Текст книги "Микробиота. Тайны ваших бактерий"

2
Голобионт

Меня чрезвычайно интересуют взаимоотношения между нами и нашими бактериями. Проведенные мной лабораторные исследования подтверждают, что мы живем в симбиозе с бактериями. Стремясь понять закономерности этого отлаженного взаимодействия, я обратил свое внимание к истокам жизни на Земле. То, что я узнал, меня ошеломило.

Вообще, первые формы жизни возникли на Земле 4,5 миллиарда лет назад. Но первая клетка, от которой произошли все клетки, существующие на нашей планете сейчас, и которая называется Последний универсальный общий предок (или LUCA от англ. Last Universal Common Ancestor), появилась 3,8 миллиарда лет назад. Это общий предок бактерий, растений, насекомых, птиц, людей…

В XVII веке ученые, только начавшие использовать микроскопы, открыли в живых клетках ядро, которое очень скоро было признано центральным элементом клеток. По наличию или отсутствию ядра живые организмы разделили на две группы. На прокариот, одноклеточных живых организмов, у которых отсутствует ядро, а ДНК находится в цитоплазме клетки (полужидкая внутренняя среда, в которой находятся органоиды клетки), – это случай бактерий. И на эукариот, то есть всех остальных живых существ, которые состоят из одной или многих клеток, обладающих ядром, содержащим ДНК, иначе говоря, генетический код организма.

Наука продолжала двигаться вперед. В 1970-х годах исследователи узнали о существовании бактерий, способных жить в экстремальных условиях: при температуре выше 100 °C, ниже 0 °C, в среде, обогащенной соединениями серы, и даже в Мертвом море, которое и было названо так потому, что жизнь там считалась невозможной. Из-за суровых условий, в которых встречались эти бактерии, их назвали экстремофилами (то есть «любящими экстремальные условия»). Позже предположили, что эти бактерии могли находиться у истоков жизни, и их окрестили архебактериями (то есть первыми, древними, бактериями).

Прогресс в сфере молекулярной биологии позволил изучить их ДНК. Было замечено, что эти «бактерии» на самом деле куда ближе к нашим собственным клеткам, к клеткам эукариотных организмов, чем к настоящим бактериям: белками, которые они производят, ферментами, которые они используют для восстановления своей ДНК. В связи с этим архебактерии перестали считаться бактериями. С тех пор их называют археями.

Сходство архей с нашими клетками заставило специалистов вернуться к вопросу о развитии жизни на Земле. По всей очевидности, события разворачивались в двух направлениях: от бактерий происходили другие бактерии, а вот некоторые из архей развивались до тех пор, пока не «произвели» многоклеточные организмы, в том числе и нас, в то время как другие так и остались археями.

Археи обладают еще одной особенностью: они представлены в нашей микробиоте, при этом они так схожи с нашими собственными клетками, что не вызывают никаких заболеваний, в то время как некоторые бактерии способны стать причиной болезни. Конечно, археи производят метан, излишки которого могут вызвать запор, но в то же время они могут защитить нас от артериосклероза. Ничто, как я обычно говорю, не делится на черное и белое.

Звездные войны

На этом наша история с бактериями не заканчивается. По всей видимости, они сыграли огромную роль в развитии жизни на планете. Тут следует рассказать о неком явлении, которое называется эндосимбиоз. Эндосимбиоз – это взаимовыгодное сосуществование организмов, при котором один организм обитает внутри другого.

Я объясню. В определенный момент бактерии проникли в клетки архей или других чуть более развитых существ. Мы не знаем, когда и каким образом произошел этот поворотный момент в развитии жизни на планете, но у нас есть доказательства, что он действительно имел место. Потому что – и это самое удивительное – клетки всех эукариот содержат структуры, производные от бактерий, так сказать, кусочки бактерий: это митохондрии животных и хлоропласты растений. Роль митохондрий и хлоропластов трудно переоценить: именно благодаря этим структурам мы используем кислород, без которого не можем жить.

Мы больше чем симбионты: мы голобионты, надорганизменные симбиотические образования, состоящие одновременно из себя самих и из организмов, которые нас населяют. Мы объединяем в себе наши собственные качества и качества этих организмов. Мы переплели свою ДНК с их. Мы в каком-то смысле бактериальные существа, поскольку без элементов бактерий, которые присутствуют в наших клетках, мы не смогли бы дышать, а следовательно, и жить. Мы неразрывно связаны с бактериями, которые не просто обитают в нас, но являются частью самого нашего существа.

Ключевые действующие лица саги «Звездные войны» никогда не появляются на экранах: они микроскопические. Это мидихлорианы. Они живут в симбиозе со всеми живыми существами Галактики, обитая в их клетках и обеспечивая им контакт с Силой. Чем больше в живом существе мидихлориан, тем выше его способность использовать эту Силу. Обладание более чем 20 000 мидихлориан на клетку позволяет стать джедаем. Гадаете, как образовано слово «мидихлорианы»? Это не что иное, как совмещение двух куда более распространенных слов: «митохондрия» и «хлоропласт»!

О том, что касается Силы, нам, несомненно, предстоит еще многое узнать. Наши бактерии дают нам возможность жить. Они являются – и вы скоро это увидите – дирижерами нашего оркестра эмоций, поведения, наших заболеваний. А что, если они находятся у истоков некоторых из наших талантов, у истоков нашей индивидуальности? Наших сильных и наших слабых сторон? Найдем ли мы когда-нибудь подтверждения, что пианист стал виртуозом потому, что этому способствовали его бактерии? Я близок к тому, чтобы считать это возможным.

Кто я?

На протяжении веков наука хотела искусственно отделить нас от наших бактерий. Сегодня очевидно, что это невозможно.

Точно так же медицина, в частности психиатрия, возвела «мозгоцентризм» в догму: было принято решение о том, что мозг управляет всем организмом и контролирует все его системы, то есть, чтобы вылечить пациента от психиатрических или психологических расстройств, достаточно воздействовать на его мозг.

Последние продвижения в изучении микробиоты показывают, что все не так просто. Повреждения мозга действительно сказываются на всех системах организма. Однако теперь мы знаем, что от состояния микробиоты также зависит очень многое, в том числе и функционирование мозга. Например, выращенные в лаборатории мыши, лишенные микробиоты, подвержены стрессу больше, чем «нормальные» особи. Я продолжу приводить примеры. Так, мы находим «нормальным», что человек, заболевший раком, чувствует усталость и депрессию. Но отчего это происходит? Только потому, что рак – это грустно, или потому, что рак является воспалением, влияющим на весь организм, в том числе и на мозг? Именно по этой причине любая инфекция вызывает чувство усталости и влияет на настроение и эмоции… независимо от того, воздействует ли она на мозг напрямую.

Пришло время выйти за рамки шаблонов. Невозможно больше «лечить» как раньше, ведь сегодня мы знаем, что все взаимосвязано. И внутри нас, и снаружи все взаимозависимо. Исследования бактерий предоставили нам чрезвычайно важные научные данные, которые нельзя игнорировать, если мы хотим научиться предупреждать и, возможно, даже лечить некоторые заболевания, например аутизм или болезнь Альцгеймера.

Человек – голобионт, то есть организм, которому необходим комплексный подход. Это касается лечения всех заболеваний. Почему бы специалистам в различных областях медицины не объединяться для наиболее эффективного лечения? Мы никогда не вылечим депрессию или любую другую болезнь, если продолжим игнорировать тот факт, что организм – единое целое. Депрессия и тревожность могут быть связаны с воспалительным процессом или дисбактериозом, это комплекс заболеваний, который нуждается в одновременном лечении. Речь не о том, чтобы заменить подходы к лечению, которые мы используем на данный момент, но о том, чтобы открыть новые пути для более эффективной терапии.

Возможно, об этом было известно в давние времена? Сегодня я спрашиваю вас: «Как вы?» Этот вопрос люди задавали друг другу и в эпоху Ренессанса, правда, полная его форма звучала иначе. «Как вы сходили в туалет?» – приветствовали люди друг друга. Досадно, что мы запомнили только первую, наименее важную часть вопроса…

Все эти соображения ведут нас к новому пониманию нашего организма, того, чем мы являемся.

Иммунология – это раздел медицины, который основан на теоретическом положении о том, что существует четкая грань между своим и не своим. Не свое значит инородное, чужое для своего. Чтобы разъяснить суть этого раздела медицины, иммунологи часто приводят пример беременной женщины: чтобы выносить ребенка, который ей наполовину чужой, ее организм подавляет иммунитет вплоть до момента родов.

А как насчет бактерий, которых мы носим в себе, в своих клетках на протяжении всей нашей жизни? Они относятся к своим или к не своим? Мы не просто носим их в себе: благодаря им мы себя хорошо чувствуем, хотя они не являются нами. Не следует ли поменять теорию, основанную на принципиальном различии между своим и инородным, на альтернативную теорию континуума, непрерывного перехода от одного состояния к другому? И насколько далеко может зайти этот переход? Что будет с нашей идентичностью? На эти вопросы у меня нет ответа.

Завтра…

Бактерии были здесь задолго до нас. Они бесконечно многочисленнее нас: 10³⁰, то есть 10 с 30 нулями, как на земной поверхности, так и в морях. К тому же они эволюционируют куда быстрее нас, они выносливее нас. И они так же затронуты глобальным потеплением, как и мы с вами, даже если никто не думает о них в этом контексте.

Мы привыкли вести учет видов, которым угрожает глобальное потепление. Но мы забываем о самых многочисленных живых существах: бактериях. Одни вымрут, другие адаптируются, многие сохранившиеся в вечной мерзлоте появятся снова с таянием ледников. Окажут ли они положительное влияние, или, напротив, их появление запустит новые губительные эпидемии? Как они будут эволюционировать?

Мы знаем, что в любом случае их повторное появление ускорит потепление. Это произойдет потому, что в зонах вечной мерзлоты содержится органика, которую бактерии перерабатывают в газы, способствующие парниковому эффекту, – метан и СО₂. В результате деятельности одной бактерии получается мало газа, но если взять большое количество бактерий, то общий результат будет иметь значительные последствия. Очень важно понять: общая масса бактерий на Земле больше, чем общая масса людей!

Жизнь, может, и приспособится к новой ситуации, но я думаю, что этот дисбаланс повлияет на наших собственных бактерий, на нашу микробиоту. Больше чем когда-либо мы должны понять, что голобионт, которым является человек, связан с окружающей средой и обладает обязанностями по отношению к ней. Они начинаются уже на уровне нашего организма: когда мы едим, мы кормим и наших бактерий. Мы должны уделять им внимание, заботиться о бактериях, чтобы они, в свою очередь, могли позаботиться о нас. Бактерии достойны внимания медицины, геологии, климатологии и других наук, изучающих жизнь на Земле. Для их изучения необходимо сотрудничество специалистов из разных научных областей.

3
Как гамбургеры доводят мышей до депрессии

У меня болит живот оттого, что я встревожен, или, наоборот, я встревожен оттого… что у меня не все в порядке с животом? Этот вопрос, который показался бы абсурдным несколько лет назад, сегодня является объектом изучения многих ученых и медиков самого высокого уровня. В лабораториях исследователи задаются вопросом, не бактерии ли делают нас подавленными? И не является ли забота о них единственным способом вернуть улыбку?

Я глубоко убежден, что причины нейропсихиатрических нарушений зависят от многих факторов, которые основаны на целой серии рисков, связанных с окружающей средой и генетическими предрасположенностями. Легкая или серьезная депрессия, невроз или психоз – следствия не какой-то одной причины. Контекст этих заболеваний шире, они возникают по целому ряду причин, следствия которых не просто суммируются, а увеличиваются кратно.

Я не менее глубоко убежден, что питание – одна из этих причин. Возможно, одна из важнейших и вместе с тем легко поддающаяся изменениям в рамках терапевтической перспективы.

Узкоспециальные исследования проводятся в основном на мышах и крысах, а немногочисленные исследования с участием людей проводятся главным образом в режиме наблюдения. Конечно, психология грызунов, пока не доказано обратное, далека от сложности человеческой психологии. Тем не менее эти зверушки не лишены того, что можно было бы на нашем языке назвать душой. Мышата привязываются к своей матери и испытывают стресс, когда их отлучают от нее надолго; взрослые мыши иногда веселы и уверены в себе, готовы исследовать новые пространства, а иногда встревожены, даже подавлены и асоциальны и остаются сидеть в своем углу. Итак, мы приближаемся к определению депрессии у людей, при которой на фоне чувства усталости снижается интерес к повседневным делам и удовольствиям, возникают нарушения сна и аппетита.

Для наиболее точного определения, «измерения» настроения мышей при участии этологов и ветеринаров были разработаны специальные тесты. Большинство научно-исследовательских учреждений используют эти тесты, оценивая результаты своих исследований и делясь своими открытиями.

Один из самых известных и используемых тестов – open field («открытое поле»). Мышь помещают в замкнутое пространство и позволяют ей свободно перемещаться в нем, измеряя уровень ее исследовательского поведения и пройденную дистанцию за определенный отрезок времени – обычно 10 минут. Это позволяет одновременно оценить двигательные функции мыши и ее уровень тревожности. Встревоженные животные избегают центра «арены» и успокаиваются, прижимаясь к стенкам. Кроме того, они передвигаются медленнее, чем спокойные животные, и склонны сидеть в углу, избегая взаимодействия с другими мышами.

Второй тест, marble burying, название которого можно перевести как «закапывание стеклянных шариков», основан на природной склонности мышей закапывать объекты, внушающие им страх и опасения. Чем больше животные подавлены, тем больше они «захоронят» в своей подстилке шариков, помещенных в клетку, – таков их способ устранять опасность. Чем спокойнее мыши, в том числе из-за воздействия анксиолитиков или антидепрессантов, тем больше доверия к новым объектам они демонстрируют и не закапывают их. Выражаясь «человеческим» языком, можно сказать, что спокойным мышам свойственен оптимизм.

Для определения социального поведения грызунов используют клетку, разделенную на три смежные ячейки. Депрессивные мыши не выходят из своей «комнаты». Другие же перемещаются по всем трем «комнатам» и общаются с другими особями.

Еще один информативный тест – измерение времени, потраченного мышью на чистку мордочки, испачканной каплей подслащенной воды. Депрессивные мыши пренебрегают собой точно так же, как и люди. Они не уделяют себе достаточно внимания и тратят меньше времени на туалет.

Нейромедиаторы и джанкфуд

Используя вышеописанные тесты для того, чтобы понять, как модификации микробиоты влияют на поведение животных, многие исследователи подтвердили невероятный факт: чтобы довести мышь до депрессии, достаточно… кормить ее джанкфудом. Избыток сахаров и плохие жиры не только приводят мышь к ожирению: они вызывают в ней тревожность, которой не наблюдается в периоды сбалансированного питания.

Одно из подобных исследований, наиболее полное на момент написания этих строк, было проведено в 2019 году Ахмедом Хассаном и Петером Хольцером, двумя исследователями Медицинского университета Граца в Австрии.

Суть их исследования: 156 взрослых мышей поделили на две группы с разными режимами питания. Меню первой было приближено к тому, что называют «американским режимом питания», в котором калории распределены следующим образом: 60 % калорий поступало из жиров (пальмовое масло; позже опыт вновь провели с использованием кокосового масла и свиного жира, что дало сходные результаты), 24 % – из углеводов и 16 % – из белков. Вторая группа мышей получала более сбалансированное питание, в котором соблюдалось следующее соотношение: 12 % жиров, 65 % углеводов и 23 % белков.

По истечении двух недель все мыши прошли одни и те же тесты. Мыши из первой группы, питавшиеся джанкфудом, настолько прибавили в весе, что некоторые почти достигли ожирения. Куда более удивительно то, что они погрузились в депрессию, став медлительными, менее активными, менее общительными и более пугливыми. К тому же они обзавелись пагубными привычками, которые порой свойственны и людям в депрессии: чрезмерное пристрастие к сладкому в любое время дня… и даже ночи. Ни одна из мышей из второй группы не показала ни малейших признаков дурного самочувствия. Напротив, они продолжали вести себя, как «нормальные» мыши.

Как только эта взаимосвязь между «мусорной» едой и депрессией подтвердилась, наши двое исследователей пошли дальше, начав изучать физиологические механизмы, позволяющие гамбургерам, пицце и газировке вызывать депрессию. Они сделали следующие наблюдения.

• Первое: в микробиоте депрессивных мышей отмечены серьезные изменения. С одной стороны, ее состав беднее, она менее разнообразна, подобные изменения микробиоты наблюдаются у мужчин и женщин, страдающих от депрессии. С другой стороны, популяции некоторых семейств бактерий, как, например, Firmicutes и Cyanobacteries, вытеснили популяции других семейств, таких как Bacteroides, наиболее многочисленных в микробиоте контрольной группы.

• Второе: в мозге мышей, доведенных джанкфудом до депрессии, особенно в области префронтальной коры и полосатого тела, концентрация определенных метаболитов бактерий микробиоты (их «действующих веществ») изменилась. Некоторые из этих метаболитов влияют на энергетические процессы, другие – на активность нейронов. Среди этих метаболитов: креатинин, лактат, таурин, глутамин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и другие. Связь между работой мозга и состоянием кишечника начала подтверждаться.

• Третье: гормональный фон тоже изменился. Гормон – это химическое вещество, поступающее с током крови в органы и регулирующее их деятельность. В мозге депрессивных мышей отмечено снижение уровня нейропептида Y, участвующего в регуляции аппетита и выработке инсулина. Этот гормон в то же время выполняет функции анксиолитика: один из механизмов воздействия антидепрессантов состоит в повышении уровня нейропептида Y в мозге.

• Четвертое наблюдение сделали другие исследователи, Джулиан Земдегс и Брюно Гияр из Университета Париж-Юг. Одно из их исследований, проведенных в 2015 году, показало, что повышение уровня сахара в крови, предиабет, совпадает с симптомами тревоги и депрессии у мышей. Употребление джанкфуда способствует повышению уровня сахара в крови – это общеизвестный факт.

Таким образом, мы получаем доказательство того, что наши кишечные бактерии влияют далеко не только на наше пищеварение, но обусловливают еще более важные изменения в нашем организме, в том числе в мозге, на уровне нейронов, воздействуя на наше душевное состояние.

Второе доказательство, еще более очевидное, предоставляется феноменом, который переворачивает все данные, полученные ранее: если трансплантировать микробиоту мышей, подверженных депрессии из-за джанкфуда, особям, которые питались сбалансированно… те тоже погрузятся в депрессию. Это заболевание перестает быть чисто психическим: раз его можно передать с фекалиями, им можно заразить.

Еще больше: тот же результат достигается и при «очеловечивании» мышей, то есть при трансплантации им микробиоты мужчин или женщин, страдающих от серьезной депрессии. Мыши подвергаются воздействию новой микробиоты, которой оказывается достаточно, чтобы животные быстро погрузились в депрессию, что доказывает связь между нашими бактериями и нашим настроением.

Проводились и обратные эксперименты: в этот раз речь шла об улучшении состояния депрессивных мышей. На момент начала эксперимента микробиота большей части мышей включала одно или два семейства бактерий, вероятно усиливавших воздействие друг друга. Несмотря на это, можно утверждать, что регулярный прием Bifidobacterium infantis улучшает состояние мышей так же эффективно, как «настоящий» антидепрессант.

Испытания на людях производились с использованием Lactobacillus casei, бактерий, которые используются для производства кисломолочных продуктов, доступных в магазинах. Пациенты, страдающие от хронической усталости, принимали Lactobacillus casei в течение двух месяцев. По истечении этого периода оказалось, что их состояние значительно улучшилось по сравнению с состоянием членов контрольной группы, принимавших плацебо.

Теперь, когда эта взаимозависимость установлена, остается изучить механизмы, посредством которых изменения микробиоты влияют на депрессию и целый ряд других нейропсихиатрических нарушений. На данном этапе исследования существует много путей развития, они являются объектом углубленного изучения.