Полная версия:
Армия иммунитета. Как два триллиона микроскопических существ хранят ваше здоровье и как им помочь
Ксения Пасынкова
Армия иммунитета. Как два триллиона микроскопических существ хранят ваше здоровье и как им помочь
© ООО Издательство «Питер», 2026
Благодарности
Эта книга случилась во многом благодаря:
• научно-популярному сайту «Биомолекула» (biomolecula.ru) и конкурсу «Био/мол/текст», которые послужили надежной стартовой площадкой, формируя самый качественный «НАУЧ»;
• уютному информационно-развлекательному сообществу «Пикабу» (pikabu.ru), которое без стеснения давало оплеухи, формируя самый качественный «ПОП»;
• издательству «Питер», где сразу заметили эти «НАУЧ» и «ПОП» и дали возможность им увидеть свет;
• людям, которые в нужный момент поддерживали под руки, когда хотелось все послать к черту.
В общем, над этой книгой поработали тысячи человек, в том числе знаменитые ученые, память о которых навеки вплетена в науку.
Спасибо всем. Низкий поклон.
Введение. Битва длиною в жизнь
Знай врага и знай себя: тогда в тысяче битв не потерпишь поражения.
Сунь-цзыКто первым из живых существ приходит на ум при мысли о жизни на планете Земля?
Обычно люди вспоминают больших многоклеточных животных, например китов или слонов. Эти великолепные гиганты, безусловно, заслуживают, чтобы о них подумали в первую очередь, но на самом деле многоклеточные животные (к которым относимся и мы с вами) – это крохотная верхушка всей существующей жизни, какие-то жалкие 5 % от общей биомассы всех существ. И даже эти 5 % представлены в основном насекомыми, а не слонами… Кто же тогда остальные 95 %?
Как подсчитали ученые, основу жизни на планете (около 80 % от всей биомассы) составляют растения. Это не удивительно, поскольку растения являются основными поставщиками энергии, можно сказать «кормильцами». Благодаря фотосинтезу растительные клетки подключаются к бесплатному термоядерному реактору по имени Солнце и, преобразуя энергию излучения в биохимические связи, снабжают горючкой других живых существ на планете. Без фотосинтезирующих растений не было бы доступа к дешевой энергии, а значит, не было бы такого количества и разнообразия жизненных форм.
Но, несмотря на это, растения при слове «жизнь» люди вспоминают редко (и тут растениям стало обидно: у них же есть секвойя и баобаб!). Что уж тогда говорить про остальные 15 % живых существ, которые и вовсе невидимы для человека? О них при слове «жизнь» никто (кроме, пожалуй, докторов да биологов) и не подумает. Это микроскопические организмы – бактерии. Посмотрите внимательно на схему, представленную на рис. 1, – она наглядно отражает положение дел на планете.
Рис. 1. Биомасса живых существ на планете Земля, рассчитанная по массе фиксированного углерода, входящего в состав их клеток (тел). Это «сухой» углерод, без воды
Поразительно, но бактерий на Земле в три раза больше, чем всех-всех многоклеточных животных, вместе взятых! И это посчитали по массе сухого углерода, а не поштучно. По количеству штук бактерии и археи[1] уделывают всех с огромным отрывом и являются самыми многочисленными существами.
Но раз уж зашла речь о микроорганизмах, то на Земле много не только бактерий. Если посчитать биомассу всех вирусов и сравнить ее с биомассой живущих сейчас людей (рис. 2), то вирусы будут весить в три раза больше всего человечества! При том что среднестатистический вирус раз в сто меньше среднестатистической бактерии, а нас, людей, уже больше 8 миллиардов.
В общем, если инопланетяне когда-нибудь посетят Землю, они наверняка назовут ее планетой микробов и растений (рис. 3), потому что остальные представители жизни как-то невнятно малочисленны. Без обид.
Рис. 2. Биомасса всех вирусных частиц на планете и всех людей
Микроорганизмы (не только бактерии с вирусами, но и простейшие) действительно царствуют на планете. Они повсюду. Куда ни плюнь – там на ПМЖ пара сотен (тысяч?) микробов. Эти малявки не только заполонили сушу, воздух, воду, но и заселили невыносимо экстремальные места на планете: например, подводные гейзеры (как кому-то вообще пришло в голову жить в кипятке?).
Рис. 3. Возможно, пришельцы нас и не заметят
Мало того: микробы обитают и на всех поверхностях других живых организмов. К слову, если вы забудете о приличиях и все-таки плюнете, то фактически попадете микробами в микробов: в вашей слюне их тоже полно. Только у вас они, скажем так, не дикие, а немножко одомашненные. Рисунок 4 – попытка пофантазировать, как могла бы выглядеть одомашненная бактерия в макромире.
Рис. 4. Одомашненная бактерия. Фантазия автора
Справедливости ради нужно заметить, что большинство микробов для человека безобидны и жить особо не мешают. Многие скромно окисляют железо или серу (то, что больше никто не ест, хе-хе) и живут глубоко в земле, как порядочные интроверты. Но существует также немало микроорганизмов, которые охотятся за органикой и готовы выпотрошить вкусное живое существо клетка за клеткой. Какие бы меры нами ни предпринимались, даже в стерильных условиях операционной мы находимся на территории опасного врага. Не говоря уже о собственной квартире или – о ужас! – об общественном транспорте.
Количество микроорганизмов невозможно подсчитать визуально или вручную, но это не значит, что это невозможно в принципе. Самый простой метод подсчета количества бактерий в воздухе – технология оседания по Коху. Берется чашка Петри с питательной средой, оставляется в помещении открытой на пять минут и затем отправляется в термостат. В таких курортных для бактерий условиях каждая осевшая из воздуха активная клетка начинает делиться и образовывать колонию. Подсчет колоний выявляет так называемое микробное число: количество колониеобразующих единиц (КОЕ) на кубический сантиметр или метр. Согласно СанПиН, чистым для жилых помещений считается воздух, в котором левитирует до 2000 микроорганизмов в 1 м3, слабозагрязненным – 4000–7000, а сильнозагрязненным – выше 7000. А для операционных и других стерильных помещений нормальным считается значение до 500 КОЕ/м3: то есть в воздухе операционных все равно в норме присутствуют бактерии.
Как же мы выживаем в мире, в котором биомасса вирусов в три раза больше биомассы человечества, а про немыслимое количество бактерий вокруг и говорить страшно?
Как-как… Сражаемся 24/7, как же еще. Вернее, сражаемся не мы целиком, а наша внутренняя армия, которая состоит из удивительных существ. Эти существа способны есть без рта, воевать без рук, проверять документы без глаз и думать без мозга. Правда, этих странных воинов без микроскопа разглядеть не получится, но численность их впечатляет: около 1 800 000 000 000 бойцов на одного человека! (1,8 триллиона, если кому-то лень считать нули). А общая масса этого внутреннего «войска» получается в среднем около 1,2 килограмма [2].
В общем, пока вы пьете чай, работаете или читаете эту книгу – примерно килограмм вас несет боевую службу: либо охраняет границы, либо уничтожает неприятеля. Для вашего организма жизнь – это не увеселительная прогулка, даже когда организм отдыхает на пляже (недаром же целый килограмм вашей тушки выделили на охрану). Но, справедливости ради, и для микробов ваш организм далеко не Диснейленд.
Представьте на секунду патогенную бактерию, которая пробралась внутрь вашей крепости: например, вы ее вдохнули в автобусе или съели с немытым яблоком. Это милое одноклеточное уже предвкушает переезд в замечательное местечко, в котором можно наплодить колонию клонов себя любимой: многоклеточный организм – это идеальный термостат, в нем всегда тепло, влажно и много еды. Все как в рекламном буклете лучшего бактериального курорта! Но бонусом к вольготной жизни прилагаются кое-какие неприятности. Например, клетки-пожиратели, которые проглатывают нелегалов и переваривают их вместе со шляпой и чемоданом. Даже если бактерии повезет не влипнуть в объятия этих чудищ, они мастерски умеют пользоваться оружием ближнего боя: маленький химический взрыв никого не оставит равнодушным, даже туфли не уцелеют. А стоит патогену привлечь к себе систему самонаводящегося оружия – то и вовсе беда. Куда ни прячься, а молекулярный снаряд прицепится к твоей шкурке и превратит тебя в дуршлаг.
Однако несметное количество бравых воинов и мощь их вооружения в защите организма от патогенов вовсе не главное. А что главное? Ответ найдется в этой книге. В ваших руках окно в параллельное измерение, живущее своей сложной, интересной и опасной жизнью. Тут вы узнаете многое о тактиках и стратегиях боев, которые ведутся в вашем организме. Познакомитесь с мусорными генералами и клетками-коррупционерами. Найдете ответ, почему цветет синяк, кто поднимает в организме температуру; разберетесь в причинах появления опухолей; поймете, как связаны чистота и аллергии; какую роль играет иммунитет в старении организма. И даже (если не знали) разберетесь, наконец, что такое это загадочное СОЭ в анализах крови.
Добро пожаловать в свой прекрасный (и ужасный) внутренний мир (рис. 5).
Рис. 5. Иммунные клетки и бактерия (фантазия автора)
Немного инструкций1. Материал в этой книге изложен простым и доступным языком с минимумом научных терминов, но они все равно будут. Рекомендуется их все-таки запоминать, и в этом есть две пользы. Первая: можно при случае блеснуть знаниями в кругу друзей. Вторая: проще будет понять научные исследования, к которым вы обратитесь в дальнейшем при проверке информации. Зачем вдруг вам может понадобиться читать научные исследования? Ну хотя бы для того, чтобы не верить всему на слово: здоровье – тема спекулятивная, полная мошенников и «гуру», которые любят украсить лапшой чьи-нибудь уши.
2. Образное изложение в книге не стоит воспринимать слишком буквально: это всего лишь приемы для лучшего восприятия материала. Очеловечивание клеток используется в тех же целях: надеюсь, что нарисованные в шутку глаза и пушки у клеток не вызовут вопросов. Постоянно держите в уме, что все сложнее, чем представлено в этой книге, а упрощение всегда расширяет пространство для неточностей. Если возникают вопросы – научные источники, на базе которых написана эта книга, найдете на последних страницах.
3. Углубленная информация будет представлена во врезках «Для шибко любознательных» – ее читать не обязательно, общий смысл не пострадает. А упрощенные выводы будут во врезках «Для ЛЛ» (для Лиги лени). Их, пожалуй, стоит читать всем в качестве краткого вывода. А самым ленивым при этом можно даже не вникать в книгу полностью.
Глава 1. Подразделение врожденного иммунитета
Первые живые существа на планете Земля появились около 3,8 миллиарда лет назад. Целых три четверти этого огромного срока жизнь представляли одноклеточные микроорганизмы – ни слонов, ни баобабов. Ни даже мышей. Только клетки, клетки, клетки…
Клетка – странное название для единицы жизни, не правда ли (рис. 6)?
Но Роберт Гук не виноват: с помощью усовершенствованного им микроскопа он наблюдал структуру растений, которая действительно чем-то напоминает клетки. Ученый дал этим структурам название «cell», что с английского также переводится как «ячейка» или «сота». И уже при переводе получилась «клетка».
Рис. 6. Клетка – название, не будоражащее воображение. Зато запомнить легко!
Можно сколь угодно возмущаться, что клетка не самое подходящее название для единицы жизни, но так уж исторически сложилось, потому с этим придется мириться. Жаль лишь, что из-за унылого термина у многих уже в школьные годы испарилось желание узнать, что клетки на самом деле фантастически разнообразны. Вы только
полюбуйтесь, какие невероятно красивые формы они могут принимать (рис. 7, 8).
Клетки – не просто ячейки или вместилища. Это сложнейшие по своей организации существа, способные мастерски химичить, талантливо строить, передвигаться, реагировать, чувствовать, общаться друг с другом и даже… принимать решения.
Однако мы пока не станем залезать в дебри клеточного разнообразия, давайте для начала о том, что все клетки объединяет.
В первую очередь все клетки являются единицами жизни. Гук, который в 1665 году открыл клетку и дал ей название, не понял всю важность этих ячеек. Прошло почти двести лет, пока ученые окончательно определили клетку как основной элемент бытия всех организмов, а последующие исследования подтвердили единство жизни: основные биохимические механизмы оказались похожи во всех клетках, как бы внешне они ни различались.
Итак, поехали!
Рис. 7. Фотографии одноклеточных микроорганизмов (увеличение – приблизительно в 200 раз): слева направо: инфузория-туфелька (Paramеcium caudаtum), одноклеточная водоросль рода Микрастериас (Micrasterias), панцирный жгутиконосец рода Церациум (Ceratium), фораминифера (Foraminifera)
Рис. 8. Мы не так представляем себе клетку… Это лишь трудности перевода
По одному из определений, клетка – это живая элементарная система, которая состоит из генетического материала и цитоплазмы, ограниченная активной мембраной и способная к обмену с окружающей средой.
Если то, что вы сейчас прочли, показалось бессмысленным шумом, давайте разбираться подробнее – на самом деле все довольно просто. Любая порядочная клетка в упрощенном понимании должна иметь как минимум три компонента: оболочку (мембрану), внутреннюю жидкую среду (цитоплазму) и набор информации (гены) (рис. 9).
Рис. 9. Ключевые компоненты клетки
Почему именно эти три компонента самые важные?
Без оболочки, очевидно, – ни туда, ни сюда. Если ты жидкий, то без барьеров растечешься в лужу. А если ты жидкий да еще и живешь в жидкой среде – растворишься в потоке, не успев сказать «ой». Оболочка нужна, не поспоришь: но почему ее не назвать просто оболочка, выдумали какую-то мембрану?
Лезем за определением:
Мембрана – перегородка, разделяющая две жидкие (или газообразные) фазы, обеспечивающая под действием движущей силы селективный перенос компонентов этих фаз.
Простыми словами: оболочка клетки – барьер, но не сплошной. Она довольно хитро устроена и выборочно проницаема: молекулы некоторых веществ все-таки могут проходить сквозь нее туда-сюда, словно сквозь фильтр. И тут все сходится с определением клетки: если тебе необходимо не только ограничивать себя от среды, но и как-то взаимодействовать с ней, твоя оболочка и не должна быть сплошной. Сквозь клеточную мембрану довольно легко проходят молекулы О2 (кислород) и СО2 (углекислый газ). Благодаря этому клетка может «дышать» хоть зад… гм, хоть всей своей поверхностью. И для этого не нужно никаких дополнительных устройств, все случается типа само по себе (на самом деле по законам физики).
Для шибко любознательныхЭто «само по себе» в данном случае является необратимым физическим процессом статистической природы, который называется диффузия. Диффузия (лат. diffusio – «распространение», «рассеивание») – процесс перемещения молекул или атомов вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой. Это приводит к самопроизвольному выравниванию концентраций по всему занимаемому объему. Вспоминаем школьную физику: благодаря диффузии аромат духов распределяется по всему помещению, а суп становится равномерно соленым. Клетки используют не только диффузию, но и осмос: это выравнивание концентраций в растворах с помощью самопроизвольного передвижения молекул воды в сторону большей концентрации какого-либо вещества.
Помимо самопроизвольных процессов, сквозь оболочку современной клетки происходит также и регулируемый обмен. Возможен он благодаря специальным порам, каналам или молекулярным насосам (но это уже более сложные навороты, которые появились в процессе эволюции).
В общем, в клетку что-то постоянно входит, а что-то выходит.
С мембраной более-менее понятно, давайте про цитоплазму. Если у тебя есть оболочка, очевидно, есть и то, что ты не хочешь потерять. В случае клетки это водный раствор определенных веществ (ионов и молекул). Этот внутренний раствор по составу всегда отличается от того, в котором клетка обитает (например, от морской или пресной воды), и этим он ценен. Внутренний раствор создает особую, регулируемую среду внутри клетки и обеспечивает ей возможность поддерживать определенную стабильность в сумасшедшем изменчивом мире. Но это еще не все: различие биохимического состава внутри и снаружи (в совокупности с избирательно проницаемой мембраной!) дает возможность клетке использовать весьма крутые законы химии и физики – например, накапливать на своей поверхности электрический заряд. Каждая живая клетка – микроскопический конденсатор.
Для шибко любознательныхРаспространено мнение, что электрически активными клетками являются исключительно нейроны (нервные клетки). Но это не совсем так: каждая живая клетка – это система, которая функционирует, помимо всего прочего, благодаря биоэлектричеству. В 1940-х годах биохимик А. Сент-Дьёрдьи пришел к выводу, что феномен живого нельзя объяснить просто наличием и взаимодействием каких-то химических веществ. Необходимо также, чтобы эти вещества находились в определенном электрическом состоянии. Согласно этой точке зрения, живые и мертвые клетки различаются по своему биоэлектрическому, а не только биохимическому статусу. В возникновении биологических ионных токов участвуют положительно заряженные ионы калия и натрия, отрицательно заряженные ионы хлора, а саму клетку можно сравнить с конденсатором, диэлектрик в котором представлен в виде мембраны.
Теперь про главное: геном. Зачем пузырю с жижей информация?
Дык без информации жизнь – не жизнь. Собственно, сам жизненный процесс можно определить как реализацию закодированной информации. Ну или как действие по инструкции, если хотите. Ведущая на сегодняшний день теория мира РНК накапливает все больше экспериментальных доказательств того, что преджизнь началась вовсе не с появления клетки, а гораздо раньше: с автокаталитических[2] химических реакций и синтеза информационных молекул – РНК (а после ДНК), способных к созданию собственных копий. То есть можно сказать, что все началось не с живого существа, а с появления информации, которая стала умножать и распространять саму себя. Только тогда это была еще не упорядоченная информация, а просто молекулы, способные к самоорганизации и самокопированию, которые вступили на путь эволюции и «отбора к осмыслению». А уже в процессе биохимической эволюции молекулы стали носителями информации.
Кто-то задаст вопрос: как молекулы могут стать носителями информации? Да запросто! Носителем информации может стать любой предмет. Главное, чтобы было нечто, что может эту информацию расшифровать (в случае генетической информации – реализовать). Вы сами можете сделать носителем информации хоть камни, хоть узелки на веревочке. Но с одним условием: если тот, кому это послание предназначено, знает, как раскодировать символы, – иными словами, может понять, что вы этими булыжниками хотели сказать.
Современная клетка – это уже сильно усложненная система. А современный геном – не просто самокопирующиеся молекулы, а целый административный отдел со сводом правил и инструкций на все случаи клеточной жизни, который состоит из несколько томов тщательно упорядоченной информации. За счет чтения и реализации информации, заключенной в геноме, клетка постоянно что-то химичит, реагирует на стимулы извне, изменения среды, производит продукты, которые нужны для жизнедеятельности и копирует саму себя. В генетические инструкции входят планы-чертежи по производству тех или иных молекулярных устройств. В общем, без информации клетка – ни к чему не способный пузырь с жидкостью, который скоро распадется, так как не умеет себя обслуживать, сохранять и копировать.
Благодаря мембране, цитоплазме и генам каждая клетка – самостоятельный, самовоспроизводящийся организм. Она умеет добывать пищу, противостоять среде, размножаться. Что еще для счастья надо? Не удивительно, что жизнь на протяжении трех четвертей своего существования на планете была одноклеточной: всем и так было норм.
Однако тут стоит признать, что существование одноклеточных не было полностью обособленным и эгоистичным: помимо свободноживущих единоличников, многие клетки отыскали выгоду в совместном проживании. Они стали образовывать колонии из собственных клонов (клетки не покидали друг друга при делении, а оставались в общей кучке) или собирались во взаимовыгодные сообщества из разных видов (бактериальные маты, биопленки). Так что не стоит слушать тех, кто истолковывает эволюцию как «выживает сильнейший» прямо в лоб. Выживает не самый сильный, а наиболее приспособленный к создавшимся условиям. Если кооперация и совместное проживание помогают приспосабливаться – то почему бы и да!
Взгляните на фотографию (рис. 10) – на ней показаны разнообразные по формам колонии планктонных диатомовых водорослей. Одна из причин, почему эти одноклеточные создают колонии, весьма банальна: такой крупный агрегат сложнее проглотить микроскопическим хищникам (например, ветвистоусым или веслоногим рачкам).
Рис. 10. Фото причудливых колоний планктонных одноклеточных диатомовых водорослей (увеличение – примерно в 200 раз)
Для ЛЛКолонии одноклеточные создают для того, чтобы хищник подавился.
Но, несмотря на явное стремление одноклеточных к объединению и сотрудничеству, принципиально новое устройство жизни – многоклеточность – появилось всего 800 миллионов лет назад. Колонии клонов, очевидно, были демоверсией будущих многоклеточных гигантов, но как именно произошел переход, сделавший кучку клеток единым организмом, точно пока неизвестно. Возможно, главным прорывом стало изобретение общепита: общая кормежка в колонии позволила части клонов отодвинуть добычу пропитания на второй план и привела к разделению обязанностей. Кто-то взял на себя пищевое снабжение и стал работать в столовке, кто-то организовал этой столовке охрану, а кто-то обеспечил всему этому предприятию передвижение в пространстве.
Для шибко любознательныхТакже появлению многоклеточности способствовало совершенствование упорядоченности. У многоклеточных не так давно было найдено одно изменение в генах, которое позволяет делящимся клеткам ориентироваться относительно соседних. Благодаря этому клетки соединяются не как попало, а образовывают высокоупорядоченные конструкции самых разных форм [3]. У одноклеточных такой генетической особенности нет.
Долго ли, коротко ли, со временем клетки многоклеточных организмов претерпели такие глубокие специализации, что стали почти деталями единого целого. Если в колонии клоны остаются полностью независимыми единицами, которые могут в любой момент собрать вещички и свалить в закат, то в организме это становилось сделать все более проблематично – клетки не могли уже обойтись друг без друга. Но тут кроется большая возможность упустить нечто очень важное!
Легче всего представить многоклеточный организм как систему из мельчайших деталей-шестеренок или микросхем. Но клетка многоклеточного организма – это не только часть чего-то. Это также по-прежнему полноценное живое существо. Организм в организме. Или, если хотите, существо в существе. Еще в 1890-х годах немецкий физиолог Теодор Шванн догадался, что клетки тел животных и растений в каком-то смысле отдельные единицы, которые ведут собственную жизнь. То есть вы состоите не из деталей, а из триллионов микросуществ. Не верите? Если вы извлечете свою клетку и просто бросите на произвол судьбы, она, конечно, погибнет. Но если создадите для нее благоприятные условия вне вас – она будет преспокойно жить дальше. В таком случае вы ей в общем-то особо и не нужны.
Конечно, это странно – что часть тебя может жить вне тебя. И как-то даже жутковато. Но именно это свойство клеток сейчас повсеместно используется в науке: большинство современных экспериментов проводятся не над животными или людьми, а над их живыми клетками, которые специально для этого разводят (культивируют) в лабораторных условиях.
