым культурам, требуется для генерации до восьми часов. При ферментации опары промышленные штаммы Lactobacillus, используемые в пекарнях, достигают пика своего роста в период между 10 и 15 часами после введения и перестают расти спустя 20–30 часов (Mihhalevski et al., 2010), а время генерации Mycobacterium tuberculosis в среднем составляет около 12 часов.

Учитывая невероятное разнообразие биосферных ниш, населенных микроорганизмами, неудивительно, что рост архей, бактерий и одноклеточных грибов в естественных условиях – где они сосуществуют и конкурируют в сложных сообществах – может значительно отличаться от траекторий роста культур в лабораторных условиях и что темпы деления клеток могут охватывать множество порядков. Лаг-фазы могут значительно удлиняться, когда требуемые питательные вещества отсутствуют или имеются лишь в минимальных количествах, или в связи с отсутствием способности расщеплять новый субстрат. Текущей популяции бактерий, возможно, придется претерпеть необходимые мутации или перенос генов, чтобы дальнейший рост стал возможен.

Измерение роста бактерий в естественных условиях почти всегда осложняется тем, что большинство видов живут в больших сообществах, состоящих из других микроорганизмов, грибов, протозоа и многоклеточных организмов. Их рост не происходит изолированно для одного вида и характеризуется комплексной динамикой популяции, затрудняя определение времени генерации для конкретного вида не только в естественных, но и в контролируемых условиях. Благодаря выделению и анализу ДНК мы узнали, что существует целое подцарство бактерий (включая Acidobacteria, Verrucomicrobia и Chloroflexi, содержащиеся в почвах), процветающее в природе, но с трудом поддающееся или совсем не поддающееся росту в лабораторных культурах.

Эксперименты всего с двумя видами (Curvibacter и Duganella), выращенными в сокультуре, указывают, что их взаимодействие выходит за рамки простого случая прямой конкуренции или попарных «игр» (Li et al., 2015). Кроме того, реакция на прерывистое обновление ресурсов различается в зависимости от вида: например, коэволюция с Serratia marcescens (одним из энтеробактеров, часто ответственных за внутрибольничные инфекции) заставляла клонов Novosphingobium capsulatum (способных разлагать ароматические соединения) расти быстрее, в то время как эволюционировавшие клоны Serratia marcescens имели более высокий уровень выживания и более медленный темп роста, чем их предшественник (Pekkonen et al., 2013).

Скорость разложения лиственного опада (листьев, хвои, фруктов, орехов, шишек, коры, веток) в лесу открывает глаза на косвенное измерение различных скоростей роста микроорганизмов в природе. В процессе разложения происходит переработка макро- и микроэлементов. Помимо того, этот процесс отвечает за насыщение почвы углеродом и азотом, а бактерии и грибы являются его доминирующими агентами как на земле, так и в водных экосистемах (Romaní et al., 2006; Hobara et al., 2014). Их деструктивные ферменты могут в конце концов разрушить любое органическое вещество, и эти две группы микроорганизмов действуют как совместно, так и против друг друга. Бактерии могут разлагать самые разнообразные органические субстраты, но грибы превосходят их и во многих случаях становятся единственным возможным средством разложения лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, растительных полимеров, составляющих древесные волокна и клеточные стенки.

Разложение лесного опада требует последовательного расщепления различных субстратов (включая воски, фенольные смолы, целлюлозу и лигнин), которые должны быть атакованы разнообразными металлоферментами, но бактерии разложения живут в мире множества ограничений питания (Kaspari et al., 2008). Сравнительный анализ в мировом масштабе с использованием данных с 110 участков подтвердил ожидаемую положительную корреляцию разложения опада с сокращением широты распространения и содержания лигнина и ростом среднего значения годовой температуры, выпадением осадков и концентрации питательных веществ (Zhang et al., 2008). В то время как ни один фактор не обладал решающей объяснительной силой, в целом ее обеспечивала комбинация всех питательных веществ и углерода: доля азота объясняла 70 % варьирования скорости разложения опада. В относительных терминах скорость разложения в тропическом дождевом лесу была почти вдвое выше, чем в широколиственном лесу средних широт, и более чем втрое быстрее, чем в хвойном лесу. Качество опада, то есть годность субстрата для метаболизма распространенных микроорганизмов, однозначно является основным прямым регулятором скорости разложения опада в глобальном масштабе.

Неудивительно, что темп естественного роста некоторых экстремофильных микробов может быть необычайно медленным, а время генерации может быть на порядки длиннее, чем для распространенных бактерий, обитающих в почве или воде. Яянос и др. (Yayanos et al., 1981) сообщали, что облигатный барофильный (устойчивый к давлению) изолят, извлеченный из мертвой амфиподы Hirondella gigas, пойманной на глубине 10 476 м в Марианской впадине (самом глубоком в мире океаническом желобе), имел оптимальное время генерации около 33 часов при температуре 2 °C и давлении 103,5 Мпа, преобладающих в месте ее происхождения. Аналогично Pseudomonas bathycetes, первый вид, выделенный из образца отложений, взятого во впадине, имеет время генерации 33 дня (Kato et al., 1998). В отличие от них время генерации термофильных и пьезофильных (устойчивых к давлению) микробов из глубоких (более 2 км) золотодобывающих шахт Южной Африки, по оценкам, составляет порядка 1000 лет (Horikoshi, 2016).

Кроме того, существуют микробы, погребенные глубоко в земле под дном самых глубоких океанических впадин, которые могут расти даже в условиях давления, в 400 000 раз превышающего давление на поверхности Земли, но «мы не можем оценить время генерации [этих] экстремофилов… Они имеют индивидуальные биологические часы, поэтому их временная шкала будет отличаться» (Horikoshi, 2016, 151). Но даже разница между средним временем генерации, равным 20 минутам, для распространенной кишечной и почвенной бактерии и 1000 лет – для барофильных экстремофилов составляет семь порядков, и не исключено, что она может достигать десяти порядков для еще не описанных экстремофилов.

И, наконец, кратко рассмотрим повторяющийся рост морских микроорганизмов, настолько активный, что его видно на спутниковых снимках. Несколько организмов – включая бактерии, одноклеточные водоросли и эукористические динофлагелляты и кокколитофоры – могут быстро размножаться и образовывать цветение на поверхности воды (Smayda, 1997; Granéli and Turner, 2006). Его масштаб может ограничиваться озером, заливом или прибрежными водами, но часто они покрывают достаточно обширные площади, которые легко заметны на спутниковых снимках (рис. 2.3). Более того, многие из этих организмов ядовиты и представляют риск для рыбы и морских беспозвоночных. Одной из распространенных бактерий, образующих цветение, является Trichodesmium, цианобактерия, растущая в бедных питательными веществами тропических и субтропических океанических водах, чьи клетки с газовыми вакуолями формируют макроскопические нити и скопления нитей соломенного цвета, но окрашиваются в красный цвет при высокой концентрации.

Рис. 2.3. Цветение водорослей в западной части озера Эри 28 июля 2015 года. Спутниковый снимок НАСА доступен на https://eoimages.gsfc.nasa.gov/images/ imagerecords/86000/86327/erie_oli_2015209_lrg.jpg

Пигментация крупных площадей цветения Trichodesmium erythraeum дала название Красному морю. Повторяющееся красное цветение имеет сравнительно уникальный спектр (включая высокое отраженное рассеяние, вызванное присутствием газовых везикул и поглощение пигмента фикоэритрина), благодаря которому оно различимо спутниками (Subramaniam et al., 2002). Trichodesmium также обладает редкой способностью фиксировать азот, то есть превращать инертный атмосферный молекулярный азот в аммиак, который можно использовать для собственного метаболизма и поддержания роста других морских организмов: она может генерировать до половины всего органического азота, присутствующего в океане, но поскольку фиксация азота не может происходить в аэробных условиях, она происходит внутри особых гетероцист цианобактерий (Bergman et al., 2012). Цветение Trichodesmium образует слой фитомассы, который часто поддерживает сложные сообщества других морских микроорганизмов, включая другие бактерии, динофлагелляты, протозоа и копеподов.

Уолш и др. (Walsh et al., 2006) описали последовательность, происходящую в Мексиканском заливе, где богатый фосфором водосток инициирует смену планктона, как только в бедные питательными веществами субтропические воды периодически попадает богатая железом пыль из Сахары. Наличие этих питательных веществ позволяет цветению Trichodesmium предшествовать цветению Karenia brevis, одноклеточного динофлагеллята, печально известного тем, что он вызывает токсичные «красные приливы». Эта примечательная последовательность, являющаяся прекрасным примером комплексных предварительных условий, необходимых для обеспечения высоких темпов бактериального роста, повторяется в других теплых водах, получающих больше богатого фосфором водостока из удобренных пахотных земель и периодические дозы богатой железом пыли из африканских и азиатских пустынь. В результате частота и сила «красных приливов» в XX веке увеличились. Сейчас они встречаются в водах от Мексиканского залива до Японии, Новой Зеландии и Южной Африки.

Патогены

Три категории роста микробов имеют особенно разрушительные последствия: распространенные патогены, заражающие сельскохозяйственные культуры и снижающие их урожай, широкий ряд микробов, повышающих заболеваемость и смертность людей, и микроорганизмы и вирусы, ответственные за инфекции, охватывающие население (эпидемии) или даже оказывающие глобальное воздействие (пандемии). За исключением нескольких примеров, названия бактериальных и грибковых растительных патогенов неизвестны за пределами круга специалистов. Наиболее важными патогенными растительными бактериями являются Pseudomonas syringae и множество ее патоваров, растущих, как эпифиты, на многих сельскохозяйственных культурах, и Ralstonia solanacearum, ответственная за бактериальное увядание (Mansfield et al., 2012). Наиболее опустошающими грибковыми патогенами являются Magnaporthe oryzae (грибок пирикуляриоза риса) и Botrytis cinerea, серый плесневый грибок, поражающий более 200 видов растений, но лучше всего известный благодаря своей полезной роли (производство благородной гнили, pourriture noble), незаменимой при производстве таких сладких вин, как сотерн и токай (Dean et al., 2012).

Несмотря на то что в распоряжении человечества уже более полувека есть множество антибиотиков широкого спектра и узконаправленного действия, многие бактериальные болезни по-прежнему чреваты высокой смертностью, особенно Mycobacterium tuberculosis в Африке и Streptococcus pneumococcus, вызывающий бактериальную пневмонию у людей старшего возраста. Salmonella ответственна за частые случае пищевых отравлений, Escherichia coli является основной причиной диареи, и обе – распространенными причинами заболеваний. Но широкое распространение антибактериальных лекарств сократило длительность распространенных инфекций, ускорило выздоровление, предотвращает преждевременную смерть и увеличило продолжительность жизни.

Обратной стороной этих желаемых результатов стало распространение штаммов бактерий, устойчивых к антибиотикам, начавшееся всего через несколько лет после внедрения новых противомикробных препаратов в начале 1940-х годов (Smith and Coast, 2002). Устойчивый к пенициллину Staphylococcus aureus был обнаружен уже в 1947 году. Первый штамм метициллин-резистентного золотистого стафилококка (МРЗС, вызывающего бактериемию, пневмонию и инфекцию хирургических ран) появился в 1961 году, распространился по всему миру, и сегодня на его долю приходится более половины всех инфекций, приобретенных во время интенсивной больничной терапии (Walsh and Howe, 2002). Последним средством против бактерий, устойчивых к наиболее часто выписываемым антибиотикам, стал ванкомицин, но первые ванкомицин-резистентные стафилококки появились уже в 1997 году в Японии и в 2002 году в США (Chang et al., 2003).

Последняя глобальная оценка применения антибиотиков указывает на то, что их эффективность продолжает снижаться по мере роста устойчивости как к антибиотикам первой линии, так и к препаратам «последнего шанса» (Gelband et al., 2015). В США устойчивость к антибиотикам служит причиной более 2 млн заражений и 23 000 смертей ежегодно и ведет к прямым издержкам в размере $20 млрд и потере производительности – в $35 млрд (CDC, 2013). В то время как в Северной Америке и Европе наблюдается значительное снижение МРЗС, в странах Африки, расположенных южнее Сахары, Латинской Америке и Австралии он продолжает расти, сегодня Escherichia coli и родственные бактерии устойчивы к цефалоспоринам третьего поколения, а карбапенем-резистентная Enterobacteriaceae приобрела устойчивость даже к карбапенемам, являющимся последним средством.

Победа над патогенным бактериальным ростом, ставшая возможной благодаря антибиотикам, сходит на нет из-за их ненадлежащего и излишнего использования (ненужное самолечение в странах, где лекарства продаются без рецепта, и лишние назначения в развитых странах), а также недостаточных санитарных мер в больницах и массового профилактического применения антибиотиков в животноводстве. Предотвращение возникновения устойчивых к антибиотикам мутаций никогда не рассматривалось всерьез, но даже задачей хотя бы минимизировать этот вред слишком долго пренебрегали. В результате многие как домашние, так и дикие животных, которые никогда не получали антибиотики напрямую, сегодня к ним маловосприимчивы (Gilliver et al., 1999).

Необходимость восстановить определенный уровень контроля стала еще более актуальной с ростом доказательств того, что почвенные бактерии обладают естественной устойчивостью к антибиотикам или способностью расщеплять их. Более того, Чжан и Дик (Zhang and Dick, 2014) выделили из почвы штаммы бактерий, не только устойчивых к антибиотикам, но и использующих их как источник энергии и питательных веществ, хотя они и не подвергались воздействию антибиотиков прежде: они обнаружили 19 бактерий (в основном принадлежащих к протеобактериям и бактероидетам), которые могли расти на пенициллине и неомицине в качестве единственного источника углерода до концентрации 1 г/л.

Доступность антибиотиков (и более строгие профилактические меры) также минимизировали гораздо более сильную угрозу для человечества. Эту угрозу представляли бактерии, способные вызывать крупномасштабные эпидемии и даже пандемии, самой известной из которых является Yersinia pestis, палочковидная анаэробная коккобацилла, вызывающая чуму. Чумная палочка была идентифицирована и культивирована в 1894 году Александром Йерсеном в Гонконге, и вскоре Жан-Поль Симон обнаружил, что бактерия передается от грызунов через укусы блох (Butler, 2014). В 1897 году была разработана вакцина, и в конце концов (с 1947 года) наиболее эффективным лекарством стал стрептомицин (Prentice and Rahalison, 2007).

«Юстинианова чума» 541–542 годов и средневековая «Черная смерть» – две самые известные в истории своей смертоносностью эпидемии (не пандемии, так как они не достигли Америки и Австралии). «Юстинианова чума» прокатилась по Византии (Востоку Римской империи), государству Сасанидов и всему Средиземноморью, унеся до 25 млн жизней (Rosen, 2007). Аналогичная страшная эпидемия вернулась в Европу восемь веков спустя и получила название «Черная смерть», поскольку заболевание сопровождалось почернением кожи и плоти. Весной 1346 года чума, эндемичная для степного региона юга России, достигла берегов Черного моря и затем к октябрю 1346 года морскими маршрутами через Константинополь была занесена на Сицилию и в западное Средиземноморье, достигнув к концу 1347 года Марселя и Генуи (Kelly, 2006).

Зараженные блохами крысы на торговых судах разносили чуму по прибрежным городам, где она передавалась местным популяциям крыс, но последующее распространение по континенту происходило в основном воздушно-капельным путем. К 1350 году чума распространилась по Западной и Центральной Европе, к 1351 году достигла северо-запада России, и к 1353 году самая восточная волна вернулась в изначальный очаг – в Каспийский бассейн (Gaudart et al., 2010). Смертность по всей Европе составила не менее 25 млн человек, и до распространения по Европе чума убила множество людей в Китае и Центральной Азии. В период между 1347 и 1351 годами она также распространилась от Александрии на Ближний Восток до самого Йемена.

Совокупная смертность от чумы составила 100 млн человек, но даже гораздо более низкая цифра была способна вызвать значительное уменьшение населения во многих регионах, а ее демографические и экономические последствия длились поколениями. Разногласиям, касающимся этиологии «Черной смерти», был окончательно положен конец только в 2010 году, когда была идентифицирована ДНК и белковые маркеры, специфические для Yersinia pestis, в материале, взятом из массовых захоронений Европы (Haensch et al., 2010). Исследование также позволило выделить две ранее неизвестные, но родственные Yersinia филогенетические ветви, связанные с массовыми захоронениями. Они подсказали, что чума XIV века достигала Европы разными путями как минимум дважды.

Гомес и Верду (Gómez and Verdú, 2017) реконструировали сеть связей между Европой XIV века и азиатскими городами, включая паломничество и торговлю, и обнаружили, как и ожидалось, что города с более высокой транзитивностью (связь узлового пункта с двумя другими, также связанными напрямую) и центральностью (число и интенсивность связей с другими узловыми пунктами в сети) испытывали более серьезное воздействие чумы, так как подвергались большему числу внешних повторных заражений. Но доступная информация не позволяет нам надежным образом восстановить траектории распространения эпидемии «Черной смерти», прокатившейся по Европе в конце 1340-х годов.

Более поздние, гораздо менее губительные вспышки чумы случались в Европе до конца XVIII века, и записи о количестве умерших в некоторых городах дают возможность проанализировать процесс распространения инфекции. Монеке и др. (Monecke et al., 2009) обнаружили высококачественные данные из Фрайбурга (в Саксонии) за период эпидемий чумы в мае 1613 года и феврале 1614 года, когда более 10 % населения города умерло. Их модели развития эпидемии близко соответствуют историческим записям. Число жертв чумы демонстрирует почти нормальное (Гауссово) распределение, с пиком приблизительно на сотом дне после первых смертей и возвращением к норме после приблизительно 230 дней.

Пожалуй, самым интересным их открытием стало то, что при внедрении даже небольшого числа невосприимчивых к болезни крыс в популяцию при в остальном неизменных условиях вспышка прекращается и ограничивается лишь небольшим числом смертей. Они пришли к выводу, что распространение Rattus norvegicus (серой или канализационной крысы, способной при заражении Yersinia вырабатывать частичный популяционный иммунитет, так как она предпочитает влажную среду обитания) ускорило отступление европейской чумы в XVII веке. Многие эпидемии чумы происходили в течение XIX века, и даже в XX веке случались вспышки в Индии (1903), Сан-Франциско (1900–1904), Китае (1910–1912) и Индии (Сурат) в 1994 году. В течение двух последних поколений более 90 % всех локализованных вспышек приходились на африканские страны, а остальные – на Азию (наиболее примечательные во Вьетнаме, Индии и Китае) и в Перу (Raoult et al., 2013).