Rating@Mail.ru

Биологические угрозы

Биологические угрозы
биология
Биология
1085 публикаций
27 Июня 2019
Николай Дурманов рассказывает, как человечество будет бороться с инфекциями и выживать в условиях изменившегося климата

В проекте «Среда выживания» совместно c Институтом экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) Тюменского государственного университета мы рассказываем о биологических угрозах современности и методах защиты от них.

Люди воспринимают идею биологических угроз как некий список опасностей, которые уготованы человеку природой. Мы считаем, что вынуждены защищаться от различных природных явлений: от какой-нибудь новой инфекции и переносящего ее тропического комара, который адаптировался к холодному климату, от иксодового клеща, разносящего более 30 видов патогенных микроорганизмов, или от несносной жары, которая начинает донимать людей из-за изменений климата. 

Биоценоз — это исторически сложившаяся совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство, связанных между собой, а также окружающей их средой

Но на тему биологических угроз можно взглянуть и по-другому. Это не на нас нападают — это мы нападаем. Это человек полностью и, скорее всего, необратимо разрушил бо́льшую часть биоценозов и освоил практически всю поверхность Земли, которая теперь наполовину занята полями, пастбищами и сенокосами, городами и трущобами, дорогами, свалками и горными выработками, минными полями и площадками для гольфа. 

Точно так же мы заполняем собой всю биосферу. Люди вместе с коровами, овцами, козами и курами составляют 96% биомассы всех теплокровных животных на планете, а на всю дикую природу остается лишь 4%. [1] На нашей планете кур-бройлеров в 4 раза больше, чем всех диких птиц, вместе взятых [2]. Мы агрессоры, и природа отбивается от нас достаточно безуспешно, если судить по формальным признакам — количеству особей и общей биомассе одного вида.

image
Мировая плотность населения в 2018 году (человек на кв. километр) // Wikipedia Commons

Геморрагическая лихорадка — острое лихорадочное заболевание, вызываемое вирусами

Что нам угрожает?

Человечество захватило планету и приобрело вместе с ней ряд проблем, которые получают захватчики, разгоняющие автохтонное население и остающиеся с проблемами, которые раньше были у этого населения. Новоприобретенные геморрагические лихорадки — это вирусы летучих мышей и мартышек в бывших джунглях, которые мы превратили в плантации масличных пальм и какао. 

Антибиотикоустойчивые бактерии — это результат выращивания в одном месте сотен тысяч голов скота и накачивания их антибиотиками, чтобы они не погибали от инфекций и быстрее росли. Тренированные на антибиотиковом скоте микробы попадают в почву, реки и нашу еду.

Проблема психологической неустойчивости человека, пандемия депрессий, психических и психоневрологических заболеваний — это тоже дело рук человека. Каждую неделю 3 миллиона землян переселяются в города [3], в которых часто нет канализации, чистой воды, здоровой еды и элементарной безопасности. В такой комбинации постоянного физиологического и психологического стресса неизбежно появление букета психиатрических патологий, от которых не застрахованы и жители более благополучных городов планеты.

И самое главное, люди стали чрезвычайно мобильны. Если раньше биологическая проблема, возникнув в локально, чаще всего решалась сама собой — к примеру, инфекционный агент либо погибал, либо опустошал все вокруг и исчезал из истории вместе со своими несчастными жертвами, — то теперь этот вариант не работает. Мы немедленно разносим инфекции по всей планете. 

Потеря биоразнообразия

Недооцененная опасность, которую люди приносят Земле, — это угроза потери биологического разнообразия. Биоразнообразие — это запас прочности биоценозов. Если его не будет, то постоянно возникающие изменения приведут к массовой потере устойчивости сложных биологических систем, состоящих из бактерий, вирусов, грибов, растений, простейших, членистоногих, птиц, зверей и людей. Потеря каждого вида означает потерю шансов, которые нам могут понадобиться во времена резкого изменения климата или иных чрезвычайных обстоятельств. 

Дело не только в том, что мы уничтожаем пчел и стрекоз инсектицидами, защищая свои посевы от долгоносиков и колорадских жуков. Главный механизм, которым мы сокращаем биоразнообразие, — это упрощение и гомогенизация природных биологических систем.

image
Европейские кролики — инвазивный вид в Австралии // Wikipedia Commons

Микроценозы — небольшие сообщества, находящиеся в пределах основных слоев биоценозов и под влиянием средообразующей деятельности доминантных популяции

Мы перевозим по всей планете огромное количество живых объектов, которые, попадая в новое место и не имея там естественных врагов, непропорционально размножаются и уничтожают местную фауну, флору и микробиоту. Завезенные человеком кролики — известный пример инвазивного вида в Австралии. Они неконтролируемо поедают местные растения и вытесняют местных животных. Украинский чертополох в Южной Америке в XIX веке сплошным ковром покрыл пампасы, а водный гиацинт практически уничтожил очистные сооружения Великих озер в Соединенных Штатах Америки. В России вдоль дорог растет опасное растение борщевик — классический пример инвазивного вида. Танкер, который забирает балластную воду в Малаккском проливе и выгружает ее около Мексики, ускоряет процессы гомогенизации биотических сообществ на миллионы лет, потому что он привозит гигантское количество живых существ, немедленно начинающих разрушать устоявшиеся местные биоценозы. 

Заботиться о сохранении биоразнообразия — это не вопрос эстетики и абстрактного желания показать детям в зоопарке разных экзотических животных, а вопрос нашего выживания.

Как сохранить биосферу?

Неолитическая революция — переход человеческих общин от примитивной экономики охотников и собирателей к сельскому хозяйству, основанному на земледелии и животноводстве

Люди часто мыслят категориями «это для меня удобно», «это для меня полезно», «это мне вкусно». Скорее всего, XXI век станет веком принятия ответственности человеком за судьбу планеты. Очень скоро мы достигнем критической точки, и нам нужно будет выбирать, каким образом восстанавливать разрушаемую биосферу. За время неолитической революции человечество сократило растительную биомассу на Земле почти вдвое — с 1 триллиона до 450 миллиардов тонн углеродного эквивалента [4]. Еще наши древние предки, тогда не очень многочисленные, начали наносить ущерб планете и глобально менять природу, и уничтожение мегафауны не самое страшное, что сделали пращуры. Скорее всего, тысячи лет подсечно-огневого земледелия, то есть выжигания биоценозов, были главным орудием влияния человечества на климат и биосферу.

image
Снимок ночной Земли // Wikipedia Commons

Трансмиссивные болезни — заразные болезни человека, возбудители которых передаются насекомыми и клещами

Один из путей восстановления — это трансформация биосферы в техносферу, полностью контролируемую человеком среду обитания. Это позволит нам решить как накопившиеся проблемы, так и те, которые только появляются во всей остроте: недостаточное количество воды и еды, чтобы напоить и накормить 10 миллиардов человек, необходимость немедленно прекратить эмиссию парниковых газов и разогрев Мирового океана и атмосферы, а лучше — начать забирать СО2 из атмосферы и складировать его в виде биомассы лесов и почв, в подземные геологические формации, на дно океанов или в других местах.

Понятие техносферы тесно связано с термином «антропоцен» — геологической эпохой, которую формирует человек. Считается, что степень геологического и климатического воздействия людей на планету такова, что именно мы определяем дальнейшие процессы, которые будут на ней происходить. Кто-то связывает начало антропоцена с зарождением сельского хозяйства 10–12 тысяч лет назад, кто-то относит это время на немного более ранний срок — истребление первобытными охотниками мегафауны, а кто-то считает, что есть официальная дата начала антропоцена — это лето 1945 года, когда из-за первых атомных взрывов появился явный и неоспоримый маркер новой геологической эпохи — радиоактивные нуклиды.

Как победить инфекционные болезни?

Одна из главных составляющих борьбы с инфекционными заболеваниями — борьба с переносчиками инфекций. Дело не ограничивается инсектицидами, акарицидами и фунгицидами, выливаемыми на поля сотнями тысяч тонн, — люди присматриваются к генетическим методам борьбы с переносчиками инфекций и сельскохозяйственными вредителями. В джунгли запускают комаров с измененным геномом, чтобы вытеснить комаров — переносчиков тропических лихорадок или малярии; появляются генетически измененные клещи, мухи и многие другие животные. Тем же методом Новая Зеландия и острова Океании планируют избавиться от кошек, крыс, опоссумов и прочих привезенных человеком животных под предлогом того, что они уничтожают аборигенную фауну и флору.

Важны технологии аккуратного, точного и, что самое главное, обратимого избирательного контроля. Нам надо контролировать перенос трансмиссивных зоонозов — опасных болезней, которые мы делим с другими животными и которые попадают к нам вместе с комарами, клещами, триатомовыми клопами и прочими транспортными средствами. Но очень важно в ходе борьбы с такими проблемами, уничтожая других живых существ, не причинить серьезный вред природе и в конечном итоге самим себе.

Главный инструмент борьбы с эпидемиями на Земле — это канализация, а не антибиотики. Раньше существовали города с миллионом жителей, в которых не было канализации, чистой воды и асфальта, а вместо машин по улицам сновали тысячи животных. Так жило человечество значительную часть своей истории. Только в конце XIX века города перестали быть черными демографическими дырами. До той поры сверхвысокая смертность населения требовала постоянного притока новых жителей. Когда начали успешно применять антибиотики, оптимисты объявили о победе над инфекциями.

image
Иксодовый клещ — переносчик клещевого энцефалита, боррелиоза и многих других опасных инфекционных заболеваний // ПостНаука & ТюмГУ

Испанка (испанский грипп) — наиболее масштабная эпидемия в истории человечества, унесшая жизни 2,7–5,3% населения Земли

По-другому природа не работает, мы живем так же, как и наши предки, но с одной маленькой разницей. Раньше люди со слабым иммунитетом быстро погибали, и оставались только те, кто имел какие-то генетические или физиологические шансы. Например, считается, что устойчивые к ВИЧ-инфекции носители одного варианта белка CCR5 обязаны этой мутацией средневековой чуме. Похоже, что чума убивала носителей такой мутации чуть менее интенсивно. Похожие процессы происходили в Африке с талассемией или серповидноклеточной анемией: носители этих опасных и часто летальных мутаций устойчивы к малярии, поэтому сейчас их так много в регионах, где бушует малярийный плазмодий. Но человечество по-прежнему платит дань инфекционным заболеваниям. За последние сто лет от малярии погибли 300 миллионов человек — такое сложно назвать победой. Одна испанка в начале XX века стала причиной 100 миллионов смертей. Помимо этого, каждый год открываются новые типы возбудителей инфекций, и слова Эбола, Ласса, Ханта, Денге, Нипах, Хендра, которые для наших предков ничего не значили, напоминают нам о еще не изведанном микромире, в котором постоянно обновляется и растет число опасных для людей патогенов.

Александр Флеминг — британский бактериолог, который впервые выделил пенициллин

Человек по-прежнему живет в огромном мире микробов: микроорганизмы составляют около 25% всей земной биомассы. Однажды мы решили, что имеем возможность с ними справляться, но уже тогда, в 1946 году, Александр Флеминг говорил, что у микробов обязательно появится привыкание к открытому им пенициллину — первому искусственному антибиотику. 

Как формируется устойчивость к антибиотикам? 

Способность вырабатывать устойчивость к антибиотикам — это основа жизни микромира. Если бы ее не было, самый сильный организм уничтожил бы остальных и занял всю планету. Одна бактерия или грибок выделяет вещества, которые нарушают клеточную стенку другой бактерии, — так действует пенициллин. Не все жертвы погибают, некоторые мутируют и начинают вырабатывать фермент, расщепляющий антибиотик, или же меняется клеточная стенка, и антибиотику становится не за что зацепиться, его мишень на бактерии исчезает. 

Иногда микробы убивают антибиотиками друг друга, нарушая какую-то очень важную структуру оппонента, к примеру рибосому — то место, где происходит синтез белка, — или блокируя считывание генетической информации с ДНК. Защищающаяся сторона может предъявить агрессору мутантные варианты, которые имеют измененную структуру рибосом или ферментов-считывателей, что делает эти антибиотики неактуальными. 

Многие бактерии, вырабатывая какое-то токсичное вещество, должны беспокоиться о том, чтобы оно не накапливалось у них внутри, и как можно скорее его выкачивают. Такой процесс называется «эффлюкс». Чужеродный антибиотик попадает в бактерию, а у нее на мембране начинает работать большое количество насосов, которые этот антибиотик выкачивают. Это один из главных механизмов антибиотикоустойчивости к самым сильным на сегодня препаратам. 

Как предотвратить эпидемии? 

Существует несколько способов предотвратить эпидемии или замедлить их частоту и скорость распространения. Есть привычные и политически корректные, а есть не совсем обычные, но эффективные. Привычные способы заключаются в наличии канализации, чистой воды, антисептиков и так далее. В этом случае необходим контроль городской, сельской или речной микробиоты в режиме реального времени. Мы должны контролировать генетические обстоятельства окружающей среды, для того чтобы быстро заметить какую-то угрозу, в том числе искусственную, потому что новые технологии позволяют производить биологическое оружие невиданной ранее изощренности и эффективности. 

Супербаги — бактерии, устойчивые к современным медицинским препаратам

Важно не использовать в сельском хозяйстве антибиотики, которые применяются в медицине. Иначе сельское хозяйство становится гигантским ферментером, в котором производятся будущие супербаги, попадающие в нашу еду, воду, воздух, в наши организмы и больницы. К примеру, несколько лет назад из одной китайской свинофермы в европейские больницы пришла бактерия клебсиелла, у которой возник ген msr1 — ген устойчивости к колистину — очень сильному антибиотику, который считался непобедимым. С тех пор как появился этот ген, колистин все чаще становится неэффективным, как и многие другие не такие мощные лекарства. 

Нестандартный, но очень эффективный способ борьбы с эпидемиями — прекратить традиционное животноводство и постараться есть меньше мяса. Мясоедение — это наследие эпохи пещерной жизни и неолита. Мы, горожане, многие из которых ничего тяжелее ручки не поднимают, потребляем гигантское количество животных белков и жиров, рискуя здоровьем, хотя нам это уже не нужно.

Со времен пещер и саблезубых тигров прошло всего 200–300 поколений. Генетически мы еще не перестали быть саванными стервятниками, мы по-прежнему предпочитаем употреблять плотные крахмально-зерновые калории, белок из молочных продуктов и мяса, много жира. И при этом имеем электронные гаджеты, искусственный интеллект, генную инженерию, атомную энергию и космические корабли. Необходимо привести в соответствие наш нынешний статус, наше количество, экологические реалии и наше пищевое поведение — должно произойти кардинальное пищевое перепрограммирование человечества.

Две трети всепланетных сельскохозяйственных угодий — это либо пастбища с бесчисленными стадами скота, либо сенокосы, либо плантации для производства кормов для скота, в том числе того, который откармливается только индустриальным способом. Если мы найдем в себе силы отказаться от древних пещерных привычек и желудочных пристрастий, перейти на растительный белок или, как компромисс, на экологически дружественное мясо насекомых, то тогда освободятся гигантские площади под леса. Это, по всей видимости, самый быстрый, реальный и эффективный способ изъять из атмосферы лишнюю углекислоту и немного остудить стремительно разогревающуюся планету.

По степени экзотичности с идеей отказа от мяса соперничает идея запрета или резкого ограничения туризма, сопряженного с большим уроном для окружающей среды, разносом инфекций и падением общественной морали. Меньше перемещать микробов между разными частями планеты, меньше жечь самолетное топливо, контролировать трансграничное перемещение любых биологических объектов — вот рецепт биологической устойчивости. Через 15–20 лет эту дилемму придется решать в любом случае, а темы отказа от мяса и туризма будут казаться банальными и очевидными. 

Биологическое оружие — реальная угроза?

В современных условиях можно создать биологическое оружие, не имея инфраструктуры, специалистов, сложных приборов и материалов, в заброшенном сыроваренном цехе или квартире. В 2017 году [5] группа молодых канадцев ради эксперимента за 100 тысяч долларов и в течение нескольких месяцев воссоздала живой вирус оспы лошадей. Большая часть работы была заказана по интернету. Это показывает, что теоретически можно оживить и исчезнувшую, как нам думалось, навсегда оспу человека. Это очень печально, и пока не вполне ясно, как с такой перспективой справляться. Запретить на всякий случай генную инженерию, остановить омиковые науку и индустрию? Это значит поставить под угрозу наш, возможно, последний шанс продолжить жить на Земле. 

Сибирская язва — особо опасная инфекционная болезнь человека и сельскохозяйственных и диких животных

Какие угрозы нас ожидают в будущем? Мы привыкли думать о биологическом оружии как о ведре со спорами сибирской язвы или каком-нибудь самоубийце, зараженном оспой. Но биологическое оружие может быть более изощренным — например, в виде бактерий, которые делают почву менее плодородной, или вирусов, которые на несколько процентов снижают эффективность работы иммунной системы, увеличивая таким образом заболеваемость, скажем, раком. Оружие может принять вид проникающих в яйцеклетки или другие половые клетки специальных генетических конструкций, изменяющих геном следующих поколений или вовсе препятствующих их появлению. Гарантировать, что новые технологии не приведут к созданию чего-то крайне неприятного, нельзя, но можно приложить максимальные усилия к тому, чтобы этого не произошло. 

Человечество постоянно создает себе и окружающей природе новые, в том числе пока неведомые, биологические угрозы. Некоторые сценарии уже активно обсуждаются учеными. Например, как будут жить люди, если температура на планете повысится на 3–4 °C и более? Огромные площади в тропиках и субтропиках станут просто непригодны для жизни людей. Они смогут активно жить на этих территориях только по ночам, как летучие мыши. Энергия подорожает, будут жестко контролироваться «экологические отпечатки» любой индустрии, включая сельское хозяйство, будут взиматься карбоновые тарифы, запрещаться ввиду неэкологичности целые отрасли промышленности и виды транспорта. Недорого охлаждать жилища, как это можно сделать сейчас, станет невозможно. Вполне вероятно, что обитание людей в таких местах будет выглядеть как ночная жизнь с очень странными домашними животными и растениями — странными потому, что сейчас ведутся активные работы по конструированию термоустойчивых пород скота и сортов растений. Для этого перебираются гены и механизмы адаптации обитателей пустынь и прочих экстремально жарких мест. 

Большинство людей возмущены мыслью о том, что человека можно генетически изменить. Но мы сами по себе постоянно меняемся и подстраиваемся под условия окружающей среды. Каждый из нас накапливает за жизнь тысячи мутаций, и некоторые из них передаются нашим потомкам. Человеку очень важно продолжать менять себя, сохранять возможность адаптации к условиям жизни на Земле и других планетах, не платя за это миллионами жизней детей и взрослых, которые оказались неудачным генетическим вариантом и были выбракованы естественным отбором. В наших силах использовать все возможности современных технологий для построения на планете дружественной технобиосферы. 

Среди биологических угроз нет ничего фатального, глобальные и локальные проблемы могут быть решены. Однако эти решения почти наверняка будут необычными, с нашей точки зрения, и, возможно, политически и этически некорректными, идущими вразрез с традициями, убеждениями и верованиями. Но серьезность вызовов, стоящих перед человечеством, угрозы самому существованию нашей цивилизации таковы, что через эти препятствия придется перешагнуть.

ПостНаука
ПостНаука
редакция проекта ПостНаука