Книга слизи. Скользкий след в истории Земли

Другие виды вырабатывают слизь, которая светится синим или зеленым цветом. Впрочем, хищная морская улитка Navanax inermis, тело которой украшено мерцающими полосами и точками, оставляет след из желтой слизи. Непонятным образом он отпугивает преследователей. В любом случае классификация Вернера в контексте слизи может помочь мало. Несмотря на то что с физической стороны биологические гидрогели непроницаемы, нам могла бы помочь классификация вязких липких веществ. Подобно Дарвину, использовавшему книгу Вернера, современные ученые должны опираться на стандартные гидрогели. В таком случае впервые обнаруженное вещество можно будет описать как комбинацию «слизи наземных стебельчатоглазых легочных улиток и катара (воспаление слизистой) с щепоткой Pholas», вместо того чтобы обходиться общим термином «слизь».

Рисунок 11. Хищная улитка Navanax inermis ползет по следу из слизи (1). Разрез кишечной ворсинки с производящими слизь бокаловидными клетками (е) (2). Обыкновенная пателла (Patella vulgata) с защитными углублениями в камне (Home Scars) (3). Виноградная улитка (Cornu aspersum) (4)

Гель и стресс

Указательным пальцем я провел по улитке и попробовал немного слизи на вкус. Успех был колоссальным: сначала я начал жестикулировать, как страус, затем залпом выпил стакан коньяка. Когда и это не помогло, выпил стакан пива, а за ним еще один. Впоследствии я на три дня потерял аппетит, а также расположение одной милой девушки, которой я по неосторожности рассказал о своем эксперименте…

ГЕРМАН ЛЁНС, «Отвратительное создание»

Свадьба состоялась 20 сентября 1881 года. Виктория Баденская, немецкая принцесса, вышла замуж за кронпринца Швеции и Норвегии Густава V, а спустя годы стала королевой. Тем не менее, несмотря на трех родившихся у пары сыновей, брак существовал лишь на бумаге. Густав был гомосексуалом, а Виктория вплоть до своей смерти была в любовной связи со своим личным врачом, Акселем Мунте. Врач стал всемирно известен после публикации книги «Легенда о Сан-Микеле» – автобиографии, обильно снабженной выдумками. Большая часть книги посвящена постройке его виллы на Капри, белого здания с видом на море, в котором Виктория часто бывала во время их многолетнего романа.

Вероятно, она скучала по этим видам у себя дома в Швеции, поэтому велела построить дворец Соллиден на острове Эланд, напоминавший ей о вилле Мунте. Соллиден стал летней резиденцией королевской семьи. Виктория обращала внимание на каждую деталь как во дворце, так и в парке, в котором она хранила разные диковинки. В качестве украшения для сада Виктория выпустила на газон привезенную из Бадена Arion rufus – крупную красную улитку, – хотя похожий родственный вид тогда уже обитал и в самой Швеции. Речь идет о черном слизне вида Arion ater, который в доиндустриальной Швеции и вплоть до ХХ века использовался в качестве смазки для карет.

Как пишет этнолог Ингвар Сванберг, в то время на дорогах было полно расплющенных лягушек, дождевых червей и прежде всего черных слизней. Дети собирали моллюсков, которых потом в специальных контейнерах держали в каретах. Когда сухое колесо начинало трещать, под него клали улитку, которую карета благополучно перемалывала, продолжая движение. Вероятно, такая практика была широко распространенной, ведь немецкий писатель Герман Лёнс также писал, что перевозчики грузов использовали улиток как смазку для карет. В Англии была традиция, когда дети продавали вдоль железнодорожных путей улиток, которых использовали для смазывания колес поездов.

Однако избыток такой смазки может повлечь последствия. Так летом 2016 года в Германии, на мототрассе на окраине Падерборна, произошел неприятный инцидент. Автомобиль марки Trabant заскользил и перевернулся на широкой полосе слизи, которую оставили улитки в результате своей массовой ночной миграции. Сами же улитки не поскальзываются ни на влажном асфальте, ни на рассыпчатом песке, ни на склизкой грязи, а, напротив, остаются в крепкой связи с поверхностью, по которой ползут. Это позволяет им покорять любые пространства на земле и в воде.

Механизм их движения основан на трении между вязким гидрогелем и поверхностью, по которой они передвигаются. Две параллельные силы с противоположным направлением.

В обычной жизни это явление встречается при заносе автомобиля. Как и при движении улитки, машина стремится вперед, а дорога оттормаживает ее назад. Ценой этого противостояния являются шины, постепенно приходящие в негодность из-за конкурирующих сил.

Тот же принцип, но другой материал: улитки не производят резину, но оставляют после себя след из слизи. Такой вид ползания – это умелое использование вязкоупругости, которое улитки довели до совершенства, потому что разработали собственный вид слизи для покорения разных поверхностей. За счет сокращений под их телами начинают течь волны слизи. Это можно заметить у домашней улитки Элизабет Това Бэйли: «Моя улитка выделяет особый вид слизи – слизь для ползания. Когда она двигается по мху, это выглядит так, как будто она вообще не прилагает усилий. Однако, когда она ползет вверх по стеклу террариума, можно заметить, как небольшие волны слизи текут из-под ее тела». Что при этом происходит? Тело улитки при подъеме по вертикальной поверхности давит на слизь. В том случае, если давление достаточно сильное, молекулярная структура слизи рушится. В результате улитка может скользить по разжиженной слизи. Когда волна слизи проходит, давление ослабевает, и молекулярная структура восстанавливается. Слизь затвердевает, и улитка останавливается до появления следующей волны.

Специальные цепкие слизи помогают животным оставаться на месте при сильном прибое или, например, висеть на ветках вниз головой. Слизень Arion subfuscus, к примеру, так крепко цепляется за землю, что его не может от нее оторвать даже голодная птица. Американские ученые взяли эту цепкую слизь за основу для создания нового, более эффективного клея. Этот материал также функционирует во влажной и мокрой среде. Он мог бы, например, закупорить полость в кровоточащем сердце свиньи. Один из ученых сказал мне в личном разговоре, что одной из целей дальнейших разработок является создание такого клея, который мог бы впоследствии рассасываться в человеческом организме.

У австралийского слизня Triboniophorus graeffei на спине есть красный треугольник, из-за которого мне при первой встрече ошибочно показалось, что какой-то негодяй поцарапал его бритвой. Для таких улиток опаснее всего древесные лягушки, правда, первые знают, как с ними бороться. Вместо того чтобы цепляться самим, слизни предпочитают приклеить противника к поверхности. Ученые пришли к этому выводу, найдя одну несчастную лягушку, которая завязла в клее, пытаясь забраться на ветку дерева вблизи от такой улитки.

Рисунок 12. Улитки оставляют за собой след слизи при движении (1). Улитка двигается (2), а почва под ней за счет трения оказывает сопротивление. Под давлением тела улитки слизь к тому же становится более жидкой и позволяет легче осуществлять движение

На протяжении нескольких дней лягушка находилась в клейкой слизи, словно окаменелая, и ученым лишь силой удалось ее освободить. Без помощи она бы либо совершенно высохла, либо была бы съедена другим животным. Этому агрессивному биологическому клею можно было бы найти новое применение, поскольку он легко восстанавливается за счет контакта с водой. Как функционируют эти липкие материалы? К примеру, клейкая защитная слизь светло-коричневых лесных слизней содержит одиннадцать специальных протеинов (т. е. белков), которые обеспечивают особо крепкую молекулярную структуру геля, имеющего принципиальную важность для силы сцепления. Тем не менее мы лишь в самом начале полноценного исследования этих веществ. Полное понимание наступит тогда, когда они будут лабораторно воспроизведены и использованы человеком в зависимости от целей и потребностей.

«Как животное с одной лишь конечностью может передвигаться по клейкому веществу?» – таким вопросом задавался Марк Дэнни в одной из публикаций. Стоит отметить, что известная по поговоркам и анекдотам медлительность улиток связана как раз со слизью для ползания. Эта слизь обладает такой степенью липкости, что улитка от слизи, а слизь от поверхности едва ли может открепиться. При таком виде передвижения улитка как будто увязает в жевательной резинке, ползти по которой непросто. Из-за этого снижается скорость, тратятся время, сила и энергия, потому что ценный ресурс – слизь – остается позади, на уже пройденной дистанции. На ползание по слизи в целом у улиток уходит треть всей энергии. В сравнении с этим все другие виды передвижения в животном мире – прыжки, бег, плавание и змеиное извивание – совсем не энергозатратны. Даже летать легче.

Улитки стараются экономить энергию, запас которой часто становится жизненно необходимым – так, к примеру, садовые улитки Cornu aspersum при прохождении пористых почв вынуждены производить больше слизи для движения, и, соответственно, тратить на это больше энергии. Определенные приемы позволяют избежать такого расточительства. Улитки поднимают свое тело над землей и толкают себя, как гусеницы. Некоторые ученые называют это прыжками, хотя улитки не двигаются быстрее. Это вопрос не скорости, а равновесия и разумного расходования энергии, поэтому некоторые улитки оставляют точки слизи вместо целого длинного следа. Другие улитки, экономящие энергию, не могут или не хотят заниматься подобной гимнастикой. Вместо этого они следуют по слизистым следам других улиток и генерируют гель для передвижения только при крайней необходимости.

Такая экономия помогает улиткам при определенных обстоятельствах еще и налаживать личную жизнь в пути, если они нападают на интересный след. Мужские особи некоторых видов береговых улиток распознают потенциальных партнерш с помощью следов из слизи, которые содержат все необходимые данные, словно профиль на сайте знакомств. Вид, пол, направление и даже степень привлекательности женских особей можно узнать по слизи. Судя по всему, наибольшей популярностью пользуются хорошо питающиеся улитки, оставляющие за собой широкий след из слизи, не содержащий паразитов. Такое знакомство по слизи помогает улиткам, потому что они редко пересекаются случайно, а о быстрых свиданиях и речи быть не может.

Такой механизм работает, если не применяется обманная слизь. Для вида Littorina saxatilis характерен существенный численный перевес в сторону мужских особей. Таким образом, яйца, отложенные самкой этого вида, могут быть оплодотворены двадцатью самцами. Если заинтересованные самцы чересчур настойчиво преследуют самку, она начинает оставлять гендерно-нейтральный слизистый след. Это подмена с непредсказуемыми последствиями, поскольку самцы идут по совершенно ложному следу. Ни у какого другого вида улиток ученые не замечали попыток совокупления между самцами из-за возникшей путаницы.

Если оставить четырех улиток-партул наедине с розовой улиткой-волком, то через сутки от партул ничего не останется.

ФЛОРИАН ВЕРНЕР, «Улитки. Портрет», 2015

Тем не менее дело может доходить и до серьезных конфликтов. Розовая улитка вида Euglandina rosea[4] сжирает других брюхоногих, присутствие которых она чует по слизи. Для этого у нее есть подвижный отросток на губе, соединенный со специальным органом чувств, что представляет в своем роде сканер для слизи. Этот хищный моллюск идет по всем следам и съедает наземных улиток любого вида. Чуть легче приходится особям ее вида, с которыми она спаривается, если только они не запачкались слизью улиток-приманок. Остерегаться неприятного визита нужно и морским моллюскам. Например, некоторые физиды безостановочно производят слизь, которая, подобно тонкой ткани, покрывает их и их панцирь. Слизь помогает им легко погрузиться в осадочные породы, но может также привлечь хищников, к примеру, улитку Navanax inermis. Да, и эта большая улитка с элегантным названием идет по слизистым следам своей добычи, в том числе физидов. Интересно, что хищник в том числе бродит в своей собственной слизи, к которой Navanax, например, в случае опасности примешивает ярко-желтый защитный материал.

Иногда и родственные связи становятся проблемой. Жизнь моллюсков вида Lottia gigantea делится на два этапа: все особи в молодости имеют мужской пол, а затем превращаются в особей женского пола, при этом их поведение меняется соответствующим образом. Таким образом, строптивые юноши могут становиться проблемой, которую впоследствии пожилые дамы решают силой. Они не могут позволить себе ностальгировать по бурной молодости, слишком много стоит на кону. Особи женского пола живут отшельниками и, подобно другим моллюскам – морским блюдечкам (или пателлам), обитающим в приливной зоне, имеют собственный дом, который нужно защищать. Он представляет собой незаметное на первый взгляд углубление в камне, так называемый home scar.

Подобное углубление прекрасно подходит для проживания улитки, которая там защищена от высыхания во время отлива. Для этого ей нужно, правда, сначала найти путь обратно в раковину во время приливов и отливов. Собственный след от слизи при этом выполняет функцию внешней пространственной памяти, ведя улитку сквозь лабиринт зоны прилива, словно нить Ариадны. Калифорнийский ученый Уиллис Г. Хьюватт еще в 1940-е годы исследовал их таинственное поведение. Он изучил маршрут, по которому улитка возвращается домой. Как отмечает Рейчел Карсон в своей замечательной трилогии, посвященной озерам: «…обыкновенная пателла на какое-то время остановилась у края углубления, борясь с дилеммой. Однако при следующем отливе она повернула за угол и вернулась домой».

Для взрослых пателл углубления – больше, чем просто укрытие во время отлива. Вокруг ямки скапливается слой слизи, в которой самки улиток выращивают питательные микроводоросли, возможно даже удобряя их своей слизью. При этом из-за конкуренции сдерживается рост водорослей и они остаются мелкими. У молодых самцов нет никаких амбиций к подобному садоводству, поэтому они предпочитают охотиться на чужих территориях. Правда, если такие охотники встречаются с законными хозяевами, то их поджидает опасность, поскольку последние всеми способами борются с прожорливыми вороватыми соседями. На практике они словно проходятся бульдозером по незваным гостям и при необходимости нападают на их дома. Мой дом – моя крепость.

Таким образом, в качестве смазки и клейкого вещества слизь чрезвычайно многогранна и ценна, однако не менее важна и функция фильтрующего барьера. Всем организмам нужен барьер из слизи, а многоклеточные организмы и вовсе не могли бы развиться без защиты этих высокоспециализированных гидрогелей. Один только человеческий организм оберегают четыре системы гидрогелей. Они контролируют доступ ко всем важным частям тела, начиная от клеточного ядра, тканей, органов и заканчивая пищеварительным трактом. В конце концов, наше здоровье и вся наша жизнь зависят от того, как этот тончайший материал, состоящий в основном из воды, подстроится под каждую отдельно взятую потребность. Питательное или вредное вещество? Опасный патоген или полезный микроб? Сперма, иммунокомпетентная или раковая клетка? Кто имеет право пройти, а кто должен остаться снаружи?

Рисунок 13. Кровеносные сосуды, защищенные гликокаликсом (в разрезе) (1). Принц и кустарник в сцене силуэтного мультфильма Лотте Райнигера «Спящая красавица», 1945 (2). Удлиненные клеточные отростки с гликокаликсом (3)

Изменчивые границы

Во всей окрестной стране шла, однако же, молва о спящей красавице королевне, которую прозвали Шиповничком, а потому время от времени приезжали любопытные королевичи и пытались сквозь ту изгородь проникнуть в замок.

Но это оказывалось невозможным, потому что терновник, переплетаясь, стоял сплошной стеной, и юноши, пытавшиеся сквозь него пробиться, цеплялись за него, не могли уже из него выпутаться и умирали напрасной смертью.

ЯКОБ И ВИЛЬГЕЛЬМ ГРИММ, «Шиповничек»

Операция «Оверлорд» началась ранним утром 6 июня 1944 года высадкой союзников в Нормандии, после которой они в ожесточенных боях с немецкими отрядами отвоевывали путь внутрь Франции, где столкнулись с неожиданным противником. «Американцы не ожидали, что заросли бокажа окажутся такими густыми, что среди кустов растут высокие деревья, да еще и высаженные на высоких насыпях вдоль дорог. В ходе подготовки к высадке они привыкли думать, что кустарник в Нормандии будет таким же, как в Южной Англии. Командир 7-го корпуса генерал Коллинз говорил О. Брэдли, что бокаж ничем не уступает джунглям, в которых ему пришлось повоевать на Гуадалканале», – пишет историк Энтони Бивор. Союзникам спешно понадобилась помощь танков М4 «Шерман», оснащенных острыми стальными пластинами, которые за несколько минут могли срезать живые изгороди (бокажи), посаженные столетия назад местными крестьянами.

Неожиданно много усилий для барьера, который создан не из камня и цемента, а переплетен из живых ветвей. «Кустарник – это рубеж, пограничная область, – пишет литературовед Иан Родвелл в своем блоге Liminal Narratives. – Он очерчивает, маркирует и разделяет. Он создает границу между полями, лугами и дорогами». В природе кустарник не создает препятствий для воздуха, воды, птиц и других мелких животных. Одновременно он не пропускает диких животных и домашний скот, а также людей, в том числе и принцев, к Спящей красавице.

По сути, они представляют собой скорее барьер, но не абсолютную границу. Иными словами, некую пороговую зону перехода. В этом состоит их сходство с барьерами из слизи, которые тоже выполняют функцию выборочного фильтра.

Писатель Джон Райт в своей «Истории живых изгородей» предполагает, что подобные кустарники имеют древнюю историю. Вероятно, они использовались еще в раннесредневековой Британии для ограждения пасущегося скота от посаженных зерновых культур, а также для защиты полей от оленей, волков и других диких животных. Если не отходить от темы, то наши собственные ткани – это возделанная земля, которую надо защищать как от внешних возбудителей, так и от живущих внутри микробов. Совсем плотными гидрогели никогда не бывают, потому что они содержат слишком много воды, которая сдерживается лишь за счет трехмерной структуры вещества. Обе составляющие, водная и гелевая, играют важную роль для барьерной функции и процесса фильтрации, который происходит на разных уровнях. Об этом нам известно в основном благодаря работам Катарины Риббек из Массачусетского технологического института (Кембридж, США).

Может ли какая-то частица проникнуть сквозь гидрогель? Это зависит в первую очередь от объема самого геля и размера ячейки слизи. Крошечные частицы растворяются в геле в большинстве случаев так же незаметно, как насекомые пролетают сквозь живую изгородь. Крупные частицы, в свою очередь, застревают вне зависимости от того, имеет ли преграда ботанический характер, как в случае с кустарниками, или молекулярный, если речь идет о гидрогеле. Таким образом, слизь, словно сито, просто, эффективно и чисто механически осуществляет фильтрацию, в результате которой многие крупные вредные вещества и патогены без специального механизма действия остаются снаружи.

Методы отбора, которые использует барьер из гидрогеля, не всегда полезны для нас, так как иногда он не может отличить друга от врага, в связи с чем перехватывает полезные медицинские компоненты. Тем не менее, если при разработке новых лекарств не учитывать наличие барьера, то на достижение медикаментами своей конечной цели в организме будет уходить непозволительно много времени. Это значит, что любое лекарство, которому предстоит встретиться с барьером из слизи, должно, фигурально выражаясь, иметь при себе правильный билет. Грубая сила вроде той, что использовали танки-носороги, принесет в таких обстоятельствах больше ущерба, чем пользы, поскольку прорехи в барьере чреваты тем, что в организм попадут опасные патогены. Следовательно, биомедицина работает над созданием механизмов, функционирующих по принципу «Сезам, откройся!». Такие механизмы позволяют полезным активным компонентам проникнуть через гидрогель, после чего он тут же снова становится непроницаемым.

Тем не менее не всегда решение принимает один лишь гидрогель – у молекулярной структуры тоже есть право голоса. Иногда случается так, что барьер пропускает частицу, но она застревает внутри гидрогеля. Частица, таким образом, оказывается внутри электростатического взаимодействия ее собственной поверхности и слоя геля. Выбраться оттуда так же сложно, как принцам из кустарника, чтобы добраться к Спящей красавице. Однако бывает и обратное: если крупной частице удается пробраться сквозь гель, то ее взаимодействие с ним открывает проход для остальных. Некоторые патогены в ходе своей эволюции к этому приспособились и стали приносить с собой специальные энзимы (ферменты) типа молекулярных ножниц, способные прорезать дыру в геле. Другие действуют элегантнее, копируя код, открывающий проход в некоторые гели. Человеческие сперматозоиды также должны прорвать гелевый слой в шейке матки. В их случае успех операции зависит от консистенции слизи, которая меняется в зависимости от потребности организма. Иными словами, нужно подобрать правильное время!

«Я не хочу наружу, кто знает, что нас там ждет», – говорит Вуди Аллен в роли сперматозоида-очкарика в знаменитой комедии «Все, что вы всегда хотели знать о сексе, но боялись спросить». Он боится не без оснований. Дорога сперматозоидов в сторону яйцеклетки проходит непросто. Они, будучи не очень желанными чужеродными частицами, сначала проходят через чрезвычайно кислую среду влагалища, а затем через слизистую пробку, охраняющую доступ к матке. Этот барьер почти всегда толстый и плотный настолько, что патогены и сперматозоиды не могут пробраться внутрь. Ситуация меняется во время овуляции, когда созревает новая, готовая к оплодотворению яйцеклетка. Решающим фактором является значение водородного показателя (pH), в отношении которого действует следующий принцип: чем кислее среда, тем плотнее гелевая преграда.

При овуляции растет значение pH. Гидрогель в шейке матки размягчается, так как впитывает больше воды, следовательно, начинает легче пропускать входящие частицы. Тогда и только тогда отдельные сперматозоиды получают разрешение войти. Однако не только женское тело способно на подобные манипуляции. Мужская семенная жидкость также способна повышать значение pH во влагалище, тем самым создавая для себя более комфортные условия. В противном случае сперматозоиды долго бы не выдержали в условиях агрессивной кислой вагинальной среды. Нерасторопные и дефектные частицы, подобно микробам, быстро отфильтровываются. В ходе дальнейшего изучения работы Риббек становится очевидно, что значимость барьеров из слизи ощущается больше всего тогда, когда этот защитный механизм перестает работать.

А тем временем минули сто лет, и наступил именно тот день, в который и надлежало Шиповничку очнуться от своего долго сна.

Юный королевич подошел к изгороди и вместо терновника увидел множество больших прекрасных цветов, которые сами собой раздвинулись настолько, что он смог пройти сквозь эту изгородь невредимый, а позади него они опять сомкнулись непроницаемой стеной.

ЯКОБ И ВИЛЬГЕЛЬМ ГРИММ, «Шиповничек»

Недоношенность до сих пор является самой частой причиной смерти новорожденных, а также причиной осложнений у выживших младенцев. Известно, что в этом важную роль играют инфекции, живущие в утробе матери. Впрочем, в течение долгого времени было загадкой, как возбудители заболеваний попадают в утробу, если путь в матку защищен пробкой из слизи, которая должна оставаться непроницаемой на протяжении всей беременности. Одно исследование показало, что у многих женщин, склонных к преждевременным родам, слизистый барьер недостаточно плотный, и даже такой же пористый, как в период овуляции. Инфекциям, таким образом, даже не нужно напрягаться, чтобы попасть в организм матери. Средством защиты ребенка в таком случае могла бы быть синтетическая слизь, которая укрепила бы слабый барьер.

Значение pH в желудке, который долгое время считался стерильным органом, так же судьбоносно, как и в половых путях. Какой патоген может поселиться в органе с крайне кислой средой, чьи стенки защищены двойным слоем слизи? Бактерии Helicobacter pylori это удается. Она нейтрализует желудочную кислоту, что делает среду желудка более восприимчивой и гостеприимной. В результате изменения pH бактерия легче проходит через слизистый барьер. Таким способом возбудитель быстро добирается до стенки желудка и поселяется там. Helicobacter pylori