Текст книги "Союз на всю жизнь"

В толстой кишке скорость потока и турбулентность уменьшаются, а плотность населения возрастает. Толстая кишка считается самым плотно населенным местом на планете. Большинство ее обитателей может существовать только при отсутствии кислорода. Количество видов снующих здесь бактерий разнится, но обычно более тысячи{29}29
  Dethlefsen et al.: The pervasive effects of an antibiotic on the human gut microbiota, as revealed by deep 16S rRNA sequencing. PLoS Biology. Том 6. С. Е280, 2008.


[Закрыть]. При этом разнообразие относительно. Внутри сравнительно немногих родов и семейств обнаруживается очень много видов и штаммов, например бактерий Firmicutes и Bacteriodetes. Эти немногочисленные группы благодаря своим многочисленным вариантам в целом доминируют в кишечнике. При этом также немного ошибочно в случае с ними все-таки говорить о «видах», так как многие микробы, причисляемые к одному виду, несмотря на это, сильно отличаются друг от друга. Так, например, гипотетически существует несколько тысяч вариантов желудочной бактерии Helicobacter pylori, которые чаще всего обозначаются как штаммы.

Толстая кишка – это что-то вроде перерабатывающего цеха в пищеварительном тракте.

В толстой кишке оказывается вся пища, которую тело до сих пор не смогло использовать с помощью микробов или без. Бактерии, которые здесь живут, принимаются за неперевариваемый материал, хватают его столько, сколько могут. При этом они производят питательные вещества, которые важны для тела. Чем больше растительных веществ они получают, тем разнообразнее набор микробов в толстом кишечнике. Оставшаяся часть – неперевариваемые волокна, отмершие кишечные клетки, трупы бактерий и бактерии, которые были захвачены потоком, – покидает пищеварительный трубопровод через прямую кишку и анальное отверстие.

Окончание кишечника фактически также является единственной частью, которую мы можем контролировать намеренно. Так или иначе, это очень удобно, поскольку в ходе эволюции навык опорожняться не в любом месте и любое время, а только в том случае, когда представляется непосредственно благоприятная возможность, оказался эффективным.

Однако наибольшая часть кишечника действует в высшей степени автономно. Его мышечные слои, обеспечивающие необходимое движение, пронизаны таким большим количеством нервов, что нередко ученые также говорят о кишечном мозге. С помощью нервных путей и нейромедиаторов он действительно соединяется с центральным органом мышления в голове, но при этом многие решения также может принимать самостоятельно. Кишечный мозг является частью так называемой автономной нервной системы. И это комфортно в той же степени, что и возможность осознанного похода в туалет. Ведь иначе каждый человек был бы вынужден постоянно ломать себе голову над тем, настало ли подходящее время для того, чтобы передать желудочное содержимое в тонкий кишечник или продолжить понемногу транспортировать кашу по толстой кишке.

Человеческое тело в общем и целом поддерживает определенный порядок. Так же как и почти все живые существа в принципе, будь то морской конек у рифа, базилик на подоконнике или даже небольшая дрожжевая клетка. Все они упорядочены. Их сердце, хлоропласты, клеточные ядра – и все остальное от артериальной дуги до клеточной стенки – находятся в нужном месте. Во всех органах каждая ткань находится там, где и должна быть. Жизнь имеет склонность все делить по отделам. Порядок превыше всего.

Похоже, хаос царит только в кишечнике. Все течет, струится, кружится, булькает, хлюпает, иногда даже бурлит. Деятельность перистальтики мускулатуры кишечника состоит в том, чтобы поддерживать постоянное движение. Полный хаос. И все бактериальные клетки, покидающие тело при каждом серьезном посещении туалета, – под напором, несмотря на то что они все же якобы являются по большей части вполне полезными, тоже не производят впечатление хорошо рассортированного лотка разносчика. Наш бактериальный орган, очевидно, организован иначе, чем все остальное в мире живого. Такой себе кипящий «первичный бульон».

Возможно, все же стоит присмотреться к нему немного внимательнее.

Для сравнения посмотрим на то, что по крайней мере физически в нашем теле ближе всего соответствует кишечнику – другая система с более жидким содержанием: кровеносные сосуды. Все течет, струится, кружится, и при этом даже намного быстрее и под более высоким давлением. Вода, эритроциты, лейкоциты самых различных сортов, питательные вещества, минералы, нейромедиаторы, отходы – все это перекачивается сердцем.

О том, что там в этой дикой, красной, бурлящей буре все же не царит настоящий хаос, знает каждый. Именно там эритроциты поглощают кислород или углекислый газ и передают и то и другое туда, где они должны быть. Питательные вещества целенаправленно достигают тканей, где они используются, и там тоже не просто снова уносятся потоком. Отходы и яды в кратчайшие сроки доставляются и внедряются туда, где они могут быть утилизированы наилучшим образом, чаще всего в направлении печени и почек. Иммунные клетки с прицельной точностью находят поврежденное место на большом пальце ноги, чтобы бороться там с инфекцией посредством воспаления и бактериальной терапии[5]5
  Вероятно, имелись в виду гидролитические ферменты, расщепляющие бактериальные клетки, или фагоцитарные реакции. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Все состыковывается именно там, где необходимо. В большинстве случаев за это отвечают специальные структуры и молекулы, которые сигнализируют, где это происходит, или просто собирают то, что подлежит использованию в определенном месте.

Трудно вообразить, что наш бактериальный орган в противоположность этому призван функционировать в полном соответствии с принципом случайности: питательное вещество А встречается с бактерией Б, бактерия Б преобразует питательное вещество А в сигнальное вещество Б. Или нечто в этом духе. Или, если питательное вещество А не встречается именно с бактерией Б, значит, не судьба… Это вряд ли звучит рационально. И так как у эволюции в распоряжении и так были десятки миллионов лет времени, было бы очень удивительно, если бы это действительно было так.

Это бы не было оптимальным по совсем иным причинам. В случае когда соответствующее микробное сообщество действительно является столь важным, должны были сформироваться механизмы, которые заботятся о том, чтобы оно не пропало сразу же при выделении газов и жидкого стула. Поскольку опасность существует постоянно. Желудочно-кишечные инфекции известны тем, что они изрядно выводят население кишечника из равновесия.

Отравления или натуральные (а с недавних пор и фармацевтические) антибиотики смертельно опасны для кишечных бактерий. Если бы каждый серьезный понос, чем бы он ни был вызван, непременно означал бы неизменное прощание со всеми полезными кишечными бактериями, мы все бы только и сидели с болями в животе, запорами, язвами и прочими недомоганиями.

Основательный практический опыт свидетельствует о том, что кишечные бактерии не только плывут по течению и что они не являются беспомощными перед лицом потока и опасностей, которые временами могут там поджидать. Например, интенсивный прием антибиотиков действительно приводит к тому, что в кишечной жидкости первым делом снижается число бактерий. Однако после того, как антибиотики отменяются, показатели достаточно быстро возвращаются туда, где они находились до приема медикаментов, это касается и количества, и видового многообразия бактерий.

Точные измерения в данном случае показывают, что кишечник в подобных ситуациях не заселяется снаружи заново, однако там начинают повторно размножаться примерно такие же бактериальные штаммы. Исключения составляют случаи очень частого и упорного применения антибиотиков. Быть может, они переживают это в червеобразном отростке слепой кишки, а может быть, в кишечнике наличествуют также другие ниши, в которых бактерии могут защититься. Как, например, слизистая оболочка кишки, усеянная углублениями, это так называемые либеркюновы крипты, названные именем врача и анатома, который первым точно описал их в 1745 году{30}30
  Lieberkühn: De fabrica et actione villorum intestinorum tenuium (1745), доступно в электронном виде по ссылке: https://archive.hshsl.umaryland.edu/handle/10713/3443.


[Закрыть]. У основания таких достигающих глубины до 0,4 миллиметра полостей происходит стремительное обновление кишечного эпителия. Здесь располагаются несколько стволовых клеток, которые непрерывно образуют новую ткань. Данные крипты содержат бактерии, и похоже на то, что их присутствие способствует регенерации тканей.

По-прежнему отсутствует ясность в отношении того, как бактерии организовываются в кишечнике, но становится все яснее, что вдоль и поперек кишечника имеет место биологическая география. Неудивительно, что бактериальная смесь в начале кишечника иная, нежели в конце. Напротив, более удивительным было утверждение о том, что население также меняется в поперечном направлении кишечника. На поверхности проживают совсем иные микробы, нежели в полостях эпителия. Опять же иные прячутся в текучем кишечном содержимом, исходя из которого мы приобрели значительную часть знаний о наших сожителях просто потому, что данное содержимое проще всего достать.

Снова и снова обсуждается вопрос о том, насколько информативными в принципе являются исследования, которые основываются на анализах кала.

«Все больше и больше признания получает утверждение о том, что мы имеем дело по меньшей мере с двумя отделами – стулом и кишечной стенкой», – объясняет Штефан Отт, руководитель рабочей группы по изучению бактериальной метагеномики в Университетской клинике Шлезвиг-Гольштейн. Он считает пробы ткани более информативными, чем кал. Поскольку тот может «выглядеть абсолютно иначе на следующий день». Тем не менее иногда наука должна быть прагматичной. Анализы кала можно получить легко и дешево, биоптаты – нет. Взятие анализов кала – при условии соблюдения гигиены – абсолютно безопасно, биоптатов – нет. Мы проводим исследования с тем, что можно достать, и радуемся, если для того или иного эксперимента имеется достаточное количество добровольцев, которые жертвуют кусочком своей кишечной стенки ради науки.

Такое ограничение не делает работу ученых легче. Кишечник и без того является труднодоступной территорией. Большое число его жителей приспособилось к жизни в условиях отсутствия кислорода. Как только они вступят в контакт с воздухом, то умрут. Это означает, что каждую пробу вне зависимости от ее происхождения следует рассматривать строго в анаэробных условиях. С этой проблемой также борются различные симуляторы кишечника, которые в настоящий момент используются в научно-исследовательских целях. В них проводятся эксперименты по культивированию бактерий пищеварительного тракта, чтобы иметь возможность исследовать их в контролируемой системе – пока с весьма ограниченным успехом. Штефан Отт, например, использовал один из самых усовершенствованных искусственных кишечников, чтобы исследовать, какое влияние оказывают анти– и пробиотики на бактерии в искусственно выращенном кале. Реактор в рамках данного эксперимента был загружен анализами кала различных доноров и затем снабжен лекарственными веществами. Из этого можно сделать выводы, что «на сегодняшний день это наилучшее приближение», говорит Отт, но «ни одна система до сих пор не располагает комплексностью кишечника».

Ни одна из таких реакторных систем не располагает порядком, который царит в кишечнике и который также всецело оказывает изрядное влияние на то, что обнаруживается в результате экспериментов. Потому как вполне возможно, что организация кишечника и его микробных жизненных пространств является значительно более сложной, чем мы подозреваем. Может быть, существуют другие ниши и резервуары для бактерий, а также места встречи для микробов и клеток тела и кто знает что еще.

Для систем, которые занимаются чем-либо, представляющим интерес, и при этом не вполне известно, каким образом, а также не известно, какие организационные принципы в них скрываются, кто-то однажды изобрел понятие «черный ящик». Фактически кишечник является не коробкой, а скорее трубопроводом. Но он все-таки по-прежнему представляет собой классическое таинство. При этом в самом начале все было еще вполне прозрачным. Однако это тема для следующей главы.

Глава 4
Давние враги, старые друзья

Четыре миллиарда лет эволюции объединяют микробов и людей. Первоначальная борьба превратилась в кооперацию, конкуренция превратилась в неразлучность.

Мы с детства усвоили, что бактерии – это наши враги, из рекламы, от дяди доктора, из медицинских передач по телевизору. В этой книге мы постарается скорректировать такую точку зрения, используя несколько аргументов.

Чтобы лучше понять, что на самом деле логично не считать бактерии врагами, возможно, поможет небольшой мысленный эксперимент. Можно попытаться представить себе, что же произошло за несколько миллиардов лет эволюции с нашими предками и предками наших бактерий.

Что было в начале? Были ли наши предки и предки наших бактерий врагами? Друзьями? Мирными соседями? Игнорировали друг друга? Или бактерии были нахлебниками, которые угощались за столом, не мешая, но и не принося пользу?

Разумеется, это гипотетический вопрос, но он стоит того, чтобы немного поразмышлять над ним.

Попробуем дать ответ: в начале предки – наши и наших бактерий – просто были.

Для того чтобы стать другом или врагом, партнером или конкурентом, наши предки и бактерии, в первую очередь, должны были встретиться. И в таком случае где-нибудь должны были совпасть еще и их жизненные интересы, поскольку те, у кого нет ничего общего (о чем можно было бы поспорить), остаются безразличными друг к другу. Таким образом, вполне вероятно, что отправной точкой всей этой взаимности была конкуренция. Ее также можно назвать враждой.

Предположим, ранний предок, который в качестве одного из первых имел чуть более близкие отношения с бактериями, был одним из тех сложенных из нескольких сотен клеток, прозрачных простейших животных, которые, по сути, состояли только из кишечника{31}31
  Предшественниками этой первичной кишки были просто скопления клеток, которые принимали питание и выделяли отходы. Лишь позднее появились животные с углублением в подобном скоплении клеток, которое выглядело примерно как мешок с одним отверстием, и еще позднее сформировалась кишка как таковая, в том виде, в каком ею обладает человек: труба, имеющая входное и выходное отверстия. Когда случился этот первый важный контакт между бактериями, никто не знает, однако это определенно произошло на очень ранней ступени эволюции.


[Закрыть]. Небольшая машина для глотания и отрыгивания, которая между глотанием и снова изрыгиванием каким-то образом переваривала проглоченное.

Вполне вероятно, что наш кишечник-предок питался одноклеточными водорослями. Вместе с водорослями он также раз за разом проглатывал несколько бактерий. Возможно, они тоже переваривались или, может, снова изрыгивались в полной сохранности.

Но в какой-то момент времени в этом процессе, вероятно, принял участие вид бактерий, который чувствовал себя там особенно комфортно. Он каким-то образом закрепился, был хорошо защищен там от бактериофагов и питался тем же, чем питалась гастрея[6]6
  Гастрея – двуслойный организм с полостью первичного кишечника, развившейся путем впячивания. По гипотезе Э. Геккеля, является родоначальной стадией развития многоклеточных организмов. – Прим. ред.


[Закрыть].

То, что тогда началось, было типичной эволюционной гонкой. На протяжении многих поколений приживались те бактерии, которые могли использовать кишечное содержимое с пользой. Хорошо для бактерий, плохо для Госпожи Первичной Кишки. Потому что теперь он сам получал меньшую долю того, что поглотил. На протяжении многих поколений среди гастеров наилучшие шансы на выживание и размножение, следовательно, имели те, кто мог наилучшим образом контролировать бактерии. Однако лучше всего приспосабливались те, кто даже извлекал из бактерий пользу, например, благодаря тому, что бактерии утилизировали вещества, которые кишечник не мог переварить самостоятельно, и тем самым производили что-либо, что могла употреблять гастрея. Этим бактерии занимаются до сих пор, они изготавливают, например, из неперевариваемых растительных волокон короткоцепочные жирные кислоты, которые обеспечивают приблизительно десять процентов нашей потребности в энергии.

В свое время это было хорошо для семьи первичной кишки и совсем неплохо для их бактерий. Потому что те как-никак получали свою пищу с бесплатной доставкой на дом и, кроме того, у них имелись жизненное пространство и средства к существованию. Их родственники, которые в первичной кишке стремились забрать все себе, очень скоро наелись досыта, правда, со временем остались без кишечной квартиры и поставщиков питания, так как их хозяин умирал с голоду.

Это был взаимообмен. Бактерии разлагали корм, с которым первичная кишка не могла справиться в одиночку, за это они получали бесплатную еду и кров. Со временем присоединялось все больше бактерий, а также грибы, вирусы и другие одноклеточные. Благодаря совместной работе в их распоряжении имелось достаточно энергии.

Высшие животные на протяжении многих поколений становились больше и сложнее. Пищеварительная полость непрерывно растягивалась в длину до тех пор, пока идея о транспортировке переваренной и непереваренной пищи через один и тот же проход не перестала быть эффективной. Было необходимо второе отверстие. Если посмотреть на безумно ускоренную версию эволюционного развития эмбриона, мы увидим зарождение этого второго отверстия, которое сегодня мы называем ртом.

Переход к так называемой системе трубопровода с двумя проходами стал решающим шагом в развитии нашего пищеварительного тракта. То, что за этим следовало, было лишь детальной доработкой, продлившейся в течение еще нескольких миллионов лет.

Имеющие кишечник животные продолжали увеличиваться и вмещали все больше одноклеточных. В этой фазе они уже начали развивать иммунную систему в качестве контролирующей инстанции, чтобы блокировать доступ чересчур наглым бактериям, когда существовала угроза их распространения.

Кишечная трубка в результате дальнейшего развития превратилась в рот с зубами, глотку, желудок, кишечник и анус.

Чем длиннее растягивалась система, тем больше жизненных пространств она предоставляла для развития бактерий. И они начали взаимодействовать на биохимическом уровне уже не только со своим хозяином, но и со своими микробными соседями.

Множественное число бактерий давало больше возможностей для сообщества организмов, рождающих новые свойства мутаций, а соответственно, большее количество веществ, которые приносили пользу одному из партнеров, и больше питательных компонентов, которые вместе были более полезны, чем в одиночку. И так далее.

Жизнь становилась все более сложной. Чем разнообразнее были бактерии на пути к пищеварению, тем слаженнее должна была действовать иммунная система. Она должна была научиться распределять свои силы, а не просто бороться со всем чужеродным. Во-первых, это принесло бы слишком много вреда, во-вторых, расходовало бы слишком много энергии, и, в-третьих, это также вытеснило бы полезные организмы.

Если посмотреть на такое совместное прошлое людей и микробов, становится ясно, почему у нас так много общего. Человеческие клетки в значительной степени управляются генами, которые есть и у бактерий. Это прежде всего такие наследственные характеристики, выполняющие основополагающие функции, которые на пути от одноклеточных к человеку почти не изменились. Их называют генами «домашнего хозяйства». Многочисленные сходства также делают их интересными для исследователей фундаментальных наук, которые стремятся раскрыть основополагающие генетические или цитобиологические механизмы.

Если взглянуть на совместный жизненный путь, становится ясно, что нас связывают между собой не только гены и метаболические пути. Это можно было бы назвать скорее старой дружбой. Мы знаем друг друга уже – здесь это громкое слово действительно является уместным – целую вечность. Вместе мы пережили плохие и хорошие времена. Мы притирались друг к другу, спорили. Мы не можем друг без друга, ведь мы всегда были вместе.

«Как ужасен и странен десяток восьмой»[7]7
  Речь идет о песне Old Friends музыкального дуэта Simon and Garfunkel и строках из песни: How terribly strange to be seventy. – Прим. ред.


[Закрыть], – поют Саймон и Гарфанкел в своей песне о двух старых друзьях на скамейке в парке. Как это невероятно странно – состариться вместе. То же могли бы сказать друг другу человек и микробы, если бы вдруг сидели рядом на скамье в парке, вот только они вместе уже около 700 миллионов лет.

Однако, когда сегодня мы называем кишечные бактерии «старыми друзьями», нам не следует основываться на слишком романтическом отношении к ним. Дружба зиждется на взаимности. Тот, кто постоянно помогает кому-либо, не получая ничего взамен, вскоре прекратит такую дружбу.

Наша дружба с нашими бактериями – это пакт, взаимообмен. Нам плохо без них, им плохо без нас, но каждый преследует свои собственные интересы. Каждая в отдельности из множества миллионов бактерий хочет есть и размножаться. Каждый отдельный человек хочет питаться, хорошо усваивать свою пищу и, да, размножаться. В том случае, если он не принимает сознательное решение не делать этого.

Человек предоставляет своим бактериям защиту, стабильно теплое местечко и поставляет питание. Это довольно много. За это он в рамках справедливой взаимности также может кое-что ожидать: помощь в переваривании, выработку веществ, которые он не может получать самостоятельно, ассистирование в борьбе с микроорганизмами извне.

Здесь речь идет не о справедливости в философско-этическом смысле. А скорее в биологическом. В случае если взаимность не соблюдается, одна из двух сторон будет настолько ослаблена, что в конечном счете не сможет более или достаточно благополучно размножаться. Мы по-прежнему находимся в центре эволюционной гонки с нашими бактериями. Какая-либо мутация у человека, вероятно, лишает корма целый ряд штаммов бактерий. Мы в таком случае получаем больше энергии и, казалось бы, извлекаем пользу. Но, умирая с голоду, бактерии больше не производят витамины, необходимые человеку. Очевидный вред для обоих. Что в этом случае происходит в процессе эволюции?

Здесь можно вывести формулу: при отсутствии витаминов жизнеспособность организма уменьшается и мутация «отбраковывается».

Ген, который лишает бактерии питания, не одержит победу в дарвиновской борьбе. Тем не менее среди невероятного множества штаммов микробов наверняка найдется та или иная бактерия с мутацией, которая станет надежным средством в борьбе за питательные вещества человеческого организма. Благодаря этому пища, которую употребляет человек, может использоваться более эффективно и бактериями, и их хозяином. В этом случае легко можно увидеть пользу для обоих (или по меньшей мере отсутствие вреда).

Что ж, случись так, то, видимо, сложные взаимоотношения между человеком и бактериями стали бы еще запутаннее.