Жизнь в стерильных условиях

Уильям Юджин Смит специально для LIFE. 1949 год

Гнотобионты растут до достижения зрелости и приносят потомство в стерильной лаборатории в Нотр-Даме (Частный университет в городе Саут-Бенд, Индиана, США. — прим. ред.).

С самого зарождения жизни на Земле микроорганизмы численно превосходили все прочие виды существ в миллиарды раз. Они населяют все доступные для жизни участки Земли — сушу, океаны, атмосферу и тела всех животных планеты. Жизнь без микробов в природе невозможна. Но человек, выйдя за рамки природных ограничений, смог сотворить этот противоестественный феномен. В цистерну из полированной латуни и нержавеющей стали можно попасть через резервуар с дезраствором, а поможет с этим ассистент-водолаз. В этой камере ученые бактериологической лаборатории университета Нотр-Дама выращивают первые самовоспроизводящиеся колонии безмикробных животных — гнотобионтов. Извлеченные из материнской утробы до начала родов крысы, кролики и морские свинки вдыхают здесь стерильный воздух и употребляют стерильную пищу. Они достигают зрелости, размножаются и умирают в полной изоляции от микроорганизмов.

Сам факт того, что животные могут жить в такой среде, способен пошатнуть основы биологии, поскольку он опровергает общеизвестное утверждение о том, что бактерии необходимы для обеспечения процессов пищеварения и других физиологических функций. Но цель экспериментов в Нотр-Даме — не только работа над созданием биологического чуда. Гнотобионты выращиваются для изучения этиологии заболеваний, химических процессов в тканях животных и механизмов пищеварения и всасывания питательных веществ.

Как правило, когда ученому необходимо изучить неизвестный микроорганизм (или лекарственный препарат, или питательное вещество), он испытывает его на экспериментальном животном и наблюдает за результатами. Но поскольку все лабораторные животные непременно контаминированы множеством различных микроорганизмов, он никогда не может быть уверен, что наблюдаемые результаты достоверны. Эта старейшая и наиболее серьезная из проблем бактериологии может быть решена только использованием животных, тела которых совсем не населены микроорганизмами.

Лаборатория — это результат напряженного труда в течение 20 лет

Идея гнотобиотической лаборатории была представлена сотрудникам Нотр-Дама в 1928 году подающим надежды студентом университета — Джеймсом А. Рейниером. Рейниер считал, что отсутствие гнотобионтов было серьезным препятствием в изучении бактерий. До этого момента Пастер и другие бактериологи работали над изучением заболевания, а затем искали бактериальную причину. Но данный метод позволял получить слишком мало базовых знаний о бактериях. В начале двадцатого столетия четверо ученых независимо друг от друга занялись проблемой выращивания гнотобионтов. Но их методы были «сырыми» и животные погибали практически сразу после рождения. После того, как в 1930 году Рейниер окончил университет, Нотр-Дам предложил ему научную работу и доступ в лабораторию. Работая в свободное время и изготавливая экипировку для стрельбы из лука, чтобы финансировать свои разработки, Рейниер нашел решение проблемы и получил полную поддержку от университета.

Принимая душ из бактерицидного средства перед проникновением в резервуар, сотрудник изгибается вперед и назад в мистическом «танце», чтобы убедиться, что каждая складка пластикового костюма обработана. Через стеклянную дверь, у телефонной трубки, техник наблюдает за процедурой: «На бедрах складки, откиньтесь назад. На груди остался сухой участок».

Колонизация эмбрионов

Чтобы получить гнотобионтов, которые положили бы начало новой колонии гнотобионтов, ученые Нотр-Дама бережно извлекают нерожденных детенышей из маток беременных самок и невылупившихся цыплят из скорлупы. Эти практически доношенные эмбрионы извлекаются из практически стерильного окружения и переносятся внутрь герметичной стерилизованной камеры, избегая контакта с многочисленными микроорганизмами, которые контаминируют всех обычных животных в момент рождения. Цыплята, по своей природе готовые заботиться о себе с момента вылупления, нуждаются только в освобождении от скорлупы и специальном стерильном корме для цыплят. Однако новорожденные млекопитающие, преждевременно извлеченные путем кесарева сечения и отлученные от материнского молока, столь же беспомощны, как человеческие младенцы, но поддерживать их жизнь гораздо труднее. Лаборатории потребовалось 15 лет на решение многочисленных проблем с питанием. Для обеспечения жизнедеятельности колоний ежедневно требуется не менее 20 человеко-часов на каждое животное.

Несмотря на первозданную чистоту, гнотобионты вырастают и развиваются в обычных взрослых особей. Для установления этого факта было проведено множество исследований, поскольку если бы у животных были аномалии или их странное существование предстало бы ненормальным, их реакция на тесты также была бы ненормальной и ценность экспериментов была бы утрачена. Однако в исследованиях были выявлены некоторые характеристики безмикробного существования (справа). Исследование этих удивительных различий между гнотобионтами и обычными животными и в то же время удивительное сходство между ними, несомненно, позволит сформулировать новые выводы о малопонятных путях, которыми микроорганизмы влияют на жизнь животных.

Влияние гнотобиотического существования

Основные различия между гнотобионтами и обычными животными кроются в процессах разложения и механизмах защиты против болезней. Поскольку у гнотобионтов нет бактерий, их ткани не подвергаются гниению. Поскольку они никогда не контактируют с микроорганизмами, у них снижена активность систем защиты: у них меньше лейкоцитов, лимфоидной ткани, практически нет антител. Существует два удивительных сходства, не менее интересных, чем эти различия: гнотобионты получают витамины без участия бактерий (раньше считалось, что они необходимы для получения витаминов), а их экскременты (до сих пор считалось, что на 50% они состоят из разлагающихся веществ) весят столько же, сколько и у обычных животных.

Какова продолжительность жизни животных?

Гнотобиотические животные — большой прогресс в развитии бактериологии, поскольку ученые получили возможность изолировать и выращивать микроорганизмы в «чистых» организмах. Фактически они являются аналогами чистых культур. Теперь ученые смогут точно узнать как макроорганизм реагирует на отдельный микроорганизм и как его можно защитить от инфекции.

Но в подобных условиях ученые могут заняться изучением еще более увлекательной проблемы: насколько можно продлить жизнь? В отсутствие инфекционных болезней, животные Нотр-Дама погибают только от органных нарушений. Потому они являются прекрасной площадкой для изучения нарушений функции органов, старения тканей и других медицинских проблем пожилого возраста. Правительство США в лице управления военно-морских исследований признало безграничность исследовательских возможностей и предоставило лаборатории гранты как на оборудование, так и на эксплуатационные расходы. Ученые Нотр-Дама уже сотрудничают с клиникой Чикагского университета в изучении кариеса, а с другими лабораториями в изучении вирусных инфекций, питания, витаминов и заболеваний кур. Планируется также изучение болезней сердца и онкологических заболеваний. Поскольку изъятие животных из стерильной среды невозможно, ученым придется посетить лабораторию для проведения эксперимента, а Нотр-Дам, только начинающий свой путь, станет центром работы над новым гнотобиотическим миром.