Я – суперорганизм! Человек и его микробиом Тёрни Джон

Мы с вами – взрослые люди XXI века, обладающие зрелыми микробиомами. Мы получаем возможность изучать все более подробные «моментальные снимки» каждой из экосистем, составляющих это собрание микробов. Но откуда эти микроорганизмы взялись? На этот вопрос можно попытаться ответить, применяя два подхода. Один связан с личными особенностями и с развитием индивида, другой – с эволюцией. Оба позволяют выстроить линии рассуждений, в конечном счете приводящие к тому, что сегодня причинами изменений в нашем микробиоме служат, по сути, технология и культура. Подобно Земле в целом, наша личная микробиомная планета подвергается трансформациям, которые мы вызываем сами. В этой главе кратко излагаются современные версии обоих сюжетов и задается вопрос: что же мы натворили с современным микробиомом?

Как делаются дети

Новорожденные – такая прелесть, правда? Эти крошечные пальчики. Этот милый ротик. Эти робкие жесты. А запах!

Микробы тоже так думают. Перед ними открывается целый набор новых «квартир», ожидающих вселения жильцов. Бескрайние просторы совершенно свободной кожи. Новенький кишечник, занятый пищеварением и отлично обустроенный для того, чтобы в нем обосноваться. Для родителей всё это – любимое создание, чудо из чудес. Для микробов – заманчивейшее предложение на рынке недвижимости.

Но, как всегда с такими предложениями, на самом деле тут не всё так просто. Нет, речь не идет о совершенно свободном жилье. Некоторые микробы уже воспользовались инсайдерскими хитростями. Благодаря матери младенца.

Раньше мы полагали, что на протяжении почти всей истории человечества дело происходит так. Эмбрион нового человека вырастает в большеголового ребенка. В конце концов голова его достигает размера, не позволяющего протиснуться через материнский тазовый пояс, чьи связки по такому случаю расслабляются. Интенсивные сокращения мышц толкают его вниз… и выталкивают наружу. По пути младенец вовсю контактирует с вагинальными микробами – еще до того как выбирается в окружающий мир. Поскольку родовые схватки нередко длятся часами, у быстро делящихся бактерий есть масса времени, чтобы начать размножаться на коже ребенка еще до его появления на свет. В последний же момент череп ребенка, еще довольно мягкий, давит на задний проход матери и зачастую выдавливает часть его содержимого; происходит своего рода помазание головы младенца материнскими экскрементами. Еще до того как рискнуть впервые вдохнуть, новорожденный получает щедрую прививку дозой здоровых, вскормленных человеком микробов. А до этого он микробов совершенно лишен.

Впрочем, можем ли мы с уверенностью это утверждать? Ведь многие участки взрослого тела, прежде считавшиеся стерильными, позже продемонстрировали признаки наличия микробной жизни. Так или иначе, эта уверенность держалась долго. Первое испражнение новорожденного (меконий) объявил стерильным сам Эшерих, прославленный открыватель Escherichia coli; он озаботился вопросом о стерильности первого стула в 1895 году. А совсем недавно, в 2012-м, один обзор в авторитетном научном журнале Nature начинался с утверждения: «Каждый из нас появляется на свет без всяких микробов-колонистов благодаря стерильной среде материнской утробы». Это заявление приводилось без всяких ссылок. В научных работах так обычно подаются факты, которые авторы считают общепринятыми[67].

Однако эту гипотезу опровергли еще 5 годами раньше, в 2007 году. Обнаружилось, что меконий мышей уже колонизирован бактериями (год спустя то же самое выяснилось касательно людей). Среди этих микроорганизмов – Lactobacilli и старые добрые E. coli. Первые распространены в вагине, причем во время беременности их количество лишь возрастает. Вторые – бактерии кишечные. Как же они попадают в меконий, который накапливается в кишечнике еще до первого питания и представляет собой остатки того, что младенец еще до родов заглатывал из матки – смесь околоплодных вод, отмерших эпителиальных клеток и прочей дряни? Мыши в первом (испанском) исследовании, оспаривавшем идею о стерильности, явно каким-то образом передавали кишечные бактерии своим отпрыскам. Мыши – будущие матери – пили молоко, содержащее бактерии с определенным генетическим маркером, а затем ученые помогали мышатам появиться на свет посредством кесарева сечения в условиях хирургической чистоты. И что же? При первом же испражнении мышата выводили из своего организма эти же бактерии. Пока не ясно, как бактерии там очутились.

Возможно, некоторые бактерии мышата попросту проглатывали вместе с околоплодными водами. Однако, согласно данным еще одного недавнего исследования, нормальная плацента тоже несет в себе бактериальную нагрузку. Кьерсти Аагаард из техасского Медицинского колледжа Бейлора проанализировала плацентарную ткань, взятую у 320 рожениц после родов, и бодро отрапортовала о небольшом, но разнообразном бактериальном населении в этих образцах[68].

В ее статье сообщается также (и здесь мы должны проявить особую бдительность), что по своему составу эта популяция больше всего напоминала микробиом рта. В прессе запестрели указания на приоритетную роль оральной и зубной гигиены для беременных или тех, кто пытается забеременеть. Впрочем, факты указывают на то, что это слишком поспешный вывод. Простое выявление ДНК-«автографов» определенных бактерий в живой ткани еще ничего не говорит нам о том, как они туда попали. Да, болезни десен и преждевременные роды иногда сопутствуют друг другу, однако… Так что преимущества и невыгоды наличия или отсутствия бактерий в плаценте пока неясны; требуются дальнейшие исследования, весьма тщательные и детальные. (Хотя это по-прежнему хорошая идея – чистить зубы с регулярностью, необходимой для профилактики болезней десен.)

Кроме того, это исследование не смогло выявить и какой-либо связи между плацентарными бактериями и собственными микробиомами новорожденных, так что, по-видимому, оно не помогает разобраться в загадке микробов, содержащихся в меконии. Вероятно, самое убедительное предположение на данный момент – гипотеза о том, что иммунные клетки эпителия материнского кишечника, способные захватывать кишечные бактерии, приносят некоторых из них в кровь, и вместе с кровью они затем попадают в самые разные места, в том числе в плаценту, матку – и в сам плод. Полагаю: сейчас, когда я пишу эти строки, кто-нибудь наверняка ломает голову над тем, как бы спланировать эксперимент для проверки данной идеи. Пока это не сделано, еще одна гипотеза – о том, что эмбриональный микробиом можно «настраивать», давая будущей матери определенную пробиотическую смесь – остается, по-видимому, лишь умозрением. Такие процедуры, мягко говоря, рискованны, пока мы точно не знаем, каким именно путем передаются бактерии от матери к ребенку.

После рождения младенец попадает в мир, кишащий микробами, и, конечно же, начинает обзаводиться собственными благодаря контакту с окружающими людьми, лишь немногие из которых способны удержаться от поглаживанья, тисканья и тетёшканья новорожденного (возможно, эволюция помогла нам полюбить запах младенцев, чтобы поспособствовать именно такой передаче микробов). Столь же очевидно то, что маленький человечек, начиная совать палец в рот, а потом и ползать, собирает образчики микробов почти отовсюду, куда сумеет дотянуться, в том числе с собственного тела, с других людей, с домашних животных и со всех прочих вещей, которые мы обычно запрещаем ребенку трогать, отлично зная, что наше указание скорее всего будет проигнорировано.

Состав популяции вагинальных микробов матери меняется непосредственно перед родами – так младенец получает прививку полезной смеси видов. Однако роженица готовится повлиять на микробиом своего отпрыска и иным путем – вырабатывая молоко. Эту жидкость тоже долгое время считали стерильной (если только мать не больна). Оправданием такой убежденности может служить тот факт, что соответствующие бактерии трудно выращивать в культуре, однако закрадывается подозрение: возможно, сама идея о том, что при грудном вскармливании младенец всасывает бактерии, просто не укладывалась в представления о том, что естественное грудное питание для новорожденного – штука по определению здоровая.

Теперь-то нам известно, что даже у здоровых кормящих матерей в молоке содержатся сотни видов бактерий. Более того, состав этой популяции материнский организм способен менять, чтобы лучше удовлетворять потребностям ребенка. Сразу же после рождения грудная диета включает значительную дозу молочнокислых бактерий, а также Staphylococcus и Streptococcus. Шесть месяцев спустя смесь бактерий больше походит на обычно присутствующую во рту – возможно, потому что к этому времени ребенок, как правило, уже начинает иметь дело с какой-то твердой (ну, кашеобразной) пищей.

А вот еще одно недавнее открытие, ставящее перед нами еще одну загадку переноса микробов. Когда материнское молоко только начинает выделяться, в нем уже есть бактерии; собственно, они есть уже в молозиве – первой пище новорожденного (в идеальном случае). Как же они туда попадают? Мы пока точно не знаем. Материнская грудь обладает собственным микробиомом, и некие его виды наверняка оказываются в молоке. Разумеется, какие-то бактерии находятся на коже вокруг соска. Однако некоторые бактерии, обнаруженные в материнском молоке, обычно присутствуют в кишечнике, а не на коже, так что сейчас ученые ищут внутренний микробный путь[69].

Самый интригующий вариант предполагает участие специальных клеток, называемых дендритными[70]: они как бы берут пробу кишечных бактерий и затем предоставляют характерные для этих бактерий антигены на рассмотрение иммунной системе. Кроме того, они способны мигрировать, внося сами бактерии в ткани (по крайней мере в ближайший лимфатический узел, а возможно, и в селезенку). Не исключено, что эти клетки занимаются целенаправленной транспортировкой микробов в разные участки нашего тела. Как показали эксперименты на мышах, бактерии, находящиеся в лимфоузлах, к поздним стадиям беременности добираются до молочных желез. Другие подробности неизвестны. Однако пока действительно кажется, что при помощи каких-то хитроумных приемов организм матери способен отбирать нужные бактерии, защищать их от системы врожденного иммунитета и переправлять к груди.

Мы больше знаем о двух других компонентах, поставляемых младенцу матерью при грудном вскармливании. Ее молоко содержит много иммуноглобулинов, которые временно заменяют собственную иммунную систему кишечника младенца (пока та не начнет развиваться). Кроме того, молоко матери, по-видимому, снабжает ребенка микробным питанием.

Это еще одно открытие, которое на первый взгляд кажется довольно неожиданным. Тут как раз тот случай, когда индивидуальное и эволюционное развитие нельзя разделить. Лишний раз подтверждается, как тесно наша жизнь сплетена с жизнью наших микробов. Материнское молоко представительниц нашего вида содержит массу легкоусваиваемой пищи, которая должна удовлетворять растущие потребности растущего младенца. Однако содержатся в ней и вещества, которые его организм переварить не в состоянии. Во всяком случае, без помощи микробов.

Набор сложных углеводов, именуемых олигосахаридами грудного молока (иногда их называют гликанами), – третий по общему содержанию компонент этой жидкости. Попав в кишечник, они служат идеальным кормом для Bifidobacterium infantis – бактерии, которая не присутствует в организме младенца при рождении, но вскоре, как правило, становится одной из самых многочисленных обитательниц его микробиома (при грудном вскармливании). Построение молекул олигосахаридов – занятие трудоемкое с метаболической точки зрения, а ведь они производятся в большом количестве, когда биохимия женщины работает на пределе мощи, стремясь как следует накормить ребенка. В сущности, младенец ест не «за двоих», а за миллиарды (бактерий). Брюс Герман из Калифорнийского университета в Дэвисе сформулировал это так: «По сути матери заставляют другую форму жизни нянчить своих детей, используя олигосахариды для того, чтобы управлять деятельностью микробиома»[71].

Все это означает, что внутренности младенца недолго остаются незаселенными. Таким образом, процесс созревания микробиома – это замещение одной микробной популяции другой, а не вторжение микробов на невостребованное и незанятое место. Мы уже неплохо понимаем, что происходит с микробиотой после того, как в ней поселится первая партия колонистов. Подробнее всего удалось исследовать популяции кишечника, поскольку эта наиболее сложная экосистема подвергается в процессе нашей жизни едва ли не самым масштабным изменениям[72].

Похоже, вначале кишечник новорожденного содержит бактерии, способные жить в бескислородной среде, и бактерии, которым необходим кислород. По мере расходования имеющегося в кишечнике небольшого объема кислорода условия меняются в пользу тех, кто может существовать без этого газа. В дальнейшем кишечник населяют лишь анаэробные бактерии.

Итак, недели через две обычно создается первый более или менее долговечный популяционный баланс. В нем обильно представлены Bifidobacteria, Bacteroides и Clostridia. Хотя до недавних пор мы не осознавали, насколько тесными являются отношения некоторых Bifidobacteria с материнским молоком; их общую роль в нем открыли, по микробиологическим меркам, в глубокой древности. Их обнаружили в образцах, полученных у младенцев, которые питались материнским молоком, еще в конце XIX века.

Когда ребенок начинает есть другую пищу (обычно в возрасте нескольких месяцев), его кишечная микрофлора постепенно становится более разнообразной. У искусственно вскармливаемых младенцев на первом этапе более разнообразный видовой состав микрофлоры; это различие (между детьми с двумя типами питания) сохраняется долго: обычно они раньше, чем ровесники, вскармливаемые грудью, приобретают микробный баланс, типичный для взрослых.

А вот при кесаревом сечении заселение бактериями происходит иначе. Первыми колонистами обычно оказываются микробы кожи, передаваемые от матери и от всех остальных, кто занимается ребенком. Вскоре за этими бактериями последуют другие. Однако стерильные роды, перед которыми роженице почти всегда вводят антибиотики, дают меньшее разнообразие кишечного микробиома (как и преждевременные роды).

Начиная исследовать окружающий мир, младенцы заодно исследуют и местную микрофлору. Случайные встречи начинают играть все более существенную роль в том, какие виды решатся попытать счастья, попробовав поселиться в этой многообещающей среде – новом человеческом существе. Образцы кишечного микробиома младенца (большое удобство для анализа: они поставляются даже чаще, чем вам хотелось бы) различаются сильнее, чем у взрослых, как по составу, так и по функциональным генетическим модулям, благодаря которым взрослые больше походят друг на друга, чем результаты анализа их микробиома. По-видимому, существует целый ряд факторов, влияющих на то, как это происходит в отдельных семьях. Один из ключевых факторов – то, что человек может оказаться здесь неединственным суперорганизмом. Роб Найт, специалист по ДНК, руководит одной из лабораторий Колорадского университета. Заголовок статьи 2013 года, написанной сотрудниками лаборатории, сообщает почти всё, что вам нужно знать о соответствующих находках: «Совместно проживающие члены семьи делят микробиоту друг с другом и со своими собаками»[73]. Вероятно, сильнее всего перемешиваются при этом кожные микробы. Так или иначе, исследование, охватившее 60 семейств, 36 из которых держали собак, показало четкие различия между микробиомами любителей собак и микрофлорой всех остальных. Выяснилось, что кошки, при всей своей «ласкабельности», вносят меньший вклад в создание коммунального микробиома (по сравнению с микробиомом индивидуальным).

Среда и обстоятельства наверняка играют роль при формировании младенческого микробиома. Однако активный отбор может оказаться еще более значимым фактором. По данным ученых медицинского факультета Вашингтонского университета, опубликованным в 2014 году, есть основания предполагать, что все микробиомы младенцев, появившихся на свет преждевременно, развиваются во многом похоже. Ученые проследили за развитием 58 таких детей, начавших жизнь в палате интенсивной терапии, где незапланированные встречи с микробами крайне редки. То, как эти младенцы появлялись на свет, и то, как они питались, оказало лишь незначительное влияние на развитие их кишечного микробиома (а то и вовсе никак на него не повлияло), где «с хореографической четкостью сменяли друг друга бактериальные классы». Отмечались различия в скорости изменений, но не в самой их последовательности. К тридцать третьей – тридцать шестой неделе после зачатия все эти младенцы обладали весьма схожим составом микробного населения кишечника[74].

В любом случае, по мере того как ребенок ест больше твердой пищи и ее разнообразие увеличивается, и после того как младенца отнимают от груди (или прекращают искусственное вскармливание), все отличия, ставшие наследием родов или раннего периода кормления, постепенно сглаживаются. Микробиом трехлетних очень похож на микробиом взрослых с таким же рационом, живущих в такой же среде. К трем годам ребенок приобретает большое пестрое микробное население, состоящее преимущественно из Bacteroides и Firmicutes, хотя сохраняются в нем и некоторые Bifidobacteria. Чаще всего экосистема остается такой и в дальнейшем, если только ее не дестабилизирует какое-то из ряда вон выходящее событие.

По мере того как всё новые и новые исследования предоставляют нам «моментальные снимки» микробиома людей, наблюдаемых (поодиночке или коллективно) в течение долгого времени, мы всё лучше понимаем, какими могут быть эти события. Человеческий микробиом дает все возможности для самонаблюдения, требуется лишь упорство и самоотверженность. Особенно детальное исследование провели в лаборатории Эрика Алма (Массачусетский технологический институт). В эксперименте участвовали два человека, ежедневно отбиравших пробы своего стула и слюны. Кроме того, с помощью одного полезного приложения для айфона они прилежно фиксировали все, что в этот день съели и выпили, наряду с массой других значимых сведений – о работе, сне, физической активности, настроении, весе. Идея исследования состояла в том, чтобы, воспользовавшись доступностью процедуры ДНК-секвенирования, в ежедневном режиме отслеживать изменения микробной популяции.

В статье, вышедшей в середине 2014 года, имена этих людей не разглашаются: их называют просто субъектом А и субъектом В (эта сдержанная научная манера здесь очень уместна). «Изучение выборки добровольцев позволило нам остановиться на двух здоровых мужчинах, не связанных между собой родством», – скромно поясняют авторы[75]. На самом деле этими субъектами стали сам Алм и Лоуренс Дэвид (в момент начала исследования он выполнял в лаборатории дипломную работу). Так что эксперимент осуществлялся методом самонаблюдения. Могло получиться иначе, но когда впервые составили план, подразумевавший отбор пробы при каждом посещении туалета в течение года, «как ни странно, никто не вызвался стать участником такого эксперимента», признался Алм.

Результат – потрясающее (с экологической точки зрения) сочетание изменчивости и постоянства. Изучая образцы, вы всегда можете определить, где чей, хотя состав проб день ото дня варьируется. Общая картина – это картина стабильности.

Варьирование по дням связано, в частности, с питанием. Потребление необычно большого количества клетчатки приводило к быстрому увеличению содержания трех бактериальных видов (его можно зафиксировать примерно на следующий день), хотя в общей микробной популяции эти виды составляли сравнительно небольшую долю – приблизительно одну пятую. Потребление цитрусовых приводило к резкому росту содержания иной группы видов.

Благодаря счастливому стечению обстоятельств удалось выявить интересный факт. В середине года Дэвид провел два месяца в Бангкоке. Данные о содержании бактериальных видов четко показывают, что в его кишечнике, едва он прибыл в город, сразу же поселились некоторые бактерии, которых раньше не было. Они исчезли из кишечника ученого, только когда он вернулся в США.

Более драматическое событие отражено в микробной летописи никуда не выезжавшего коллеги Дэвида. Острое пищевое отравление при посещении ресторана стало не очень-то приятной демонстрацией скорости, с которой могут размножаться бактерии. Среднегодовое содержание Enterobacteriacaea (к которым относятся и «микробы пищевого отравления» Salmonella) в кишечнике у Алма равнялось 0,0004 %. Когда он отравился и стал страдать от диареи, эта величина возросла до 10 %, а затем достигла впечатляющего максимума 29 %. В то же время содержание Firmicutes у него резко сократилось. Когда Алм выздоровел, оно снова вернулось к его обычным 40 %, однако популяционная смесь штаммов, обитавших у него в толстой кишке, в этом новом стабильном состоянии отличалась от прежней. Большинство из видов, теперь изобиловавших в ней, в небольших количествах имелось у него до болезни, так что в основе нового состава популяции все-таки не было новоприбывших организмов. Это еще одно указание на то, что индивидуальный микробиом человека предпочитает поддерживать один и тот же состав микробов (хотя их количественное соотношение может меняться). Микробиом способен отлично справляться с видовыми заменами, если эти заменители делают примерно то же самое, что и бактерии, которых они вытеснили, и если под рукой имеются бактериальные ресурсы, способные быстро заполнить истощившуюся нишу в экосистеме.

Таким образом, это небольшое исследование демонстрирует нам картину своего рода эластичности (термин, который все чаще применяют при описании микробиомов здоровых людей). Два изученных индивидуальных микробиома отличались друг от друга, но проявляли стабильность. Удалось получить свидетельства микробной конкуренции в случае обоих наборов видов, причем численность близкородственных штаммов иногда резко и взаимозависимо менялась (у одного возрастала, у другого падала), а значит, есть основания предполагать, что соответствующий штамм получал какие-то конкурентные преимущества. Впрочем, такие незначительные ежедневные подвижки в экологии микробиома не очень влияли на общую картину.

Другие исследования (например, проводившееся лабораторией Джеффри Гордона в 2013 году) подтверждают, что состав кишечного микробиома стремится к относительной стабильности. Гордон и его коллеги изучали пробы, которые отбирались у троих взрослых на протяжении 5 лет. Судя по всему, у многих людей дело обстоит так: сложившись, взрослый кишечный микробиом не меняется (если его носитель здоров). Вероятность нарушения стабильности повышается не только при болезни, но и при старении. Как показывают исследования, пожилые люди, по-видимому, сильнее отличаются друг от друга по кишечному микробиому, чем молодые. У каждого отдельного пожилого человека, возможно, имеется менее разнообразное микробное население, чем то, которое обычно встречается в образцах, взятых у молодых или у людей среднего возраста[76]. Подробности таких изменений ученые продолжают выяснять, пытаясь разобраться во всевозможных особенностях, которые могут влиять на микробную биографию каждого отдельного человека. Так, пожилые люди в развитых странах нередко проживают в домах престарелых, где их диета отличается от той, что была у них прежде, и где они ежедневно принимают смесь различных лекарств. В ответ микробиом меняется вплоть до самой смерти своего носителя. А затем микробы изо всех сил стараются попасть куда-нибудь еще.

Впрочем, сначала они пожирают питательные вещества, которые вытекают из наших умирающих клеток. Это, между прочим, тоже можно изучать. Микробный ансамбль, обитающий на трупе, даже носит подобающее научное название: танатомикробиом. Как полагает Питер Нобл из Алабамского университета, изучение этого микробиома может пригодиться криминалистам – например, для оценки времени смерти[77]. Впрочем, к этому печальному моменту никакого суперорганизма уже не существует, так что самое время перейти к широкомасштабной истории микробиомов.

Эволюционируя вместе

За индивидуальной историей о том, что формирует кишечный микробиом каждого из нас, стоит куда более долгая эволюционная история, способная поведать, каким образом человек (как биологический вид) вообще стал уживаться со всеми этими микроскопическими видами. Новые технологии помогают собрать воедино разрозненные части этой головоломки, в частности, путем расщепления микробиомов многих других существ. Назовите человека суперорганизмом, и это звучное имя наполнит человека гордостью. Однако если оглянуться вокруг, тут же выяснится, что почти все прочие создания – тоже суперорганизмы. Всегда ли они являлись такими «суперами»? Может быть, они приобретали это качество постепенно?

Мы знаем, что бактерии появились на Земле примерно за 2 миллиарда лет до всех прочих организмов. Никто не оспаривает этого их эволюционного преимущества. Главный вопрос: как они участвовали в эволюции более сложных существ? Известно, что бактерии сыграли важнейшую роль при возникновении эукариот; не забудем, что бактерии – предки митохондрий. Но что произошло после того, как недавно появившиеся эукариоты стали всё шире распространяться в бактериальном мире?

Вероятно, поначалу эти отношения были просты и незамысловаты. Возьмем для примера часто встречающееся одноклеточное. У его клетки имеется ядро, а значит, это эукариота, как и мы с вами. Она имеет более или менее яйцевидную форму, а на одном конце у нее хвостик, точнее – одиночный подвижный кнутообразный жгутик. Вглядитесь, и вы увидите, что основание жгутика окружено воротничком из нескольких десятков микроворсинок.

С помощью жгутика эта тварь движется в воде, а воротничок жгутиковых захватывает всякие штуки, несомые течением, в том числе и бактерии. Затем клетка их поедает. Это воротничковый жгутиконосец (хоанофлагеллата) – одна из самых простых эукариот. Соответствующих окаменелостей, конечно, не сохранилось, но архив, содержащийся в его геноме, заставляет предположить, что это существо приобрело более или менее современную форму уже 800–900 миллионов лет назад. Данные ДНК указывают: создание, жившее тогда, могло стать общим предком для представителей двух эволюционных ветвей – современных хоанофлагеллат и первых животных.

Теперь ученые полагают, что эти существа уже тогда взаимодействовали с бактериями более тонким образом: относились к бактериям не только как к добыче. Один из видов нынешних хоанофлагеллат отвечает на определенный бактериальный сигнал образованием колоний. Значит ли это, что бактерии участвовали в возникновении первых многоклеточных? Одно можно утверждать с немалой долей уверенности: наши самые первые предки-животные уже умели регистрировать химические послания, посылаемые бактериями.

Впрочем, в этом вынуждает усомниться другое наблюдение. Колония хоанофлагеллат с виду очень похожа на губку. А морские губки – самые простые из сегодняшних многоклеточных – зачастую полны микробов-симбионтов, составляющих до трети их общей клеточной массы. Поскольку губки, как и хоанофлагеллаты, питаются бактериями, должна существовать некая система взаимного распознавания, которая позволяет некоторым бактериям спокойно жить вместе с клетками губки, не опасаясь за свою жизнь.

В этом может заключаться убедительное (хотя и косвенное) доказательство того, что бактерии теснейшим образом сосуществовали с многоклеточными уже с первого их появления. Биологи о таком почти не думали вплоть до 1980-х годов, когда эволюционные взаимоотношения начали проясняться благодаря работам Карла Вёзе по классификации бактерий. Разнообразие бактерий повсюду, выявляемое массовым ДНК-секвенированием, побудило исследователей обратить больше внимания на то, как микробы взаимодействуют со всеми прочими существами.

Важное значение исследования совместной эволюции бактерий и всех позже возникших видов следует просто из огромного диапазона изучаемых сегодня микробиомов. Тли, муравьи, бабочки, вши, дрозофилы – все они часто несут на себе бактерий-симбионтов, и мы уже понимаем некоторые из важнейших вещей, которые они проделывают для своих хозяев.

Вот один пример. Едва ли не самые необыкновенные межвидовые взаимосвязи демонстрируют муравьи-листорезы, собирающие зеленую массу в тропических лесах и использующие частично пережеванные листья для выращивания грибов, которые они затем употребляют в пищу, – достижение само по себе удивительное. Колония из миллионов муравьев способна ежегодно перерабатывать сотни килограммов растительной массы на своей подземной грибной ферме. В 2010 году исследователи показали, что расщеплять молекулы листьев муравьям помогает сообщество микробов, напоминающих тех, что обитают в коровьем рубце – «дополнительном желудке», где коровы – эти куда более крупные травоядные – переваривают зеленую массу. Таким образом, в ходе эволюции появилось два решения проблемы – извлечения питательных веществ из растительного материала. Коровы поддерживают существование микробиома, проделывающего эту работу внутри, муравьи же – существование микробиома, проделывающего ее снаружи[78].

В той же статье имеется ссылка на исследование бактерий, производящих антибиотики, у других видов, в том числе у насекомых, растений, кораллов, губок, улиток и птиц (у удода, если вам так уж хочется знать). Короче говоря, куда ни глянь, везде обнаружишь микробиомы, специально подогнанные так, чтобы мелкие организмы делали какую-то работу для более крупного. Аспект эволюции, именуемый «съешь – или тебя съедят», может приводить к разного рода странностям в отношениях между ними. У термитов существует в задней кишке необычно сложный для насекомых микробиом, где имеется смесь одноклеточных эукариот и бактерий. Микробы помогают термитам переваривать пищу, позволяя им питаться лишь древесиной. Такие внушительные существа, как броненосцы и трубкозубы (африканские муравьеды), обладают кишечными микробиомами, которые позволяют им есть покрытых хитином муравьев и термитов. В сущности, здесь идет битва микробиомов.

Расширившиеся представления о важной роли бактерий нашли отражение в программной статье, которую в 2013 году явила миру Маргарет Макфол-Нгаи из Висконсинского университета. Ее идеи об иммунной системе будут руководить нами на протяжении следующей главы. Макфол-Нгаи объединила две дюжины других влиятельных биологов для создания наброска своего рода боевого призыва к исследователям. Текст опубликован в Proceedings of the National Academy of Sciences под заголовком «Животные в мире бактерий».

В нем собраны результаты изысканий, посвященных главным образом животным, которые населяют Землю сегодня. Макфол-Нгаи и ее коллеги провели не один десяток лет, исследуя симбиоз между крошечным кальмаром и вибрионами, обитающими в люминесцентном органе, который расположен у него в полости тела. Такие взаимодействия, наблюдаемые в наши дни, способны дать много намеков касательно того, как дело обстояло в прошлом.

Неожиданное открытие, сделанное при изучении ее излюбленной модельной системы, может служить в этом смысле одним из самых показательных примеров. Речь идет о двух молекулах – липополисахариде (ЛПС), который сидит на внешней стороне вибриона, и пептидогликане, используемом этой бактерией для укрепления своих клеточных стенок. Мы знаем, что у крупных многоклеточных эти вещества способны активировать иммунную систему. Но Макфол-Нгаи обнаружила, что данный вибрион также применяет их, однако по совсем иному назначению. Их присутствие вызывает особого рода развитие тканей кальмара, которым предстоит приютить эти бактерии.

Далее выяснилось, что эти же разновидности молекул (не забудьте, они находятся на поверхности бактерий!) нужны для нормального развития пищеварительной системы у мышей. А значит, сигнальный путь, впервые возникший именно у бактерий, сохранился на протяжении большого отрезка эволюционного времени и в дальнейшем (как часто бывает) стал применяться для выполнения новых задач.

Макфол-Нгаи любит объединять чрезвычайно детальные исследования тонкостей устройства и функционирования одного организма с широкомасштабными рассуждениями об эволюции. В частности, она утверждает, что мы можем объединить ключевые стадии эволюции бактериально-эукариотических взаимоотношений, получив правдоподобный непрерывный сюжет этого важнейшего процесса.

Сюжет этот можно изложить так. Родословная всех сложных организмов начинается в океанах, где их предков окружали растворенные в воде органические вещества и постоянно присутствующая популяция бактерий – от сотни тысяч до миллиона бактерий на каждый миллилитр морской воды. Губка показывает, каким будет наиболее вероятный результат подобного сосуществования многоклеточного организма без тканей. Оно просто превратится в нечто кишащее бактериями.

Но как только многоклеточные превзошли по уровню организации губку, они обзавелись оболочкой. Если они живут в океане, для них вполне естественно стремиться к тому, чтобы втягивать в себя питательные вещества через своего рода живую стенку (прообраз нашей кожи), которая постепенно начинает всё больше походить на абсорбирующий клеточный слой, имеющийся у нас в кишечном эпителии, а также в других таких же местах. Другая функция оболочки – барьерная: такая преграда мешает бактериям пользоваться питательными веществами, которые наше новое многоклеточное старательно извлекает из морской воды и концентрирует для собственных нужд. Как заметила Макфол-Нгаи в одной беседе, «у них один и тот же фонд питательных веществ, но при этом они пытаются помешать этим мелким организмам распространяться по всему своему телу».

Несколько более высокоразвитое (по сравнению с губкой) существо – пресноводный полип Hydra, родич коралла, медузы и актинии. По своему устройству гидра довольно проста: это трубка с ртом на одном конце и «ногой»-якорем на другом. Трубка окружена двумя клеточными слоями. Внешний слой эпидермальный, а внутренний – своего рода кишечный эпителий. В нескольких миллиметрах тела гидры размещается желудок, а важное дело по абсорбированию питательных веществ теперь (по меньшей мере 500 миллионов лет назад) перенесено внутрь. Это создание представляет собой одну из первых моделей кишечника. У гидры уже имеется простенький микробиом. Более того, Томас Бош из Кильского университета и его коллеги показали, что различные виды современных гидр имеют существенно отличающиеся микробные популяции. Иными словами, полип сам выбирает, с каким бактериями ему жить. В ходе эволюции у него возникли мощные системы защиты против бактерий, которые ему не нравятся. Так, гидра способна вырабатывать антимикробные пептиды и ингибиторы ферментов. А микробы, к которым она относится терпимо (или даже поощряет их появление), оказываются с давних пор глубоко вплетены в жизнь этого миниатюрного создания. Гидры знамениты своей способностью к бесполому размножению – почкованию. Но если они не содержат обычную для себя микробиоту, эта способность пропадает. Введите в безмикробную гидру культуру из пищеварительной системы нормального экземпляра, и почкование снова станет возможным[79].

Выйдя на сушу, животные не имели другого выбора, кроме как перенять это устройство, сделанное по схеме «снаружи внутрь», когда ткани, поглощающие питательные вещества, располагаются внутри тела. Далее появилось множество вариантов пищеварительной системы, а у позвоночных – более сложный микробиом кишечника. Бросается в глаза разница между многоклеточными с относительно простыми личными микробиомами (взять хотя бы насекомых) и многоклеточными, которые обычно, подобно нам с вами, обладают гораздо более сложными микробными сообществами. Все позвоночные второй группы, начиная с рыб, обладают адаптивной иммунной системой в придачу к системе врожденного иммунитета, более простой и возникшей раньше. Как предполагает Макфол-Нгаи, адаптивная система с ее комплексом антител и многообразных лимфоцитов могла появиться для того, чтобы помогать организму нормально существовать со сложным микробиомом. Опять-таки здесь содержится указание на то, что иммунная система может стать ключом к пониманию того, как работает наш суперорганизм.

Между тем в ходе эволюции происходили и другие, менее сложные изменения, которые тоже могут являться частью коэволюции хозяина и его микробов. Стенка кишечника отделилась от тела. Это позволило кишкам свернуться внутри полости тела и стать длиннее. Травоядные благодаря этому получили возможность заглатывать больше пищи: на ее обработку уходит больше времени, но процесс удалось разбить на стадии, каждая из которых протекает в своем участке пищеварительной системы, где происходят свои химические процессы. Может быть, бактерии способствовали формированию такого пищеварения, воздействуя на трудноусвояемые молекулы пищи при их медленном прохождении от рта к анальному отверстию? Не исключено[80].

Еще один любопытный факт из этого манифеста: большинство бактерий, которые населяют кишечник птиц и млекопитающих, лучше развиваются при температуре примерно 40 °C. Возможно, так происходит потому, что эти теплокровные (так уж сложилось) живут и действуют при такой температуре и оказались гостеприимными хозяевами для бактерий, которым нравится жить при такой же. Впрочем, может статься, что все обстоит наоборот. Приспосабливая бактерий для того, чтобы помогать усваивать сложные углеводы, организм получал энергетические преимущества, а бактерии лучше выполняют такую работу, если их держать в тепле. Может быть, нам следует поблагодарить наши кишечные бактерии за то, что мы теплокровные!

Пока же давайте перескочим на несколько сотен миллионов лет вперед, к подобным нам существам, уже имеющим сложные кишечные микробиомы. Что бы там ни случилось на заре эволюции, мы видим: сложный микробиом кишечника роднит нас с другими приматами.

Ученые уже давно исследуют бактерии из образцов кала некоторых приматов – шимпанзе и горилл, бабуинов, колобусов (толстотелов, гверец), ревунов и других, содержащихся в неволе и живущих в дикой природе. Полученные результаты указывают на то, что они, подобно нам, во взрослом состоянии имеют видоспецифичные стабильные микробиомы. Возможно, это связано с их рационом (большинство из них потребляет много листьев, но преобладающие в рационе растения зачастую различны для разных обезьян) и с внешними факторами. Однако микробный отбор остается довольно специфичным для каждого вида: по составу микрофлоры можно идентифицировать, с каким видом приматов мы имеем дело. Так, у черных ревунов более разнообразная кишечная микрофлора, если они живут в тропическом влажном лесу, а не в менее богатом растительностью лиственном лесу умеренного пояса[81].

Человек произошел от той же эволюционной ветви, что и предки нынешних обезьян (человекообразных и других), но мы могли бы ожидать, что их кишечные микробиомы будут заметно отличаться от наших. Мы всеядны, мы уже примерно миллион лет используем огонь. Приготовление пиши с помощью высокой температуры позволяет начать обработку еды еще до того, как она попала вам в рот. Разработаны целые теории эволюции человека, в основе которых лежит представление о том, что приготовление пищи способствовало развитию у человека более крупного мозга, эффективно обеспечивая его высокоэнергетическим белком, а кроме того, сокращая время, которое требовалось представителям цивилизации охотников и собирателей для пережевывания своего обеда. Оставим эту интригующую гипотезу[82] в сторонке: так или иначе, уже само по себе приготовление пищи с помощью огня могло привести к тому, что у Homo erectus и всех его эволюционных последователей сложился иной микробиом кишечника.

Насколько иной? Мы не можем дотянуться до Homo erectus – нашего прямоходящего предка-проточеловека, жившего 800 тысяч лет назад, но одно уникальное ДНК-исследование позволило изучить микробный состав сохранившихся до наших дней копролитов – окаменелых остатков кала древнего человека.

Об анализе этих материалов сообщает в своей статье 2012 года Сесил Льюис из Оклахомского университета. Образцы получены с трех различных участков. Старейший образец взят из пещеры на юге США, где человек жил 8 тысяч лет назад. Другие имеют возраст от одной до двух тысяч лет. Откровенно говоря, двум из них оказалось трудно дать интерпретацию (не удивительно для столь старого материала). Но один из более молодых образцов, полученный с участка на севере Мексики, оказался по своему составу ближе к пробам кишечного биоматериала, взятым у деревенских детей современной Африки, чем к пробам американских горожан, предоставившим образцы для проекта «Микробиом человека»[83].

Такого рода сведения указывают на то, что микробиом человеческого кишечника менялся после появления Homo sapiens. Исследования развиваются по нескольким направлениям. Существует множество гипотез о том, как эти отступления от микробиома наших предков (первых людей) могли бы на нас влиять. Один из примеров – уже рассказанная мною история о том, как из большинства младенческих желудков исчезла C. difficile (впрочем, тогда я не назвал эту бактерию по имени). Высказывается и масса других, зачастую более спекулятивных идей о связях между измененными человеческими микробиомами и здоровьем. Но о какого рода изменениях идет речь?

Совершенно современный микробиом

Человеческий микробиом, предстающий сегодня просвещенному взгляду ученых, сложился не только под воздействием эволюционных нагрузок. Мы изобретательные создания и умеем модифицировать окружающую среду под собственные нужды. Это оказало влияние и на микробную часть суперорганизма (которую мы здесь и рассматриваем). Начнем хотя бы с наших пищевых пристрастий.

Известно, что баланс микробных популяций реагирует на ежедневное изменение рациона. Существуют убедительные свидетельства того, что аналогичное влияние оказывали и пищевые предпочтения человека, проявлявшиеся на протяжении куда более длительных периодов времени. В этом смысле дальше всего удается с уверенностью заглянуть в прошлое, изучая не окаменевшие фекалии, а останки зубов.

На теоретическом уровне мы знаем, что люди всегда сосуществовали с бактериями, но отыскать следы бактерий, живших на нас в прошлом, очень нелегко. После смерти своего носителя они обычно исчезают, ведь его мягкие ткани недолговечны.

Есть два исключения: окаменевшие фекалии и (вот была бы отрада для левенгуковского сердца!) сохранившийся до наших дней зубной налет.

На зубах легко образуются биопленки – сложные сообщества бактерий, в ходе совместных действий покрывающих поверхности, которые дают им удобный доступ к питательным веществам. Пленка, нарастающая на поверхности зуба, поначалу мягкая, но постепенно превращается в зубной камень. (Тут как с затвердевающим бетоном.) Оказывается, она может сохранять в себе не только частицы пищи, но и мертвые микроорганизмы или по крайней мере некоторые их молекулы, в том числе и ДНК.

Извлечь оттуда информацию не так-то просто. Анализ микробиомов живого – задача хитрая. Что же тогда говорить о работе с зубами покойников? Многие археологические образцы наверняка еще десятилетия назад прошли через руки исследователей, слыхом не слыхивавших о микробиоме, так что в них весьма вероятны загрязнения и примеси. К тому же количества извлекаемого из них зубного налета очень невелики. Но если вы проявите колоссальную тщательность, то все-таки сможете добыть достаточное количество бактериальной ДНК, чтобы провести анализ 16S рРНК.

Проделайте это с подходящим образцом, взятым у скелета древнего человека, и вы откроете окно в мир коэволюции людей и нашей микробиоты (в данном случае речь идет об оральных, а не о кишечных микробах). Подобный анализ позволяет выявить два крупных изменения. Первое (произошедшее, возможно, около десяти тысяч лет назад) совпадает по времени с зарождением сельского хозяйства. Второе (случившееся гораздо позже) знаменует собой приход эпохи кулинарной обработки пищи – обработки, которая закладывает основу рациона столь многих наших современников.

Международный коллектив ученых под руководством Кристины Адлер из Австралийского центра исследования древней ДНК сообщил в 2012 году, что удалось проанализировать образцы из 34 скелетов доисторического человека[84]. Одиннадцать скелетов принадлежали мужчинам, одиннадцать – женщинам, половую принадлежность остальных исследователи не сумели выяснить. («Скелет» в данном случае может означать и небольшие фрагменты, выкопанные после тысяч лет пребывания в земле.) В целом эти останки относятся к значительной части истории человечества – начиная от эпохи накануне аграрной революции (кости некоторых из последних представителей цивилизации охотников и собирателей на территории современной Польши; носители этих костей обитали здесь чуть меньше восьми тысяч лет назад) до Позднего Средневековья (периода, завершившегося за несколько столетий до нас).

Полученная картина в целом не очень-то отличается от картины бактериального населения наших сегодняшних оральных отверстий. Все пятнадцать основных групп видов, обнаруживаемые на зубах и деснах жителей XXI века, отлично устроились в человеческих ртах уже тысячи лет назад.

Однако детальная инвентаризация показывает два немаловажных различия по сравнению с эпохой наших предков. Изучение останков уже довольно давно продемонстрировало, что группы первых охотников и собирателей меньше страдали от зубных неурядиц (кариеса и пародонтита), чем их современники, занимавшиеся сельским хозяйством. Характер соответствующих микробиомов, выявляемый по биологическим «автографам», позволяет понять причину. В более поздних образцах появляются бактерии, наличие которых связывают с развитием кариеса (Veillonelaceae) и пародонтита (Porphyromonas gingivalis). Причиной их появления могло стать повышение доли углеводов в рационе, последовавшее в результате аграрной революции. Собственно разрушение зубов скорее всего происходило в сравнительно позднем возрасте, но эти неприятные бактерии обнаружились даже в образцах зубного налета самого юного ископаемого ребенка из исследованных: его возраст оценивается всего в три-четыре года.

Второй сдвиг случился на пути к современному оральному микробиому, где обычно содержится больше видов, вызывающих разрушение зубов, в особенности один, тесно связанный с возникновением кариеса – Streptococcus mutans. Это вполне согласуется с тем, что нам уже известно о человеческом рационе прошлого. Пищевые пристрастия в аграрных обществах оставались во многом неизменными вплоть до промышленной революции, когда в развитых странах начали потреблять более очищенное зерно и открыли для себя новый мир сладости благодаря «концентрированному» сахару, извлекаемому из сахарной свеклы и сахарного тростника. Очень вкусно, однако во рту остаются сахара, и бактерии могут при помощи ферментов превращать их в кислоты. Эти кислоты вырабатываются непосредственно в зубном налете, а значит, им легко проникнуть в находящийся под ним зуб, разъедая его, растворяя его минеральную матрицу и создавая дупло. Добро пожаловать в современный мир!

Этот сдвиг в сторону патологии совпадает по времени с уменьшением общего разнообразия микробной популяции рта. Пытаясь применить аналогию с уже известными фактами о более крупных экосистемах, ученые высказывают предположение, что такой сдвиг может делать микробиом сегодняшних сладкоежек менее «упругим» и более склонным к нарушениям, возникающим из-за несбалансированной диеты (специалисты не уточняют это понятие) или из-за вторжения более неприятных видов микроорганизмов.

Вот вам очередное описание великого грехопадения. Когда-то мы, счастливые и беспечные охотники и собиратели, обладали разнообразной по микробному составу, экологически надежной биопленкой, укрывавшей наши чудесные здоровые зубы. Теперь же мы познали грех (ну, или по крайней мере сахарную сладость) и наши рты несут печать зла.

Похожую историю можно поведать о кишечном микробиоме – отчасти благодаря довольно скудным уликам, добываемым из копролитов, отчасти же по отличиям в результатах обследования жителей разных регионов. Мы не можем в точности узнать, из чего состоял кишечный микробиом первого человека, но можем исследовать корреляцию различий в образе жизни наших современников.

По мере того как классификация ДНК микробных популяций применяется ко всё большему числу крупных групп людей, живущих в самых разных регионах, становятся очевидными значительные отличия между, скажем, американскими горожанами (обследованными в рамках проекта «Микробиом человека») и некоторыми другими группами.

Среди первых указаний на это – исследование 2010 года, сравнивавшее деревенских детей из Буркина-Фасо и их европейских сверстников[85]. Африканцы принадлежали к сообществу аграрного типа, в их рационе оказалось больше растительных белков, углеводов и клетчатки, чем у обследованных европейцев. Этому сопутствовало большее микробное разнообразие при (в целом) более низком содержании Bacteroides в кишечнике и более высоком количестве вырабатываемых короткоцепочечных насыщенных жирных кислот, дающих много энергии. Дальнейшее сравнение кишечных микробиомов детей и взрослых, живущих в США, Малави и сельской части Венесуэлы, дало довольно сходные результаты. Состав кишечной популяции американцев опять-таки выделялся на фоне микрофлоры прочих обследованных.

Продолжают публиковаться результаты более детализированных сравнительных исследований. Самое новое (на тот момент, когда я пишу это) – анализ микробиома народности хадза, живущей в Танзании[86]. Это одна из последних в мире групп традиционных охотников и собирателей. Она состоит из 200–300 человек, живущих почти так же, как (по нашим представлениям) жили все люди до появления оседлых аграрных обществ. У хадза около 90 % рациона по-прежнему составляет пища, добытая охотой или собирательством. Логично предположить, что их микробиом близок к «изначальному человеческому микробиому», если таковой вообще когда-либо существовал. Обнаружились вполне ожидаемые (с учетом недавних исследований) отличия между этой группой и контрольной группой (состоящей из итальянских горожан), участники которой придерживались рациона, считающегося по нынешним стандартам вполне здоровым – с большим количеством фруктов, овощей, оливкового масла и макарон, – однако при этом потребляли много сахара и легкоусвояемого крахмала. Помимо всего прочего, удалось выявить отличия микробиома хадза от уже изученных микробиомов жителей Буркина-Фасо и Малави, занимающихся сельским хозяйством. Как выяснилось, у охотников и собирателей народности хадза в кишечнике обильнее представлены бактерии, которые, по мнению ученых, способствуют усвоению значительных количеств волокнистых растений.

Сейчас под руководством Марии Домингес-Белло из Нью-Йоркс кого университета осуществляется исследование изолированно живущей группы амазонских охотников и собирателей. Возможно, результаты опубликуют к тому моменту, когда вы будете читать эти строки. По первым намекам ученых, им удалось выявить у амазонцев большее разнообразие кишечного микробиома по сравнению, скажем, с микробиомом типичного жителя техасского Хьюстона[87].

А значит, вполне вероятно, что мы одновременно сделали два крупных открытия. Первое: кишечный микробиом представляет собой особенно сложную, разнообразную по составу систему, играющую весьма важную роль в организме человека. Второе: под влиянием факторов современной жизни он менялся. Более широкие исследования человекообразных обезьян и других обезьяньих видов позволяют предположить, что у всех людей, вне зависимости от того, как и где они живут, менее разнообразный кишечный микробиом по сравнению со всеми нашими эволюционными родичами-приматами[88]. Что-то (увеличение доли мяса в рационе по мере того, как человек становился более искусным охотником? использование огня для приготовления этого мяса?) начало менять человеческий микробиом задолго до того, как современная цивилизация стала влиять на бактериальную жизнь в нашем кишечнике. Нам следует лучше разобраться в этом сдвиге, прежде чем вынести вердикт о недавних изменениях.

Впрочем, эти изменения тоже кажутся весьма значительными. Они совсем не сводятся к распространению кулинарной обработки пищи и нехватке клетчатки. Антибиотики спасают множество жизней, но резко сокращают население микробиома. Обычно микробиом затем восстанавливается, но повторное или регулярное применение таких препаратов, особенно для детей, имеет более долгосрочные последствия. Прибавьте к этому растущую во многих странах долю родов при помощи кесарева сечения (в современных США эта доля составляет треть), наше пристрастие к всевозможным дезинфектантам и чистящим средствам, да и вообще то, что многие люди в наши дни явно живут в микробной среде, очень отличающейся от той, в которой обитал человек на протяжении почти всей своей истории.

Всё это должно влиять на нашу микробиоту. В частности, наш кишечный микробиом, согласно общепринятому взгляду, в нынешнее время является, как правило, менее разнообразным и стабильным, чем прежде. Многие связывают с этим распространение широкого круга болезней и недугов. Мартин Блейзер предостерегает, что в конечном счете нас может ожидать «исчезновение микробиоты», что повлечет за собой «ужасающие последствия».

Возможно, это преувеличение, если говорить о микробиоте в целом. Она не может исчезнуть как таковая. Однако некоторые менее заметные достижения современной цивилизации явно привели к исчезновению некоторых обитателей нашего внутреннего зверинца. Так, по оценкам специалистов, еще сравнительно недавно, в 1940 году, 70 % детей, живущих в сельских районах США, были заражены крошечными червями-паразитами – гельминтами. Эти круглые черви по-прежнему весьма распространены во многих регионах мира, но на Западе они ныне редки.

Однако ясно, что микробиота всё же меняется. Нам необходимо понять, имеет ли это какое-то значение для нас. Есть искушение связать с этими изменениями заболевания и расстройства, которые, судя по всему, распространяются среди людей всё шире (скажем, с аллергиями или аутизмом). Впрочем, здесь нужно всё тщательно продумывать и не рассуждать на основе примитивного предположения, согласно которому «природное», «естественное» и «натуральное» всегда означает «хорошее». Нет оснований считать, будто измененный микробиом как таковой – обязательно такая уж плохая вещь. Если эволюцией нашего кишечного микробиома движет сила конкурентных преимуществ, которые наш организм получает, усваивая более обильную и разнообразную пищу, то возникает и дополнительное преимущество; невероятное разнообразие микробных генов делает наш микробиом чрезвычайно гибким, а высокая скорость размножения микробов позволяет им быстро адаптироваться к изменениям в нашем рационе. Легкость. с которой меняется состав микробной популяции, – одна из причин, по которым микробы вообще оказались у нас внутри.

Однако список проблем, связанных с изменениями микробиома (с причинами этих изменений и с их последствиями), все равно велик. (Я дам обзор некоторых из этих вопросов в главе 8.) Впрочем, осмысливать эти связи будет легче, если мы сначала рассмотрим их аспект, который я намеренно выпустил из нашего рассказа об индивидуальном и эволюционном развитии. Если вы читаете работы, посвященные исследованию наших личных микробов и практически всех человеческих заболеваний – от аллергии и депрессии до сердечно-сосудистых неполадок, – рано или поздно дискуссия выруливает на еще одну жизненно важную составляющую суперорганизма – иммунную систему. Если и существует ключ к пониманию того, что наш микробиом для нас делает (и чего ему сделать не удается), то он таится именно здесь. Но можем ли мы отыскать этот ключ?

Специалист по клеточной биологии говорит иммунологу:

– Тут мой эксперимент показал, что содержание ИЛ-6 (интерлейкина-6, сигнальной молекулы) полезло вверх. Это плохо, да?

– Да, это плохо, – отвечает иммунолог.

Прошла неделя.

– Я изменил условия эксперимента. Теперь ИЛ-6 пошел вниз. Это ведь хорошо?

– Нет-нет, – невозмутимо отвечает иммунолог. – Это тоже плохо.

Сей научный анекдот, рассмешивший участников одной конференции по микробиомам, отражает устоявшиеся представления биологов, работающих в разных областях, друг о друге. Иммунологов считают неспособными доходчиво рассказывать всем остальным о результатах своих исследований. И даже если они попытаются это сделать, вам все равно непросто понять суть их открытий. Честно говоря, иммунологи сами не всегда их понимают.

Но иммунную систему нам никак не обойти. Человеческий микробиом взаимодействует с четырьмя главными информационными и контрольными системами организма – с геномом, с эндокринной системой (гормонами), с мозгом + нервной системой, а также с иммунной. Все они также взаимодействуют друг с другом. Вот почему исследование микробиома приводит к формированию новых междисциплинарных связей.

Перенос сигналов между микробиомом и иммунной системой – вероятно, самый сложный из всех подобных процессов. Он уходит корнями в глубины эволюционной истории. Вполне вероятно, что наш микробиом и наша иммунная система возникли (или приобрели именно такую форму) только благодаря друг другу. По мере того, как биологи разных направлений, работая сообща, выясняют, что это такое – быть суперорганизмом, меняются и наши представления об иммунной системе человека, подходы к ее изучению. Коммуникация (удачная или неудачная) с иммунной системой является не только ключевой составляющей обычных «дипломатических переговоров» микробиома со своим хозяином, но и частью почти всякого механизма, который, как предполагается, отвечает за связь микробиоты и заболеваний.

Масштабное переосмысление роли микробиома в иммунных механизмах начинается с отказа от идеи, которая стоит почти за всеми обывательскими разговорами о нашем иммунитете. Эта идея – еще одно наследие микробной теории.

Внутренняя война

Почти все знают об иммунной системе следующее. Сегодняшняя официальная медицина – это война с болезнями, и иммунная реакция – первая линия обороны, помогающая нам бороться с вторжением смертоносных микробов. Мир молекул и клеток становится полем битвы, где звучат сигналы тревоги, где враги ведут наступление, где проводится мобилизация, осуществляются операции «Найти и уничтожить», где можно встретить прирожденных убийц. В одной весьма расхваленной детской книге 1990-х годов говорится: «Мы расскажем вам подлинную историю о замечательных защитниках вашего тела, о героическом отряде клеток, помогающих вам сохранять здоровье и хорошую физическую форму благодаря тому, что они постоянно сражаются со всевозможными захватчиками-микробами. Каждую секунду, каждую минуту, каждый час, каждый день вашей жизни ведут они свой бой…»[89].

И это не просто распространенное заблуждение. В учебниках для медицинских вузов и даже в научных статьях иммунологов звучат те же идеи. Они являются столь основополагающими, что часто их принимают как должное, особенно не задумываясь. Упомянутый образ войны – фирменный знак иммунологии. А вот другая часто используемая базовая идея: иммунная система работает, проводя разграничение между клетками (или антигенами), маркированными как «свое» и «не свое». Что ж, это вполне укладывается в представление о неизбежном конфликте, ведь именно таким образом вы сумеете выяснить, с кем же, собственно, предстоит сражаться[90]. Антрополог Эмили Мартин, много общавшаяся с иммунологами в 1980-е годы, подметила: даже те, кому не очень-то по душе все эти военные метафоры, не представляют себе, как их избежать. Один из таких специалистов заключил: «В иммунной системе не происходит разумного диалога». Впрочем, его успокаивает мысль, что она «ведет справедливую войну»[91].

Деятельность иммунной системы во всей ее клеточной сложности дарит нам массу открытий, которые не совсем укладываются в такую схему. Однако предлагаемые ее замены пока не очень-то убедительны: вряд ли они будут работать лучше. В 1990-е годы на короткое время вошла в моду идея, согласно которой иммунный отклик провоцируется «ранением или оскорблением», которые наш организм регистрирует как сигнал опасности, но эта гипотеза не прижилась[92].

Теперь же довольно-таки внезапно ученые и медики стали воспринимать иммунную систему совсем иначе. Поговаривают о «парадигматическом сдвиге» или даже о «революции»[93] в научном мышлении. Вероятно, одной из причин такой революции стало наше осознание того, что в нашем теле и на нем постоянно присутствует гигантское число клеток, которые кажутся скорее «чужеродными», нежели «своими», однако мы вовсе не ведем с ними войну: напротив, пускаемся на всевозможные ухищрения, дабы заманить их к себе в качестве жильцов. И для иммунной системы они совсем не враги-захватчики. Но каковы же их отношения? Чтобы попытаться ответить на данный вопрос, нужно внимательнее вглядеться в то, как устроена иммунная система.

Краткий путеводитель по иммунной системе

Иммунные функции не выполняет какой-то один орган. В иммунную систему входят тимус и селезенка (довольно таинственные органы), костный мозг, лимфатические узлы и другое. Иммунная система не локализована в каком-то определенном месте. Чтобы выполнять свою работу, она должна быть представлена по всему организму. В крови, поте и слезах содержатся иммунные молекулы. Благодаря развитию микробиомной науки ученые обратили особое внимание на две другие зоны, весьма важные для иммунной деятельности: на кожу, а главное – на кишечник (который, вероятно, вообще является самым крупным иммунным органом, как ни странно это звучит).

Что же такое «деятельность иммунной системы»? Самый первый – и довольно беспомощный – ответ таков: эта деятельность включает в себя множество самых разных вещей. Иммунная система – штука древняя, как и бактерии. Мы уже знаем, что первые многоклеточные, формировавшиеся как отдельно действующие существа, постоянно находились в окружении одноклеточной жизни, а значит, им требовались способы распознавания того, какие из соседствующих с ними клеток входят в клуб избранных, а какие – нежелательные гости[94].

Столкнувшись с необходимостью проводить такое базовое разделение, наша иммунная система в процессе чрезвычайно долгой эволюции постепенно выработала целый ряд многочисленных механизмов идентификации, распознавания и отклика. Наша теперешняя версия иммунитета довольно-таки сложна. Причина такой сложности – отчасти в необходимости распознавать великое множество разновидностей чужеродного материала посредством рецепторов, форма которых приспособлена для работы с конкретной разновидностью чужаков. Впрочем, эту задачу природа решила с блистательной простотой, снабдив нас небольшим набором генов, управляющих формированием «гипервариабельных» фрагментов молекул-антител (и определяющих, какой будет структура этих фрагментов). Обмениваясь порциями ДНК, небольшое число генов способно создавать практически неограниченный диапазон белковых форм, соответствующих любой химической структуре, какая только может объявиться в организме. Так удалось решить проблему «генератора разнообразия» (термин «generator of diversity» давно существует в англоязычной литературе, иногда его даже сокращают до GOD)[95].

Не забудем также, что клетки разными путями следят за своим окружением, по-разному откликаются на сигналы (когда такой отклик необходим) и – это не менее важно – такие отклики тоже регулируются по-разному. Поэтому разобраться в механизмах работы иммунной системы не так-то просто.

Не будем брать полный перечень иммунных приспособлений, чтобы поговорить о том, как микробиом связан с иммунной системой: для такого списка потребовалась бы отдельная книга. Впрочем, полезно вкратце перечислить основные компоненты.

Весь этот ансамбль клеток, сигналов и откликов можно разделить на две большие категории. Система врожденного иммунитета – относительно простой аппарат распознавания и реакции, с которым мы появляемся на свет. Это наиболее древняя часть иммунного механизма, но ее открыли совсем недавно – в конце 1990-х годов. Она вырабатывает клетки, способные распознавать присутствие бактерий по характерным молекулам, находящимся на поверхности микроорганизмов. В числе подобных клеток – рецепторы, предназначенные для обнаружения таких молекул, как липополисахариды, располагающиеся на внешней мембране у некоторых бактерий. Иммунные клетки, обладающие рецепторами, обычно оснащены и для того, чтобы вырабатывать антимикробные вещества. Да, всё это напоминает оборонительную машину, о которой мы говорили выше. Обнаружить опасных захватчиков и уничтожить их! Подавляющее большинство многоклеточных наделено лишь таким иммунным аппаратом, и он, судя по всему, работает сравнительно неплохо. Любопытно, что у животных (за немногими исключениями, к которым относятся главным образом термиты) микробиом устроен просто.

За остальную часть нашего иммунитета отвечает другая ветвь – адаптивная иммунная система. В эволюционном смысле она появилась позже, однако в ней есть компоненты, которые биологи открыли за десятки лет до того, как наука узнала о существовании более древней иммунной системы. Адаптивная иммунная система реагирует на менее распространенные угрозы в основном благодаря тому, что в ней содержатся чрезвычайно многообразные клетки, вырабатывающие антитела; каждая из таких клеток начинает быстро размножаться, если ее уникальные антитела встречаются с ее уникальным соперником. У большинства клеток адаптивной системы такая встреча никогда не происходит, но те, кому она все-таки выпадет, в результате проходят через целую череду процессов развития, которые способствуют уничтожению соответствующего антигена и в будущем поддерживают повышенное содержание данного антитела – как своего рода «памятную записку». Вот почему работают вакцины: они готовят адаптивную иммунную систему к определенным опасностям, которые могут встретиться ей в будущем. Мы вкладываем немало ресурсов в построение этой системы иммунологической памяти и распознавания. Количество молекул иммуноглобулина в одном миллилитре нормальной крови в 1000 раз выше, чем число человеческих клеток во всем организме (10 квадриллионов и 10 триллионов соответственно)[96]. Обе ветви иммунитета – система врожденного иммунитета и адаптивная иммунная система – управляют целой армией клеток многочисленных типов.

Во многих тканях имеются клетки-часовые. Они обслуживают главным образом систему врожденного иммунитета. В их число входят дендритные клетки, макрофаги и лаброциты.

Существуют так называемые циркулирующие клетки: они присутствуют в лимфе и крови, а при обострении положения – и в самых разных межклеточных областях. Среди них особое внимание следует обратить на лимфоциты – основу адаптивной иммунной системы. Они способны распознавать определенные антигены («химические формы»), а значит, зачастую могут ощущать присутствие определенного микроорганизма.

Огромное многообразие типов лимфоцитов соответствует многообразию их ролей. Всё начинается просто – с набора широко распространенных клеток костного мозга, от которых происходят все разновидности белых кровяных телец, в том числе и лимфоциты. Лимфоциты представлены двумя основными популяциями. Одни в ходе своего развития остаются в костном мозге, а затем начинают вырабатывать специфичные антитела. Это так называемые В-лимфоциты[97]. Другой тип – Т-лимфоциты, названные так потому, что они мигрируют в тимус, где и заканчивают свое созревание. Тимус – своего рода колледж для незрелых Т-лимфоцитов. При выпуске они становятся либо эффекторными Т-лимфоцитами, прямо или косвенно атакующими зараженные клетки, либо регуляторными Т-лимфоцитами, которые, как и подсказывает их название, влияют на функционирование всех прочих компонентов иммунной системы. Опять-таки здесь можно выделить множество разных типов. На поверхности лимфоцита могут быть сотни или даже тысячи разновидностей рецепторов; обычно Т-лимфоциты именуются по наличию одного или нескольких важных рецепторов (или, со знаком минус, по их отсутствию).

Среди других важнейших категорий – двойные отрицательные и двойные положительные клетки. Первые – незрелые тимоциты, которым на ранней стадии своего развития не удается экспрессировать два немаловажных клеточных маркера – CD4 и СВ8 (отсюда термин «двойные отрицательные»). Более зрелые тимоциты, начавшие выработку и CD4, и CD8, называются (что вполне логично) двойными положительными. Когда эти клетки становятся действующими (в полной мере) агентами иммунной системы, они вырабатывают либо CD8 (зрелые клетки-киллеры), либо CD4 (клетки-хелперы, организующие иммунный отклик).

Можно погрузиться в дальнейшие подробности, но нам это пока не нужно.

Все эти разнообразные типы клеток образуют сложную сеть передачи сигнала. Так, дендритные клетки выделяют сигнальные молекулы под названием цитокины, когда ощущают присутствие инфекционного агента или фрагментов поврежденной ткани. Цитокины воздействуют на близлежащие клетки и кровеносные сосуды, сзывая на помощь другие иммунные клетки, которые затем и аккумулируются на участке, вызвавшем тревогу. Стенки кровеносных сосудов и эпителиальные слои ослабляют межклеточные соединения, которые обычно запечатывают просветы между клетками, тем самым позволяя жидкости протекать через этот барьер, принося с собой другие иммунные компоненты (скажем, антитела). Всё вместе это приводит к воспалению.

Таков основной из замечаемых нами эффектов иммунного отклика. Вот почему зараженный палец, который вы укололи, занимаясь садовыми работами, распухает, краснеет и заметно мягчает (всё это хорошо). Боль, которую вы при этом чувствуете, вызвана не самой инфекцией, а воспалением. Вот почему тот же палец краснеет, распухает и мягчает в случае обморожения первой степени (это уже не очень-то хорошо, но такие случаи все-таки относительно редки). В каких-то обстоятельствах воспаление приносит нам даже некоторое утешение, но в каких-то оно лишь досаждает нам. Соответственно, в организме существует тончайшая система сдержек и противовесов, призванная гарантировать, чтобы воспалительная реакция возникала лишь тогда, когда она приносит пользу. Некоторое представление о сложности системы дает хотя бы тот факт, что у человека обнаружено около 50 разновидностей цитокинов. Большинство иммунных клеток, а также клеток многих других типов реагируют на присутствие более чем одного типа цитокинов. Некоторые цитокины пробуждают иммунные клетки, другие же подают им сигналы продолжать нести вахту (как бы служа своего рода посредниками, направляющими действия других компонентов системы), так что окончательный результат зачастую оказывается весьма тонко сбалансированным. Иммунные клетки, выполняющие свою работу не на том месте, становятся причиной многих проблем, от которых страдают многоклеточные организмы.

Даже упрощенные представления об иммунной системе вызывают кое-какие сомнения в правомочности рассуждений о «клеточных войнах». На первый взгляд адаптивная иммунная система может показаться полезным дополнением к вооруженным силам организма. Клетки, вырабатывающие антитела, специфичные к новым чужеродным молекулам, улучшают точность обнаружения противника и разведывательные возможности оборонительных подразделений, а также точность наведения химического и клеточного оружия на нужные цели.

Однако вглядитесь в происходящее более пристально и окажется, что метафора воинской операции здесь не очень-то применима. Накапливаются вопросы, на которые пока нет ответа. Почему, например, человеческий иммуноглобулин А прикрепляется к поверхностным молекулам некоторых кишечных бактерий так, чтобы облегчать им сцепление с кишечной стенкой, а значит, образование биопленок?[98] Как и почему адаптивная иммунная система дополнила собой более древнюю систему – врожденного иммунитета? Почему существует так много типов клеток, которые, по-видимому, все посылают друг другу сигналы, зачастую направленные на достижение явно противоположных эффектов? Всякий студент-медик, тонущий в море деталей, спрашивает: почему наша иммунная система такая сложная и запутанная?

Ответ: из-за необходимости жить в непосредственной близости от гигантского ансамбля всевозможных микроорганизмов. Во всяком случае, так отвечают большинство ученых. Они хотят коренным образом изменить наш подход к иммунной системе, чтобы получить новые сведения о том, как мы обращаемся к своей микробиоте и как она отвечает нам.

Дипломатические отношения

Если вам требуется оборонительная система для борьбы с патогенами, то система врожденного иммунитета вполне годится для этих целей. Но если мы обратим это утверждение в вопрос (Достаточно ли системы врожденного иммунитета для борьбы с патогенами?), нам придется разбираться в том, как у позвоночных возникла куда более сложная иммунная система – адаптивная. Сейчас этой проблемой занимаются многие ученые. Почему появился гораздо более изощренный аппарат иммунитета, ныне приносящий нам столько пользы? Новый ответ на этот вопрос впервые дает в краткой статье, опубликованной журналом Nature в 2007 году, даже не иммунолог, а специалист по бактериальной системе кальмара, долгое время пристально ее изучавший (см. предыдущую главу). Речь идет о Маргарет Макфол-Нгаи[99].

Ее не удовлетворяли существующие версии, обычно подгонявшиеся к конкретным случаям. Позвоночные с их адаптивной иммунной системой (впервые она появилась у рыб) часто вырастают до значительных размеров, отличаются большой продолжительностью жизни и могут выращивать единственного детеныша. Как полагали некоторые специалисты, все эти особенности требуют более эффективных методов защиты против других организмов. Вероятно, потому-то и возникла дорогостоящая и сложно устроенная адаптивная иммунная система с ее огромной клеточной памятью. Однако, указывает Макфол-Нгаи, некоторые беспозвоночные тоже живут долго, вырастают до крупных размеров и дают лишь по одному потомку ежегодно, тем не менее преспокойно обходятся без этого нового иммунного оружия.

Она предположила, что появление адаптивной иммунной системы может объясняться чем-то еще. Если сравнить симбиотические отношения, существующие у всех животных с их микробными сообществами, можно выявить довольно четкую закономерность. Беспозвоночные обычно налаживают плодотворное взаимодействие лишь с малым количеством видов микробов, а часто и вообще только с одним видом. В сравнительно немногочисленных случаях (скажем, у насекомых чуть больше чем для одного вида из десяти) микробы живут внутри клеток организма-хозяина. Такая внутриклеточная экологическая ниша позволяет микробам оставаться невидимыми для системы врожденного иммунитета. Другие микробы (к примеру, находимые в кишечнике беспозвоночных) обычно являются просто случайными прохожими. Лишь у позвоночных мы, как правило, обнаруживаем столь большое количество микробов, работающих на взаимовыгодной основе в рамках ансамблей видов (такие ансамбли часто называют консорциумами). Это – яркое свидетельство того, что они эволюционировали совместно со своими хозяевами и стали постоянными их жильцами.

Излагая свою гипотезу, Макфол-Нгаи замечает: «На эволюцию иммунной системы позвоночных, по-видимому, существенно влияет необходимость поддерживать значительную резидентную микробиоту». Поначалу это предположение мало кто принял. Макфол-Нгаи вспоминает, что иммунологи встретили ее статью негодованием и возмущением. Теперь же она с некоторым удовлетворением отмечает, что целый ряд ученых, работающих в этой сфере, стали развивать ее идею. Макфол-Нгаи понимает, отчего ее предположение сначала встретили в штыки. Дело в том, что сама она не иммунолог. «А специалисты по биологии клетки обычно не очень-то обращают внимание на эволюционную биологию или видовое разнообразие животных». Тем не менее «у них не нашлось правдоподобного объяснения, как могла эволюционировать такая система, по запутанности напоминающая машину Руба Голдберга»[100]. Понять, что она имеет в виду, можно по другому ее оригинальному объяснению, касавшемуся появления первой адаптивной иммунной системы при развитии челюстей у хрящевых рыб. По мнению некоторых иммунологов, обретение челюстей означало, что такие рыбы могли жевать более твердую пищу, а та могла с большей вероятностью повреждать стенку кишечника, увеличивая риск инфекции. По сравнению с таким рассуждением, нарочно подгоняемым к конкретному случаю, гипотеза Макфол-Нгаи выглядит куда привлекательнее. Она утверждает: «Идея управления микробными консорциумами имеет куда больше смысла, чем любая другая теория в этой области».

Согласно этой активно разрабатываемой новой гипотезе изощренная система распознавания антител и вся соответствующая сеть регуляторных клеток и химических сигналов возникла лишь для того, чтобы предоставить организму более широкую свободу выбора касательно того, что не атаковать. По отдельности система врожденного иммунитета работает для организма, чья позиция всегда – твердое «нет», добавляет Макфол-Нгаи. Однако существо, где обитает большой набор других организмов, в определенном смысле представляющих собой «не свое», явно нуждается в применении более тонкого и избирательного подхода.

Среди разделяющих эти воззрения – Саркис Мазманян из Калифорнийского технологического института, углубляющийся в тонкости иммунных взаимодействий у безмикробных мышей, которым подселена микробиота определенного состава. Он и его коллега Юн Ли утверждают, что микробы, обитающие в нашем организме всю нашу жизнь, оказали более мощное влияние на эволюцию адаптивной иммунной системы, чем мимолетные встречи с болезнетворными микроорганизмами, раньше казавшимися нам главными игроками на этом поле. Ученые добавляют еще один смелый поворот: «Возможно, симбиотические микробы влияли на особенности эволюции и функционирования адаптивной иммунной системы более глубоко, чем патогены, – по-видимому, чтобы защищать и хозяина, и его микробиоту от вторгающихся инфекций»[101] (курсив мой).

Согласно такому подходу адаптивная иммунная система эволюционировала совместно с микробиомом, населенным куда плотнее. Так достигается и поддерживается тонкое динамическое равновесие. Микробам позволяют оставаться в организме-хозяине, поскольку они приносят ему пользу, однако их всё же следует держать в узде. Они должны находиться в нужном месте, им не разрешают плодиться где-либо еще. А потенциально опасные микроорганизмы все равно надо уничтожать. С другой стороны, хотя за микробами нужно следить, иммунной системе тоже не надо давать особой воли: она не должна чересчур сильно реагировать на присутствие разнообразных микроорганизмов. Если в этой части иммунного уравнения что-то пойдет не так, возникает долгое ненужное воспаление, а скорее всего – болезнь.

По ту сторону дуализма

Как лучше всего – сжато и ярко – изложить эти новые представления об иммунной системе? Стивен Хендрик из Калифорнийского университета в Сан-Диего описывает гипотезу Маргарет Макфол-Нгаи так: «Иммунная система действует, как охранник в клубе, приподнимая бархатную полосу для полезных бактерий, но давая от ворот поворот их менее желательным собратьям». Другие иммунологи уже предложили более детальные версии, и каждый норовит украсить свое описание собственными метафорами, лишь бы заполнить брешь, оставшуюся на месте всех этих разговоров о войне против захватчиков; таких разговоров теперь многие ученые стараются избегать. Свой взгляд на картину в целом предложил Жерар Эберл, сотрудник Института Пастера. Он делит историю развития теорий иммунной системы на три этапа. По его мнению, наше теперешнее (более детальное, чем прежде) понимание взаимодействия микробов с организмом-хозяином означает, что нам следует отказаться от примитивных концепций того, что является патогеном, как и от однобокого представления об иммунитете.

Эберл показывает, как нужно модифицировать изначальную идею о том, что адаптивная иммунная система призвана проводить разграничение между «своим» и «не своим» (Я и не-Я). Слишком уж много примеров чужеродных агентов, которые не вызывают иммунного отклика. Полезнее, считает ученый, рассматривать иммунную систему как реагирующую главным образом на по-настоящему опасные сигналы (как и полагали еще в 1990-х годах). Можно по-прежнему считать, что она толерантна по отношению к «своим», но теперь в понятие «свои» входят, например, микробы, которые приносят пользу организму-хозяину.

Однако, по мнению Эберла, такое рассуждение заходит недостаточно далеко. В сущности, пока это по-прежнему дуалистическая теория, где всё вращается вокруг суждений о добре и зле. «Добро – это нормальное „свое“ и микробы, которые находятся с ним во взаимовыгодном сотрудничестве, тогда как зло – это измененное „свое“: к примеру, погибшие клетки, которые распространяют опасные сигналы, или патогенные микробы, которые меняют антигенный ландшафт нормального „своего“».[102]

Однако возникает большая проблема: все подробности механизмов клеточного отклика трудно объединить в такую схему. Придерживаясь дуалистической концепции, мы волей-неволей вынуждены изобрести два класса воспалений. Должен существовать нормальный уровень воспаления (физиологический или гомеостатический), который помогает системе сохранять стабильность – например, способствуя тому, чтобы компоненты кишечной микробиоты оставались там, где следует, а не разбредались куда попало. Повреждение тканей или присутствие патогенов запускают более острую реакцию, приводя к «полномасштабному» воспалению; это знакомая нам краткосрочная реакция на возникшую проблему.

Но такое объяснение не очень-то применимо к тому, что мы реально видим, настаивает Эберл. Дуальности нет, а есть непрерывность. Подобно литературному критику или культурологу, он описывает клеточный мир как систему, где всё зависит от контекста. В иммунной системе, рассматриваемой как континуум, «микробы находят путь среди оттенков добра и зла». Конкретный оттенок определяется взаимодействием с организмом-хозяином и может меняться в зависимости от хозяина, ткани, времени. Иммунная система формирует микробную среду, которая позволяет организму сосуществовать с микробами. Речь не идет о борьбе добра и зла; «это скорее равновесие между микробами и хозяином, как раз и создающее суперорганизм».

Этот суперорганизм живет в состоянии динамического равновесия. Организм, который, подобно нам с вами, сосуществует с постоянно обновляющейся популяцией микробов, должен поддерживать баланс между гостеприимством и враждебностью. На этот баланс могут влиять различные факторы среды: поступающие в систему химические вещества, пища, микробы. Могут смещать его и изменения в организме-хозяине, вызванные в свою очередь мутацией, повреждением или другими типами стрессовых воздействий. Организмам, сталкивающимся с этой проблемой, требовалось выработать в процессе эволюции определенную систему, которая (в нормальном состоянии) будет, как правило, реагировать на изменения так, чтобы в системе сохранялось равновесие. «Наша иммунная система идеально приспособлена для выполнений такой функции», – подчеркивает Эберл.

Для описания динамического аспекта описываемых процессов он прибегает к метафоре из области механики. «Иммунная система суперорганизма никогда не находится в состоянии покоя. Это как с пружиной: чем больше микробов колонизируют экологические ниши организма-хозяина или ведут себя, как патогены, тем сильнее они сжимают пружину иммунитета и тем сильнее пружина иммунитета стремится вернуть микробы в прежнее состояние. У безмикробных животных иммунная пружина близка к состоянию покоя, но у животных, выросших в нормальном микробном мире, она всегда находится под нагрузкой. Это напряжение необходимо для поддержания гомеостаза».

Расскажу об одной серии экспериментов, которая дала результаты, показывающие, как иммунная система помогает формировать ниши, занимаемые микробами. Если вы накачаете мышей (или людей) антибиотиками, уничтожающими почти всю богатую микробную жизнь в кишечнике, для таких мышей (или людей) возникнет очень большой риск заражения устойчивым к действию антибиотиков штаммом Enterococcus – обычного кишечного жителя, иногда любящего пошалить. При нормальных условиях в подобной ситуации другие организмы, живущие в кишечнике, начали бы посылать сигналы, побуждающие эпителиальные клетки, которыми устлана внутренняя поверхность кишечника, выделять антимикробные пептиды, сдерживающие рост популяции Enterococcus. Эксперименты показали, что восстановить внутреннее производство антимикробных агентов у мышей можно, просто вводя им липополисахарид – вещество, молекулы которого находятся на поверхности клеток тех бактерий, которых у безмикробных мышей нет[103]. Липополисахарид идентифицируется рецептором клеток организма-хозяина, входящих в состав системы врожденного иммунитета, после чего клетки начинают вырабатывать нужные антимикробные пептиды. По выражению Эберла, симбиотическая микробиота «дергает иммунитет за ниточки». Ниточки ли, пружины ли приводят иммунную систему в действие – суть гипотезы от этого не меняется: антимикробные вещества помогают формировать в кишечнике экологическую нишу, которая позволяет бактериям-симбионтам процветать, однако токсична для потенциальных патогенов, вроде устойчивого к антибиотикам Enterococcus.

Развитие чувства равновесия

Поддержку для этой новой картины иммунной системы можно найти в целом ряде других экспериментов, проливающих свет на то, как общаются друг с другом микробиота и наши собственные клетки. Выясняется, что взаимоотношения между микробными сообществами и иммунной системой не ограничиваются коэволюцией. В каждом отдельном человеке они созревают вместе, при этом влияя друг на друга. Для понимания механизмов поддержания нашего здоровья важно осознать, что существуют ключевые периоды, когда некоторые из наших любимых микробов попросту необходимы для того, чтобы побудить иммунную систему к нормальному развитию. Но прежде чем посмотреть, как это происходит, давайте вспомним кое-какие подробности насчет главного вместилища микробов, которые сосуществуют с млекопитающими. Речь идет, конечно же, о кишечнике.

Как я уже писал в главе 5, кишечник должен одновременно отвечать двум противоречащим друг другу требованиям. Он абсорбирует питательные вещества и другие малые молекулы при помощи своего эпителия, имеющего огромную общую площадь поверхности. При этом он стремится поддерживать существование триллионов микробов, обитающих в толстой кишке и помогающих удовлетворять потребности наших клеток в этих молекулах, но ему нужно каким-то образом не пускать их в остальные области тела.

Это достигается путем своеобразного сочетания откровенных и недвусмысленных барьеров с более тонкими действиями иммунной системы. Сами по себе эти барьеры довольно эффективны. Эпителиальные клетки представляют собой плотно уложенный слой (о клеточных контактах в нем мы уже упоминали). А внешняя поверхность кишечника покрыта слизью, и ее слой делается всё внушительнее по мере спуска в толстую кишку. Специализированные клетки эпителия выделяют особые белки – муцины. Это белки снабжаются молекулами сложных углеводов и образуют водянистый слой, прилипающий к поверхности эпителия. Собственно, там есть два слоя, причем каждый со своей сложной структурой, в которой мы пока еще до конца не разобрались. По крайней мере, нам известно, что внутренний слой обычно лишен микробов.

Наряду с клетками, вырабатывающими слизь, кишечник наделен иммунными клетками, которые также вносят значительнейший вклад в формирование среды, где проживает кишечный микробиом. Как я уже отмечал, кишечник – самый крупный из иммунных органов. По-видимому, в нем содержится около 70 % всех иммунных клеток нашего организма. Эти клетки располагаются в эпителии и под ним, образуя большие комплексы, удобно названные ассоциированной с кишечником лимфоидной тканью (АКЛТ, или GALT – gut-associated lymphoid tissue). Разнообразие этих клеток весьма велико, но давайте не будем на нем останавливаться. Сейчас для нас важно то, что между этими иммунными клетками и микробами, проживающими вне эпителия, постоянно идет поток сигналов, причем в обоих направлениях. Основная часть этого потока приходится на сигналы, которыми обмениваются иммунные клетки и непатогенные бактерии.

Некоторых из таких посланий можно вычленить в ходе экспериментов на безмикробных мышах, варьируя разновидности микробов, с которыми им дозволено встречаться, и разновидности генов, которые экспрессируются их собственными клетками, или то и другое. Результаты все-таки зависят от особенностей конкретного живого существа. Но тщательно продуманные и тщательно проведенные эксперименты проливают кое-какой свет на связи, существующие в коммуникационных клеточных сетях кишечника.

Вот первое серьезное открытие, которое удалось сделать организаторам эксперимента: если мыши остаются безмикробными, они вырастают с неполноценной иммунной системой кишечника. Все составляющие АКЛТ, в том числе лимфатические узлы и специализированные комплексы иммунных клеток, остаются недоразвитыми; организм мыши вырабатывает значительно меньше цитокинов (служащих, как мы уже знаем, для передачи сигналов между клетками), образует меньше лимфоцитов, чем обычно, и выбрасывает в систему меньше иммуноглобулина. Аппарат для разговоров с микробами-колонистами молчит, поскольку незрелый кишечник считает, что беседовать попросту не с кем.

Если безмикробному мышонку привить нормальную мышиную микробиоту, то его иммунная функция может восстановиться. Что еще удивительнее, использование микробов человеческого (или даже крысиного) кишечника в таком случае не срабатывает. Оказывается, эффект здесь видоспецифичен. Бывает, что иммунную функцию восстанавливает один-единственный вид микробов. Впрочем, общий эффект не сводится к действию какого-то одноразового триггера, запускающего иммунное развитие. Какая-то иммунная активность есть всегда, и контрольные сигналы постоянно распространяются по всей системе. Пока кишечник не колонизирован, иммунные отклики могут приглушаться (по большей части регуляторными сигналами), что поощряет развитие микробиоты без воспаления эпителия. Бактерии-колонисты затем, в частности, провоцируют координированную выработку большого количества слизи, антибактериальных пептидов, иммуноглобулина и иммунных клеток в коллективе, именуемом «слизистой защитной перегородкой». Микробы обеспечивают мирное сосуществование, создавая условия, гарантирующие сдерживание их собственной экспансии.

А когда кишечник уже полон микробов, их пробы постоянно берут специализированные клетки нашего организма. Некоторые микробы все-таки просачиваются сквозь эпителиальную стенку, но большинство отслеживается белыми кровяными тельцами. (Мы уже встречались с ними, они называются дендритными клетками.) Главным образом они сосредоточены в куполообразных структурах, именуемых пейеровыми бляшками; это своего рода депо для иммунных клеток, и такие депо рассеяны по всему эпителию кишечника. Дендритные клетки – стражи активные. Они умеют ощупывать окружающее пространство тонким отростком, протягивая его сквозь эпителий и слизистый слой (над бляшкой эти слои тоньше) и захватывая кусок другой клетки. Затем они приносят свою добычу (антиген, а иногда и целую бактериальную клетку) обратно в бляшку и предоставляют ее на рассмотрение созревающим лимфоцитам. В результате некоторые из них развиваются в регуляторные Т-лимфоциты, что вносит большой вклад в установление определенного уровня иммунной активности.

Помимо всего прочего, существование таких внутриклеточных механизмов служит подтверждением недавно возникших идей о предназначении аппендикса – этого странного мешка, торчащего из нашего толстого кишечника. У нас аппендикс меньше, чем у других млекопитающих. Долгое время этот орган человека считали эволюционным атавизмом. Хирурги частенько вырезали его не только в случаях, когда он инфицировался при остром аппендиците, но и для профилактики при кишечных операциях, осуществляемых по другими причинам, или же чтобы пациент в будущем избежал проблем.

Однако, как заявляет Билл Паркер из Университета Дьюка, обычно аппендикс полон нормальных кишечных бактерий и может служить резервуаром для полезных видов. Он вступает в игру, когда численность бактериального населения остальных частей кишечника резко снижается при болезни. По мнению Паркера, аппендикс мог бы «перезагружать» кишечник после дизентерии[104].

Возможно, и так. Но аппендикс может обладать и другой функцией. Он хорошо обеспечен иммунными клетками, а значит, является одним из ключевых участков, где суперорганизм определяет, какие бактерии желанны для кишечного сообщества, а какие – нет[105].

Ученые постепенно распутывают мешанину перекрывающихся друг с другом сигнальных сетей кишечника и других тканей, где иммунная система оказывается лицом к лицу с микробиомом. Процесс распутывания идет медленно. Многие клетки должны одновременно получать самые разнообразные подсказки от целого набора рецепторов и каким-то образом собирать воедино получаемую информацию, так что активность отдельной иммунной клетки зависит от состояния набора различных рецепторов на ее поверхности. Чем-то это напоминает то, как нейрон в мозгу «решает» активироваться в зависимости от баланса сигналов, которые поступают через активирующие и ингибирующие синапсы от других нейронов той же группы, только первичные сигналы в иммунной системе химические, а не электрические.

Некоторые обнаруживаемые взаимодействия довольно своеобразны. Одна из немаловажных разновидностей лимфоцитов – Т-хелперы-17 – побуждается к развитию в кишечнике (во всяком случае, у мышей) так называемыми нитчатыми сегментированными бактериями, способными прикрепляться к слизистым поверхностям. Впрочем, нет, и не может быть, уверенности, что это совершенно специфичный эффект. Другие разновидности этих бактерий наверняка делают какие-то другие вещи, также влияющие на иммунную систему. Какие-то иные бактерии могут оказывать такое же влияние на этот вид Т-лимфоцитов, а следовательно, и на выработку ими немаловажного цитокина, способствующего воспалению. Но пока это кажется маловероятным. Кропотливая проверка сложных микробных смесей на безмикробных мышах показывает, что данный эффект возникает лишь в присутствии этой разновидности бактерий[106].

У здоровых людей общий результат множества таких взаимодействий (после того как в организме сложился стабильный микробиом) можно назвать проявлением «эффекта Златовласки»[107]. Иммунная система остается активной, но при этом не должна проявлять слишком уж большую бдительность, чтобы не стать гиперчувствительной. Воспаление должно быть не слишком сильным и не слишком слабым, а как раз достаточным. Такое сбалансированное состояние иммунологи называют гомеостазом, позаимствовав этот термин у физиологов, описывающих с его помощью саморегулирующиеся системы в тканях и клетках. Каким-то образом иммунная система ухитряется сортировать сигналы, указывающие на присутствие молекул пищи, полезных бактерий, патогенов, клеток нашего собственного тела, и реагировать соответственно. Картина таких откликов определяется и нашими генами, и первыми взаимодействиями с первыми микроскопическими поселенцами. Всю историю мы пока не знаем, но самая правдоподобная гипотеза – что эти взаимодействия имеют долгосрочный эффект отчасти благодаря ферментам, которые приводят к изменению важнейших иммунных клеток эпигенетическим путем, то есть добавлением химических групп к их ДНК (или удалением химических групп из ДНК), что позволяет включать или выключать определенные гены.

Огрехи просвещения

Сам по себе этот новый взгляд на иммунную систему позволяет применять удобные образы; ныне ученые вовсю пишут о переговорах, дипломатии и сотрудничестве. Однако старомодная военная метафора все-таки содержит в себе одну несомненную истину. Наша иммунная система действительно обладает некоторыми устрашающими видами оружия. Посмотрите, к примеру, на что способны нейтрофилы. Эти многофункциональные клетки постоянно циркулируют в крови и лимфе, перемещаясь к тем участкам, откуда раздается сигнал иммунологической тревоги. Прибыв на место, они окружают патогенные бактерии и убивают их. Кроме того, они могут выделять антимикробные пептиды, повреждая клетки, которые им окружить не удалось. Наконец, нейтрофилы могут выдворить из организма целую группу болезнетворных агентов, опутав их паутиной из ДНК и белка, которая именуется нейтрофильной внеклеточной ловушкой и при иммобилизации уничтожает бактерии. По сути у нас есть сторожевой пес, умеющий кусаться, плеваться ядом или (если его совсем уж разозлить) пускаться на крайнее средство – создавать оружие из собственных внутренностей и самоотверженно бросать его на вторгшихся врагов.

Эти вооруженные и очень опасные клетки должны пребывать в постоянной боеготовности, поскольку мы живем в среде, кишащей всевозможными микробами. Однако этим клеткам не дозволено чересчур уж возбуждаться в ходе своего каждодневного дежурства. Наши сторожевые псы должны быть бдительны, но их следует держать на очень коротком поводке.

Такого положения вещей непросто достичь в мире, где клетки и молекулы находятся в постоянном движении. Баланс здесь зависит и от продуманного просвещения компонентов системы, и от их врожденных способностей. Некоторые ученые опасаются. что резкие изменения, иногда происходящие в современном микробиоме, вредят такому просвещению. Роды, при которых плод не контактирует с вагинальными бактериями; регулярное введение антибиотиков новорожденным; скупое потребление клетчатки при обильном потреблении жиров и сахара; даже устранение паразитов (вроде круглых червей) – всё это меняет условия, в которых микробиом и иммунная система учились организовывать свою деятельность.

С изменением этих условий меняется состояние нашего здоровья. Вообще-то оно в целом неуклонно улучшается начиная с момента создания микробной теории. Однако нельзя отрицать: люди все равно время от времени заболевают, да и сама картина наших болячек стала другой. Если посмотреть на длинный список хворей, которые имеют какое-то отношение к сегодняшним сдвигам в микробиоме, окажется, что почти все они связаны с нарушениями в работе иммунной системы. В их числе аутоиммунные заболевания, возникающие, когда иммунные клетки с испорченной программой разрушают собственные клетки нашего организма. На развитие некоторых болезней влияет то, что в последнее время приводится как универсальное объяснение плохого самочувствия; речь идет о хронических воспалениях. Похоже, общение между микробиотой и иммунной системой приобретает опасный оттенок. Как пишут авторы одного недавнего обзора, «изменения состава и функций микробиоты… превратили наших союзников-микробов в потенциальную обузу»[108].

Насколько тяжелым бременем они могут стать? Пора обратиться к возможным медицинским последствиям нарушений нормального режима нашего общения с собственными микробами.

Вас мучает тошнота. На лбу выступил жирный пот, но одновременно бьет озноб. В животе зловещее урчание. Если повезет, вы успеете добежать до туалета и извергнуть содержимое своего желудка через рот и нос. Вас мутит. Вам очень, очень нехорошо.

Староанглийское (а прежде старонорвежское) слово sick, означавшее «болезнь вообще», стало использоваться в англоязычном мире для обозначения дурноты в XVII веке. Есть самые разные проявления скверного самочувствия, но когда вас «вот-вот вырвет» (или, выражаясь мягче, «вам дурно»), игнорировать это, прямо скажем, очень нелегко.

В XXI веке мы находим много соответствий тому, что это означает – «мне дурно». Когда человек заболевает, наука ищет объяснения в его органах, тканях и клетках. Теперь-то мы понимаем, что всё это – часть одного суперорганизма. Поэтому специалисты исследуют, какую роль наш микробиом может играть в развитии всевозможных недомоганий. Собственно говоря, большинство наших недугов уже удалось как-то соотнести с нашим микробиомом. Иногда эта связь прямая, и мы уже сейчас начинаем в деталях отслеживать ее причинно-следственные цепочки. Но гораздо чаще связь эта оказывается косвенной, и трудно определить, являются изменения в микробиоте причинами или же следствием заболевания; а может быть, они лишь проявляются одновременно с ним. В этой главе мы кратко обсудим, что нам уже известно о роли микробиома в нашем самочувствии, а также направление исследований, ведущихся в этой области. Подавляющее большинство наших микробов обитает в толстой кишке. Существует ряд очень неприятных ее заболеваний. Может быть, они как-то связаны с ее микробиомом?

Огонь внизу

Пытаясь разобраться в том, какую роль микробиом играет в возникновении заболеваний, мы должны постоянно учитывать вероятность того, что иммунные реакции (особенно воспаления) общие для различных недугов.

В случае синдрома воспаленного кишечника (СВК) такая связь очевидна: нетрудно догадаться, что речь идет о воспалении участков кишечника. Но почему оно возникает и как от него избавиться?

Ответ на эти вопросы хотелось бы получить многим. Болезнью Крона и язвенным колитом (это наиболее серьезные заболевания, относящиеся к категории СВК) страдают, к примеру, четверть миллиона британцев и не менее полутора миллионов жителей США[109]. Острые кишечные расстройства могут вызывать чрезвычайно сильный дискомфорт и приводить к печальным последствиям. Комик Стюарт Ли ярко описывает худшую форму язвенного колита – дивертикулит. Он вспоминает «мою кровоточащую задницу, мою оранжевую мочу, мой искривленный желудок», он «наблюдал, как моя кровь пузырится вокруг иглы установки для вливания, и потом чувствовал, как прохладный соляной раствор вливается в мои вены, как я теряю и вновь набираю вес, я ощущал себя трубкой вопящего мяса, чья единственная цель – перерабатывать всякую дрянь, которую я ем, и испражняться ею с другого конца»[110].

Эти расстройства, так угнетающие человека, могут служить хорошей отправной точкой для выявления микробиомных воздействий, поскольку некоторые особенности таких заболеваний хорошо изучены. Мы немало знаем об участии определенных типов иммунных клеток и сигнальных молекул в организации атак, приводящих к воспалению толстой кишки. Механизмы, которые здесь работают, представляются многообещающей моделью того, как воспалительные процессы контролируются организмом и как они выходят из-под контроля; всё это можно описать как составную часть процессов поддержания или нарушения гомеостаза в более обширной системе, куда входит и толстая кишка, и ее содержимое.

Можно понять, как действенны Т-лимфоциты для снижения активности иммунной системы, изучая, что происходит, когда их нет. Одна из разновидностей регуляторных Т-лимфоцитов производит интерлейкин-10 (ИЛ-10) – сигнальные молекулы, относящиеся к классу цитокинов и несущие другим иммунным клеткам одно и то же послание: «Сохраняйте спокойствие, продолжайте выполнять свою работу». Опыты на мышах, проведенные в 1990-е годы, подтвердили, что модифицирование или блокирование выработки этих клеток приводят к воспалению кишечника подопытных мышей, сходному с тем, что наблюдается у человека. Это стало настоящим прорывом в науке: удалось создать модель для соответствующего заболевания, которая в свою очередь помогла разобраться в некоторых молекулярных взаимодействиях, происходящих в «контролирующей» системе организма. Сегодня многое известно о том, какие виды иммунных клеток отправляют и получают сигналы, регулируя воспалительные процессы в кишечнике посредством выработки цитокинов, способствующих или препятствующих воспалению. Мы многое знаем и о том, как эта система выходит из-под контроля. Благодаря этим знаниям в наши дни удалось создать мощные средства для лечения острой формы болезни Крона и острого колита: эти средства блокируют цитокины, чтобы уменьшить воспаление. Такие лекарства следует тщательно тестировать, поскольку необдуманные игры с цитокинами часто вызывают совершенно незапланированные эффекты. А вот тонко настроенные ингибиторы синтеза воспалительных цитокинов, возможно, действительно способны помочь больным.

Долгое время предполагали, что изменения в составе наших колонистов способствуют обострению болезни Крона. Впервые это подметили на примере паразитических червей, от которых до сих пор страдает значительная часть человечества (возможно, они сосуществовали с человеком всегда). Поскольку эти существа оказывают негативное воздействие на человеческий организм в самых разных аспектах, страны, которым посчастливилось иметь современную систему санитарии и здравоохранения, от глистов давно избавились. Однако примерно в это же время медики зафиксировали резкий всплеск случаев болезни Крона. Некоторые ученые поспешили заключить, что это не просто совпадение. Возможно, паразитические черви или их яйца тренируют иммунную систему, обучая ее не атаковать кишечный эпителий? Среди страдающих болезнью Крона нашлись и такие, кто в отчаянии решился проверить эту гипотезу и намеренно заразил себя паразитами, надеясь ослабить симптомы недуга[111].

Но теперь мы вправе задаться вопросом: какова роль бактерий, находящихся на микроскопическом расстоянии от нежных тканей кишечного эпителия и его иммунных сетей? Существует масса свидетельств в пользу того, что бактерии весьма глубоко вовлечены в эти процессы. Об одном впечатляющем направлении исследований сообщила в 2010 году лаборатория Саркиса Мазманяна, входящая в состав Калифорнийского технологического института. В этих необычных экспериментах задействованы молекулы, имеющиеся на поверхности клеток (например, ЛПС – липополисахариды, упомянутые в прошлой главе как пример вещества, которое способствует выработке антимикробных пептидов, помогающих в профилактике энтерококковой инфекции у мышей).

Кроме того, именно группа Мазманяна несколькими годами ранее показала, что один неплохо изученный вид бактерий – Bacteroides fragilis – способен побуждать организм безмикробных мышей к развитию нормальной иммунной системы кишечника. Теперь же она продемонстрировала: тот же микроорганизм, действующий в одиночку, может вызывать развитие определенных регуляторных Т-лимфоцитов. Собственно, то же самое может проделывать один-единственный антиген, содержащийся в бактериальной стенке, – полисахарид А (ПСА). B. fragilis делает это не из-за того, что ему небезразлично, воспалится кишечник или нет, а для подавления иммунной реакции на его собственное вторжение: так он может спокойно устроиться на поверхности слизистой оболочки кишечника. Однако в нормальной, разнообразной микробиоте это стало бы лишь одним из взаимодействий, которые создают общее равновесие в иммунной системе. Напрашивалась еще одна проверка, и она дала впечатляющие результаты. Если ввести ПСА мышам, страдающим синдромом воспаленного кишечника, симптомы заболевания ослабнут[112].

Ранее аналогичные эксперименты показали: другая бактерия, H. hepaticus, настолько эффективно способствует выработке воспалительных цитокинов, что ее можно с успехом использовать для создания другой «мышиной модели» СВК. Однако B. fragilis противостоит губительному воздействию H. hepaticus; и противовоспалительный агент, выработку которого она стимулирует, побеждает в битве цитокинов.

Такие опыты проводились вначале на безмикробных мышах. Для обычной мыши (как и для обычного человека) эти два вида бактерий соседствуют с сотнями или даже тысячами других видов. Маловероятно, что эти два вида – единственные, кто обменивается такого рода сигналами, так что гипотезы, выстраиваемые в результате подобных изысканий, следует интерпретировать в контексте исследований микробиома в целом.

При СВК общий состав микробной популяции действительно меняется. Часто говорят, что СВК – одно из заболеваний, связанных с «дисбиозом». Неоднозначный термин. Иногда он обозначает специфические изменения в микробных популяциях, но чаще используется более широко и небрежно. Похоже, его нередко применяют, ведя речь просто о смеси микробов, которая чуть отличается от обычной.

Как вы могли бы ожидать, ознакомившись с предыдущими страницами, попытка не ограничиваться экспериментами на безмикробных мышах и получить четкие результаты на основании исследований человека погружает нас в неразбериху вечно меняющихся бактериальных популяций, иммунных откликов человеческих тканей, рациона и других факторов (в числе которых стресс).

Нам хотелось бы отыскать «биомаркеры» – уникальные индикаторы заболевания, пригодные для его диагноза или прогноза, а то и определенные компоненты микробиома, которые вызывают данную проблему и которые можно устранить или заменить в целях ослабления симптомов. Вместо этого мы получаем лишь массивы данных, из которых в лучшем случае удается вывести характерные «автографы» данного заболевания. В сущности, такие результаты говорят: «Если у вас болезнь Крона, ваш микробиом выглядит так-то». Отсюда непросто вывести ясное представление о том, что следствие, а что причина, и как с ней бороться.

Хороший пример самых первых попыток перейти от изучения микробиома здоровых людей к пониманию его роли в развитии этой болезни – небольшое исследование выборки близнецов, опубликованное в 2012 году группой под руководством Элисон Эриксон (Теннесси, Окриджская лаборатория)[113].

Ученые уже знали, что существуют различия в кишечном микробиоме у тех, кто страдает болезнью Крона, и тех, кто ею не страдает. Особенно ясно это демонстрируют близнецы: по распределению микробных видов у них обычно схожие микробиомы, даже если эти люди много десятилетий прожили врозь. Однако в микробиомах наблюдаются заметные различия, если у одного из близнецов развилась болезнь Крона, а у другого почему-то нет.

Для более детального изучения было выбрано 6 пар близнецов. Чтобы учесть все возможные случаи, исследователи включили в эксперимент здоровую пару близнецов; пару близнецов с болезнью Крона в области толстой кишки; две пары близнецов, у которых этот недуг затрагивает подвздошную кишку (последний отрезок тонкого кишечника); две пары, где у одного близнеца есть эта болезнь, а у другого нет.

Сравнительный анализ кала, взятого у всех участников эксперимента, проводился по трем направлениям. Ученым хотелось не только идентифицировать присутствующие в образцах виды микробов, но и узнать, на что эти микробы способны и действительно ли они делают то, на что способны. Для подобного метаболического расследования требуется нечто большее, чем просто базовый анализ 16S рРНК. Следовало изучить ДНК-последовательности смеси геномов всех разнообразных микробов, то есть провести полноценный метагеномный анализ. Как мы уже знаем из главы 1, такое исследование помогло бы получить неплохое представление о том, какие белки (в особенности ферментативные) может вырабатывать каждый микробиом, а значит, и о том, протеканию каких химических реакций может способствовать совместная работа этих бактерий.

Всё это очень интересно, но полезно выяснить, какие из белков вырабатываются на самом деле. Тут-то и вступала в действие третья часть плана. Подобную информацию, что не удивительно, дает уже не ДНК-анализ, а еще одна (из множества расплодившихся сейчас разновидностей) – омика – протеомика. Она занимается идентификацией всех разнообразных белков, производимых выбранной клеткой или набором клеток. В данном случае соответствующую процедуру осуществляли при помощи давно устоявшегося метода масс-спектроскопии. Как явствует из названия, при таком анализе молекулы в смеси сортируются по размеру или массе. Если применить стандартный вариант этого метода к экстракту бактериальной жижи, можно сравнить полученные результаты с очередным электронным архивом и получить «моментальный снимок», показывающий, какие белки действительно вырабатываются в данный момент. Эти белковые «снимки» заметно отличаются у здоровых людей и у страдающих болезнью Крона. Те, у кого болезнь затрагивает подвздошную кишку, демонстрируют более выраженные отличия.

Впрочем, ученые получили не четкие результаты, а скорее туманные очертания. Данные оказались сильно загрязнены молекулярным шумом. Так, было выявлено более чем 1200 белков, уникальных для обладателей здорового кишечника, еще 700 белков, уникальных для страдающих болезнью Крона подвздошной кишки, и еще 145, наблюдаемых лишь у тех, кто страдает болезнью Крона толстой кишки. Изменения состояния микробиома приводят к существенным отличиям в экспрессии генов.

Среди всех этих белков многие наблюдались и раньше, но функция около 30 % из обнаруженных сейчас оказалась неизвестной. Так что при всей хваленой точности этого анализа он говорит главным образом следующее: кишечный микробиом страдающих болезнью Крона подвздошной кишки вырабатывает менее широкий набор белков. К сожалению, в тех случаях, когда функция белка все-таки известна, оказывается, что данную функцию могут выполнять разные типы белков. В список входят ферменты, обеспечивающие перенос и метаболизм углеводов, выработку и сохранение энергии, должное обращение с аминокислотами и липидами, а также выполняющие основную часть других распространенных клеточных функций. В сущности, полученные результаты показывают: если у вас болезнь Крона, затрагивающая подвздошную кишку, ситуация очень запутанная. Но если у вас действительно эта болезнь, то ее проявления и следствия, увы, наверняка уже заставили вас прийти к такому заключению.

Возможно, когда-нибудь более глубокое понимание информации, представленной этими «десятками видов, тысячами метаболитов и сотнями белков, относительное содержание которых меняется», позволит нам разрабатывать более индивидуализированные методики лечения. Пока же эту информацию нужно учиться использовать для постановки точного диагноза, что стало бы огромным благом для множества пациентов: ведь ранние симптомы трудно интерпретировать. Дело в том, что ранние симптомы болезни Крона (в том числе боли в желудке и диарея) часто вызывают у врачей мысль выписать больному антибиотики. Ну так вот это неудачная идея. Более широкое исследование, проведенное в 2014 году на примере американцев, у которых недавно диагностирована болезнь Крона, подтвердило, что у пациентов наблюдается меньшее видовое разнообразие микробов в кишечнике, зато повышено содержание микроорганизмов, которые, по-видимому, способствуют воспалению[114]. Среди детей, у которых не сразу диагностировали болезнь Крона, более «возмущенным» микробиомом обладали те, что принимали антибиотики, а не те, кто обходился без этих препаратов. Более того, от первой стадии лечения, применяемой сразу же после выявления симптомов, боли могли даже усиливааться. Антибиотики всегда следует применять с большой осторожностью!

Так что поиск универсальных, общеприменимых методов вновь возвращается к воспалительным процессам и тому факту, что воспаление может иметь неединственную причину, в частности, возникая как реакция на присутствие или деятельность каких-то бактерий в кишечнике. Служит ли взбудораженная микробиота «причиной» кишечных недугов? Скорее всего нет. Или, во всяком случае, она лишь одна из причин. Дальнейшие опыты на мышах позволили заключить: весьма возможно, что нарушение иммунной реакции нередко создает благоприятные условия для бактерий, способных развиваться в воспаленной толстой кишке, а это в свою очередь способствует усилению воспаления. В организме мышей с иммунными системами, подвергшимися разнообразным изменениям, способствующим развитию у этих зверьков язвенного колита, складывается характерный микробиом. Пересадите этот микробиом нормальным мышам, и они тоже заработают эту болезнь, хотя и не в столь острой форме.

Данная микробная смесь, вероятно, стимулирует воспалительные заболевания двумя путями. В смеси много видов, усиливающих иммунную активность. При этом в ней мало бактерий, способных усваивать сложные углеводы и в результате давать короткоцепочечные насыщенные жирные кислоты, которые оказывают успокаивающее действие на иммунные клетки, как я уже рассказывал в небольшой зарисовке о бутирате (см. главу 5).

Столь примечательная трансформация кишечного микробиома, делающая СВК заразной болезнью, относится к категории экспериментов, которые невозможно ставить на человеке. Однако результаты таких опытов заставляют предположить, что наш собственный микробиом с немалой вероятностью вовлекается в процесс поддержания СВК, едва заболевание начинает развиваться в организме. Из-за этого с недугом труднее бороться.

Микроскопический убийца миллионов?

Речь не только о кишечнике как таковом. Оказывается, кишечный микробиом вносит свой вклад в развитие некоторых факторов риска инфаркта и инсульта – сердечно-сосудистых заболеваний, которые являются наиболее частой причиной смерти в западном обществе. Большинство подобных связей довольно запутанны и имеют отношение к заболеваниям, возникновение которых нельзя объяснить какой-то единственной причиной, – к ожирению, диабету, хроническим воспалениям. Похоже, более непосредственную связь удается выявить благодаря одному недавнему открытию. Связь эта лишь подчеркивает тот тревожный факт, что не все кишечные бактерии приносят нам благо с химической точки зрения.

Некоторые бактерии кишечника, занимаясь своими метаболическими делами, превращают целый ряд потребляемых нами питательных веществ в соединение под названием триметиламин-N-оксид (ТМАО). Стэнли Хейзен из кливлендской клиники и его коллеги показали, что уровень содержания ТМАО в крови – хороший индикатор риска инфаркта и инсульта. Они выявили, что ТМАО способствует образованию тромбов в кровеносных сосудах мышей[115].

Бактерии синтезируют ТМАО из различных компонентов пищи, в том числе из лецитина (фосфатидилхолина), имеющегося в яйцах и красном мясе, и из карнитина, входящего в состав мясных и молочных продуктов. Исследования Хейзена подтверждают, что бактерии определенно задействованы в синтезе ТМАО; удалось показать, что его концентрация в крови растет после потребления яиц, но не в том случае, когда едок предварительно прошел курс лечения антибиотиками. У вегетарианцев вырабатывается меньше ТМАО, даже если они потребляют карнитин. Это позволяет предположить, что прием в пищу мяса способствует росту численности бактерий, как раз и причиняющих такой ущерб.