Текст книги "Микробы хорошие и плохие. Наше здоровье и выживание в мире бактерий"

Жизнь на поверхности

В 1965 году новозеландский микробиолог Мэри Марплс опубликовала книгу, послужившую ценным дополнением к труду Теодора Роузбери “Микроорганизмы, населяющие тело человека”. Беспрецедентная по степени подробности, ее монография “Экология человеческой кожи” была посвящена исследованию того, как “климатические” факторы определяют, какие организмы будут жить у человека на коже. Под “климатом” она подразумевала не только такие факторы, как температура или влажность, но и характер одежды, которую носит человек, особенности его личной гигиены и даже его генетически обусловленные свойства, такие как интенсивность потоотделения. Мэри Марплс рассматривала поверхность человеческого тела не как единое населенное микроорганизмами пространство, но как совокупность разных ландшафтов, от настоящих пустынь на коже рук и ног до лесов умеренной зоны на голове и влажных джунглей под мышками и в паху¹⁰.

Как и в случае с ротовой и носовой полостью, заселение человеческой кожи начинается при рождении – с лактобактерий из родовых путей матери. Эти защитные бактерии добавляют свою молочную кислоту и перекись водорода к антибактериальным ферментам, содержащимся в творожистой смазке, покрывающей тело новорожденного. Лактобактерии, как и бифидобактерии материнского молока, на открытом воздухе вскоре погибают. Но кислотный покров, оставляемый ими после себя, помогает отобрать их преемников из числа бактерий, которые сыплются на новорожденного вместе с частицами пыли и летающими по воздуху хлопьями эпидермиса окружающих людей. Прикосновения рук и дыхание родителей и акушеров тоже переносят бактерий на кожу ребенка.

В числе победителей в этой борьбе за территорию почти всегда оказывается толстая, кремового цвета кислотолюбивая бактерия Staphylococcus epidermis (более благовоспитанный родич золотистого стафилококка). Через два часа после рождения, когда на коже младенца уже погибают все лактобактерии из влагалища матери, стартовый набор

S. epidermis успевает изрядно размножиться в геометрической прогрессии. Если в это время рассмотреть поверхность кожи в электронный микроскоп, на каждой ее клетке можно увидеть от трех до шестнадцати клеток S. epidermis, которые выглядят как пушистые теннисные мячики, разбросанные на жестком цементном корте.

К концу первого дня жизни новорожденного к S. epidermis присоединяется около полудюжины разновидностей коринеформных (то есть булавовидных) бактерий. Самые кислородолюбивые представители этой группы – коринебактерии Corynebacterium jeikeium и C. urealyticum – расселяются по поверхности кожи. Более выносливые C. amycolatum, C. minutissimum и C. striatum поселяются в почти безвоздушных глубинах волосяных фолликулов, а жиролюбивый C. lipophilicus гнездится в кожном сале, обильно покрывающем кожу головы младенца. Как S. epidermis, так и коринебактерии выдерживают концентрации соли, способные вытравить большинство микроорганизмов, и поэтому благополучно процветают в присутствии пота. Через двадцать четыре часа после рождения рост бактериального населения кожи младенца приносит обильные плоды, и плотность кожной микрофлоры составляет уже более тысячи клеток на квадратный сантиметр (или шести тысяч на квадратный дюйм). Столь высокий темп роста сохраняется и на следующий день, так что через сорок восемь часов после рождения плотность бактерий уже превышает десять тысяч на квадратный сантиметр, а к шестой неделе переходит отметку в сто тысяч. При такой высокой плотности преимущественно аэробные первопоселенцы кожи начинают истощать ограниченные запасы кислорода внутри волосяных фолликулов, желез и других углублений, подготавливая почву для следующей волны поселенцев – ветвящихся колоний анаэробных пропионибактерий. К середине детского возраста микрофлора кожи по большей части стабилизируется. Несмотря на то что происходит непрерывный обмен микробами с друзьями и родственниками, запоздалые гости все реже и реже остаются надолго. Все экологические ниши кожи оказываются прочно заняты сплоченным климаксным сообществом бактерий, оставляющих мало места новоприбывшим, как безвредным, так и вредоносным.

“Хотя патогенные организмы постоянно высаживаются на поверхности кожи, они находят там весьма неблагоприятную для себя среду, – отмечала Мэри Марплс в 1969 году. – Способность кожи к самостерилизации, судя по всему, не относится, как предполагает термин, к свойствам самой кожи. Это скорее характерный признак любой развитой экосистемы”. К самым густонаселенным из сообществ, исследованных Мэри Марплс, относились луга коринебактерий, растущие на предрасположенных к увлажнению участках кожи: в паху, на шее, между пальцев ног. Чем больше там коринебактерий, тем меньше таких микроорганизмов, как Candida, Microsporum, Trichophyton или Malassezia, – виновников грибковых заболеваний кожи: опрелостей, микозов стопы, стригущего лишая и себорейной экземы.

С началом полового созревания в дело вступает микроб Propionibacterium acnes, способствующий образованию прыщей: эти бактерии застревают и бурно размножаются в слишком активно работающих сальных железах. Примерно в то же время коринебактерии, живущие под мышками, начинают пировать на совершенно новом источнике пищи – выделениях стероидных гормонов, преимущественно андростенона у юношей и андростенола у девушек. Продукты их усвоения бактериями и вызывают тот характерный запах, появлением которого сопровождается взросление. Хотя потребители и тратят миллионы долларов ежегодно на продукцию, подавляющую деятельность этих микроорганизмов, бактерии, живущие под мышками, возможно, играют у нас ту роль, которую у других животных играют пахучие железы, создавая половые феромоны, привлекательные для противоположного пола, из стероидов, исходно лишенных запаха¹¹. Вызываемый бактериями запах подмышек юноши-подростка, конечно, перебьет запах подмышек девушки (или кого угодно другого). Но у ее запаха есть интересная особенность: он ослабевает и усиливается в ходе менструального цикла по определенной схеме, достигая пика непосредственно перед овуляцией – то есть как раз тогда, когда вероятность зачатия особенно велика.

Повышенный уровень эстрогена при половом созревании у девушек, в свою очередь, способствует развитию лактобактерий во влагалище. Хотя плотность их в этот период и ниже, чем во время беременности, в норме она достаточно высока, чтобы препятствовать росту грибков и кишечных бактерий, попадающих во влагалище во время полового акта. При этом даже если девушка не живет половой жизнью, небольшое количество этих потенциально опасных микробов вполне может случайно попасть ей во влагалище – например, при пользовании туалетной бумагой. Но эти микробы скорее всего не вызовут никаких неприятностей, если у нее все в порядке с живущими во влагалище лактобактериями. Но поскольку антибиотики, особенно широкого действия, могут нарушать экологическое равновесие, их применение часто приводит к развитию “дрожжевых” инфекций (вызываемых грибком Candida albicans), бактериальных вагинозов (вызываемых кишечными бактериями) или отвратительных циклов, при которых они сменяют друг друга.

Как и работа Теодора Роузбери, исследования нюансов жизни человеческого организма, которыми занималась Мэри Марплс, вызвали живейший интерес общественности. Статья о ее трудах, опубликованная в 1969 году в журнале Scientific American¹², вдохновила английского поэта Уистена Хью Одена на написание хвалебной песни, посвященной микрофлоре его собственного тела, напечатанной под названием “Новогоднее поздравление”. Вот отрывок из нее:

 
Поздравлю с Новым годом
всех тех, кому покровы
мои – как мне Земля.
 
 
Созданьям роста вашего
я выбрать дам жилище.
Селитесь же в той зоне,
что лучше вам подходит:
в бассейнах пор, в тропических
лесах подмышек, паха,
в пустынях на предплечье,
в тайге на голове.
 
 
Живите, размножайтесь,
я дам тепло и влагу,
жиры и все, что нужно,
но только при условии,
чтоб вы меня не злили,
как подобает гостю,
без мятежей нарывов,
микозов и прыщей.
 

Жизнь внутри нас

Если собрать вместе все 100 миллиардов или около того обитателей нашей кожи, получился бы комочек размером с горошину. Между тем, по оценкам Роузбери, 15 триллионов с лишним бактериальных клеток, выстилающих пустой пищеварительный тракт, переполнили бы трехсотграммовую консервную банку. Прибавьте к этому более 100 триллионов бактерий, скопившихся внутри кишечника здорового человека и готовых эвакуироваться при следующей дефекации.

Но, несмотря на эти ошеломляющие цифры, кишечная микрофлора привлекала к себе довольно мало внимания, пока Роузбери не опубликовал в 1962 году свою перепись населения нашего тела. Самым известным научным достижением в этой области было открытие кишечной палочки (Bacterium coli), которую немецкий педиатр Теодор Эшерих выделил в 1885 году из стула новорожденных. Переименованная впоследствии в его честь, Escherichia coli остается самой хорошо изученной из всех кишечных бактерий, и во времена Роузбери ее по-прежнему считали самым многочисленным видом бактерий в толстой кишке. Именно эта бактерия постоянно обнаруживалась в культурах, полученных из стула, и в загрязненной канализационными стоками воде. В действительности кишечная палочка – это просто та из кишечных бактерий, которую легче всего выращивать за пределами человеческого организма.

Микробиологи давно подозревали, что в кишечнике содержится огромная масса никем не культивированных и не отмечаемых организмов. Дело в том, что, исследуя под микроскопом разведенные образцы стула, они видели, что могут насчитать намного больше бактериальных клеток (порядка 100 миллиардов в пересчете на грамм), чем когда-либо вырастало в колонии при культивировании в чашках Петри. Как выяснилось, соприкосновение с кислородом губительно для подавляющего большинства кишечных бактерий. Они оказались строгими анаэробами, в отличие от не имеющей узкой специализации кишечной палочки – факультативного анаэроба, успешно живущего и в бескислородной и в кислородной среде. Кроме того, судя по всему, пищевые потребности большинства кишечных бактерий отличались от обычной смеси белков и углеводов, составлявшей меню стандартной лабораторной питательной среды.

Как ни заманчиво было бы пренебречь этой малопонятной и малоизвестной частью населения кишечника, небольшой горстке микробиологов удалось оценить ее принципиальную важность благодаря данным, накопленным гнотобиологией – научной отраслью, занимающейся изучением животных, появившихся на свет и выращиваемых в безмикробных условиях. Без бактерий кишечный тракт таких животных остается недоразвитым, с выстилкой необычайно тонкой и уязвимой для повреждений в одних местах и сильно распухшей в других. Чтобы они вообще могли выжить и стать взрослыми, их рацион должен включать дополнительный набор витаминов, незаменимых аминокислот и повышенное количество калорий, чтобы компенсировать все то, что в норме поставляют кишечные бактерии. Кроме того, эти животные оказываются более уязвимыми для природных токсинов, содержащихся в их естественной пище, вероятно из-за отсутствия одной или нескольких разновидностей бактерий, необходимых для расщепления этих ядов до безвредных соединений. Самое же впечатляющее – что иммунная система безмикробных животных пребывает как бы в состоянии спячки, делая их менее защищенными от смертельных инфекций, развивающихся, если какой-нибудь микроб случайно проникнет в их стерильную среду.

Это была интереснейшая загадка, но средств на выделение и изучение смутно знакомых микробиологам обитателей экзотичной экосистемы толстой кишки отчисляли мало или вообще не отчисляли. Государственные органы здравоохранения просто отказывались финансировать изучение безвредных бактерий. При этом они щедро раздавали гранты исследователям, изучавшим болезнетворных микробов, таких как сальмонеллы, шигеллы и другие важнейшие источники так называемых пищевых отравлений. И тут в дело вступило НАСА.

Микробы в космосе

Внезапно разгоревшийся интерес космического агентства к микробиоте человеческого организма в целом и анаэробным кишечным бактериям в особенности начался с одного странного доклада, прочитанного перед аудиторией, состоявшей из летчиков-испытателей и медиков НАСА, в конце апреля 1964 года. Как будто главному врачу НАСА Чарльзу Берри и без того не хватало забот с предсказаниями, что глазные яблоки будут лопаться при нулевой гравитации (к счастью, опровергнутыми) или что после длительного пребывания в невесомости мышцы и кости будут превращаться в кашу! А теперь еще нашелся ученый, утверждавший, что главной опасностью для астронавтов могут оказаться поцелуи их жен после возвращения мужей из изоляции в богатую микробами земную атмосферу. “Микробный шок” – вот как назвал это Дон Лаки в своем докладе на организованной НАСА конференции на тему “Питание в космосе”, проходившей в Университете Южной Флориды¹⁴. “Смертельный поцелуй Дона Лаки” – такие заголовки появились на следующий день в газетах.

Лаки, один из первопроходцев гнотобиологии, уже знал, что происходит, если изолировать небольшую группу выращенных обычным способом крыс в герметически закрытой камере, а затем поить их стерильной водой и кормить исключительно стерильной пищей (ситуация, не лишенная сходства с положением астронавтов, живших в течение всего полета на растворимых напитках марки Tang и сублимированных продуктах). Через пару месяцев разнообразие бактерий в кишечниках этих животных сокращалось с сотни с лишним до всего лишь одного или двух видов.

“Наша нормальная микрофлора образована, очевидно, не столько коренным населением, сколько непрерывным потоком новых иммигрантов”, – объяснял Лаки. Без их притока эта богатая и разнообразная экосистема деградирует в направлении монокультуры. В зависимости от того, кто при этом победит, уже сама по себе потеря разнообразия может оказаться смертельной. В качестве примера Лаки привел кишечную палочку. В благотворном присутствии каких-то других кишечных бактерий, сказал он, кишечная палочка остается безвредной. Но сама по себе она оказалась смертоносной¹⁵. При этом даже если победителем окажется какой-нибудь безвредный микроорганизм, результатом такой победы может стать “обленившаяся” иммунная система. В своих экспериментах Лаки наблюдал, как легко животные с обедненной микрофлорой заболевали и умирали после того, как их возвращали обратно в нормальную крысиную колонию.

Отсюда и возникла идея “смертельного поцелуя”. Полет на Луну должен был продлиться около трех недель. Прибавьте к этому месячный карантин после возвращения (чтобы убедиться, что астронавты не подхватили какую-нибудь опасную лунную инфекцию). Они вернутся из изоляции с обедненной микрофлорой и нарушенной работой иммунной системы. А жены бросятся к ним в объятия с поцелуями. “У нас не может быть серьезных сомнений в том, что одной из проблем будущих астронавтов станет та или иная разновидность, или те или иные разновидности, микробного шока, – подытожил Лаки. – Некоторые из этих разновидностей могут оказаться настолько легкими, что будут представлять лишь чисто научный интерес. Другие могут вызывать болезни и смерть”.

Предсказания Лаки сделали “просто интересную” проблему микрофлоры человеческого организма вопросом жизни и смерти. Чарльз Берри быстро изыскал для Лаки средства на изучение микрофлоры приматов, которых в течение года содержали на диете из обезвоженной и облученной космической пищи. Заодно Лаки сумел провести исчерпывающий учет микроорганизмов в рамках запланированного ранее исследования физических и психологических последствий тридцатидневного пребывания шести летчиков-испытателей в условиях, приближенных к космическим. Этот учет включал десятикратное взятие мазков из горла, ротовой полости и с поверхности кожи, а также ежедневный анализ стула в течение всего периода изоляции. Все образцы передавались через туннель с двумя дверями, разделявший летчиков и микробиологов Лоррейн Голл и Филлис Райли. В ходе работы исследовательницы использовали более 150 тысяч чашек Петри и пробирок с питательной средой и изучили более 10 тысяч микропрепаратов. Правда, их работа ограничивалась известными микроорганизмами, то есть поддающимися выращиванию в лабораторных культурах, в том числе и некоторыми анаэробами из числа наименее привиредливых¹⁶.

Как и ожидалось, они обнаружили, что общая численность бактерий на коже астронавтов за время изоляции и ограниченной возможности мыться возрастала, причем некоторые потенциально опасные разновидности стафилококков и стрептококков стали доминировать. Ни одно из этих изменений не привело к развитию заболеваний. Однако существенный сдвиг в кишечной микрофлоре космонавтов породил в ограниченном пространстве испытательной камеры другую, более неотложную, проблему – вспышку метеоризма, столь неприятную, что специалисты НАСА по питанию получили срочное указание исследовать влияние диеты на выделяющих газы кишечных бактерий.

И все же все шестеро астронавтов вышли из экспериментальной камеры здоровыми и оставались здоровыми в течение следующего месяца. Исследование оставило без ответа вопрос о том, могут ли у астронавтов произойти какие-то более существенные изменения в результате более продолжительной изоляции, и если да, то какие.

В 1966 году Берри получил повышение: из “главного доктора астронавтов” он стал руководителем отдела биомедицинских исследований НАСА. Помимо необходимости защитить астронавтов от микробного шока перед ним стояла задача сделать так, чтобы их собственные бактерии не помешали запланированным поискам жизни на Луне. Ученые НАСА смогли бы отличить лунных микробов (если они существуют) от земных лишь в том случае, если у них в распоряжении будет полный перечень всех организмов, “загрязняющих” самих астронавтов, их скафандры, оборудование и вообще все, к чему они прикасаются. Берри положил начало исследованиям в этом направлении, возглавив подготовку систематического каталога микрофлоры кожи и ротовой полости астронавтов до и после двух предшествующих полетов кораблей серии “Джемини”. Он нанял микробиолога Джеральда Тейлора, чтобы тот возглавил подготовку более полного каталога микрофлоры команды для всех полетов “Аполлонов”.

Что касается опасных изменений в микрофлоре астронавтов, Тейлор выяснил, что у участников первых полетов “Аполлонов” наблюдались симптомы, соответствующие заражению грибком Candida, в изобилии отмеченном в ротовой полости и в образцах стула многих астронавтов, возвращавшихся из полетов на “Аполлонах”. Поэтому он предсказывал, что, за исключением легко излечимой молочницы полости рта, ничто более серьезное не должно случиться в результате более продолжительной изоляции, которую предполагал предстоящий полет “Аполлона-11” на Луну. В августе 1969 года, когда Базз Олдрин, Нил Армстронг и Майкл Коллинз прошли после возвращения с Луны трехнедельный карантин, никто не запрещал женам их целовать, хотя Берри и позаботился о том, чтобы избавить астронавтов от обычной толпы репортеров и фотографов, выпустив их из карантина глубокой ночью.

Но микробиологи и врачи НАСА не забывали о возможности микробного шока в свете уже планировавшегося тогда запуска орбитальной станции “Скайлэб”, на которой астронавтам предстояло проводить до нескольких месяцев. Наметившаяся разрядка в соревновании НАСА с советской космической программой усугубила эти страхи, потому что советская сторона сообщала о намного более серьезных и потенциально опасных изменениях в микрофлоре космонавтов, чем какие-либо изменения, выявленные в исследованиях НАСА. Самым загадочным был отмеченный советскими исследователями настоящий захват кишечного тракта горсткой устойчивых к медикаментам и производящих токсины бактериальных штаммов¹⁷.

Берри изо всех сил добивался выделения средств на проведение подробнейшего пятидесятишестидневного исследования имитации полета на “Скайлэб” в испытательной камере для создания условий больших высот в Космическом центре имени Джонсона. Но после победы в лунной гонке конгресс урезал щедрый годовой бюджет НАСА на сотни миллионов долларов. Берри удалось добыть для Тейлора сумму, которой хватило лишь на проведение поверхностного анализа микробиоты команды и от которой осталось немного денег, позволивших поручить другой группе более глубокое исследование кишечных бактерий тех же астронавтов¹⁸. И все же этих остатков хватило на то, чтобы дать толчок изучению анаэробной “темной материи” человеческого микрокосмоса.