Аланна Коллен.

10% Human. Как микробы управляют людьми



скачать книгу бесплатно


С момента зарождения жизни одни виды начали эксплуатировать другие, и микробы продемонстрировали особое умение поселяться и жить в самых необычных местах. С учетом их микроскопических размеров тело другого существа – особенно такого крупного позвоночного, как человек, – является для них не просто экологической нишей, а целым миром, таящим в себе большое разнообразие сред обитания, экосистем и возможностей. Человеческое тело, столь же разнообразное и динамичное, как наша планета, обладает своим химическим климатом, который постоянно колеблется под действием гормонов, и сложными ландшафтами, которые претерпевают изменения с возрастом. Для микробов это настоящие райские кущи.

Мы развивались бок о бок с микробами, задолго до того, как сделались людьми. По большому счету – еще до того, как наши далекие предки стали млекопитающими. Тело любого животного – от крошечной плодовой мушки до гигантского кита – вмещает целую популяцию микробов. Несмотря на то что за многими из них закрепилась дурная репутация паразитов и переносчиков болезней, гостеприимство по отношению к этим миниатюрным живым организмам может приносить их хозяину огромную пользу.

Гавайский короткохвостый кальмар (Sepiola atlantica) – такой же большеглазый и красочный, как персонажи мультфильмов студии Pixar, – обезопасил себя от множества врагов, «пригласив» на жительство в особую полость своего брюшка всего один вид биолюминесцентных бактерий. В этом органе люминесцентные бактерии Aliivibrio fischeri, перерабатывая пищу, излучают свет, так что, если поглядеть на кальмара снизу, можно заметить легкое мерцание. Благодаря этому его тело теряется на фоне поверхности океана, залитой лунным светом, что делает его незаметным для хищников, подплывающих снизу. Своим спасительным камуфляжем кальмар обязан постояльцам-бактериям, а те могут быть благодарны ему за надежную «крышу над головой».

Разумеется, использование бактерий в качестве источника света – явление уникальное. Однако кальмары – отнюдь не единственные животные, которые обязаны жизнью микробам, населяющим их организм. Стратегии выживания многочисленны и разнообразны, и взаимодействие с микробами стало движущей силой эволюционной борьбы еще 1,2 миллиарда лет назад, когда только появились живые существа, состоящие более чем из одной клетки.

Чем больше клеток в организме, тем больше микробов может в нем жить. Особенно гостеприимны к бактериям крупные травоядные. Грубые корма, составляющие их рацион, требуют особых белков, так называемых ферментов (или энзимов), для расщепления плотных молекул, из которых состоят оболочки клеток травянистых растений. С учетом смены поколений тех же коров ждать, пока в результате случайной мутации появится ген, отвечающий за выработку подобных ферментов, пришлось бы не один миллион лет.

Более быстрый способ обрести способность добывать все полезные питательные вещества, заключенные в растительном корме, – «нанять» специалистов со стороны – микробов.

В четырех камерах коровьего желудка обитают насчитывающие триллионы особей популяции микробов, размягчающих растительные волокна, и жвачка – шарик из твердых растительных волокон – перемещается туда-сюда между ртом коровы, где трава перемалывается механически, и желудком, где ферменты, вырабатываемые микробами, занимаются химическим расщеплением. Микробы, в отличие от коров, легко и быстро обзаводятся нужными генами, потому что поколения у них меняются меньше чем за сутки, открывая огромные эволюционные возможности. Если короткохвостый кальмар и корова получают выгоду от того, что их тела кишат микробами, – то возможно, что и люди тоже? Конечно, корма у нас понежнее, да и желудок не четырех-камерный, но и у нас есть свои хитрые особенности. Наш желудок – маленький и простой, он годится только для того, чтобы перемешивать съеденную пищу, добавляя в нее немного ферментов для переваривания и чуть-чуть кислоты, чтобы убить нежелательных бактерий. Зато стоит продвинуться дальше – через тонкую кишку, где пищу расщепляют уже новые ферменты, после чего она всасывается в кровь благодаря целому ковру из пальцевидных выростов, придающих поверхности стенок сходство с теннисным кортом, – и мы попадаем в мешок, напоминающий уже не корт, а теннисный мячик. За ним начинается толстая кишка. Этот мешкообразный участок, расположенный в правом нижнем углу нашего туловища, называется слепой кишкой, и именно там находится главное сообщество микробов, живущих внутри человеческого тела.

От слепой кишки отходит орган, имеющий дурную славу: многие считают, что он болтается там просто так, непонятно зачем, и только причиняет боль и служит источником заразы. Это аппендикс, иначе – червеобразный отросток. Он и правда похож на червяка, хотя с тем же успехом его можно сравнить с личинкой или со змеей. Длина аппендикса сильно варьируется – от скромных двух до внушительных двадцати пяти сантиметров; в редких случаях у человека может быть даже два аппендикса – или не быть ни одного. Согласно распространенному мнению, нам было бы лучше обходиться вовсе без этого отростка, ведь на протяжении ста лет никто не мог сказать, какую функцию он выполняет. Любопытно, что возникновением этого живучего мифа мы обязаны тому самому человеку, который на основе сравнительной анатомии животных создал элегантную теорию эволюции. Чарльз Дарвин в своей работе «Происхождение человека», ставшей продолжением его «Происхождения видов», включил аппендикс в раздел, посвященный рудиментарным органам. Когда Дарвин сравнил человеческий аппендикс с более крупными аналогами у других животных, ему показалось, что наш отросток – это рудимент, пережиток прошлого, который постепенно уменьшается в размерах и скоро совсем пропадет, так как люди заметно изменили свой рацион.

Из-за отсутствия данных, которые указывали бы на обратное, рудиментарный статус аппендикса почти не оспаривался в течение следующих ста лет и представление о его полной бесполезности только подкреплялось благодаря частым случаям, когда аппендикс приносил большие неприятности. Врачебное сообщество видело в нем настолько бесполезный орган, что к 1950-м годам удаление аппендикса стало одной из наиболее распространенных хирургических операций в развитых странах. Аппендэктомию нередко делали даже без медицинских показаний, просто в дополнение к другим операциям на брюшной полости. В какой-то момент шансы мужчин подвергнуться в течение жизни аппендэктомии выросли до одной восьмой, а у женщин этот показатель составлял одну четвертую. У 5–10 % людей рано или поздно развивается аппендицит – как правило, это происходит в первые десятилетия жизни, до появления у них детей. При отсутствии лечения умерла бы примерно половина этих людей.

В таком случае перед нами головоломка. Раз аппендицит так часто приводит к смерти в юном возрасте, то в силу естественного отбора аппендикс у людей должен был довольно быстро исчезнуть. Те, у кого имелся бы достаточно длинный отросток, чтобы в нем возникла инфекция, просто умирали бы, чаще всего не успев оставить потомства, а значит, не передав никому по наследству своих генов, ответственных за образование такого аппендикса. Со временем число людей с аппендиксом становилось бы все меньше и меньше, и в конце концов он бы вовсе пропал. Естественный отбор просто отсеял бы обладателей аппендиксов, отдавая предпочтение тем, кто его лишен.

Предположение Дарвина о том, что аппендикс – сохранившийся по недоразумению бесполезный орган, можно было бы принять, если бы не столь частые роковые последствия обладания этим органом. Следовательно, имеются два объяснения тому, почему у нас все-таки сохранился аппендикс, причем они не исключают друг друга. Первое состоит в том, что аппендицит – болезнь новая, вызванная изменениями в окружающей среде. Иными словами, в прошлом мог уцелеть даже бесполезный орган, если не приносил нам никакого вреда. Другая гипотеза гласит, что аппендикс вообще не является пагубным пережитком эволюционного прошлого, а напротив, приносит здоровью большую пользу, которая значительно перевешивает возможный риск. То есть естественный отбор «предпочитает» тех из нас, кто обладает червеобразным отростком. Остается вопрос: почему?

Ответ можно получить, изучив содержимое этого органа. Аппендикс, средняя длина которого составляет 8 см, а диаметр – около сантиметра, представляет собой трубку, защищенную от потока почти переваренной пищи, проходящего мимо входа в него. Но аппендикс отнюдь не является лишь сморщенным кусочком плоти, напротив: он целиком заполнен особыми иммунными клетками и молекулами. Они не бездействуют, но, составляя неотъемлемую часть иммунной системы, защищают и культивируют сообщество микробов и взаимодействуют с ним. Внутри аппендикса эти микробы образуют «биопленку» – слой микроорганизмов, поддерживающих друг друга и изгоняющих из своих рядов вредные бактерии. Получается, аппендикс – вовсе не бесполезный орган, а своего рода убежище, которое человеческий организм ради собственной безопасности предоставил сообществу жильцов-микробов.

Как заначка, припрятанная на черный день, этот микробный заповедник очень пригождается в тех случаях, когда организму приходится нелегко. После пищевого отравления или желудочно-кишечной инфекции внутренности человека могут заново заселиться «правильными» штаммами. Подобная «запасливость» могла бы показаться избыточной, если забыть о том, что такие опасные кишечные заболевания, как дизентерия, холера и лямблиоз, были побеждены в западном мире лишь в последние десятилетия. Общественные санитарно-профилактические меры, включая строительство канализационных систем и водоочистных станций, положили конец подобным болезням в развитых странах, однако если рассматривать нашу планету в целом, то одна из пяти детских смертей по-прежнему случается по причине инфекции, сопровождающейся диареей. У тех, кто справился с болезнью, наличие аппендикса чаще всего ускоряет выздоровление. Лишь обладая крепким здоровьем, мы могли вообразить, будто у аппендикса нет никакой функции. На самом же деле негативные последствия перенесенной аппендэктомии на Западе были попросту замаскированы повышением гигиены.

Как выяснилось, аппендицит – действительно современное явление. Во времена Дарвина он приводил к смерти крайне редко, так что, пожалуй, можно простить классику заблуждение. Аппендицит стал распространенным заболеванием лишь в конце XIX века. Судя по статистике одной из британских больниц, заболеваемость возросла очень резко: если до 1890 года в среднем за год фиксировалось 3–4 случая, то в 1918 году отмечалось уже 113 случаев. Такой же взлет заболеваемости наблюдался во всех развитых странах. С диагнозом никогда не возникало трудностей – человека скручивала острая щемящая боль, и, даже если пациент не обращался за врачебной помощью, последующее вскрытие позволяло легко установить причину смерти – еще до того, как аппендицит сделался таким привычным явлением, как сейчас.

В качестве возможных объяснений выдвигалось множество версий – от возросшего уровня потребления мяса, сливочного масла и сахара до закупорки носовых пазух и кариеса. В начале XX века дискуссии остановились на том, что главная причина – это уменьшение содержания клетчатки (волокон) в повседневном рационе, однако недостатка в новых гипотезах нет и по сей день. В частности, одна из них возлагает вину на распространившийся усовершенствованный метод очистки и обеззараживания воды и, как следствие, на повышение уровня гигиены – то есть как раз на тот фактор, который, казалось бы, сделал аппендикс практически ненужным. Какой бы ни была главная причина, к началу Второй мировой войны из коллективной памяти уже ушло воспоминание об относительно недавнем резком росте заболеваемости аппендицитом, так что теперь нам кажется, будто это было всегда.

На самом деле даже в современном развитом мире аппендикс лучше сохранять хотя бы до наступления зрелого возраста: ведь он защищает нас от периодических желудочно-кишечных инфекций, иммунной дисфункции, рака крови, некоторых аутоиммунных болезней и даже от инфаркта. Функция «заповедника» микробной флоры и фауны каким-то образом соотносится с его спасительной ролью. А если аппендикс – далеко не бесполезный орган, значит, можно сделать еще более важный вывод: микробы имеют огромное значение для нашего организма. Похоже, они не просто паразитируют на нас, пользуясь бесплатным жильем и проездом, но и оказывают нам настолько ценную услугу, что в нашем кишечнике для них предусмотрено даже специальное убежище, своего рода питомник. Остаются вопросы: кто же там живет и что именно делают для нас эти существа?

Еще несколько десятилетий назад выяснилось, что обитающие в наших телах микробы синтезируют некоторые важные витамины и разрушают плотные растительные волокна, – однако до недавних пор никто в полной мере не понимал, насколько тесно их клетки взаимодействуют с нашими. В конце 1990-х годов микробиологи, использовав средства и методы молекулярной биологии, совершили научный прорыв и сделали множество открытий, которые позволили по-новому взглянуть на наши странные взаимоотношения с микрофлорой.

Технология секвенирования ДНК дает представление о том, какие именно микробы у нас имеются. Если спускаться, ступенька за ступенькой, по иерархической лестнице, которую представляет собой это эволюционное древо, двигаясь от царства к типу, классу, отряду, семейству, и далее – к роду, виду и штамму, то становится понятно: все живые организмы более или менее тесно связаны между собой родством. Если же смотреть снизу, то видно, что мы, люди (род Homo, вид Homo sapiens), относимся к высшим приматам (семейство Hominidae), которые наряду с низшими обезьянами принадлежат к большому отряду приматов (Primates). Приматы, а также наши пушистые домашние питомцы, лакающие молоко из блюдечка, являются представителями млекопитающих (класс Mammalia), которые, в свою очередь, входят в группу, объединяющую хордовых – животных, имеющих позвоночник (тип Chordata). И наконец, если рассматривать всех животных – и позвоночных, и беспозвоночных (вроде знакомого нам кальмара), – то все вместе они образуют царство животных (Animalia) и входят в домен (надцарство) эукариот (Eukaryota). Бактерии и другие микробы (за исключением вирусов, их рассматривают отдельно от настоящих живых существ) располагаются на других крупных ветвях общего филогенетического дерева, но они принадлежат уже не к царству животных, а к своим особым царствам.

Определять особь до вида и находить ее точное место в классификации живых существ помогает секвенирование ДНК. Один ее фрагмент особенно информативен. Это ген 16S rRNA – своеобразный «штрихкод», позволяющий идентифицировать бактерию, не секвенируя весь ее геном. Чем более схожи коды у генов 16S rRNA, тем теснее родственные связи между соответстующими видами и тем ближе друг к другу они располагаются на «ветках» и «сучках» своей общей генеалогической ветви.

Впрочем, секвенирование ДНК – не единственный источник информации о наших микробах и об их деятельности. Большое подспорье тут и мыши, в частности специально выведенные стерильные – «аксенические», или «безмикробные», лабораторные линии. Первые поколения этих подопытных животных появились на свет с помощью кесарева сечения и содержались в изолированных камерах, что преграждало доступ к их организму любых бактерий – и полезных, и вредных. Впоследствии большинство безмикробных мышей стало рождаться обычным путем, просто от безмикробных матерей; таким образом, появился целый род аксенических грызунов, которых никогда в жизни не населяли и не касались никакие микробы. Даже их пища и подстилки подвергаются облучению и хранятся в стерильных контейнерах, чтобы не заразить животных. Пересадить мышь из одной герметической камеры в другую – целая операция, требующая антисептики и вакуумные насосы.

Сравнивая стерильных мышей с обычными, обладающими полным набором «положенных» микробов, ученые могут установить конкретные последствия обладания той или иной микрофлорой. Можно, скажем, заселить стерильных мышей каким-то одним видом бактерий (или ограниченным набором видов), чтобы выяснить, как именно каждый штамм влияет на биологию мыши. Благодаря этим «гнотобиотическим» (то есть обладающим заранее известной внутренней «живностью») мышам мы получаем представление о том, каким образом микробы воздействуют на нашу жизнь. Разумеется, с мышами сожительствуют не те микробы, что с людьми, и «мышиные» результаты порой разительно отличаются от «человеческих», однако такой научный инструмент позволяет получать немало ценных данных. Без подопытных грызунов медицинская наука развивалась бы в миллион раз медленнее, чем сейчас.

Именно благодаря безмикробным мышам один из крупнейших современных микробиологов, профессор Джеффри Гордон из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, штат Миссури, понял ту роль, которую играет микрофлора в управлении здоровым организмом. Он сравнил внутренности безмикробных и обыкновенных мышей и выяснил, что под управлением бактерий клетки, образующие стенки кишечника мышей, высвобождают особые молекулы, которые «кормят» микробов, как бы завлекая их и предлагая здесь поселиться. Присутствие микрофлоры изменяет не только химическую среду внутри кишечника, но и его морфологию. По «приказу» микробов пальцевидные выросты удлиняются – с тем чтобы площадь поверхности увеличилась и могла усваивать из пищи всю необходимую энергию.

От нашего совместного существования выигрывают не только живущие в нас микробы, но и мы сами. Взаимоотношения с микробами не ограничиваются простой толерантностью к пришельцам: мы их активно завлекаем сами. Понимание этого факта, наряду с секвенированием ДНК и опытами на безмикробных мышах, совершило настоящую революцию в науке. Проект «Микробиом человека», осуществляемый национальными учреждениями здравоохранения США, а также многие другие научные исследования в разных лабораториях по всему миру доказали, что наше здоровье и счастье напрямую зависят от состояния наших микробов.

* * *

Человеческое тело и снаружи, и изнутри представляет собой сложный ландшафт, включающий множество сред обитания – таких же разнообразных, как климатические зоны Земли. Подобно тому как экосистемы нашей планеты населены разными видами растений и животных, различные области человеческого тела дают приют совершенно разным микробным сообществам. Как и у всех многоклеточных животных, наше тело представляет собой сложно устроенную трубку. В один конец этой трубки входит пища, а из другого выходят ее остатки. Мы привыкли считать своим наружным покровом кожу, однако внутренняя поверхность нашей «трубки» – тоже, если вдуматься, «наружный» покров, и она сходным образом подвергается воздействию среды. Подобно тому как слои кожи защищают нас от стихий, вторжения микробов и вредных веществ, клетки внутри пищеварительного тракта также призваны нас охранять. Так что наши настоящие «внутренности» – это отнюдь не пищеварительный тракт, а ткани и органы, мышцы и кости, которые скрыты между внутренней и внешней поверхностями нашего трубкообразного тела.

Итак, поверхность человеческого тела – это не только его кожа, но и изгибы, повороты, борозды и складки проходящей внутри его полости-трубки. Если рассматривать тело под этим углом, то даже легкие, влагалище и мочеиспускательный канал можно отнести к внешним покровам – частям поверхности. Неважно, внешние это покровы или внутренние: вся эта поверхность служит потенциальным местом жительства для микробов. Разные места и участки обладают для симбионтов различной ценностью: наиболее густонаселенные, напоминающие мегаполисы сообщества возникают в лучших, самых плодородных – богатых пищевыми ресурсами – местах вроде кишечника, а сравнительно малочисленные группы других видов обосновываются в более бедной ресурсами или в более агрессивной среде обитания – вроде легких или желудка. Проект «Микробиом человека» призван составить полное описание всех этих поселений на основе микробных проб из восемнадцати различных мест на внутренних и внешних покровах человеческого тела. Пробы взяли у сотен добровольных участников эксперимента.

В течение пяти лет работы над ПМЧ молекулярные микробиологи пережили некое подобие золотого века, вроде того, что случился в классической натуралистике: тогда, в XVIII и XIX веках, ученые открывали множество видов птиц и млекопитающих и присваивали им научные названия, заполняя законсервированными в формалине тушками шкафы и целые кабинеты. Теперь оказалось, что человеческое тело – целая сокровищница новых, доселе неведомых науке штаммов и видов, причем многие из них обнаруживались лишь в организме одного-двух добровольцев из всех, кто участвовал в эксперименте. Выяснилось, что не существует какого-то постоянного, единого для всех набора микробов: напротив, лишь очень немногочисленные штаммы бактерий являются общими для всех людей. Сообщество микробов у каждого человека так же уникально, как отпечатки пальцев.

Хотя у штаммов внутри каждого из нас есть свои неповторимые особенности, по большому счету это одни и те же микробы. При этом бактерии вашего кишечника имеют куда больше сходства с бактериями в кишечнике вашего соседа, чем с вашими собственными, но живущими, скажем, на пальцах. Кроме того, несмотря на различия между нашими микробными сообществами, они выполняют одни и те же функции. То, что для вас делает бактерия А, для вашего лучшего друга может делать бактерия Б.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Поделиться ссылкой на выделенное