1.4.Y.Pseudotuberculosisкак предковая форма микроба чумы

За последние годы накоплены новые фундаментальные знания, которые позволяют приступить к решению проблемы происхождения чумы с позиций популяционного подхода в эволюционном учении.

Большим шагом вперед в эпидемиологии стало развитие концепции сапронозов, снявшей «теоретический запрет» на возможность существования у возбудителей инфекционных болезней человека и животных сапрофитических форм (Терских, 1958; Сомов, 1988; Бухарин, Литвин, 1997; Литвин и др., 1998). Эта концепция отразила возможность эволюционного перехода микробов-сапрофитов к облигатным паразитам через промежуточные звенья — случайных, факультативных и фазовых паразитов среди патогенных бактерий (Литвин, 1976; Бухарин, Литвин, 1997). Выражение Е.Н.Павловского (1934): «Нет резкой границы ни между свободным и паразитическим образом жизни, ни между симбиозом, паразитизмом и хищничеством, ни между патогенными и непатогенными паразитами» — по меньшей мере, в отношении патогенных бактерий приобрело современный эволюционный смысл: резких различий нет, но хиатус (морфологический, физиологический, биохимический, генетический, экологический) — есть, дискретность таксона (подвида, вида, рода и др.) является выражением его устойчивости (гомеостаза).

Y.pseudotuberculosis— возбудитель псевдотуберкулеза грызунов — отнесен к сапрозоонозным микробам, гетеротопным живым организмам. В отношении человека это заболевание наиболее ярко проявляется в виде дальневосточной скарлатиноподобной лихорадки. Популяции возбудителя этой болезни, входящие в состав какого-либо биоценоза, не ограничены бактериальным населением зараженных животных (и человека), а включают также микробов, заселяющих почвенную органику (экскременты), где они успешно размножаются и приобретают свойства инвазивности. Адаптация псевдотуберкулезного микроба к бинарной среде обитания — почвенной органике и кишечнику (теплокровных?) животных — выражается в наличии двух изоферментных систем, переключающихся в зависимости от конкретного места пребывания (Сомов, Варвашевич, 1984; Сомов, 1988,1989; Straley, Perry, 1995). У псевдотуберкулезного микроба выявлены гены, кодирующие свойства осмопротекции, позволяющие ему существовать в такой гетерогенной среде. Сходные гены имеют другие фазовые интестинальные паразитические бактерии родовEscherichia иSalmonella(Chain et al., 2004).

Эта болезнь обычна в Сибири и на Дальнем Востоке, где чаще, чем где-либо, отмечаются вспышки (Шарапова, Дашкова, 1971; Знаменский, 1975; Головачева и др., 1980; Лошаков и др., 1980; Выборнов и др., 1980; Колесник и др., 1980; Налетова и др., 1984; Багрянцев и др., 1986; Миронова и др., 1986; Сомов и др.,1990, 2001; Егоров и др., 1996; Fukushima et al., 2001). Только в 1987 г. там переболело более 60 тыс. человек (Серов, 1999). Тяжелые формы заболевания отмечаются редко, как правило, у людей пожилых, ослабленных или имеющих иммунную недостаточность (Сомов и др., 1990; Егоров и др., 1996; Butler, 1983; Toma, 1986). С этим микробом, или ему подобным, или его предковой формой в настоящее время связывают происхождение микроба чумы.

Помимо холодных районов Сибири и Дальнего Востока, болезнь распространена в мире очень широко. В 1950–80-е годы спорадические заболевания были отмечены в Германии, Франции, Англии, Норвегии, Финляндии, Чехословакии, Венгрии, Румынии, Испании, в Северной и Южной Америке, Индии, Японии, Австралии, Новой Зеландии (Hubbert et al., 1971; Butler, 1983; Рузе, 1985; Tsubokura et al., 1989). Свойства возбудителя в пределах обширного нозоареала псевдотуберкулеза заметно различаются по антигенным, биохимическим, генетическим признакам и клиническим проявлениям. Порой эти различия даже больше, чем различия между чумным и псевдотуберкулезным микробами (Skurnik et al., 2000). Поэтому Y.pseudotuberculosisв современном объеме вида — это, скорее всего, не монофилетический таксон, а полифилетический паратаксон и, говоря о возбудителе псевдотуберкулеза «вообще», его пока следует понимать какY.pseudotuberculosissensu lato, а болезнь «псевдотуберкулез» — это широко толкуемый диагноз, под который подпадает несколько или даже много сходных по этиологии болезней.

Тривиальное название псевдотуберкулеза — «болезнь холодильников» (Рузе, 1985). Чаще всего люди заражаются этой кишечной инфекцией при употреблении нестерилизованных или немытых продуктов, хранившихся в овощехранилищах и холодильниках. Микроб псевдотуберкулеза — психрофил, интенсивно размножается во внешней среде при температуре 4–10^оС, но может размножаться и в организме животного при 37^оС и выше, например, в кишечнике птиц. В буферном растворе при 37^оС размножение подавляется, при 18^оС рост лучше, а при 4^оС размножение бывает наиболее интенсивным и стойким (Серов, 1999). При понижении температуры культивирования ниже 30^оС у бактериальной клетки формируется мощный жгутиковый аппарат и появляется активная подвижность (Pollitzer, 1960; Мартиневский, 1969; Венедиктов и др., 1986). Выше 30^оС жгутики атрофируются и клетки теряют подвижность, то есть при низкой температуре микробный метаболизм изменяется настолько значительно, что это проявляется даже в структурном плане — в формировании органелл движения, которые, по мнению Г.П.Сомова (1988), более необходимы микробу для обитания во внешней среде, чем в организме теплокровного животного.

Н.Ф.Тимченко и Г.П.Сомов (1983) показали, что перорально белые мыши и морские свинки заражаются псевдотуберкулезом только после содержания бактерий при температуре ниже 14^оС. При 37^оС бактерии быстро переваривались макрофагами, внутри которых можно было обнаружить лишь единичные клетки. Блохи могут заражаться от животных в естественных условиях. Н.С.Гайдукова с соавторами (1975) выделила этого микроба на Сахалине отNosopsyllus fasciatus, Hystrichopsylla microti иMonopsyllus anisus, снятых с серой крысы. В.Я.Головачева и И.Ф.Жовтый (1978) сообщают о его обнаружении в блохахCeratophyllus maculatus, C.caliotes, C.orites, Paradoxopsyllus dashidorzhii в Центральной Азии: Туве, Горном Алтае, Монголии. В.С.Ващенок (1988) отметил высоко интенсивное размножение псевдотуберкулезного микроба в блохахX. cheopisпри их содержании в холодильнике при температуре 6–8^оС. Исходное количество микробов, составлявшее в среднем на одну блоху 32 клетки, быстро возрастало и на 5–10-е сутки исчислялось миллионами. При 8–16^оС культуры псевдотуберкулеза в блохах сохранялись в течение 112 дней, причем срок этот не пределен (Тифлов,1964). Гистологическое исследование блох, содержавшихся при пониженной температуре, проведенное В.С.Ващенком (1988), показало, что локализация в них микробов, как и в случае чумы, ограничивалась полостью кишечного тракта, где они встречались на всем его протяжении. Размножение возбудителя отмечалось во всех отделах кишечника. Начиная с 7-го дня после помещения блох в холодильник, наряду с палочками появлялись нитевидные формы, которые постепенно образовывали плотный войлокообразный клубок, заполнявший кишечник. Подобные формы Г.П.Сомов (1979) наблюдал при культивировании псевдотуберкулезного микроба в культуре ткани и курином эмбрионе и связывал их появление с особо благоприятными условиями для размножения.

Е.М.Дармова и И.П.Подгорельский (1998) наблюдали нарушение клапанной функции преджелудка X.cheopis, инфицированных культурой микроба псевдотуберкулеза и полагают возможным заражение грызунов при укусах неблокированными блохами, в желудке которых содержатся бактерии вирулентного штамма. В.С.Ващенку (1988) удалось осуществить трансмиссивную передачу псевдотуберкулезного микроба белым мышам только после выдерживания зараженных блох несколько дней в холодильнике при 6–8^оС. При повышении температуры до 16–24^оС добиться передачи не удалось. Ранее проводившиеся при комнатной температуре эксперименты по передаче псевдотуберкулеза белым мышам и морским свинкам укусамиX.cheopisтакже приводили к отрицательным результатам (Бибикова и др., 1967; Blanc, Baltazard, 1945). Опыты по трансмиссивной передаче возбудителя с животными во время спячки (сусликами, сурками, луговыми собачками), температура тела которых может опускаться до 6–8^оС и ниже, и с холодостойкими видами блох, такими какCitellophilus tesquorum, Neopsylla mana, Oropsylla asiatica, O. silantiewi, которые бывают активными даже при температуре около 0^оС, не проводили. Были проведены наблюдения над 33 малыми сусликами, которых перед залеганием в спячку заразили перорально очень высокой дозой (5 млрд. м.к.) возбудителя, выделенного от малого суслика (Чуринов, Чуринова, 1989). Даже при такой колоссальной дозе заражения в крови у 25 зверьков, при исследовании их после пробуждения, псевдотуберкулезный микроб не был обнаружен: барьер слизистых пищеварительного тракта здоровых животных для него трудно преодолим. Другие свойства псевдотуберкулезного микроба, отмеченные И.Л.Мартиневским (1969), следующие:

• высокая чувствительность к свету, при прямом солнечном освещении погибает через 30 минут;

• устойчивость к низкой температуре, может сохраняться годами при –15^о~ –25^оС;

• высокая чувствительность к высушиванию, в сухой среде погибает в сроки от 5 до 48 часов;

• потребность в высоком содержании органики в среде обитания, не ниже 6 %.

Такие свойства не могут способствовать длительному сохранению микроба в аридных условиях, с которыми связаны природные очаги чумы, а также на открытом воздухе или в поверхностных слоях грунта. Но в длительно используемых норах грызунов условия для сохранения и размножения псевдотуберкулезного микроба могут быть вполне благоприятными. В них не проникает солнечный свет, содержится большое количество органических веществ, относительная влажность воздуха часто близка к 100 %, а температура в глубинных частях более ровная и относительно низкая.

Микроб чумы был открыт на одиннадцать лет позднее псевдотуберкулезного. Сравнение их свойств сразу выявило большое сходство. В настоящее время близкое родство этих микробов доказано морфологическими, микробиологическими, биохимическими и молекулярно-генетическими методами (Губарев, Ивановский, 1958; Туманский, 1959; Анисимов и др., 1985,1994; Bercovier et al., 1980; Buchrieser et al.,1999; Skurnik et al., 2000). Из 18 антигенов, которые удалось выявить методом гель-преципитации, 13 являются общими для Y. pseudotuberculosisи Y. pestis (Surgalla,1965). Эти виды мало отличаются по нуклеотидному составу ДНК (46 и 46,5% ГЦ, соответственно) (Блохина и др., 1992). Несмотря на то, что возбудители псевдотуберкулеза и чумы имеют различные жизненные формы, сходство их геномов по данным Х.Берковье с соавторами (Bercovier et al., 1980) составляет более 90 %. Гомологичность молекулярной структуры плазмиды кальцийзависимости, имеющейся у обоих видов, также составляет более 90 % (Апарин, Голубинский, 1989). Гомологичность16S-структуры в рибосомальной ДНК, определенная методом гибридизации, составляет 99,7% (Bercovier et al., 1980; Ibrahim et al., 1994). Отмечено высокое сходство нуклеотидных последовательностей некоторых общих генов (Lenski, 1988; Lan, Reeves, 2001). Такое сходство геномов кишечного и кровяного паразитов пока можно причислить к уникальному явлению в мире сапронозных и зоонозных патогенных бактерий. Например, сходство геномов двух других близкородственных кишечных бактерий —Y.pseudotuberculosisиY.enterocoliticaпо оценкам различных авторов составляет 35–60 % (Moore, Brubaker, 1975; Moore, 1979 и др.), а у родов бактерий, обитающих в различных средах, обычно не превышает 5 % (Заварзин, 1974).

Причем по структуре генома к чумному микробу наиболее близки штаммы псевдотуберкулезного микроба, относящиеся к филогенетически наиболее молодому, наиболее патогенному и вирулентному 1-му (O:1b) серотипу, который по современным молекулярно-генетическим расчетам дивергировал от Y.enterocolitica(или подобного) где-то 1–2 млн. лет назад, то есть на рубеже плиоцена и плейстоцена с началом глобального четвертичного похолодания в Северном полушарии (Achtman et al., 1999; Brubaker, 2003). У возбудителя только этого серотипа обнаружены полные хромосомные генные кластеры HPI и О-antigen, детерминирующие свойства вирулентности, идентичные с имеющимися у чумного микроба, что указывает на их непосредственное, прямое родство (Филиппов, 2000; Burrows, Bacon, 1960; Buchrieser et al., 1998, Skurnik et al., 2000). Этот серотип доминирует преимущественно в районах с суровыми зимами Сибири и Дальнего Востока, а также в Монголии и, отчасти, в Канаде (Шарапова, Дашкова, 1971; Кузнецов, Дагаева, 1976; Головачева и др., 1980; Колесникова, 1983; Серов, 1999; Toma, 1986; Tsubokura et al., 1989; Blake et al., 1991; Fukushima et al., 1998; 2001; Press et al., 2001).

В Сибири и на Дальнем Востоке с 1949 по 1979 гг. было выделено 1353 штамма от 28 видов диких и синантропных грызунов и других млекопитающих, 23 видов птиц, 21 вида членистоногих. От человека выделено 357 штаммов, в основном 1-го серотипа (Головачева и др., 1980; Сомов и др., 2001). В Приморском крае 93,3 % выделенных штаммов отнесено к 1—му серологическому типу (Шарапова, Дашкова, 1971). Реже находили возбудителей 2, 3 и 4-го серотипов. В районах с более теплым климатом доминируют микробы псевдотуберкулеза иных, чем 1-й, серотипов (Fukushima et al.,1998, 2001). В Японии у больных людей выявлены возбудители 2c, 4a, 4b, 5a, 5b серотипов, от животных в основном изолировали возбудителей 3 и 4b серотипов, значительно реже встречается серотип 1b (Inoue et al., 1988; Nakano et al., 1989; Tsubokura et al., 1989). В Туркмении среди 222 культур, выделенных от диких животных, 3-го серотипа было 217, а 1-го — только 5 (Гольдфарб, 1983). Из большого числа штаммов возбудителя псевдотуберкулеза, выделенных от грызунов в прикаспийских и кавказских очагах, было отобрано восемь, по отдельным признакам имеющих сходство с чумным микробом; три из них были отнесены к 3-му, а пять — к 5-му серотипу; первого — среди них не оказалось (Дятлов и др., 2001). Не оказалось 1-го серотипа и среди штаммов, выделенных от кроликов, синантропных и диких крыс в Китае (Zheng et al.,1995). В Бразилии 95,24 % штаммов отнесено ко 2-му серотипу и только 2,86 % — к 1-му (Martins et al.,1998). Чем дальше от северных районов Сибири и Дальнего Востока — тем реже встречается микроб псевдотуберкулеза 1-го серотипа.

Характеристики и свойства, проявляемые возбудителем псевдотуберкулеза 1-го (O:1b) серотипа, позволяют сделать предварительные предположения о месте, времени и условиях его происхождения. Наиболее существенны из них следующие:

1. Гигрофильность. Не выдерживает высушивания.

2. Психрофильность. Чаще обнаруживается в холодных районах Восточной Сибири и Дальнего Востока. В антропогенных условиях вызывает «болезнь холодильников».

3. Наличие двух изоферментных систем, функционирующих самостоятельно во внешней среде и в организме (теплокровного) животного, и способных переключаться в зависимости от конкретных условий местонахождения микроба. Это характеризует возбудителя псевдотуберкулеза как фазового паразита, имеющего адаптации к двум средам обитания — внешней органике и пищеварительному тракту разнообразных животных.

4. Способность к синтезу инвазина только при низких температурах, в пределах примерно 4–10^оС. Возбудителя псевдотуберкулеза относят к незаразным; животные и человек не могут заразиться друг от друга при прямом контакте. Чтобы стать патогенным, микроб псевдотуберкулеза должен некоторое время пребывать в органическом субстрате внешней среды при низкой температуре.

5. Потребность в высоком содержании во внешней среде органических веществ, не менее 6 %. Среднее содержание органики в осадочных породах обычно составляет 15–20 кг на м³ (менее 1 %). В богатых почвах ее содержание редко превышает 2 %. Поэтому более благоприятной внегостальной средой псевдотуберкулезного микроба, с которой следует связывать его жизненный цикл, могут быть экскременты животных и мортмасса.

6. Малопатогенный и маловирулентный гастроинтестинальный паразит. Циркулирует в популяциях многих видов животных, в особенности ведущих колониально-групповой образ жизни: грызунов, жвачных, домашних и одомашненных животных на фермах, птиц (ласточек), не исключено — в колониях морских птиц и млекопитающих.

7. Молекулярно-генетические расчеты (Achtman et al., 1999; Chain et al., 2004) предполагают существование общей предковой enterocolitica-подобной формы чумного и псевдотуберкулезного микробов примерно 0,4–1,9 млн. лет назад, то есть в конце плиоцена–эоплейстоцене–среднем плейстоцене. Это — время начала замерзания Северного Ледовитого океана и первая половина последнего ледникового периода — четвертичного.

8. Как паратаксон микроб псевдотуберкулеза Y.pseudotuberculosis s.l.. имеет убиквитарное распространение, но самая молодая и самая вирулентная форма — O:1b серотип (самостоятельный вид? подвид?) доминирует в северных районах Азии.

9. Наибольшее генетическое сходство с микробом чумы отмечена у 1-го (O:1b) серотипа.

10. Наибольшее внутривидовое разнообразие псевдотуберкулезного микроба отмечено на Дальнем Востоке (Fukushima et al., 1998, 2001).

Эти факты и свойства свидетельствуют в пользу предположения о происхождении псевдотуберкулезного микроба O:1b в холодных и влажных районах Северной Азии или Дальнего Востока. Х.Фукушима с соавторами (Fukushima et al., 1998) районом происхождения двух–трех серотипов, включая O:1b, предполагают север Евразии к востоку от Москвы. В холодных районах, в связи с низкой численностью почвенных амеб, инфузорий, нематод, для которых почвенные бактерии составляют основной рацион, этот психрофильный микроб мог иметь преимущество в борьбе за существование.

Копрофагия теплокровных хозяев представляется вполне реальной предпосылкой возникновения сапрозоонозного предшественника возбудителя чумы из сапронозной (сапрозоонозной) enterocolitica-подобной формы. Известно, что у зайцеобразных и грызунов в связи с питанием грубой растительной пищей в пищеварительном процессе участвуют симбиотические бактерии и простейшие, клетки которых служат источником белкового питания (Шилов, 2001). Для этих животных характерно наличие двух типов помета: первичный, который животные вновь заглатывают, и вторичный, более сухой, который выводится из организма безвозвратно. Поедание первичного помета способствует утилизации содержащегося в нем белка, включая и бактериальные клетки, а может быть и «подсеву» регулярно теряемой с экскрементами кишечной флоры.

Копрофагию можно также связать с солевым дефицитом в обмене веществ организма грызунов. В условиях Севера часто возникают ситуации, характеризующиеся солевой недостаточностью и дефицитом ионов Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, Na⁺(Паничев, 1990). Особенно это свойственно растительноядным животным. Например, недостаток солей в пище (мох, вереск) северных грызунов — леммингов, в которой содержится мало минеральных солей, усилена реадсорбция ионов Na⁺и K⁺в толстой кишке. Весной после таяния снега особенно бедны солями хорошо дренированные почвы тундр — наиболее благоприятные места для устройства нор. Соответственно, и кормовые растения бедны солями. В таких случаях минеральный дефицит вызывает литофагию: различные животные лижут почву, подгрызают кости погибших животных и сброшенные рога оленей, поедают скорлупу птичьих яиц, вылизывают и выгрызают пятна льда и снега, обильно пропитанные мочой и включающие экскременты. Вылизывание почвы в связи с солевой недостаточностью в весенние месяцы вскоре после выхода из зимовочных нор отмечено в некоторых местообитаниях у американских видов сурков (Hebert, Cowan,1971; Weir,1972; Weeks, Kirkpatrick,1978; Carey,1985). Такое устойчиво проявляющееся поведение животных, осваивающих суровые северные районы, вполне могло привести к возникновению сапрозоонозного псевдотуберкулезного микроба O:1b из психрофильного сапрофита или другой сапронозной формы.

Аридные зоны неблагоприятны для жизни псевдотуберкулезного микроба во внешней среде на открытом воздухе, но здесь он мог локализоваться в норах грызунов, к примеру, сурков, которые можно сравнить с естественным холодильником, наполненным органическим содержимым. Относительная влажность воздуха в них не падает ниже 90 %, а температуры в глубоких частях нор у северных видов в течение года находятся на уровне — 20^о~ +10^оС. В плиоцене-плейстоцене сурки были обычными обитателями северо-восточной Азии, то есть тех районов, где в основном распространен микроб псевдотуберкулеза О:1b.

Итак, имеющиеся на настоящий момент палеобиологические, палеогеографические и неонтологические данные позволяют связать происхождение микроба псевдотуберкулеза O:1b с холодными приполюсными тундрово-степными ландшафтами северной Азии (и севера Северной Америки?) в конце плиоцена-начале плейстоцена, когда началось замерзание Северного Ледовитого океана и формировались арктические флора и фауна, то есть примерно 1-2 млн. лет назад. Далее в течение плейстоцена, вслед за волнами четвертичных похолоданий, этот микроб естественным образом мог продвинуться далеко на юг в более аридные области, вплоть до Центральной Азии и даже далее. Но в умеренных и теплых районах Евразии и на других континентах преобладают другие серотипы. Встречи O:1b серотипа вне холодных районов Азии надо связывать, видимо, уже с антропогенными факторами.