Текст книги "Жизнь после антибиотиков. Чем нам грозит устойчивость бактерий к антибиотикам и нарушение микрофлоры"

Глава 2. Наша микробная планета

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

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

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

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

Джон Макфи в одной из своих классических книг привел замечательную аналогию с местом человечества в этой огромной хронологии: «Давайте представим, что вся история человечества – это один старый английский ярд, равнявшийся расстоянию от носа короля до кончика его вытянутой руки. Стоит один-единственный раз провести по ногтю среднего пальца пилочкой, и вы сотрете всю человеческую историю»{11}11
  «…и вы сотрете всю человеческую историю» (см. с. 18): J. McPhee, Basin and Range, book 1 in Annals of the Former World (New York: Farrar, Straus & Giroux, 1998).


[Закрыть].

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

Но есть еще кое-какие потрясающие данные, которые по-настоящему позволяют оценить, насколько огромен мир микробов. Они не видны невооруженным глазом, за несколькими исключениями, лишь подтверждающими правило{12}12
  «…за несколькими исключениями, лишь подтверждающими правило»(см. с. 18): H. N. Schulz et al., “Dense populations of a giant sulfur bacterium in Namibian shelf sediments,” Science 284 (1999): 493–95. Но такие большие микробы – аномалия в мире, где доминируют микроскопические формы.


[Закрыть]. Миллионы могут одновременно пройти через ушко одной иголки. Но если собрать всех вместе, их будет не только больше, чем всех мышей, китов, людей, птиц, насекомых, червей и деревьев – вообще всех видимых форм жизни на Земле – вместе взятых: они окажутся еще и тяжелее. Задумайтесь об этом. Невидимые микробы составляют бóльшую часть биомассы Земли: млекопитающие, пресмыкающиеся, морская живность и т. д.

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

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

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

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

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

Теперь вопрос. Где находится форма жизни, которую мы называем «кукуруза» и которая растет на наших полях? Вы, наверное, посчитаете, что она вряд ли находится слишком близко к нам, в конце концов это же зеленое растение. Наверное, где-то на противоположной стороне куста. А вот и нет, кукуруза находится, примерно, в точке 8:01. Если люди и кукуруза настолько близкие, как оказалось, родственники, кто же занимает остальные ветки? Ответ: по большей части бактерии. Например, расстояние между E. coli и Clostridium – двумя часто встречающимися – намного больше, чем между нами и кукурузой{13}13
  «…между нами и кукурузой» (см. с. 19): N. Pace, “A molecular view of microbial diversity and the biosphere,” Science 276 (1997): 734– 40. Карл Вёзе, Норман Пэйс и другие считают, что бактерии – первая форма жизни, зародившаяся на Земле.


[Закрыть]. Человечество – всего лишь песчинка в мире, населенном микроорганизмами. Нужно привыкать к этой идее.

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

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

* * *

Микробы живут везде, куда ни посмотри. В океане их столько, что и представить невозможно, хотя некоторые оценки дают определенное понимание. Не менее 20 миллионов (а возможно, и миллиарда) типов микробов составляют 50–90 % океанской биомассы. Количество таких клеток в столбе воды (от поверхности моря до дна) превышает 10³⁰, или нониллион (тысячу миллиардов миллиардов миллиардов). Весят они столько же, сколько 240 миллиардов африканских слонов{14}14
  «…240 миллиардов африканских слонов» (см. с. 20): W. B. Whitman et al., “Prokaryotes: The unseen majority,” Proceedings of the National Academy of Sciences 95 (1998): 6578–83; J. S. Lipp et al., “Signifi cant contribution of Archaea to extant biomass in marine subsurface sediments,” Nature 454 (2008): 991–94; M. L. Sogin et al., “Microbial diversity in the deep sea and the underexplored ‘rare biosphere,’ ” Proceedings of the National Academy of Sciences 103 (2006): 12115–20.


[Закрыть].

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

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

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

Недавно были обнаружены бактерии, которые едят частицы пластика, плавающие в Мировом океане. Это медленный процесс, и все же не менее тысячи различных видов участвуют в превращении «пластисферы» в более здоровую биосферу. Мы не делали ничего, чтобы стимулировать их – разве что кидали пластиковый мусор в океан. Некоторые добрались до него, и тем, кому такая еда пришлась по вкусу, стали быстрее размножаться – вот вам естественный (пластиковый) отбор в действии{15}15
  «…отбор в действии» (см. с. 21): Бактерии, поедающие пластик. T. Suyama et al., “Phylogenetic affi liation of soil bacteria that degrade aliphatic polyesters available commercially as biodegradable plastics,” Applied and Environmental Microbiology 64 (1998): 5008–11; E. R. Zettler et al., “Life in the ‘plastisphere’: microbial communities on plastic marine debris,” Environmental Science and Technology 47 (2013): 7137–46.


[Закрыть].

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

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

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

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

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

Но мой любимый пример описали несколько лет назад. Геологи бурили исследовательскую скважину и изучали извлеченные оттуда керны. Один, который достали с глубины в милю, состоял всего из трех компонентов: базальта (коренной породы), воды и бактерий – множества бактерий{16}16
  «…воды и бактерий – множества бактерий» (см. с. 22): T. O. Stevens and J. P. McKinley, “Lithoautotrophic microbial ecosystems in deep basalt aquifers,” Science 270 (1995): 450–54.


[Закрыть]. Они жили и размножались на диете из камней и воды.

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

* * *

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

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

Например, я могу вырастить культуру распространенной кишечной бактерии E. coli{17}17
  «…распространенной кишечной бактерии E. coli» (см. с. 23): Формальное название E. coli – Escherichia coli, в честь Теодора Эшериха, немецкого врача, открывшего ее в 1885 году в фекалиях здоровых людей и назвавшего Bacterium coli commune. В начале XX века ее переименовали в Escherichia coli. Хотя это самая известная бактерия в человеческом желудочно-кишечном тракте, на самом деле она обычно составляет не больше тысячной доли всех присутствующих в кишечнике бактерий. Поскольку E. coli очень легко вырастить в культуре, она стала модельным организмом для изучения биологии, биохимии и генетики клеточной жизни. У многих из пяти тысяч генов E. coli есть аналоги в человеческом теле.


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мы живем в эпоху бактерий (как было вначале, как есть сейчас и как должно быть всегда, пока миру не настанет конец…){18}18
  «…и как должно быть всегда, пока миру не настанет конец» (см. с. 25): В 1993 году С. Дж. Гоулд написал рецензию в Nature на новую тогда книгу Э. О. Уилсона «Разнообразие жизни», где сказал, что Уилсон уже знает, что не существует какой-либо отдельной эпохи пресмыкающихся и млекопитающих; все они – лишь части вечной эпохи бактерий, и он об этом говорит. (S. J. Gould, “Prophet for the Earth: Review of E. O. Wilson’s ‘The diversity of life’,” Nature 361 [1993]: 311–12.)


[Закрыть]

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

Глава 3. Микробиом человека

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

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

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

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

Микробы – симбионты{19}19
  «Микробы – симбионты» (см. с. 27): Симбиоз, определение которому было дано в XIX веке, – близкая связь двух (или более) видов, живущих вместе, иногда – в течение большей части их жизни. Он может означать любую такую совместную жизнь – вредную, нейтральную или полезную, – или же только взаимовыгодные отношения. Вид, участвующий в таких отношениях, называется симбионтом.


[Закрыть] – предоставляют носителю, в котором обитают, жизненно необходимые услуги в обмен на кров и пищу. Термиты могут переваривать дерево исключительно благодаря бактериям в их кишечнике. Коровы усваивают питательные вещества из травы, которую едят, благодаря микробам в их четырехкамерном желудке. Даже у тли они есть, в том числе группа Buchnera, впервые поселившаяся в них более 150 миллионов лет назад. Эти микроорганизмы имеют ключевые метаболические гены, которые помогают производить белки – благодаря им тля может употреблять в пищу богатый сахарами сок растений. В свою очередь, жучки являются для Buchnera отличным домом. Взаимовыгодная ситуация. Ученые построили эволюционное семейное древо и для Buchnera, и для тлей. Сравнивая структуру обоих деревьев, мы видим, что они почти одинаковы. Вероятность того, что это случайное совпадение, стремится к нулю. Единственный возможный ответ – совместная эволюция: тля и живущие в них бактерии{20}20
  «…тли и живущие в них бактерии» (см. с. 28): N. Moran, “The evolution of aphid life cycles,” Annual Review of Entomology 37 (1992): 321–48.


[Закрыть] взаимно влияли на развитие друг друга в течение более чем 100 миллионов лет.

Если присмотреться к микробиому млекопитающих, видно, что гены, отвечающие за производство красных кровяных телец и белков в теле человека, сравнимы с похожими генами других млекопитающих. Ваши бактерии – часть большого семейного древа. В этом смысле микробный состав может считаться наследственным маркером и помогает объяснить, почему вы больше похожи на обезьян, а не на коров{21}21
  «…больше похожи на обезьян, а не на коров» (см. с. 28): H. Ochman et al., “Evolutionary relationships of wild hominids recapitulated by gut microbial communities,” PLOS Biology 8 (2010): e1000546.


[Закрыть]. Возникает интересный вопрос: это происходит из-за животных или микробных «генов»? Люди всегда считали, что верен первый вариант, но не исключено, что и второй. Скорее всего, в какой-то степени и то и другое.

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

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

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

* * *

Из 50 известных типов{22}22
  «Из 50 известных типов» (см. с. 29): Тип в биологии – это уровень таксономической классификации, располагающийся между царством и классом. Царство Animalia, в которое входят все животные, включает в себя около 35 типов, от Arthropoda (насекомых) до Chordata (позвоночных, куда входят и люди).


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

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

Пока вы находились в чреве матери, у вас не было бактерий{23}23
  «…в чреве матери у вас не было бактерий» (см. с. 29): Так считалось очень долго, но сейчас появляются свидетельства, что даже в чреве многих животных присутствуют бактерии (L. J. Funk houser and S. Bordenstein, “Mom knows best: the universality of maternal microbial transmission,” PLOS Biology 11 [2013]: e1001631). Впрочем, эта тема все еще противоречива. Скорее всего, мы точно узнаем, есть ли бактерии в чреве людей или нет, в ближайшие пару лет.


[Закрыть]. Но во время родов и после них вас колонизировали триллионы микробов. Позже рассмотрим подробнее этот потрясающий процесс. Микроорганизмы очень быстро размножаются с нуля до триллионов. В первые три{24}24
  «В первые три года» (см. с. 30): В исследовании кишечной микробиоты здоровых людей трех стран – США, Малави и Венесуэлы (в Венесуэле – только индейцев), – Яцуненко и ее коллеги, в том числе моя жена Глория, составили каталог микробов, присутствовавших у людей всех возрастов. В начале жизни у всех трех этнических групп наблюдалось заметное сходство, но вот чем старше становились люди, тем больше были различия. Возможно, самая важная находка – состав микробиоты младенцев очень отличается от такового у взрослых, но постепенно становится все более похожим на «взрослый»; этот процесс окончательно завершается в три года. (T. Yatsunenko et al., “Human gut microbiome viewed across age and geography,” Nature 486 [2012]: 222–27.) Сначала я удивился, но чем больше раздумывал на эту тему, тем лучше понимал, что так и должно быть: микробиом развивается параллельно с развитием ребенка. Это сходилось с моей гипотезой о важности младенческой микробиоты.


[Закрыть] года происходит сложный и тщательно отработанный процесс перехода от бактерий-«основателей» к последующим обитателям.

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

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

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

Больше всего микробов обитают в пищеварительном тракте – начиная с самого верха, рта. Посмотрев в зеркало, вы сразу увидите, что он разделен на несколько зон – например, зубы, язык, щеки, нёбо. У каждой по несколько поверхностей. У языка есть верх и низ. У каждого зуба несколько поверхностей, плюс место соединения с деснами. Можно смело утверждать, что на каждой живут разные бактерии{25}25
  «…живут разные бактерии» (см. с. 30): Впервые мы провели осмотр кожи молекулярными методами в 2004 году, продемонстрировав невероятное разнообразие, но при этом – симметрию между левой и правой частью. (Z. Gao et al., “Molecular analysis of human forearm superfi cial skin bacterial biota,” Proceedings of the National Academy of Sciences 104 [2007]: 2927–32.) Затем, воспользовавшись более мощными методами, другие ученые подтвердили и расширили наблюдения, показав малозаметную разницу между левой и правой руками, а также то, что на наших компьютерных клавиатурах остаются микробные сигнатуры наших отпечатков пальцев, то есть можно легко отличить вашу клавиатуру от моей (N. Fierer et al., “Forensic identifi cation using skin bacterial communities,” Proceedings of the National Academy of Sciences 107 [2010]: 6477–81). Кроме того, они показали, что в каждом из трех основных типов кожи – сухой, влажной и маслянистой – живут свои крупные популяции (E. A. Grice et al., “Topical and temporal diversity of the human skin microbiome,” Science 324 [2009]: 1190–92), и что в большей части нашей кожи, кроме ступней, доминирует одна группа грибков (K. Findley et al., “Topographic diversity of fungal and bacterial communities in human skin,” Nature 498 [2013]: 367–70).


[Закрыть]. Мы немало узнали об этом из проекта «Микробиом человека», пятилетней программы, запущенной Национальным институтом здравоохранения в 2007 году. Среди прочего в его рамках занимались секвенированием генетического материала микробов, взятых у 250 здоровых молодых людей{26}26
  «…250 здоровых молодых людей» (см. с. 30): Крупный проект «Микробиом человека», спонсированный Национальным институтом здравоохранения, добился невероятного прогресса в фундаментальных знаниях о нашем микробном составе. В важном исследовании здоровых молодых взрослых США (из Хьюстона и Сент-Луиса) были продемонстрированы контуры человеческого микробиома. (C. Huttenhower et al., “Structure, function and diversity of the healthy human microbiome,” Nature 486 [2012]: 207–14.) У этой статьи было чуть ли не столько же авторов (в том числе я), сколько подопытных, но, с другой стороны, это был очень сложный проект национальной «большой науки», который принес большие дивиденды – и будет приносить все новые, когда ученые станут пользоваться богатыми залежами информации, собранной из образцов, взятых с шестнадцати участков тела мужчин и женщин (а также с трех участков влагалища у женщин). Благодаря этому исследованию мы, например, узнали намного больше о популяции у нас во рту: верхняя часть языка, твердого нёба и щеки больше похожи друг на друга, чем на десневую борозду.


[Закрыть]. Один из основных выводов – хотя перепись бактериального населения и показала немалое сходство между подопытными – каждый человек уникален. На уровне микроорганизмов мы отличаемся друг от друга куда сильнее, чем на генетическом. Наш набор микробов – действительно наш, личный. Тем не менее существуют и общие принципы организации. Можно их рассмотреть на примере желудочно-кишечного тракта.

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

Самая богатая микроорганизмами зона во рту – десневая борозда, место между зубами и деснами. Она просто кишит ими, причем многие анаэробны – не любят кислород{27}27
  «…не любят кислород» (см. с. 31): Микробный состав десневой борозды очень обширен; по плотности он не уступает толстой кишке, а разнообразие бактерий огромно. (I. Kroes et al., “Bacterial diversity within the human subgingival crevice,” Proceedings of the National Academy of Sciences 96 [1999]: 14547–52; and ibid.). Именно в этом пространстве между зубами и деснами развивается периодонтит, и мы надеемся, что лучше разобравшись в микробной популяции и ее динамике, мы сможем лучше предотвращать или лечить эту болезнь, часто приводящую к потере зубов.


[Закрыть], даже погибают из-за него. Может показаться странным, что у нас во рту, где постоянно находится воздух, в котором, естественно, содержится кислород, живут бактерии, которые к нему очень чувствительны, но это так. Значит существуют особые ниши, в том числе очень маленькие, где могут жить и процветать анаэробные бактерии.

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

Микробы вызывают запахи не только во рту, но и везде, где они есть. В некоторых местах, например в подмышках и паху, концентрация очень высока, причем в популяциях доминируют микробы, производящие особенно пахучие вещества. Хотя сейчас с этим борются целые отрасли промышленности, их наличие не случайно. Начиная с насекомых, микробные запахи показывают, кто мы такие: кто – друзья, кто – родные, кто – враги, кто – любимые, кто – потенциальные партнеры по спариванию, а еще говорят, какое время лучше всего подходит для этого. Матери знают, как пахнут их дети, и наоборот. Запах очень важен, и по большей части создают его микробы. Он определяет даже привлекательность для комаров{28}28
  «…даже привлекательность для комаров» (см. с. 31): N. O. Verhulst et al., “Composition of human skin microbiota affects attractiveness to malaria mosquitoes,” PLOS ONE 6 (2011): e28991.


[Закрыть]! Поняв, как именно все это работает, мы сможем воспользоваться информацией, чтобы стать невидимыми или даже отвратительными для этих вредителей. Но я отвлекся.