При воздействии антибиотиков бактерии, так же как насекомые, могут вырабатывать устойчивость путем случайных генетических мутаций. Один из примеров – возбудитель туберкулеза (Mycobacterium tuberculosis), у которого очень сильная устойчивость, причем самые устойчивые штаммы развились исключительно путем спонтанных мутаций. Однако в отличие от насекомых у бактерий также существует процесс горизонтального переноса генов, при котором участки нового генетического материала встраиваются в другие бактериальные клетки, которые могут размножаться бесполым путем с помощью деления. Благодаря горизонтальному переносу генов бактерии обладают гораздо большей способностью к рекомбинации генетического материала, чем насекомые или любые другие многоклеточные организмы. Самая распространенная форма горизонтального переноса для развития устойчивости – перенос плазмид, маленьких кольцевых молекул ДНК. При этом ДНК, полученная извне, может рекомбинировать с ДНК хозяина или оставаться внутри клетки в качестве функциональной плазмиды.

Когда определенная бактерия начинает вырабатывать устойчивость к антибиотику, помимо спонтанных мутаций, могут происходить и другие события, что в конечном итоге приводит к развитию устойчивости к разным препаратам. При хроническом воздействии гены устойчивости к антибиотикам, которые присутствовали у бактерий во внешней среде, упаковываются в плазмиды, которые могут быть переданы человеческим патогенам. Подобно самореплицирующимся белкам-прионам (см. главу 19), плазмиды являются самыми вездесущими загрязнителями, связанными с устойчивыми к антибиотикам бактериями. Плазмиды способны к саморепликации (через встраивание в бактериальную клетку) и перемещениям на большие расстояния и с трудом исчезают из популяции бактерий, даже если в среде не остается никаких антибактериальных агентов.

Так же как и у насекомых, у бактерий происхождение генов устойчивости к антибиотикам не связано напрямую с их воздействием. Единственная коллекция бактерий, которая сохранилась с доантибиотической (до 1954 г.) эры, – это коллекция энтеробактерий Мюррея. Устойчивость к антибиотикам у этих образцов минимальна, что подтверждает тот факт, что она существовала до начала широкого применения антибиотиков, но также и то, что случаи их воздействия были крайне редкими. Устойчивость к антибиотикам была также обнаружена у бактерий, собранных в удаленных уголках планеты, где присутствие антибиотиков маловероятно. Например, в образцах, собранных из осадочных пород в двух разных местах на глубине 170 м и 259 м под поверхностью земли, было обнаружено более 150 различных штаммов бактерий, 90 % которых обладали устойчивостью хотя бы к одному антибиотику.

Преобладание устойчивых к антибиотикам генов, прямо связанных с человеком, раскрывает несколько иную историю, чем сохранение устойчивости в образцах из внешней среды. Этот вывод был сделан на основании оценки наличия устойчивости к антибиотикам у бактерий из человеческих популяций, проживающих в достаточно изолированной среде, например в горных деревнях Непала и Боливии. Несмотря на то что добраться до этих деревень можно только пешком за много часов, кишечные бактерии-комменсалы у местного населения проявляют устойчивость к наиболее старым из известных антибиотиков, в частности тетрациклину, пенициллину и ампициллину. Еще более важно то, что, несмотря на удаленность деревень, местные бактерии по устойчивости ближе всего к бактериям самых близких к деревням городских районов вне зависимости от расстояния до них. Самое простое объяснение этому – случающиеся время от времени контакты между жителями деревень и наиболее близких к ним городов, благодаря которым происходит распространение генов устойчивости и несущих их бактерий.

В свете распространения устойчивости к антибиотикам наибольшую тревогу вызывает судьба и транспорт плазмид, содержащих соответствующие гены. Антропогенные химические вещества (антибиотики) привели к широкому распространению биологических агентов (плазмид), которые способны перемещаться в окружающей среде (с бактериальными клетками или самостоятельно) на большие расстояния, попадая таким образом в самые отдаленные уголки, где могут причинять ущерб. Естественно, ученые опасаются, что эти гены могут попадать в клетки подходящих патогенных микроорганизмов и создавать у них устойчивость к антибиотикам даже там, где они ранее не применялись. Переносящие гены устойчивости плазмиды – это не химические вещества, но и не инфекционные агенты, подобные прионам. Так что плазмиды являются еще одним примером того, насколько расширились границы и предмет токсикологии со времен Парацельса и его простой зависимости реакции от дозы.