Жизнь после антибиотиков. Чем нам грозит устойчивость бактерий к антибиотикам и нарушение микрофлоры Блейзер Мартин

Henry Holt and Company, LLC

Publishers since 1866

175 Fifth Avenue

New York, New York 10010

Henry Holt ® is registered trademark

of Henry Holt and Company, LLC.

Copyright © 2014 by Martin J. Blaser

All rights reserved.

© Martin J. Blaser, 2014

© ЗахаровА.В., перевод, 2016

© ООО «Издательство «Э», 2016

Мартин Блейзер — руководитель программы, посвященной микрофлоре человека, в Университете Нью-Йорка; экс-президент Общества инфекционных заболеваний в Америке. Более 30 лет изучает связь бактерий, болезней и здоровья человека.

Глава 1. «Чума современности»

Я не знал двух сестер отца. Они родились в маленьком городке в начале прошлого века и не дожили до второго дня рождения. В один из дней у них поднялась высокая температура и, наверное, появилось что-то еще. Ситуация была настолько серьезной, что мой дедушка пошел в молитвенный дом и изменил имена своих дочерей, чтобы обмануть ангела смерти. Ни одной это не помогло.

В 1850 году каждый четвертый ребенок в Америке умирал еще до первого дня рождения. Смертельные эпидемии проносились по перенаселенным городам, где люди жили в темных, грязных комнатах с затхлым воздухом и без проточной воды. Из знакомых нам болезней тогда свирепствовали холера, пневмония, скарлатина, дифтерия, коклюш, туберкулез и оспа.

Сейчас лишь шесть американских младенцев из тысячи не доживают до года – это значительное улучшение. За последние полтора столетия и Соединенные Штаты, и другие развитые страны стали намного здоровее{1}. Это произошло благодаря улучшению санитарных условий, дератизации, чистой питьевой воде, пастеризованному молоку, детским прививкам, современным медицинским процедурам (в том числе анестезии) и, конечно, почти семидесяти годам применения антибиотиков.

В современном мире дети растут без деформированных из-за недостатка витамина D костей или «замутненных» из-за инфекции дыхательных путей. Почти все женщины выживают после родов. Восьмидесятилетние старики, уйдя на пенсию, бодро бегают за теннисными мячами, часто, благодаря металлическому бедренному суставу.

Тем не менее за последние несколько десятилетий, несмотря на все медицинские достижения, что-то пошло не так. Мы становимся слабее, страдаем от разнообразной «чумы современности»: ожирения, ювенильного диабета, астмы, сенной лихорадки, пищевых аллергий, гастроэзофагеального рефлюкса, рака, целиакии, болезни Крона, язвенного колита, аутизма, экземы. И это далеко не весь список. Об этом каждый день пишут в газетах. Скорее всего, мы сами, кто-то из членов семьи или знакомых страдает одним из этих заболеваний. В отличие от смертоносных болезней прошлых веков, которые протекали скоротечно и били наверняка, вышеперечисленные – хронические, они портят жизнь жертвам в течение десятилетий.

Самая заметная – ожирение, которое определяется по индексу массы тела (ИМТ) – отношению между ростом и весом человека. У людей с нормальным весом ИМТ равняется 20–25. ИМТ 25–30 – лишний вес, больше 30 – уже ожирение. У Барака Обамы, например, ИМТ 23. У большинства президентов США он был меньше 27, за исключением Уильяма Говарда Тафта, который однажды застрял в ванне Белого дома. Его ИМТ составлял 42.

В 1990 году этим недугом страдали около 12 % американцев. К 2010 году показатель составил уже 30 %. Когда попадете в американский аэропорт, супермаркет или торговый центр, оглядитесь по сторонам и убедитесь в этом сами.

Эти цифры не просто тревожат: по-настоящему шокирует тот факт, что накопление веса шло не постепенно, в течение нескольких веков, а стремительно, всего за два десятилетия. Богатая жирами и сахаром пища, которую часто обвиняют во всех смертных грехах, была распространена и раньше. Да и страны третьего мира, где новые поколения страдают от избытка веса, не совершали внезапного перехода на диету из кентуккийской жареной курицы в американском стиле. Эпидемиологические исследования показывают, что повышенный прием калорийной пищи, конечно, способствует набору веса, но не является единственной причиной распространения эпидемии ожирения{2}.

Помимо этого в индустриальных странах каждые двадцать лет удваивается количество случаев аутоиммунной формы диабета, которая начинается в детстве и требует инъекций инсулина (диабет 1 типа). В Финляндии, где ведется подробнейшая статистика, с 1950 года заболеваемость возросла на 550 %{3}. И дело не в том, что мы научились лучше диагностировать диабет. Эта болезнь всегда была смертельной, пока в 20-х годах прошлого века не открыли инсулин. Сейчас же при правильном лечении большинство детей выживают. Но это не болезнь изменилась, а мы сами. Кроме того, диабет 1 типа теперь поражает детей во все более раннем возрасте. Когда-то его диагностировали в среднем в девять лет, сейчас – в шесть. У некоторых проявляется и в три года.

Эпидемия ожирения – проблема не только США, но и всего мира. В 2008 году, по данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), 1,5 миллиона взрослых имели лишний вес: из них более 200 миллионов мужчин и 300 миллионов женщин страдали ожирением. При этом многие из них живут в развивающихся странах, которые обычно ассоциируются с голодом, а не с перееданием.

Рост заболеваемости астмой, хронического воспаления дыхательных путей тоже пугает. В 2009 году ею страдал каждый двенадцатый американец (около 25 миллионов – 8 % населения), за десять лет до этого – каждый четырнадцатый. А 10 % детей в США мучаются от хрипоты, одышки, стесненного дыхания и кашля. Хуже всего приходится негритянским – из них болеет каждый шестой. Заболеваемость с 2001 по 2009 год повысилась на 50 %, причем не пощадила ни одной этнической группы.

Астму часто вызывают внешние причины: табачный дым, плесень, загрязнение воздуха, тараканьи отбросы, простуда, грипп. Когда начинается приступ, астматикам не хватает воздуха, и, если под рукой нет лекарства, их срочно отправляют в комнаты экстренной помощи. Даже при лучшем уходе они могут умереть, как, например, сын моего коллеги-врача.

Повсюду и пищевые аллергии. Поколение назад реакция на арахис была редкостью. Сейчас же в любом американском детском саду можно найти «безореховую зону». Все больше детей страдают от иммунной реакции на пищевые белки, которые содержатся не только в орехах, но и в молоке, яйцах, сое, рыбе, фруктах. Назовите любой продукт – кому-нибудь обязательно противопоказано его есть. Целиакия, аллергия на глютен, главный белок пшеничной муки, тоже распространяется все шире. И 10 % детей страдают от сенной лихорадки. Экзема, хроническое воспаление кожи, проявляется у 15 % детей и 2 % взрослых в США. В индустриальных странах количество детей с экземой увеличилось втрое за последние тридцать лет.

Перечисленные болезни говорят о том, что будущие поколения столкнулись с никогда прежде не наблюдавшимся уровнем иммунной дисфункции, а также с такими расстройствами, как аутизм. Эту современную «чуму», вокруг которой много обсуждений и споров, изучает моя лаборатория. Впрочем, взрослым тоже досталось. Количество случаев воспаления кишечника, в том числе болезни Крона и язвенного колита, растет, куда ни посмотри.

Когда я был студентом-медиком, гастроэзофагеальный рефлюкс, из-за которого возникает изжога, был не слишком распространен. Но за последние сорок лет количество случаев этого заболевания выросло в разы, а рак, который вызывает эта болезнь, – аденокарцинома пищевода, – самый быстро распространяющийся в США и в других странах, где ведется статистика по этому вопросу. Особенно страдают белые мужчины.

Почему все эти недуги одновременно поразили развитые страны, а теперь «покоряют» и развивающиеся, которые перестраиваются на западный лад? Может ли это быть совпадением? Если существует десять «болезней современности», то у них десять отдельных причин, верно? Мне это кажется маловероятным.

Или может быть существует какая-то единственная причина параллельного роста заболеваемости? Ее легче распознать. Но какая грандиозная причина может объединять в себе помимо прочего астму, ожирение, изжогу, ювенильный диабет и аллергию на конкретный продукт? Слишком калорийным питанием можно объяснить ожирение, но не астму: многие дети, страдающие от нее, худые. Загрязнением воздуха – астму, но не пищевые аллергии…

Для объяснения причин выдвигались разнообразные теории: недостаток сна делает вас толстыми; прививки вызывают аутизм; генетически модифицированная пшеница – яд для кишечника, и т. д.

Самое популярное объяснение роста детской заболеваемости – так называемая гигиеническая гипотеза. Идея в следующем: «чума современности» поразила нас, потому что мы сделали мир слишком чистым. В результате иммунные системы стали спокойнее и уязвимее для ложных тревог. Многие родители пытаются усилить иммунитет детей, заводя домашних животных или устраивая экскурсии по скотным дворам, или, еще лучше, разрешая есть грязь.

Позволю себе возразить. Я считаю, что подобные меры никак не сказываются на нашем здоровье. Микробы, которые водятся в грязи, эволюционировали для жизни в почве, а не в нас. А те, что в домашних и сельскохозяйственных животных, тоже не слишком связаны человеческой эволюцией. Гигиеническую гипотезу понимают неправильно.

В первую очередь, нужно внимательнее присмотреться к микроорганизмам, которые живут в наших телах, к огромным собраниям сотрудничающих и конкурирующих между собой микробов, известным как микробиомы. В экологии биомом называется совокупность растений и животных в отдельном районе, например в джунглях, лесу или на коралловом рифе. Огромное число разнообразнейших организмов, больших и малых, взаимодействуют, образуя сложнейшие сети поддержки. Когда главный вид биома пропадает или вымирает, экология страдает. Может даже коллапсировать.

В каждом человеке живет не менее разнообразная экосистема, которая эволюционировала вместе с нами на протяжении тысячелетий. Они живут во рту, кишечнике, носовых пазухах, ушном канале, на коже, у женщин – во влагалище. Микробы, из которых состоит ваш микробиом, обычно приобретаются в раннем детстве; как ни удивительно, к трем годам популяция у ребенка почти не отличается от взрослой{4}. Они играют важнейшую роль для иммунитета. Короче говоря, именно ваш микробиом поддерживает ваше здоровье. А сейчас он по частям исчезает.

Причины этой экологической катастрофы вокруг нас. Например, избыточное применение антибиотиков, кесарево сечение, широкое использование дезинфицирующих средств и антисептиков. Сопротивляемость антибиотикам – сама по себе большая проблема: старые убийцы, вроде туберкулеза, все эффективнее борются с ними, и заболеваемость снова начинает расти. Например, Clostridium diffi cule (C. diff), очень опасная бактерия из пищеварительного тракта, противостоит нескольким антибиотикам, как и широко распространенный патоген – Staphylococcus aureus (метициллин-резистентный золотистый стафилококк), который можно подхватить практически везде. Слишком активное использование антибиотиков лишь усугубляет ситуацию.

Конечно, резистентные патогены ужасны, но еще опаснее – потеря разнообразия в личном микробиоме. Это приводит к изменению развития самого организма, влияя на обмен веществ, иммунитет и когнитивные способности.

Я назвал этот процесс «исчезающей микробиотой»{5}. Вряд ли вы слышали этот термин раньше, но считаю, что он верен. По разным причинам мы теряем древние микробы. Именно эта переделка, в которую мы попали, – центральная тема книги. Готов предположить, что в будущем станет только хуже. Непредвиденные эффекты обнаружились у двигателей внутреннего сгорания, расщепления атома, пестицидов. Есть они и у злоупотребления антибиотиками и некоторыми другими медицинскими и квазимедицинскими практиками (например, использования дезинфицирующих веществ).

Если не изменить своего поведения, то впереди нас ждет худшее будущее. Оно настолько мрачно, подобно бурану, свирепствующему над замерзшим полем, что я называю его «антибиотической зимой». Мне не хочется, чтобы дети будущего погибли так же, как мои несчастные тетки. Именно поэтому я бью тревогу.

Мой личный путь к пониманию, что у наших друзей-микробов возникли проблемы, начался 9 июля 1977 года. Эта дата хорошо запомнилась – именно тогда я впервые услышал название микроба Campylobacter, которое буквально дало старт делу всей моей жизни. Я тогда был новоиспеченным аспирантом факультета инфекционных болезней в медицинском центре Университета штата Колорадо в Денвере.

Тем утром меня попросили осмотреть 33-летнего пациента, прибывшего в госпиталь несколькими днями ранее. Он страдал от высокой температуры и потери ориентации. Спинномозговая пункция определила у него менингит – серьезное воспаление нервной системы. Врачи отправили образцы крови и спинномозговой жидкости в микробиологическую лабораторию, чтобы определить, бактериальная ли это инфекция, и если да, то узнать, какая именно. Пока готовились анализы, пациенту назначили лечение антибиотиками, потому что он выглядел ужасно. Врачи посчитали, что если сразу не дать большую дозу лекарств, он умрет. И оказались правы.

Анализы показали наличие медленно растущей бактерии Campylobacter fetus, организма, о котором никто в госпитале никогда не слышал. Именно поэтому позвали меня и дали девять дней, чтобы я узнал, в чем дело.

Campylobacter – это род спиралевидных бактерий. Словно маленькие штопоры, они, благодаря своей форме, проникают сквозь желеобразную слизь, которой покрыты стенки желудочно-кишечного тракта. Но почему у вида такое странное название – fetus? (В биологии каждый организм определяется сначала названием рода, в данном случае – Campylobacter, а затем – вида, в данном случае – fetus. В каждом роде есть много видов и подвидов. Люди, например, – Homo sapiens: род Homo, вид sapiens.) Копаясь в медицинской литературе, я обнаружил, что микроб получил странное название, потому что поражал беременных овец и коров, вызывая выкидыш. У людей встречается крайне редко. Как наш пациент им заразился – загадка. Ведь городской житель, музыкант.

После того как мы узнали имя «виновника», подобрали подходящие антибиотики для лечения, и через две недели молодой человек выздоровел. Мне, тем временем, предстояло прочитать лекцию на клинической конференции, и я решил выбрать темой Campylobacter. Это же здорово – рассказывать о редкой инфекции, о которой никто ничего толком не знает. При этом была надежда, что никто не заметит мое невежество новичка.

Читая о Campylobacter fetus, я вскоре выяснил, что у нее есть «кузина» – Campylobacter jejuni (на латыни – «тощая кишка»). Литературы было не очень-то много, но удалось узнать, что люди, пораженные C. fetus, обычно страдают бактериемией (наличием бактерий в крови), а вот C. jejuni чаще всего вызывает диарею. Два практически одинаковых организма совершенно по-разному ведут себя в нашем теле. Почему один остается в кишечнике, где ему, собственно, самое место, а другой убегает, словно ниндзя, в кровеносную систему?

За последующие несколько лет, переходя из преподавательского состава в Центры по контролю и профилактике заболеваний и обратно (университет штата Колорадо и университет Вандербильта), я стал настоящим экспертом по C. fetus, моей «любимой» бактерии, и обнаружил некоторые тайны, объясняющие ее ловкость Гудини.

С этой точки зрения C. fetus сыграла важную роль в эволюции моей гипотезы об исчезающем микробиоме, преподав фундаментальный урок: я узнал, как бактерии могут выживать в своих носителях. Да, они вызывают болезни, но, как стало понятно позже, в нас живут микроогранизмы, которые пользуются разнообразными похожими инструментами, чтобы прятаться от иммунной системы. Обычно они не вредят, даже наоборот – защищают. В своем деле бактерии пользуются бесчисленным множеством трюков, отточенных миллионами лет проб и ошибок. И могут либо помочь, либо навредить носителю в зависимости от обстоятельств. Эту идею мы еще рассмотрим более детально.

C. fetus, в частности, рассказала мне о маскировке – как микроорганизмы приобретают способность избегать защитной системы носителя. И 99,9 % всех бактерий, в том числе C. jejuni, умирают при контакте с веществами крови, но вот C. fetus попадает в кровеносную систему, надевая своеобразную «мантию-невидимку»{6}. Тем не менее даже она может угодить в плен клетки здоровой печени. Но если ее не вычистить из крови человека с больной печенью (позже я узнал, что тот самый молодой пациент был хроническим алкоголиком), это может привести к менингиту.

Пока я в начале 80-х работал с C. fetus и C. jejuni, открыли их родственницу – как ни странно, в желудке. Тогда ее назвали «желудочным кампилобактер-подобным организмом» («ЖКПО»), а сейчас – Helicobacter pylori.

Как оказалось, она владеет немалым набором трюков и, словно Джекил и Хайд, может либо навредить нам, либо защитить. Я гоняюсь за этим организмом уже двадцать восемь лет с верой (и надеждой доказать) в то, что он может стать путеводной звездой в решении загадки «чумы современности».

Наша первая встреча произошла в октябре 1983 года на Второй международной конференции по кампилобактериальным инфекциям в Брюсселе. Там я познакомился с доктором Барри Маршаллом, молодым врачом из Австралии, который открыл ЖКПО и заявил, что тот вызывает гастрит и язву желудка. Ему никто не поверил. На тот момент «знали», что их вызывает стресс и избыток желудочного сока. Я тоже скептически отнесся к данной идее и, конечно, сразу понял, что ученый открыл новую бактерию. Но, как по мне, убедительных доказательств, что она вызывает язву, предоставлено не было.

Лишь через два года, когда другие ученые подтвердили связь микроба с гастритом и язвенной болезнью, я решил посмотреть, смогу ли внести вклад в исследование ЖКПО (в 1989 году бактерию переименовали в Helicobacter pylori, обнаружив, что это отдельный от Campylobacter вид). Они родственники примерно такой же дальности, как лев (Pantera leo) и домашняя кошка (Felis catus){7}: определенное сходство есть, но различия достаточно большие, благодаря которым их можно отнести к разным родам. Моя лаборатория разработала анализ крови на этот микроб и показала: если он живет в вашем организме, то у вас есть и естественная защита от него{8}.

Но врачи объявили войну H. pylori не на жизнь, а на смерть, прописывая антибиотики при любом желудочном дискомфорте. Их девизом стала фраза «Хорошая H. pylori – мертвая H. pylori»{9}. Я тоже принадлежал к этому лагерю почти десять лет.

Однако к середине девяностых изменил мнение. Начали накапливаться свидетельства, что H. pylori – часть нормальной микрофлоры нашего кишечника{10} и играет огромную роль в здоровье. Лишь отказавшись от догмы, провозглашавшей «гастрит – это плохо», удалось заново оценить биологию этой бактерии. Да, она портит жизнь некоторым взрослым, но позже мы узнали, что она очень полезна для детей. Ее уничтожение может принести больше вреда, чем пользы.

Большим достижением Маршалла и его партнера-исследователя Робина Уоррена стали клинические исследования, показавшие, что уничтожение H. pylori с помощью антибиотиков лечит язву. Другие подтвердили и расширили наблюдения. За это открытие ученые получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2005 году.

В 2000 году я перешел в Нью-Йоркский университет и оборудовал там лабораторию с целью узнать, чем эта древняя бактерия занималась в наших желудках и каковы были последствия. За четырнадцать лет набралось большое количество доказательств, что исчезновение этого почтенного микроба, возможно, стало одной из причин нынешних эпидемий. А потом H. pylori привела меня к более широкому исследованию – человеческого микробиома в целом.

Сейчас в моей лаборатории постоянная суета. Мы работаем более чем над двадцатью проектами – наблюдаем, как антибиотики действуют на микробы и их носителей, проводя опыты как на мышах, так и на людях. В типичном эксперименте над животными мы даем им лекарства в питьевой воде и сравниваем с теми, кто их не получает. Начинаются исследования очень рано, иногда еще до рождения детеныша. Потом даем подрасти и следим за состояниями и изменениями: насколько толстыми становятся, как работает печень, как вырабатывается иммунитет в кишечнике, как растут кости, что происходит с гормонами и мозгом.

Это очень интересная работа, потому что в каждой из областей мы видим изменения, вызванные антибиотиками, причем на ранней стадии жизни. Стало понятно, что младенчество – ключевое «окно» уязвимости. Совсем в юном возрасте существуют критические периоды роста, и наши эксперименты показывают: потеря дружественных кишечных бактерий на этой стадии развития приводит к ожирению – по крайней мере, у мышей. Также проводим исследования по социальному развитию и целиакии. У нас много идей по поводу того, как применить полученные данные о мышах к людям. Главная цель – помочь восстановиться после перенесенного урона, в том числе разработать стратегии возвращения исчезнувших микробов. Ключевой шаг во всех этих стратегиях – уменьшить дозировку и частоту приема антибиотиков при лечении детей, причем чем быстрее это произойдет, тем лучше.

Моя одиссея, начавшаяся почти тридцать семь лет назад, после того самого больного менингитом, убедила меня, что сейчас – важнейший этап моей карьеры. Годы работы врачом-инфекционистом и научные эксперименты помогли оформить собственную точку зрения на «чуму современности». Я не ожидал, что все так сложится. Но, словно подталкивая, работа переносила меня через долины, горы и океаны научных медицинских исследований. Она же привела к новым идеям о меняющейся современной жизни, которыми я хочу поделиться с вами. Сегодняшняя «чума» – совсем не такая, которая унесла жизни сестер моего отца, но и не менее смертоносная.

Глава 2. Наша микробная планета

Первоначально, 4,5 миллиарда лет назад, наша планета была безжизненной сферой из расплавленного металла. Но через миллиард лет океаны уже кишели свободно живущими клетками. Каким-то образом, еще не совсем ясным для науки, в этих первобытных морях зародилась жизнь. Одни говорят, что первые «кирпичики» жизни прилетели пылью из открытого космоса – это так называемая гипотеза панспермии. Другие считают, что самовоспроизводящиеся молекулы появились в залежах глины на дне океана, в горячих гидротермальных источниках, или в пенных пузырях, появлявшихся, когда волны разбивались о скалы. У нас по-прежнему нет точного объяснения, как же все началось.

И все же мы более-менее понимаем, как благодаря простым правилам появилась богатая и разнообразная жизнь нашей планеты и продолжают появляться сложные организмы. Вся биология основывается на незыблемых принципах эволюции, конкуренции и сотрудничества, впервые появившихся в первобытных океанах.

Мы живем на микробной планете, где полностью доминируют формы жизни, не видные невооруженному глазу. Около 3 миллиардов лет бактерии были единственными живыми обитателями Земли. Они жили повсюду на земле, в воде и воздухе, запуская химические реакции, создавая биосферу и условия для эволюции многоклеточной жизни. Они же создали кислород, которым мы дышим, почвы, которые возделываем, пищевые сети для наших океанов. Медленно, неумолимо, с помощью проб и ошибок в бездне времени они построили сложные и прочные системы обратной связи, и по сей день поддерживающие всю жизнь на Земле.

Человеку очень трудно представить себе эту бездну времени, миллиарды лет деятельности микробов, которые превращали неорганическую материю в живую. Эта идея произошла из геологии – из нашего понимания, как континенты формировались, дрейфовали, расходились, врезались друг в друга, создавая горные цепи, которые затем подвергались миллионам лет эрозии ветром и дождем. Тем не менее бактерии жили на Земле задолго до появления гигантских суперконтинентов Лавразии и Гондваны, образовавшихся полмиллиарда лет назад; именно они – родоначальники нынешних континентов.

Джон Макфи в одной из своих классических книг привел замечательную аналогию с местом человечества в этой огромной хронологии: «Давайте представим, что вся история человечества – это один старый английский ярд, равнявшийся расстоянию от носа короля до кончика его вытянутой руки. Стоит один-единственный раз провести по ногтю среднего пальца пилочкой, и вы сотрете всю человеческую историю»{11}.

Или вот другое. Если 3,7 миллиарда лет жизни на Земле представить в виде 24-часовых суток, то наши предки-гоминиды появились бы за 47–96 секунд до полуночи. Наш собственный вид, Homo sapiens, – за 2 секунды до полуночи.

Но есть еще кое-какие потрясающие данные, которые по-настоящему позволяют оценить, насколько огромен мир микробов. Они не видны невооруженным глазом, за несколькими исключениями, лишь подтверждающими правило{12}. Миллионы могут одновременно пройти через ушко одной иголки. Но если собрать всех вместе, их будет не только больше, чем всех мышей, китов, людей, птиц, насекомых, червей и деревьев – вообще всех видимых форм жизни на Земле – вместе взятых: они окажутся еще и тяжелее. Задумайтесь об этом. Невидимые микробы составляют бльшую часть биомассы Земли: млекопитающие, пресмыкающиеся, морская живность и т. д.

Без микробов мы не могли бы есть и дышать, а вот без нас почти все они жили бы отлично.

Термин микроб относится к нескольким типам организмов. В этой книге говорится в основном о домене бактерий, также называемых прокариотами – об одноклеточных безъядерных организмах. Но это вовсе не означает, что они примитивны. Бактериальные клетки – полностью самодостаточные существа: они могут дышать, двигаться, есть, избавляться от выделений, защищаться от врагов и, что важнее всего, размножаться. Они бывают самых разных форм и размеров. Есть похожие на мяч, морковь, бумеранг, запятую, змею, кирпич, даже треножник. Все великолепно адаптированы к жизни в этом мире, в том числе и те, кто живет в телах и на них. Когда они нас покидают, начинаются большие проблемы.

Еще один микробный домен, археи, с первого взгляда напоминает бактерии, но, как говорит само название, это очень старая, глубокая ветвь древа жизни с иной генетикой, биохимией и независимой эволюционной историей. Их обнаружили в экстремальных средах, в частности горячих источниках и соленых озерах, но на самом деле археи можно найти во многих нишах, в том числе в человеческом кишечнике и пупке.

Третья ветвь микробной жизни – эукариоты, одноклеточные организмы с ядром и другими органеллами, которые являются «кирпичиками» для строительства более сложных, многоклеточных форм жизни. За последние 600 миллионов лет от эукариот произошли насекомые, рыбы, растения, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие – вся «большая» жизнь, от муравьев до секвойи. Впрочем, некоторые примитивные относят к микробам, в том числе грибы, водоросли, некоторые амебы и слизистая плесень.

Вот еще один пример, который поможет оценить масштабы. Все знают, что такое семейное древо. Вы расставляете на нем своих предков – родителей, бабушек и дедушек, прабабушек и прадедушек и т. д., причем их количество растет с каждым поколением. Теперь представьте семейное древо всей жизни на Земле – тут столько разных форм жизни, что оно больше похоже на куст с ветками, торчащими во все стороны. Представьте на секунду, что это круглый куст, в котором первое поколение – самый первый живой организм – находится в центре, а ветки торчат наружу. Затем поместим куда-нибудь нас, людей, допустим, на восемь часов, если смотреть по циферблату.

Теперь вопрос. Где находится форма жизни, которую мы называем «кукуруза» и которая растет на наших полях? Вы, наверное, посчитаете, что она вряд ли находится слишком близко к нам, в конце концов это же зеленое растение. Наверное, где-то на противоположной стороне куста. А вот и нет, кукуруза находится, примерно, в точке 8:01. Если люди и кукуруза настолько близкие, как оказалось, родственники, кто же занимает остальные ветки? Ответ: по большей части бактерии. Например, расстояние между E. coli и Clostridium – двумя часто встречающимися – намного больше, чем между нами и кукурузой{13}. Человечество – всего лишь песчинка в мире, населенном микроорганизмами. Нужно привыкать к этой идее.

А еще есть и вирусы, которые, строго говоря, неживые; они распространяются, вторгаясь в живые клетки и пользуясь их ресурсами. Вспомним грипп, простуду, герпес и ВИЧ, которые считаются проблемой человечества. Но большинство в этом мире вообще нами не интересуются: они заражают клетки бактериальные, а не животные, типа наших. Их количество в океанских водах не поддается никакому исчислению: больше, чем звезд во Вселенной. За миллиарды лет сражений между вирусами и микробами и те и другие разработали оружие для убийства друг друга. На самом деле один из возможных способов лечения бактериальных инфекций – использование фагов, вирусов, убивающих бактерии. Эту идею я затрону ближе к концу книги.

В нашем мире обитает (и формирует его) множество разных микробов, но сосредоточимся в основном на бактериях и на том, что происходит, когда мы без разбора убиваем их мощными лекарствами. Есть, конечно, немало эукариот (например, Plasmodium falciparum, один из главных возбудителей малярии), вызывающих сильнейшие страдания, но проблемы, которые они доставляют, другого рода. Вирусов, которые приносят большой вред, тоже хватает – вспомните хотя бы ВИЧ, – они не лечатся антибиотиками. Но это отдельная тема и отдельная книга.

Микробы живут везде, куда ни посмотри. В океане их столько, что и представить невозможно, хотя некоторые оценки дают определенное понимание. Не менее 20 миллионов (а возможно, и миллиарда) типов микробов составляют 50–90 % океанской биомассы. Количество таких клеток в столбе воды (от поверхности моря до дна) превышает 10³⁰, или нониллион (тысячу миллиардов миллиардов миллиардов). Весят они столько же, сколько 240 миллиардов африканских слонов{14}.

Международная перепись океанских микроорганизмов, проект длиною в десять лет, собравший образцы морских микробов из 1200 разных мест, утверждает, что различных родов микроорганизмов на самом деле в сто раз больше, чем считалось ранее. В каждом изученном месте некоторые обязательно доминировали и количественно, и по активности. Но, к удивлению, обнаружилось немало таких, кто представлен популяциями менее десяти тысяч особей (для бактерий это мизерное число), в том числе одиночными экземплярами. Ученые сделали вывод, что многие редкие бактерии вошли в режим ожидания, готовясь к расцвету и доминированию, как только условия окружающей среды окажутся подходящими. То же верно и для микробов, обитающих в наших телах. Способность «прятаться» немногочисленными колониями в течение длительных периодов, а затем спонтанно «расцветать» – это важный аспект их жизни.

Многие морские микробы – так называемые экстремофилы. Они живут в гидротермальных источниках, где кипящая вода, богатая серой, метаном и водородом, поднимается из мантии и встречается с ледяной водой, формируя конусообразные расщелины. Это адская смесь кислот и тяжелых химикатов, но даже в таких условиях, без кислорода и солнечного света, процветают богатые сообщества. То же самое видим в горячих прудах и гейзерах Йеллоустонского национального парка в айоминге и в пузырящемся битумном озере на острове Тринидад в Карибском море. Бактерии живут и в огромных ледниках Антарктики, и в ледяных глубинах Северного Ледовитого океана.

Океанское дно, состоящее из темных вулканических пород и составляющее 60 % земной поверхности, служит домом, пожалуй, самой большой популяции микроорганизмов на планете. Они живут за счет энергии, получаемой от реакции горных пород с водой.

Недавно были обнаружены бактерии, которые едят частицы пластика, плавающие в Мировом океане. Это медленный процесс, и все же не менее тысячи различных видов участвуют в превращении «пластисферы» в более здоровую биосферу. Мы не делали ничего, чтобы стимулировать их – разве что кидали пластиковый мусор в океан. Некоторые добрались до него, и тем, кому такая еда пришлась по вкусу, стали быстрее размножаться – вот вам естественный (пластиковый) отбор в действии{15}.

В самом глубоком месте на Земле, в Марианской впадине, недавно обнаружили активное сообщество микроорганизмов, причем там в десять раз больше бактерий, чем в осадочных породах окружающей впадину абиссальной равнины. Гигантские «ковры» – размером с Грецию – живут на дне океана у западного побережья Южной Америки, питаясь сероводородом.

Ветры, в том числе ураганные, поднимают немало микроорганизмов в воздух; некоторые выживают и даже остаются там. Вокруг формируются частички льда, снежинки, и возникают перистые облака. Они оказывают влияние на погоду и климат, перерабатывают питательные вещества и разлагают загрязняющие.

На поверхности Земли микробы заведуют почвой – одним из самых драгоценных ресурсов. Запущены проекты по сбору почвенных бактерий в разных уголках мира, некоторые эксперты называют это «поисками темной материи Земли» по аналогии с изучением природы неизведанных просторов космоса.

Живут они и в горных породах. Например, на золотом прииске Мпоненг в ЮАР выживают благодаря радиоактивному распаду: уран разделяет молекулы воды, а получившийся свободный водород объединяют с сульфат-ионами, получая пищу. Больше того, они едят даже золото. Delftia acidovorans с помощью особого белка превращает ионы золота, ядовитые для нее, в инертную форму, которая осаждается из окружающей воды и формирует минеральные залежи. Самая же живучая бактерия в мире, Deinococcus radiodurans, живет в радиоактивных отходах.

Мы знаем, что наша планета обитаема благодаря микроорганизмам. Они разлагают мертвую материю – это очень ценная услуга. Кроме того, превращают инертный азот из атмосферы в свободный, которым могут пользоваться живые клетки. И тем самым приносят пользу растениям и животным. После утечки нефти в скважине Deep Water Horizon в Мексиканском заливе бактерии съели большую часть загрязняющих веществ, потому что сумели приправить питательные вещества в нефти азотом из воздуха, устроив себе комплексный обед.

Но мой любимый пример описали несколько лет назад. Геологи бурили исследовательскую скважину и изучали извлеченные оттуда керны. Один, который достали с глубины в милю, состоял всего из трех компонентов: базальта (коренной породы), воды и бактерий – множества бактерий{16}. Они жили и размножались на диете из камней и воды.

Наконец, целые отрасли промышленности основаны на их работе: изготовление хлеба, который мы едим, алкогольных напитков, которые пьем, современных лекарств, разработанных биотехнологической отраслью. Вполне можно утверждать, что микроорганизмы способны провести любой необходимый нам химический процесс. В огромном разнообразии кроются неслыханные возможности. Нужно лишь четко определить проблему и найти бактерии, которые могут ее решить, или изменить их с помощью генной инженерии.

История микроорганизмов – это сага о бесконечных войнах и сотрудничестве. Поскольку многие знакомы с дарвиновскими идеями о конкуренции и выживании наиболее приспособленных видов, начнем именно оттуда.

Тщательные наблюдения Дарвина показали, что индивидуальные представители вида всегда отличаются, в качестве примера возьмем птиц или людей. Ученый разработал теорию эволюции, выдвинув постулат, что при существовании различных вариантов природа «отберет» тот (или тех), кто наиболее адаптирован («приспособлен»), кто лучше всего использовал свой цикл жизни и оставил потомство. Именно они побеждают в конкуренции с другими видами и со временем начнут количественно превосходить их. Возможно, даже вызовут вымирание последних. Естественный отбор – причина часто упоминаемого «выживания наиболее приспособленных». Но Дарвин не знал, что тот же принцип можно отнести к микробам. Как и мы, он сосредоточился, в первую очередь, на том, что видел своими глазами – растениях и животных. Но на деле едва ли не лучшие доказательства естественного отбора удалось получить с помощью наблюдений и экспериментов именно над микроорганизмами.

Например, я могу вырастить культуру распространенной кишечной бактерии E. coli{17}, поместив немного существующих клеток в чашку с питательным веществом. За ночь в теплом инкубаторе она может дать до 10 миллиардов новых клеток. Вся чашка будет покрыта настолько плотным ковром, что отдельные колонии различить невозможно. А теперь предположим, что я сделал такой же посев в другую чашку, но добавил стрептомицин – антибиотик, убивающий большинство штаммов E. coli. На следующее утро я увижу всего десяток изолированных колоний размером с миниатюрный прыщик, в каждой из которых будет от силы миллион клеток. Каждое скопление происходит от одной-единственной, которая пережила контакт с антибиотиком, а затем размножилась. Как объяснить разницу в результатах между посевом со стрептомицином и без него?

Во-первых, мы видим, что антибиотик сработал. Вместо 10 миллиардов клеток всего 10 миллионов, то есть в тысячу раз меньше. Можно сказать, что антибиотик убил 99,9 % клеток, позволив выжить лишь малому количеству. Но все же лекарство сработало не полностью. Некоторым удалось выжить. Так почему же одни клетки уцелели, а другие – нет? Просто повезло? И да, и нет.

Везение состоит в том, что клетки, резистентные к стрептомицину, имеют вариант гена, необходимого всем E. coli для выработки белков, без которых они не смогут существовать. Он не очень эффективен, но его хватает, чтобы помочь резистентным штаммам выжить и произвести потомство. Остальные же умирают, потому что антибиотик вмешивается в действие обычной версии того же белка.

Генетические варианты, обеспечивающие это свойство, появляются интересным образом. Вполне возможно, что у некоторых клеток (в данном примере – десяти) из исходной культуры в миллиард был подобный вариант гена. Эти клетки существовали изначально. Описывая эксперимент в дарвиновских терминах, можно сказать, что стрептомицин «отбирает» в популяции варианты с резистентной формой гена, а вот отсутствие антибиотика в окружающей среде «отбирает» более эффективную, но уязвимую к нему обычную форму. Количество E. coli с данным свойством зависит от того, как часто и как давно они контактировали со стрептомицином. Это простой пример естественного отбора, но конкуренция вечна. Пусть победит сильнейший микроб.

Одни конкурируют с другими, охотятся на них и даже эксплуатируют, но есть и бесчисленные примеры сотрудничества и синергии. Например, если кишечная бактерия Bacteroides может очистить химическое вещество в окружающей среде, мешающее развитию E. coli, то это выгодно второй. Одностороннее полезное отношение такого рода называется комменсализмом.

Еще более сильным бывает взаимодействие, если оно выгодно обеим сторонам. Представьте, что выделения E. coli служат хорошим источником пищи для Bacteroides. В таком случае два этих вида будут собираться в одной среде. Оба всего лишь следуют собственной программе, но при этом помогают друг другу. Это симбиоз.

В иных условиях создают симбиоз другие бактерии. Например, в быстром ручье бактерия А поедает выделения бактерии Б, а также прилипает к острым краям камней. Бактерия В прилипать не умеет, но может прицепляться к бактерии А. Бактерия Б производит вещество, питательное для В. Вот вам и ситуация, где бактерии А, Б и В будут встречаться вместе, причем к выгоде для всех трех.

За более чем 4 миллиарда лет эволюции бактерий, учитывая, что некоторые делятся каждые двенадцать минут, а также их астрономическое количество, вариантов было практически бесконечное множество. Благодаря этому постоянному процессу появились отдельные бактерии, населившие все доступные ниши на Земле.

Иногда они стабильно живут вместе, формируя консорциум. Подобные кооперативные группы в изобилии встречаются в окружающей среде – в почве, ручьях, гниющих бревнах, горячих источниках – практически везде, где есть жизнь. Самое древнее однозначное доказательство существования жизни – это окаменевшие цианобактериальные маты возрастом 3,5 миллиарда лет, найденные в Австралии. Консорциумы, состоявшие из огромных лежащих друг на друге листов, – полноценные миниатюрные экосистемы. Скорее всего, одни занимались фотосинтезом, другие дышали кислородом, третьи осуществляли ферментацию, четвертые ели необычные неорганические соединения. То, что для одного вида – еда, для другого – яд. Собравшись в слои и объединив усилия, они смогли обеспечить выживание для всех.

Существуют микроорганизмы, которые умеют создавать вокруг себя слои вещества, похожего на желатин. Этот плотный гель называется биопленкой. Состав бывает разным, но он защищает бактерию от высыхания, избыточной жары, нападения иммунной системы. Его существование объясняет присутствие бактерий в самых жестоких условиях.

Микробы образуют консорциумы и огромные сети сотрудничества не только в почве, океане или каменистых поверхностях, но и в животных. В человеческом теле это главные персонажи моей истории про «пропавших микробов». Великий биолог Стивен Джей Гоулд дал нам точку отсчета для всей земной биологии, написав:

Мы живем в эпоху бактерий (как было вначале, как есть сейчас и как должно быть всегда, пока миру не настанет конец…){18}

Вот контекст человеческой жизни – и передний, и задний ее план.

Глава 3. Микробиом человека

Задумайтесь ненадолго о своих жизненно важных органах. Сердце, мозг, легкие, почки и печень – сложные структуры, выполняющие необходимые функции для поддержания жизни. Каждое мгновение и днем, и ночью они перекачивают жидкости, переносят отходы, принимают воздух и питание, передают сигналы, которые позволяют нам чувствовать мир и передвигаться по нему. Когда в результате болезни или травмы отказывает любой из этих органов, мы умираем. Все просто.

А если я вам скажу, что есть еще один жизненно важный «орган», который поддерживает жизнь, но которого вы никогда не видели? Он находится на нас и внутри нас, и лишь недавно мы поняли, какую важную роль играет в поддержании нашего здоровья.

Возможно, самое интересное то, что эта часть тела кажется совершенно чуждой. Она состоит не из человеческих клеток и сделана не по чертежам человеческих генов. Это триллионы маленьких живых существ, микробов и их родственников. Вы, может быть, решите, что называть подобное собрание жизненно важным органом уже чересчур, но именно это и представляет собой микробиом с функциональной точки зрения. В отличие от мозга и сердца его развитие начинается не в утробе, а с момента рождения. В первые несколько лет жизни его развитие продолжается благодаря получению микробов от людей, окружающих нас. Но не обманывайте себя. Потерять сразу весь свой микробиом – практически то же самое, что потерять печень или почки. Если при этом не будете жить в скафандре, долго не протянете.

Микроорганизмы, живущие в нашем теле, не просто случайная смесь всех видов, обитающих на Земле. Скорее, каждое существо эволюционировало совместно со своим набором микробов, которые осуществляют метаболические и защитные функции. Иными словами, они работают на нас. Есть микробиом у морской звезды и у акулы, есть даже у губки. У рептилий, у каждой совы, голубя и шалашника. Когда выживает вид, выживают и они. Млекопитающие, от маленьких лемуров до дельфинов и от собак до людей, полны микроорганизмов, специализирующихся на поддержании в них жизни и хорошего самочувствия.

Микробы – симбионты{19} – предоставляют носителю, в котором обитают, жизненно необходимые услуги в обмен на кров и пищу. Термиты могут переваривать дерево исключительно благодаря бактериям в их кишечнике. Коровы усваивают питательные вещества из травы, которую едят, благодаря микробам в их четырехкамерном желудке. Даже у тли они есть, в том числе группа Buchnera, впервые поселившаяся в них более 150 миллионов лет назад. Эти микроорганизмы имеют ключевые метаболические гены, которые помогают производить белки – благодаря им тля может употреблять в пищу богатый сахарами сок растений. В свою очередь, жучки являются для Buchnera отличным домом. Взаимовыгодная ситуация. Ученые построили эволюционное семейное древо и для Buchnera, и для тлей. Сравнивая структуру обоих деревьев, мы видим, что они почти одинаковы. Вероятность того, что это случайное совпадение, стремится к нулю. Единственный возможный ответ – совместная эволюция: тля и живущие в них бактерии{20} взаимно влияли на развитие друг друга в течение более чем 100 миллионов лет.

Если присмотреться к микробиому млекопитающих, видно, что гены, отвечающие за производство красных кровяных телец и белков в теле человека, сравнимы с похожими генами других млекопитающих. Ваши бактерии – часть большого семейного древа. В этом смысле микробный состав может считаться наследственным маркером и помогает объяснить, почему вы больше похожи на обезьян, а не на коров{21}. Возникает интересный вопрос: это происходит из-за животных или микробных «генов»? Люди всегда считали, что верен первый вариант, но не исключено, что и второй. Скорее всего, в какой-то степени и то и другое.

Как уже упоминалось, ваше тело – это экосистема, такая же, как коралловый риф или тропические джунгли: сложная организация, состоящая из взаимодействующих живых организмов. И для любой из них критически важно разнообразие. В джунглях, например, это все виды деревьев, лиан, кустов, цветковых растений, папоротников, водорослей, птиц, пресмыкающихся, земноводных, млекопитающих, насекомых, грибов и червей. Широкое разнообразие защищает обитателей экосистемы, потому что благодаря их взаимодействию возникают прочные сети захвата и круговорота ресурсов. Его потеря приводит к болезни или даже к коллапсу системы, если погибает «краеугольный камень» – вид, который оказывает непропорционально большое в сравнении с численностью влияние на окружающую среду.

Например, когда семьдесят лет назад из Йеллоустонского парка выгнали волков, пережила взрывной рост популяция лосей. Внезапно они смогли безопасно поедать (и в конце концов уничтожили полностью) ивы, растущие на берегах речек. Численность певчих птиц и бобров, которые строили из ее веток гнезда и плотины, резко сократилась. Эрозия рек заставила водоплавающих птиц покинуть регион. Из-за отсутствия убитой волками падали на спад пошла популяция воронов, орлов, сорок и медведей. Увеличение численности лосей привело к уменьшению численности бизонов из-за конкуренции за пищу. В парк вернулись койоты и поели мышей, которыми раньше питались многие птицы и барсуки. И так далее, и так далее – сложная сеть взаимодействий разрушилась, когда из нее вынули краеугольный камень. Эта концепция применима и к «большому» миру, и к вашему микробиому, где история исчезновения желудочной бактерии Helicobacter pylori, колонизировавшей людей еще в доисторические времена, должна послужить серьезным предостережением.

Ваше тело состоит примерно из 30 триллионов человеческих клеток, но при этом в нем живут еще 100 триллионов клеток бактерий и грибков, дружественных микробов, эволюционировавших совместно с нашим видом. Подумайте хорошенько: их в теле значительно больше – от 70 до 90 %. Они живут на каждом дюйме кожи, во рту, в носу и ушах, в пищеводе, желудке и кишечнике, и т. д.

Из 50 известных типов{22} бактерий в людях нашли от 8 до 12. Но 99,9 % клеток в теле принадлежат к шести из них, в том числе Bacteroidetes и Firmicutes. Самые успешные микробы – победители в соревновании за право жить в людях, – происходят от очень небольшого набора предков и составляют основу человеческого микробиома. Со временем они развили специализированные свойства, которые помогли им занять определенные ниши человеческого тела. Среди них: умение выживать в кислой среде, питаться конкретной пищей, предпочитать сухие, а не влажные условия (или наоборот).

Коллективно эти бактерии весят около полутора килограммов, примерно столько же, сколько ваш мозг, и представляют собой около десяти тысяч отдельных видов. Ни в одном зоопарке США не наберется такого разнообразия животных, как в нашем, невидимом человеческом.

Пока вы находились в чреве матери, у вас не было бактерий{23}. Но во время родов и после них вас колонизировали триллионы микробов. Позже рассмотрим подробнее этот потрясающий процесс. Микроорганизмы очень быстро размножаются с нуля до триллионов. В первые три{24} года происходит сложный и тщательно отработанный процесс перехода от бактерий-«основателей» к последующим обитателям.

В конце концов, на каждом участке внешней и внутренней поверхности тела образуется уникальная популяция. Бактерии, грибки и вирусы, например на ваших руках – не такие, как во рту или в кишечнике.

Ваша кожа – огромная экосистема размером чуть больше половины стандартного листа фанеры; площадь ее плоскостей, складок, морщин и щелей составляет немногим меньше двух квадратных метров. Большинство этих пространств очень маленькие, даже микроскопические. Гладкая кожа, если присмотреться внимательнее, больше напоминает поверхность Луны с ее кратерами, холмами и долинами. Какие микробы где живут, зависит от условий: маслянистая ли поверхность, как на лице, влажная, как в подмышке, или сухая, как на предплечье. У потовых желез и волосяных фолликул тоже есть свои микробы. Одни едят мертвую кожу, другие производят увлажнители из масел, выделяемых ею, третьи мешают вредным бактериям и грибкам вторгнуться в ваше тело.

Если говорить о носе, то исследователи недавно обнаружили, что многие патогены (болезнетворные микробы) совершенно мирно живут в носовой полости здоровых людей. Один из них, Staphylococcus aureus, обладает особенно плохой репутацией. Он вызывает фурункулы, синуситы, отравления и даже заражения крови. Но при этом может вполне безопасно существовать, ничего не делая. В каждый момент времени треть, а то и больше, людей переносят в носу золотистый стафилококк.

Больше всего микробов обитают в пищеварительном тракте – начиная с самого верха, рта. Посмотрев в зеркало, вы сразу увидите, что он разделен на несколько зон – например, зубы, язык, щеки, нёбо. У каждой по несколько поверхностей. У языка есть верх и низ. У каждого зуба несколько поверхностей, плюс место соединения с деснами. Можно смело утверждать, что на каждой живут разные бактерии{25}. Мы немало узнали об этом из проекта «Микробиом человека», пятилетней программы, запущенной Национальным институтом здравоохранения в 2007 году. Среди прочего в его рамках занимались секвенированием генетического материала микробов, взятых у 250 здоровых молодых людей{26}. Один из основных выводов – хотя перепись бактериального населения и показала немалое сходство между подопытными – каждый человек уникален. На уровне микроорганизмов мы отличаемся друг от друга куда сильнее, чем на генетическом. Наш набор микробов – действительно наш, личный. Тем не менее существуют и общие принципы организации. Можно их рассмотреть на примере желудочно-кишечного тракта.

Исследователи проекта взяли много мазков изо рта. Некоторые семейства, например Veillonella, Streptococci и Porphyromonas, оказались распространены во многих частях тела, но распределены были по-разному. Другие организмы, напротив, населяли ограниченное пространство.

Самая богатая микроорганизмами зона во рту – десневая борозда, место между зубами и деснами. Она просто кишит ими, причем многие анаэробны – не любят кислород{27}, даже погибают из-за него. Может показаться странным, что у нас во рту, где постоянно находится воздух, в котором, естественно, содержится кислород, живут бактерии, которые к нему очень чувствительны, но это так. Значит существуют особые ниши, в том числе очень маленькие, где могут жить и процветать анаэробные бактерии.

Вам когда-нибудь было интересно, почему с утра изо рта пахнет иначе, чем днем? Все потому, что во время сна вы в основном дышите носом. Воздухообмен во рту замедляется, и популяция анаэробных бактерий растет. Они вырабатывают химические вещества, в том числе летучие, которые и вызывают «утренний запах». Чистя зубы, вы удаляете частички пищи и уничтожаете целые популяции бактерий. Общее количество уменьшается, пропорции меняются. Этот цикл продолжается и в течение дня.

Микробы вызывают запахи не только во рту, но и везде, где они есть. В некоторых местах, например в подмышках и паху, концентрация очень высока, причем в популяциях доминируют микробы, производящие особенно пахучие вещества. Хотя сейчас с этим борются целые отрасли промышленности, их наличие не случайно. Начиная с насекомых, микробные запахи показывают, кто мы такие: кто – друзья, кто – родные, кто – враги, кто – любимые, кто – потенциальные партнеры по спариванию, а еще говорят, какое время лучше всего подходит для этого. Матери знают, как пахнут их дети, и наоборот. Запах очень важен, и по большей части создают его микробы. Он определяет даже привлекательность для комаров{28}! Поняв, как именно все это работает, мы сможем воспользоваться информацией, чтобы стать невидимыми или даже отвратительными для этих вредителей. Но я отвлекся.

Итак, над вашей пищей во рту поработали зубы, слюна, ферменты и дружественные бактерии. Дальше пищевод – длинная трубка, отделяющая рот и глотку от желудка. До 2004 года никто и не подозревал, что там живут бактерии – до того, как нашли богатое микробное сообщество из десятков видов{29}.

Затем еда попадает в желудок, где начинается переваривание с помощью желудочного сока и пищеварительных ферментов. Несмотря на кислую среду, бактерии живут и там, в том числе вышеупомянутая H. pylori, которая, если уж присутствует, то обычно доминирует. Другие виды встречаются в меньшем количестве. Ваш желудок производит гормоны, как железа, – например, щитовидная. Стенки содержат иммунные клетки, которые помогают бороться с инфекцией как селезенка, лимфатические узлы или толстая кишка. H. pylori играет роль в производстве желудочного сока и гормонов, в состоянии иммунной системы.

Следующая остановка – тонкая кишка, длинная трубка, содержащая основные элементы: детергенты, ферменты, транспортеры – для разложения и впитывания пищи. Именно там вы перевариваете большую часть еды. Бактерий там сравнительно мало – возможно потому, что излишняя микробная активность может помешать ключевым функциям – перевариванию и усвоению питательных веществ.

В конце концов, то, что осталось от еды, достигает толстой кишки, где бактерии живут от стенки до стенки. Там как раз располагается подавляющее большинство микроорганизмов вашего тела. Количество просто потрясает. В одном миллилитре содержимого толстой кишки (а ее объем – несколько тысяч) их больше, чем людей на Земле. Это целая вселенная микроорганизмов, плотно упакованных, химически активных, сопровождающих вас в течение жизни. Такая ситуация может показаться неизбежной сделкой: мы даем им еду и жилье, а они за это поддерживают нас. Но такое упрощение не полностью верно. Тысячи людей теряли толстую кишку и все содержащиеся в ней бактерии из-за болезней или травм, но при этом многие потом прожили несколько десятков лет вполне здоровыми. Так что, хотя этот океан бактерий очень полезен, он не жизненно необходим. (Повторюсь: этого нельзя сказать обо всем микробиоме в целом; полная его потеря скорее всего обернется катастрофой.)

Микробы в толстой кишке разлагают волокна и переваривают крахмал. В каком-то смысле все, что дошло до конца вашей тонкой кишки, будет исторгнуто из организма, потому что вы это переварить не смогли. Голодные бактерии много чего усваивают, переваривают и превращают в еду – в основном, чтобы прокормить себя. Но некоторые вещества, произведенные ими, в частности молекулы, которые называются короткоцепными жирными кислотами, все же идут в пищу нам – начиная с клеток стенки толстой кишки. Кормят хозяина своей «гостиницы».

До 15 % калорий из еды перерабатываются в толстой кишке и используются, чтобы кормить вас. Как и все микробы, ее обитатели не просто случайные гости – мы эволюционировали, помогая друг другу. У всех млекопитающих, даже тех, чьи последние общие предки жили десятки миллионов лет назад, есть заметное сходство между типами кишечных бактерий и их функциями{30}.

Там тепло и влажно; есть несколько «районов», населенных специализированными микроорганизмами. Те из них, что производят конкретные витамины, могут располагаться на маленьких пятачках, а вот те, которые перерабатывают крахмал в простые сахара, живут на более обширной территории. Есть и конкуренция. Как в городах: хорошие парковки и места в престижных школах легко не достаются. Бактерии, питающиеся одними и теми же веществами, вооружены одинаковыми ферментами и, словно львы и гепарды, охотящиеся на одну и ту же добычу, жестко конкурируют между собой. Мне кажется, многие из них хотят забраться в одни и те же мягкие слои слизи и воспользоваться одними и теми же немногочисленными укрытиями, защищенными от жестоких дождей из желудочного сока или желчи. В то же время клетки, которыми устлан желудочно-кишечный тракт, каждый день сбрасываются, так что сегодняшнее укрытие может завтра превратиться в тонущий корабль. В конце концов, когда остатки переваренной пищи покидают ваше тело в качестве фекалий, вместе с ними выходит смесь бактериальных клеток, а также старые клетки стенок кишечника. Вместе они, их фрагменты и вода составляют основную часть вашего стула.

Чтобы понять, насколько важную роль играют микроорганизмы в обмене веществ, подумайте вот о чем: почти все химические субстанции в крови – результат деятельности микробов{31}. Кроме того, бактерии переваривают лактозу, производят аминокислоты и разлагают волокна в клубнике или, например, если вы едите суши, – в водорослях.

С помощью производимых ими веществ удается сохранять стабильное кровяное давление – благодаря особым рецепторам в кровяных тельцах (и, как ни странно, в носу). Эти сенсоры засекают небольшие молекулы, создаваемые микробами, которые населяют кишечник. Реакция на них влияет на давление. Таким образом, после еды оно обычно понижается. Сможем ли мы когда-нибудь получить лекарство от гипертонии, где используются эти бактерии? Вполне вероятно.

Микробы перерабатывают лекарства. Например, миллионы людей по всему миру принимают дигоксин – вещество, добываемое из наперстянки, для лечения различных заболеваний сердца. Сколько его конкретно попадет в кровь зависит от состава микробиома человека; первая химическая обработка и усвоение{32} происходят в кишечнике. Химические различия имеют последствия. Если доза получится слишком низкой, лекарство не сработает. Если, напротив, слишком высокой, пациент может получить дополнительные проблемы с сердцем, изменение в цветовосприятии и расстройство желудка. В будущем врачам, возможно, удастся контролировать этот процесс, активизируя или угнетая кишечных микробов.

Некоторые бактерии производят витамин K, который необходим для свертываемости крови, чего не делают собственные клетки организма. Возможно, положиться на бактерии для его выработки оказалось для человеческого тела эффективнее, чем идти на дополнительные метаболические трудности, то есть вырабатывать самостоятельно. Так что наши предки выиграли конкуренцию у собратьев, которым пришлось либо самим над ним потрудиться, либо собирать из растений. В каком-то смысле можно сказать, что пращуры отдали ключевую метаболическую функцию на аутсорсинг. Мы их накормили и приютили, а они за это помогают сворачивать кровь – замечательный обмен.

Некоторые производят эндогенный «валиум». Люди, умирающие от рака печени, часто впадают в кому. Но если им дать вещество, ингибирующее бензодиазепины (в число которых и входит «валиум»), они просыпаются. Дело в том, что здоровая печень разлагает естественные бензодиазепины, вырабатываемые кишечными микробами, а вот больная печень – нет, так что «домашний валиум» поступает прямо в мозг и усыпляет больного. Другие микробы позволяют горным народам Новой Гвинеи жить на диете, 90 % которой составляет батат, в котором мало белка{33}. Подобно бактериям, живущим на корнях бобовых растений, кишечные микробы этих племен его вырабатывают из атмосферного азота в кишечнике хозяев и создают аминокислоты.

У женщин бактерии колонизируют и защищают влагалище. До недавнего времени медики считали, что лишь одна группа бактерий, лактобациллы, защищает от патогенов, например, возбудителей молочницы. И действительно, они вырабатывают молочную кислоту, которая уменьшает кислотно-щелочной баланс, делая среду кисловатой и менее гостеприимной для патогенов. Считалось, что женщины, во влагалище которых живут другие бактерии, более уязвимы для вагинальных заболеваний. Но сейчас, когда доступны секвенции ДНК микробов от сотен здоровых женщин, мы знаем, что существуют пять основных типов вагинальных микробиот, лишь в четырех из которых доминируют лактобациллы. В пятом лактобациллы, по сути, отсутствуют{34}. У женщин с подобным типом живут несколько других кодоминантных видов. Но, в противоположность распространенному мнению, это не повышает вероятность развития вагинальных заболеваний, и его обладательницы вовсе не принадлежат к незначительному меньшинству. Подобной «ненормальной» смесью обладает около трети всех женщин.

У женщин без лактобацилл кислотно-щелочной баланс влагалища чуть выше, но их бактерии умеют создавать недружественную среду для непрошеных гостей не менее эффективно. Подобные функциональные замены, скорее всего, происходят по всему телу; у разных людей одинаковую работу выполняют разные бактерии.

Кроме того, мы узнали, что популяция во влагалище меняется со временем. Например, в течение большей части месяца доминирует бактерия L. inners, а во время месячных расцвет переживает другая, L. gasseri, при этом после быстро идет на спад. Все вроде бы ясно, но подобный график – скорее исключение. Самая распространенная схема – отсутствие всякой схемы. Иногда доминирующие бактерии меняются в середине менструального цикла, а в следующем месяце – в конце цикла. Бывает вообще ничего не меняется. Периодически лактобациллы начинают доминировать по очереди, словно играя в чехарду. В некоторых случаях преобладают вообще «необычные» бактерии, которые затем без всякой видимой причины исчезают. Мы до сих пор не разгадали тайны этих неожиданных и значительных перемен.

Возможно, самая важная услуга, которую оказывают нам бактерии, – иммунитет.

Микробы – это важная третья ветвь иммунной системы. Первая – врожденный иммунитет. Он основан на том, что у большинства микроогранизмов, с которыми мы контактируем, есть схожие структурные черты, которые «видят» белки и клетки, охраняющие наши поверхности. Вторая – адаптивный иммунитет, способность к распознаванию специфических химических структур. Основа микробного иммунитета – бактерии, которые уже живут в вашем теле, долгосрочные обитатели, не пускающие вновь прибывших, используя при этом различные механизмы. Мы еще подробнее рассмотрим все эти ветви.

Взаимодействие между иммунной системой и микробами начинается при рождении и продолжается всю жизнь. Это логично. Одно из неотъемлемых свойств ваших обитателей – враждебность к непрошеным гостям. По сути, дружелюбные микробы довольны и местом жительства, и самой жизнью. Они совсем не рады пришельцам. Например, когда кто-то извне пытается закрепиться в вашем кишечнике, сначала им необходимо пройти барьер в виде желудочного сока, который убивает большинство бактерий. Его вырабатывает человек, но само производство стимулирует живущая там бактерия, например H. pylori. Если пришельцу все-таки удается добраться до кишечника, нужно найти источник еды и место, где устроиться. Но там и без того тесно. Ваши бактерии вовсе не горят желанием поделиться отвоеванным местом на стенке кишечника. А уж поделиться едой – и подавно. Так что они выделяют вещества, в том числе собственные антибиотики, ядовитые для других бактерий.

Некоторым микробам-пришельцам удается закрепиться на несколько дней, после чего они гибнут – собственно, чаще всего происходит именно так. Дело в том, что ваши микробы поддерживают достаточно стабильную ситуацию. Когда вы с кем-то целуетесь, то обмениваетесь множеством микроорганизмов. Но вскоре – через несколько минут, часов, максимум дней, – и вы, и ваш партнер вернетесь к прежнему микробному составу. Есть, конечно, исключения: вы можете получить от партнера вредные патогены. Но обычно способность сопротивляться вторжению, даже от достаточно привлекательного человека, с которым вам захотелось поцеловаться, очень высока. То же можно сказать и о половом акте. Идет обмен не только жидкостями, но и микробами, и что-то меняется в обоих носителях. Но вскоре и вы, и ваш партнер возвращаетесь в прежнее состояние, словно ничего (с микробной точки зрения) не произошло. Возможно, некоторые могут регулярно мигрировать между сексуальными партнерами, но пока что у нас нет о них данных – за исключением патогенов, у которых часто хорошо развита методика распространения между отдельными носителями.

Даже изменение диеты не слишком действует на микробы. В долгосрочной (месяцы, годы) перспективе состав кишечного микробиома человека меняется не слишком сильно{35}, но при этом ваш микробиом отличается от моего. В одном небольшом исследовании люди на две недели сели на средиземноморскую диету: много волокнистой пищи, цельные зерна, сухие бобы и чечевица, оливковое масло, пять порций фруктов и овощей каждый день. Она ассоциируется со сниженным риском сердечно-сосудистых заболеваний. Все сдали кровь на липиды, коррелирующие с заболеваниями сердца, и образцы стула, чтобы определить, как изменился микробный состав кишечника после диеты. Исследователи обнаружили снижение общего уровня холестерина, а также так называемого «плохого» холестерина, или ЛНП, – это просто замечательно. Но вот микробный состав после диеты не изменился никак.

У каждого человека обнаружилась собственная уникальная микробная «подпись», подобно отпечаткам пальцев. И она осталась прежней даже после манипуляций с диетой. Тем не менее в других исследованиях изменения микробной популяции оказались более значительными{36}. Например, питание только растительной или только животной пищей влияло на микробиоту, но только на время, пока люди сидели на этой диете{37}. Мы не знаем, сколько нужно времени, прежде чем изменения примут постоянный характер – может быть, год. Нужно провести еще много исследований, чтобы понять, как диета воздействует на кишечных микробов. Но на данный момент кажется, что относительные пропорции различных бактерий меняются лишь в определенных границах. Сейчас исследователи пытаются выяснить их, одинаковы ли они у разных людей и насколько значительно меняются в течение жизни.

Если в вас живут 100 триллионов бактерий, а каждая – маленькая генетическая машина, сколько генов работает в ваших микробах-обитателях и что они делают?

Как мы уже обсуждали, одной из целей проекта «Микробиом человека» было секвенирование генетического материала микробов, взятых из организма молодых здоровых людей. Ученые не только провели перепись, где перечислили микробы, живущие в организмах («кто там»), но и составили список генов, которые несли эти микроорганизмы, и описали их функции («что там»). Основное открытие состоит в том, что у ваших или моих микробов миллионы уникальных генов{38}; по последним данным, их около 2 млн. Для сравнения, в человеческом геноме 23 000 генов. Иными словами, 99 % уникальных генов в вашем теле – бактериальные, и лишь 1 % – человеческие. Наши микробы – не просто пассажиры, а активные участники обмена веществ. Их гены кодируют полезные для них продукты. Ферменты производят аммиак или уксус, двуокись углерода, метан или водород, употребляемые в пищу другими микробами. А также множество других, намного более сложных веществ, полезных для организма – мы еще пытаемся понять, как это происходит.

Недавний опрос, проведенный большой группой ученых в Европе (он начался на консорциуме MetaHit), показал нечто совсем иное. Перепись почти трехсот европейцев показала, что количество уникальных бактериальных генов в кишечнике подопытных резко отличалось{39}. Распределение оказалось ненормальным, в виде колоколообразной кривой. Вместо этого обнаружились две отдельные группы. У большой, в которую входило 77 % участников, обнаружилось в среднем 800 000 генов. У меньшей – 23 % – всего 40 000. Такой разницы никто не ожидал. Но самым интересным наблюдением стало то, что люди с меньшим количеством генов с большей вероятностью страдали от ожирения. Это поразительный результат.

Изучение экологической структуры бактерий-обитателей – очень сложная процедура. В большой экосистеме, например в лесу, экологи могут непосредственно наблюдать за различными особями и видами, взаимодействующими в реальном времени на протяжении дня, сезона или года. Но подобным образом изучать микробные экосистемы не удастся. Как сказано выше, один из лучших современных методов – подсчитать и идентифицировать все гены в конкретном сообществе. Представим это вот таким образом. Заберем целиком один акр леса, пропустим через гигантский блендер, а затем пересчитаем оставшиеся фрагменты листьев, древесины, костей, корней, перьев и когтей; по этим останкам, обломкам и обрывкам составим примерный список обитателей и предположим, как они взаимодействуют.

Мы можем понять функции некоторых бактериальных генов, сравнив их с другими известными. Первые данные проекта «Микробиом человека» и европейской программы MetaHit в основном дали нам так называемые «гены домоводства»: они занимаются рутинной, но необходимой для жизни работой. Например, в изобилии встречаются гены для строительства и поддержания состояния клеточной стенки, потому что все бактерии обязаны их строить. Кроме того, у всех должны быть гены, позволяющие воспроизводить собственную ДНК и размножаться. Обнаружены и гены для ключевого фермента, ДНК-полимеразы, необходимой для создания новых цепочек. У людей несколько его вариантов, у микробов, живущих в нас, должно быть, тысячи, в зависимости от того, в какой именно бактерии он содержится.

В генах бактерий, обнаруженных на разных участках тела, есть и менее тонкие отличия. «Гены домоводства», конечно, остаются постоянными, но например, у кожных бактерий больше тех, которые связаны с маслами, чем у обитателей толстой кишки. У вагинальных есть гены, которые помогают создавать кислую среду и выживать в ней. Основываясь на сегодняшнем уровне знаний, можно смело сказать, что микроорганизмы выполняют специализированные функции на всех обитаемых участках тела, и разница между ними может быть гораздо больше, чем между людьми. Например, самый высокий человек на Земле выше самого низкого в два, максимум в три раза. Разница в размерах организмов типичного микробиома может составлять поразительные десять миллионов единиц{40}. Бактериальная специализация – очень интересный и в основном неисследованный мир, который поможет понять, что именно делает каждого из нас уникальным с точки зрения здоровья, обмена веществ, иммунитета и даже когнитивных способностей.

Мы пока еще не определили функции 30–40 % бактериальных генов, обнаруженных в рамках крупных проектов, но знаем, что некоторые виды редки, им может грозить вымирание. Микробное население в целом бывает очень динамичным. Количество клеток, представляющих определенный вид, может колебаться от одной до триллиона. Давайте предположим, что животное нашло новую пищу, где содержится незнакомое ему химическое вещество{41}. Вид бактерий, популяция которого составляла всего сотню клеток, способен в результате изменений кишечной среды из-за новой пищи размножиться за несколько дней до миллиардов. Если ранее доминирующий вид не выдержит конкуренции за еду с новой голодной бактерией, то его численность может сократиться в несколько тысяч раз, а то и больше. Именно динамизм и гибкость – основные характеристики микробиома, которые помогают ему процветать. Но с другой стороны, у вида, который в нормальных условиях представлен всего сотней клеток, нет права на ошибку. Он может столкнуться с антибиотиком, который его полностью уничтожит.

Я называю такие редкие виды «микробами на всякий случай». Они могут не только эксплуатировать необычное пищевое вещество (более распространенные, как правило, не могут), но и, скажем, обеспечивать генетическую защиту от угроз, например болезни, с которой людям еще не приходилось иметь дела. Для меня это яркий сигнал тревоги. Разнообразие жизненно необходимо. Что, если мы потеряем критически важные редкие виды? Что, если исчезнут «краеугольные камни» человеческой микробной экосистемы? Приведет ли это по принципу домино к вымиранию других видов?

Наше сосуществование с бактериями вынуждает задать немало важных вопросов. Почему они нас не уничтожили? Почему мы их терпим? Как в беспощадном мире дарвиновской конкуренции удалось добиться стабильных отношений с нашими микроорганизмами?

Ответы на эти вопросы может дать теория общественных благ – это то, что доступно всем: например, чистый воздух, которым вы дышите на морском берегу, яркий солнечный день, новая улица, построенная в том числе на ваши налоги, любимая общественная радиостанция. Но ничто на самом деле небесплатно. Общественное радио нужно поддерживать, соответственно, кто-то должен за это платить. Чистый воздух – общественное благо, но ваш автомобиль выделяет вещества, загрязняющие мой чистый воздух. Я дышу в том же пространстве, в котором вы ездите.

В хорошо функционирующем социальном мире от каждого индивида ждут, что он внесет свой вклад в общественное благо. Вы можете слушать общественное радио и не платить по счету, но если так будут поступать все, радиостанция обанкротится. Если у всех будут машины с «грязными» двигателями, пострадает общий воздух и солнечный свет. С этой точки зрения, людей, которые пользуются общественным благом, но при этом не отдают достаточно взамен, можно назвать «мошенниками»: они получают выгоду, но не расплачиваются за нее.

Однако в джунглях, где правит закон выживания наиболее приспособленных, «мошенничество» кажется довольно неплохой стратегией. Птица-мошенник сможет, например, отложить больше яиц или найти лучшее место для гнездования и за несколько поколений добиться немалого успеха (оставить большее потомство), потому что выгоды от такого поведения превышают издержки. У них есть преимущество в отборе. Однако если бы «мошенники» всегда побеждали, то никакого сотрудничества бы не наблюдалось. Почему бы всем не стать халявщиками и отказаться финансировать общественное радио? Как могут различные живые существа жить вместе, если преимуществом в отборе владеют те, кто нарушают правила? Мошенничество может легко разрушить всю систему.

Тем не менее куда бы мы ни смотрели, видим сотрудничество: пчелы и цветы, акулы и рыбы-лоцманы, коровы и рубцовые бактерии{42}, которые помогают им извлекать энергию из травы, термиты и тли. Насколько нам известно, жвачные существуют миллионы лет, а насекомые, те же тли и термиты, и того дольше. Это значит, что мошенники не всегда побеждают. Проще говоря, наказание за это должно быть настолько высоким, чтобы процесс стал невыгодным. Если бы не было никаких последствий, большинство людей превышали бы скорость на дорогах. Наказания – действенное средство.

Тот же самый принцип и у микробов. Естественный отбор поощряет носителей, обладающих системой наказаний, которую невозможно избежать: чем масштабнее мошенничество, тем оно сильнее. Можно испортить добычу, «нажитую нечестным путем». Например, бактерия в кишечнике термита, которая выходит за четко обозначенные границы, сталкивается с сильнейшим иммунным ответом, который ставит ее на место. Это работает, но для носителя такая система может быть очень дорогой роскошью. Некоторые умирают, когда иммунная система излишне агрессивно сражается с мошенниками. А погибает носитель – погибают и все его обитатели. Когда это происходит, гены – и носителя, и обитателей, – навсегда теряются для потомства. Появляются другие термиты, в которых нет мошенников, и занимают экологическую нишу, оставленную недавно умершим собратом. Противостояние между конкуренцией и сотрудничеством разыгрывается одновременно на тысяче «сцен».

Теория игр, созданная великим экономистом и математиком Джоном Нэшем (чья биография известна нам по книге и фильму «Игры разума»), проливает свет на феномен сотрудничества, на вопрос, почему отбор в совместно эволюционирующих системах поощряет особи, которые играют в основном по правилам. Это также помогает понять поведение в обществе: как люди принимают решения по оптимизации результатов и как работают рынки. Нэш представил ситуацию, которую сейчас стали называть «равновесие Нэша». Если вкратце, то это стратегия в игре с двумя или более игроками, где результат оптимален, если играть по правилам{43}; если жульничать, он будет хуже.

Экосистемы, которые существуют уже очень долго, например наши тела, сумели разрешить фундаментальный конфликт между конкуренцией и сотрудничеством. Мы выжили. Но эта теория по-прежнему важна – посмотрите хотя бы на наш меняющийся мир. Сотрудничество – это очень слабая вещь: если его нарушить, то дальше возможно все, что угодно. Я боюсь, что из-за избыточного использования антибиотиков, а также некоторых других распространенных практик, например кесарева сечения, мы вошли в зону опасности, в ничейную полосу между древним микробиомом и современным миром, карты которого до сих пор не существует.

Глава 4. Появление патогенов

В бытность студентом-медиком я проходил летнюю практику, помогая врачу, который проводил медобследования рабочих из Трудового корпуса Западной Виргинии. То был отличный опыт – множество клинической работы. Я научился тщательно осматривать здоровых молодых людей. Мой учитель, доктор Фред Кули, был практичным, умным и веселым. Работа с ним заканчивалась около часа дня, так что потом я уходил в госпиталь и трудился с другими, принимая самых разных пациентов. Студентов тут было не очень много, так что меня, практиканта с кучей вопросов, принимали с распростертыми объятиями.

Однажды нас позвали на осмотр 11-летнего мальчика, которого госпитализировали с острой болью. Он жил в маленьком, очень консервативном баптистском городке, был совершенно здоров, но два дня назад пожаловался на расстройство желудка и температуру. На следующий день она стала выше и добавилась головная боль. На третий день по всему телу появилась маленькая пурпурная сыпь. Родители испугались и отвезли его в госпиталь – очень правильное решение. Врачи из кабинета экстренной помощи быстро поставили диагноз: пятнистая лихорадка Скалистых гор, болезнь, вызываемая укусом клеща, зараженного бактерией под названием «риккетсия». Впервые эту болезнь открыли в долине Биттеррут в штате Монтана (отсюда название), но чаще она встречается в восточной части страны.

Микроб размножается в клетках, устилающих кровеносные сосуды, что вызывает сильный иммунный ответ. Этим объясняется и сыпь, потому что сосуды воспаляются и лопаются, и головная боль: в сосудах мозга происходит тот же процесс. Начинается своеобразный энцефалит{44}. Мальчику дали тетрациклин – антибиотик, спасший немало жизней. Если лечение начать не сразу, то в 30 % случаев пятнистая лихорадка заканчивается смертельным исходом.

Я осматривал его вместе с врачами. Палата была полутемной, потому что от света у мальчика болели глаза – признак поражения мозга. Тело было покрыто пурпурными точками – такого количества я с тех пор не видел ни у кого. Некоторые соединялись в длинные черновато-пурпурные линии. Волосы спутались. Он был весь в поту и метался с боку на бок; руки привязали к кровати, чтобы не поранил себя или других. Он кричал во все горло что-то бессвязное, явно галлюцинируя. Иногда удавалось разобрать отдельные слова, но это были ругательства. Конца и края этому видно не было. Родители спрятались в углу палаты: где он узнал все эти слова? Мы-то знали, что его несдержанность вызвана энцефалитом.

К счастью, благодаря лечению мальчик постепенно выздоровел, и через пять дней его выписали из больницы – долечивался уже дома. Он не помнил ничего, но я уверен, что родители не забыли не только ужасного зрелища, но и чудесного исцеления.

Патогены вроде риккетсии – это бактерии, которые вызывают болезни. Они сопровождаются лихорадкой, ознобом, болью и ломотой, которые приковывают к постели на несколько дней, а то и больше. Они могут вас убить – медленно или быстро. Это происходит в одиночестве или в компании тысяч других. Обычно мы называем их «вредными микробами» и со времен их открытия 150 лет назад делаем все возможное для уничтожения. Последние 70 лет мы ведем агрессивную войну против патогенных бактерий с применением множества антибиотиков, спасая тем самым миллионы жизней по всему миру. Но, к нашему разочарованию, эта битва кажется бесконечной. Микроорганизмы мутируют быстрее молнии и развивают сопротивляемость к некоторым из самых эффективных антибиотиков. И, что еще неприятнее, борьба привела к серьезным непредвиденным последствиям для нашего здоровья и благополучия.

Но прежде чем рассматривать последствия, давайте сначала узнаем, с чем мы имеем дело. Все патогены объединяет одна вещь – они вредны для нас. А вот между собой отличаются заметно. Например, биологической природой: это бактерии или вирусы? Вырабатывают ли они токсин, который ранит наши клетки, живя при этом где-нибудь в середине желудочно-кишечного тракта, подобно линкорам, бомбардирующим берега из пушек? Или, словно морские пехотинцы, сами высаживаются на «берег» и идут в атаку?

Очень соблазнительно было бы считать патогены злыми по своей природе, но это не так. Как и волки в Йеллоустоне, они просто хищники. Довольно часто, борясь за собственное выживание, патогены наносят ужасный вред носителям. Иногда случайно – просто последствия деятельности. Но вот для патогенов, хорошо адаптированных к своему носителю, наносимый вред выгоден. Например, бактерии, вызывающие туберкулез, заставляют людей кашлять, распространяя заразу по воздуху и помогая им распространяться. Вирус бешенства атакует область мозга, отвечающую за агрессивные попытки укусить, и распространяется через слюну зараженных животных.

Дэвид Куаммен в книге Spillover, которая посвящена инфекционным заболеваниям, отмечает: хищники для нас – это большие звери, которые поедают добычу снаружи; а вот патогены – это маленькие, которые уничтожают ее изнутри{45}. Очень уместное сравнение.

Эскимосы говорят, что «волки делают карибу здоровее». Здоровый олень-карибу может легко прогнать волка, а вот более слабого члена стада они легко разрывают и тем самым прореживают стадо. То же самое с патогенами. В мире сейчас живет семь миллиардов человек, часто – в нищенских, стесненных условиях. Голодные, слабые, бедные, часто не имеющие доступа к современным лекарствам люди могут стать легкой добычей. Я не говорю, что прореживать человечество – это хорошо. Но такое уже было и, скорее всего, будет происходить всегда.

Есть патогены, которые просто забираются к вам под кожу через порезы и царапины. Если рану тщательно не промыть, можно получить инфекцию, но она излечима: слабая – промыванием, пластырем и поцелуем, более сильная – глубокой прочисткой. Иногда нужны антибиотики. Но такие заболевания чисто случайны. К тому же патогены почти никогда не передаются другому человеку.

Организмы, обычно не вызывающие заболеваний, могут развить потрясающую вирулентность и очень быстро убить даже самых крепких и здоровых людей. У многих в кишечнике водится E. coli; большинство ее штаммов безвредны. Но в 2011 году в Германии случилась эпидемия кишечной палочки, когда люди поели зараженную брюссельскую капусту. По крайней мере два штамма обменялись генетическим материалом, и получился невероятно вирулентный организм, который успел заразить более четырех тысяч человек. Примерно восьмистам повредил почки, причем некоторым – необратимо, а пятьдесят человек погибло{46}.

Заразные заболевания вызываются микроорганизмами, которые колонизируют ваше тело, бесконтрольно размножаются и ухудшают состояние. Это могут быть вирусы гриппа, бактерии, вызывающие коклюш, грибки, растущие на слизистых оболочках рта, разнообразные свободно живущие одноклеточные организмы, которые называют протистами – например, довольно злобная амеба, которая вызывает дизентерию и кровавый понос. Сейчас классифицировано более 14 000 патогенов человека. Они бывают высокой и низкой степени опасности. Например, риккетсия, вызвавшая пятнистую лихорадку у здорового маленького мальчика, – высокая опасность. А вот организмы, действующие только на людей с хроническими заболеваниями легких, могут представлять низкую опасность – это значит, они менее вирулентны и вызывают болезни только тогда, когда человек и без того ослаблен, так что вряд ли могут поразить здорового.

Все заразные болезнетворные микроорганизмы перешли к нам от наших родичей-приматов, от домашних животных, а также другими, все более опасными способами – например, от диких животных. Некоторые «перепрыгнули» на человека так давно, что мы уже не можем установить их происхождение. Но другие отследить вполне реально: чума – от блох на грызунах; бешенство – от летучих мышей; грипп – от птиц; болезнь Лайма – тоже от грызунов, но посредством клещей. Некоторые из самых смертоносных патогенов – бродячие вирусы, появившиеся относительно недавно: Эбола, атипичная пневмония, ханта-вирус, вирус Марбург, свиной и птичий грипп. Их практически невозможно искоренить, потому что мы, люди, контактируем с животными, в которых они водятся. Когда в переносе болезни участвуют, например, комары, как в случае с малярией, картина становится еще более сложной.

Некоторым особенно успешным человеческим патогенам уже не нужны их исходные животные-резервуары. В какой-то момент времени вирусы оспы, полиомиелита и кори эволюционировали и стали специализироваться на людях; они действуют только на нас (и таким образом уязвимы для полного уничтожения – например человеческий вирус оспы). Но «800-фунтовая горилла[1]» среди новых патогенов, ВИЧ, перебравшийся на людей с шимпанзе, сейчас передается от человека к человеку через половые акты или зараженную кровь. Все началось с нескольких случайных заражений, а сейчас – более 100 миллионов человек.

Я считаю, что мы сами создаем благоприятные условия для распространения пандемических микробов: нынче путешествовать по всему миру легко, как никогда; сталкиваемся с новыми организмами, а иммунитет наш стал слабее.

На протяжении практически всей истории человечества патогены, вызывающие сильнейшие в мире эпидемические болезни, – оспа, корь, грипп, чума, полиомиелит, холера, брюшной тиф, скарлатина и дифтерия – были безвредны и не убивали нас. Причина связана с размером населения. Когда предки занимались охотой и собирательством в Центральной Африке, они жили небольшими группами, от тридцати до шестидесяти человек, широко раскинувшись по огромной саванне. И так было почти 2 миллиона лет, пока около 200 000 лет назад не появился Homo sapiens. Наше существование в рамках цивилизаций, появившихся 80 000–10 000 лет назад, – всего лишь точка в длинной истории. Именно в доисторический период мы стали такими, какими являемся сейчас.

Предки были самодостаточными. В изобильные времена мужчины приносили достаточно мяса, чтобы накормить все племя; женщины собирали фрукты, орехи и травы. Но вот когда еды было мало, они страдали. Охотники доводили себя до изнеможения в погоне за добычей. У женщин от недоедания прекращались менструации или лактации. Хуже всего при затяжных засухах – целые племена вымирали без следа. Гиены и стервятники выедали их до костей.

Но с современной точки зрения у такого ненадежного существования было одно несомненное достоинство: эпидемий не существовало. Предки страдали от простых инфекций вроде червей-паразитов и фрамбезии – хронические, несмертельные заболевания. А вот серьезных не было, потому что маленькие племена жили в полной изоляции, у них не было соседей, которые могли бы занести вредные бактерии или вирусы. Если по какой-то несчастливой случайности прибивался кто-то с заразной болезнью, вариантов было не так много: ничего не происходило; вымирало все племя; некоторые заболевали, у остальных вырабатывался иммунитет. После этого патогену так или иначе было некуда идти, заражать некого. Он оказывался в изоляции и умирал.

Но уже охотникам и собирателям приходилось иметь дело с латентностью. Многие тысячелетия назад туберкулез и несколько других известных патогенов избрали для себя подобную стратегию. Они заражали одно поколение, затем прятались и заражали последующие, избегая вопроса «что делать, когда закончатся потенциальные носители».

Еще один пример – ветрянка. Если вы, как и многие дети, когда-то вдохнули вирус ветряной оспы, вскоре после этого у вас поднялась температура, а потом началась сыпь по всему телу. Через несколько дней она сошла, а недели через две вы полностью выздоровели. За редким исключением все дети, переболевшие ветрянкой, получают пожизненный иммунитет от вируса ветряной оспы. На этом вроде бы все… но не совсем. Вирус умен. Он прячется в нервных клетках вдоль позвоночника и в похожих местах в голове. И живет так десятилетиями, безмолвно, незаметно, не вызывая никакого дискомфорта.

А потом, обычно когда вам уже за шестьдесят, семьдесят или восемьдесят, вы чувствуете зуд под ребром. На следующий день по его контуру выступает сыпь. Присмотревшись, вы замечаете, что у этой сыпи такие же везикулы, как в детстве при ветрянке, но на этот раз локализованные. И теперь у вас опоясывающий лишай, или, как говорят врачи, herpes zoster.

Так что, чем вы старше, тем вероятнее заполучить опоясывающий лишай. В течение десятилетий иммунная система не дает вирусу ничего сделать, но когда с возрастом ослабевает, болезнь ничем не подавляется и снова берется за работу – вызывает опоясывающий лишай. Когда вскрываются везикулы, вирус попадает в воздух и может заразить ребенка, еще не получившего иммунитет.

И цикл повторяется. Таким способом вирус ветряной оспы иногда не трогает несколько поколений. В небольшом поселении десятилетиями инфекция может жить затаенно и не проявляться в острой форме. Но вирус способен «ожить» в любой момент и заразить новую группу восприимчивых людей. Хорошо адаптированный к нам, он имеет два механизма распространения: через ребенка, больного ветрянкой, или через его престарелого родственника, который когда-то в детстве переболел ветрянкой, а сейчас получил опоясывающий лишай. Заразный, латентный, заразный – такая стратегия приводила к наиболее успешным результатам в течение длительного периода.

Бактерия, вызывающая туберкулез, переносится таким же образом – непосредственно после реактивации латентной инфекции (обычно – у пожилых людей). Это помогло ей выжить в маленьких изолированных популяциях, доминировавших в течение доисторического периода. Но потом, когда человечество увеличилось, частота заболевания туберкулезом взлетела.

Сейчас небольшие популяции – скорее исключение. Около десяти тысяч лет назад изобретение земледелия обеспечило продовольственную безопасность. Популяции начали резко расти. Торговля процветала. Деревни перерастали в города, перенаселение стало нормой. Именно тогда расцвели эпидемические болезни{47}.

Корь – самый известный пример, иллюстрирующий работу так называемых «болезней толпы». Эпидемии часто идут волнами и быстро распространяются от одного к другому, пока не заражаются практически все. Вариантов два: либо выздоровление, либо летальный исход. В случае с данным заболеванием у выживших вырабатываются антитела, иммунитет остается на всю жизнь. Вирус кори – самая заразная болезнь, известная человечеству; ее индекс контагиозности превышает 95 %. Для сравнения: новый штамм гриппа заражает лишь от трети до половины тех, кто раньше им не болел{48}.

Когда я студентом работал в Африке, видел много детей, больных корью. Чаще всего у них была высокая температура, воспаление горла, красные глаза и частый сухой кашель, а это очень эффективный способ передачи. Любой ребенок, ранее не имевший дела с этим вирусом, тут же заболевает. После примерно недели кашля и насморка появляется характерная сыпь за ушами, которая затем распространяется по всему телу: основной симптом кори. Сейчас в развитых странах делают прививку, но в Африке и других развивающихся регионах с этим пока туго. В 2011 году умерло 158 000 человек: 432 человека в день (в основном детей), или 18 в час{49}.

Чтобы выжить, вирусу нужно каждые две недели находить нового восприимчивого носителя. Словно финансовая пирамида, он требует постоянного притока жертв. На самом деле корь может выжить только в том случае, если достаточно близко друг от друга живут 500 000 человек. В подобных условиях трехпроцентная рождаемость дает 15 000 восприимчивых детей в год, гарантируя ежегодные эпидемии кори. Но человеческая популяция достигла 500 000{50} около десяти тысяч лет назад, после чего и начались связанные эпидемии. Так что, возможно, корь много раз «перескакивала» с животных на человека еще в доисторические времена, но популяция была недостаточной, чтобы поддержать ее, и болезнь вымирала.

На многих островах, например на Фарерах в Северной Атлантике, корь могла не встречаться десятилетиями. Но вот когда в 1846 году корабль привез на острова заболевшего, вирус быстро разошелся{51}. Похожая эпидемия случилась на Гавайях в середине XVIII века – туда корь завез моряк. Люди, страдавшие от высокой температуры, пытались охладиться в океане. Но это не помогло: умер каждый пятый. После вирус погиб, и снова его завезли лишь много лет спустя.

Появление городов принесло новые дилеммы. Еду нужно было хранить, а это привлекало голодных вредителей и паразитов. В амбарах и на мусорных кучах{52} появились грызуны. Так начала свою жизнь бубонная чума, которую переносят блохи на крысах, а вызывает – бактерия Yersinia pestis. Так называемая «Черная смерть» началась в Европе в 1347 году и за десять лет уничтожила от четверти до трети населения. После первых жертв эпидемия распространялась уже без участия крыс – зараженные блохи перепрыгивали с одного человека на другого, а больные легочной чумой кашляли на других.

В 1993 году она началась в Киншасе, столице Заира{53}. Многолетняя война и коррупция заставили правительство печатать деньги. В результате началась гиперинфляция. Люди покупали, что могли, потому что завтра все могло снова подорожать. Многие хранили зерно, что и привлекло крыс.

Промышленная революция привела к новому резкому росту населения, и многие заразные болезни стали еще опаснее. В перенаселенных городах свирепствовали скарлатина, вызываемая стрептококком, дифтерия, брюшной тиф и туберкулез – самая распространенная причина смерти в США в 1900 году. Различные виды диареи, вызванные загрязнением питьевой воды нечистотами, поражали все больше восприимчивых людей. А 20 % детей не доживали до пяти лет{54} из-за диареи, коклюша, дифтерии, скарлатины и других эпидемических болезней.

Чем больше становились города и чем лучше транспортное и торговое сообщение, тем активнее к нашим коренным микроорганизмам – эндемическим или латентным – присоединялись эпидемические патогены, которым для выживания требовалось большое и плотное население, тем больше они процветали. То были настоящие смутьяны, убившие и искалечившие множество людей, особенно детей. Даже у туберкулеза, существующего очень давно, появились штаммы, отобранные по вирулентности и легкости передачи. Вместе они проредили человеческую «стаю», и очень дорогой ценой. Ни одна семья не могла считать себя неуязвимой – ни богатая, ни бедная. Они лишь молились об избавлении от болезни. Ситуация начала улучшаться лишь в конце XIX – начале XX века, когда всерьез задумались о санитарии, а затем начали изобретать вакцины. Благодаря совместным усилиям многих стран полностью исчезла с лица земли оспа, заметно уменьшилось распространение полиомиелита и сдерживается корь. Еще один невероятный прорыв в борьбе с патогенами произошел, когда, к счастью, были открыты антибиотики.

Глава 5. Чудо-лекарства

Весенним утром в 1980 году я ехал на машине на работу; в Атланте тогда было еще холодновато. Я более двух месяцев проработал в жарких регионах Бангладеша и Индии и вернулся в Центр по контролю и профилактике заболеваний с большим облегчением. В офисе поздоровался со знакомыми, рассортировал почту и начал работать, но днем почувствовал странную ломоту в костях. Наверное, все дело в расстройстве биоритмов – прилетел только прошлой ночью и еще не акклиматизировался. Но самочувствие становилось хуже, лоб был горячим. Где-то через час все же решил поехать домой. Может быть, подхватил грипп в самолете или во время долгой пересадки в Англии? Мне не удалось вспомнить, когда до этого я чувствовал себя так плохо, что не мог работать. Надо полежать в кровати, и к утру станет лучше.

Не стало: температура поднялась до 38,3 С. В ЦКПЗ я был экспертом по инфекционным заболеваниям, так что знал, что малярия может начаться так же, как грипп: температура, головная боль, ломота в костях, мышечная боль. Мог ли я ее подхватить? Путешественники обычно умирают от этого заболевания, потому что слишком поздно его диагностируют и начинают лечить. Но, скорее всего, у меня просто грипп. Поразмыслив, я позвонил коллеге из отделения паразитических заболеваний, доктору Исабель Герреро, и попросил взять у меня мазок крови на малярию.

Через полчаса она приехала. Проколов палец, размазала немного крови по стеклянной пластинке и сказала, что сразу сообщит результаты.

Позвонила через час.