Текст книги "Человеческий суперорганизм. Как микробиом изменил наши представления о здоровом образе жизни"

Но может быть, рекламируя «новую биологию», я лишь напускаю еще больше туману вокруг таких извечных вопросов, как природа Человека и Вселенной? Это не так. Я твердо убежден, что новое биологическое мировоззрение в конечном итоге изменит всю нашу жизнь – и изменит ее в лучшую сторону. Это изменение произойдет очень постепенно, но оно неизбежно отразится и на качестве медицины, и на безопасности людей и окружающей их среды. Изменит оно и наше понимание межличностных взаимодействий. Не исключено, что оно даже приведет к изменению культурного и политического климата на планете.

Но первым делом нужно поближе познакомиться с той невидимой, но в высшей степени полезной частью нашего организма, о которой и шла до сих пор речь, – нашим микробиомом.

2. Экология суперорганизма

Главное различие между «старой» биологией, рассматривающей человека как обособленный организм определенного вида, и «новой» биологией, считающей его суперорганизмом, состоящим из множества видов, – сложная сеть экологических взаимодействий. Экология – это наука о взаимодействиях живых организмов друг с другом и с окружающей их средой. В этих взаимодействиях могут участвовать растения, животные и микробы или же представители всех этих групп живых существ одновременно. Звучит довольно просто! Попробуем копнуть глубже.

Когда я учился в университете, мне пришлось сдавать множество трехчасовых письменных экзаменов по самым разным разделам биологии. Одним из таких разделов была экология. Этот экзамен требовал особенно тщательной подготовки, поскольку экология не была основным предметом моих интересов или образования. А в Корнеллском университете в то время преподавали несколько блестящих экологов. Доставшийся мне экзаменационный вопрос особой сложностью не отличался: «Что такое экологическая ниша?» В дискуссиях об эволюции нам часто приходится слышать, как какой-нибудь организм достиг эволюционного расцвета, потому что нашел нишу, где, возможно, не было особо острой конкуренции за жизненно важные ресурсы. Не помню, как в точности я ответил тогда на этот вопрос, но сейчас, 39 лет спустя, я вспоминаю, что для внятного ответа на него мне пришлось за три часа исписать 30 листов бумаги. Я помню, с каким волнением ожидал результатов этого и других экзаменов, поскольку от них во многом зависели мои дальнейшие академические перспективы. По иронии судьбы результатов экзамена по экологии я так и не дождался. Мне сообщили, что двое-трое профессоров-экологов, составлявших экзаменационные вопросы и оценивавшие ответы на них, так и не смогли прийти к согласию относительно моей писанины.

Как издавна повелось в науке, новые выдающиеся идеи в конце концов побеждают старые. Иногда эта борьба сопровождается громкой шумихой; иногда новые научные представления зарождаются постепенно и почти незаметно. Но, пожалуй, чаще всего этот процесс можно сравнить с длительными родами после первой беременности: здесь и неопытность, и тревога, а нередко и сильная боль. Но рождение новых научных идей может приносить и блаженную радость – точно так же, как и результаты родовых мук.

Доводы в пользу иного, более экологического, понимания человека убедительно прозвучали во вступительных фразах статьи Дэвида Релмана «Познавая самих себя», опубликованной в журнале Nature. Релман пишет, что «начало XXI века ознаменовалось возникновением главного направления в биомедицинских исследованиях – изучением молекулярных и генетических основ сущности человека. Как ни удивительно, своей биологией и индивидуальностью мы, похоже, во многом обязаны микробам, живущим внутри нас и на поверхности нашего тела, и осознание этого факта обещает радикальное изменение принципов и практики медицины, здравоохранения и вообще фундаментальной науки». Релман указывает на то, что микробы настолько сильно влияют на нашу сущность, что нам даже не всегда легко отделить самих себя от их эффектов. Биологическая идентичность и здоровье человека тесно переплетены с биологией его партнеров-микробов.

Пропаганда экологии в популярной культуре нередко напоминает мыльные оперы или телевизионные реалити-шоу типа «Когда животные атакуют!». Для разъяснения идей, пропагандируемых этой книгой, лучше подойдут менее «кусачие» и жестокие названия телефильмов – что-нибудь вроде «Когда виды взаимодействуют». Рассуждая на эту тему, мы обычно имеем в виду взаимодействия, которые можно наблюдать со стороны. Так, на ум сразу же приходит египетская цапля на спине коровы, коала в кроне эвкалипта, жующий листву этого дерева, или подлетающая к цветку пчела. А я сразу же представляю при этом своего одержимого голубями пса, которые, по его мнению, постоянно вторгаются на его территорию. На самом же деле понятие экологического взаимодействия носит более широкий характер и описывает взаимоотношения между видами, разделяющими общее жизненное пространство – например человеческое тело.

Для описания различных типов взаимодействий между видами ученые используют различные названия. Так, если взаимодействия между двумя видами идут на пользу обоим партнерам, они называются мутуализмом. Если пользу от взаимодействий получает лишь один из партнеров, а на другом партнере они никак не отражаются, речь идет о комменсализме. И наконец, при паразитизме выгоду от взаимодействий получает один вид, а другому они идут во вред. В человеческом суперорганизме едва ли не каждый день реализуются все эти три типа экологических взаимодействий. Правильно обращаясь с тысячами видов составляющих его живых существ, мы пребываем в добром здравии. И по большей части вся эта экосистема, представляющая нас во всей нашей неповторимой сложности, складывается помимо нашей воли – в соответствии с законами природы.

Большинство из нас впервые знакомятся с паразитами, давая своим собакам лекарства от сердечных червей филярий и других глистов. Многие знают о паразитических ленточных червях и соблюдают надлежащие меры предосторожности при стряпне и приеме пищи, а некоторые, возможно, умышленно заражались круглыми червями анкилостомами для лечения аллергий и некоторых аутоиммунных заболеваний (так называемая гельминтотерапия). Менее известен тот факт, что малярию тоже вызывает паразит, живущий в красных кровяных тельцах (эритроцитах). Этот паразит – микроб из группы простейших, называемый плазмодием (Plasmodium). Из сотен видов плазмодиев, поселяющихся в организме различных животных и растений, пять видов способны заражать людей и вызывать малярию. Паразитизм – самая простая и наименее интересная, по крайней мере, для этой книги, форма межвидовых взаимодействий. Действительно, иногда некоторые паразиты приносят пользу своим хозяевам, но в общем и целом они причиняют им вред – сказать об этих существах что-либо новое трудно. Мы никогда не хотели иметь паразитов внутри нашего тела, не хотим этого и сейчас.

Гипотеза биологически полноценного человека зиждется на двух важных экологических понятиях. Первое из них – комменсализм. В переводе с латыни это слово буквально означает «еда за одним столом» или «совместная трапеза», чем, собственно говоря, и занимаются тысячи видов наших партнеров-микробов. Комменсализм свойствен большинству микробов, живущих на поверхности и внутри нашего тела, но, как правило, не вызывающих инфекций. Обычно их называют комменсалами или комменсальными бактериями. Основы терминологии, связанной с комменсальными бактериями, были разработаны еще во времена «старой» биологии. Это важно отметить потому, что сегодня наши отношения с большинством этих микробов рассматриваются совершенно иначе, чем прежде.

Согласно представлениям нашей старой биологии, кишечные бактерии извлекают пользу из партнерских отношений с людьми, поскольку способны утилизировать перевариваемую нами пищу. Прежде считалось, что на наш организм присутствие этих микробов не оказывает ни положительного, ни отрицательного влияния. Теперь же мы знаем, что практически каждый микробный компонент нашего микробиома оказывает определенное воздействие либо на наш собственный организм, либо на присутствующих в нем других микробов.

Многие взаимоотношения между нашим телом и микробами носят не комменсальный, а мутуалистический характер (мутуализм – второе ключевое понятие экологии, означающее взаимовыгодные связи между видами). Возьмем, к примеру, некоторых бактерий, переваривающих сахара, которые присутствуют в материнском молоке и не могут перевариваться нашим организмом. Это бактериальное пищеварение и образование разнообразных пищевых метаболитов обеспечивают грудного ребенка необходимыми для его развития питательными веществами, получить которые иным путем он не может. Но пищу при этом получают и сами бактерии. Таким образом, выгоду из сложившихся партнерских отношений извлекают и клетки растущего тела млекопитающего, и живущие в нем бактерии.

Мы, как «хозяева» микробов, получаем от них огромную пользу: они способствуют созреванию наших физиологических систем. До тех пор, пока тело новорожденного малыша не заселят определенные микроорганизмы и не помогут его развитию, его организм остается «недоукомплектованным», то есть биологически неполноценным (отсюда и гипотеза биологически полноценного человека). И такая экологическая ситуация должна сохраняться на протяжении всей человеческой жизни.

Вплоть до недавнего времени иммунологи полагали, что организм новорожденного ребенка снабжен всем необходимым для нормального функционирования иммунной системы. Этому учили и меня на лекциях по иммуногенетике в университете. А возникло такое представление потому, что иммунологи, подсчитывая и маркируя клетки, воочию видели, что при рождении ребенка в его организме, казалось бы, присутствуют все клетки иммунной системы. Ошибочность этого вывода основывалась на допущении, что все эти клетки были полностью созревшими, нормально функционировали и присутствовали в крови в надлежащих соотношениях.

Но в действительности доступные методы подсчета и маркировки клеток не давали ученым сколько-нибудь ценной информации о событиях, происходящих в тех случаях, когда иммунная система подвергается серьезным испытаниям – как, например, при инфекциях. Здесь-то и заблуждались иммунологи, воспитанные в традициях «старой» биологии. Если иммунные клетки не «подрастают» в организме ребенка бок о бок со своими партнерами-микробами, когда-нибудь впоследствии его иммунная система будет отвечать на такие воздействия неадекватными реакциями. Если наш организм не содержит полного комплекта микробных партнеров, мы обречены на расстройства и заболевания, основанные на иммунных дисфункциях. Вот как все просто!

В качестве моделей для разработки действенных подходов к пониманию экологии человеческого организма полезно рассмотреть две хорошо изученные экологические системы нашей планеты. Это тропические дождевые леса, произрастающие в экваториальных регионах Земли, и коралловые рифы у морского побережья некоторых континентов. Эти примеры не дадут нам заново изобретать велосипед, когда мы будем разбираться в нашей собственной экологии, включающей микробиом.

В документальном фильме про микробиом, вышедшем в 2014 г. под названием «Микророждение» (Microbirth), для описания партнерских отношений между микробами и развивающимся организмом малыша я прибег к аналогии с пышным, богатым жизнью тропическим дождевым лесом. Подобно участкам нашего тела, заселенным разнообразными микробами, здоровый дождевой лес изобилует живыми существами – их великое множество. По мнению ученых, дождевые леса занимают всего 2 % общей площади земной суши, но при этом в них обитает более 50 % всех живущих на Земле видов растений и животных. Эти леса имеют огромное значение для благосостояния человечества и планеты в целом, а также представляют собой отличную модель для изучения видов при изменении условий окружающей среды.

Недавно большая группа ученых провела перепись видов живых существ на трех участках амазонского дождевого леса. Они обнаружили, что в общей сложности здесь произрастает примерно 16 000 видов деревьев. Но в разных участках леса эти виды представлены неодинаково. По данным Комитета по охране природы, на участке тропического дождевого леса площадью около 10 кв. км может обитать до 700 видов деревьев, 400 видов птиц и 150 видов бабочек. Но эти цифры не отражают вклад в эту экосистему редких видов живых существ. А в нашем организме редкие виды микробов могут отвечать за жизненно важные физиологические функции.

Дождевые леса богаты не только изумительной красоты птицами и бабочками – здесь живет и множество лекарственных растений. Этнофармакология – область медицины, изучающая использование лекарственных растений в аборигенных культурах – сегодня превратилась в самостоятельную науку, приверженцы которой выпускают несколько научных журналов и объединены в научные сообщества. Препараты, получаемые из лекарственных растений, применяются для лечения самых разных болезней и включают самые разные средства – от противораковых лекарств до природных противомикробных снадобий. Вот лишь два примера: противомалярийное средство хинин, выделенное из коры хинного дерева, и антилейкемические препараты, полученные из катарантуса (розового барвинка).

В 1990-х гг. мне посчастливилось работать бок о бок с Томасом Айснером: в те времена мы оба были научными сотрудниками Корнеллского центра по охране окружающей среды. Основатель химической экологии, Айснер был активным и деятельным сторонником проведения в дождевых лесах широкомасштабной «химической разведки»: по его мнению, это могло бы обеспечить человечество новыми лекарственными препаратами и одновременно способствовало бы сохранению биологического разнообразия тропических дождевых экосистем. Он не только пропагандировал этот род деятельности, но и активно сотрудничал с фармакологическими компаниями и природоохранными организациями с целью ее практической реализации. Всякий раз, когда речь заходит об экологической безопасности людей, я невольно ощущаю, какое большое влияние на меня оказали идеи Айснера.

Дождевой лес можно условно разделить на несколько «этажей» – ярусов. Над лесным пологом возвышаются деревья в несколько десятков метров: их кроны получают самое большое количество солнечного света и атмосферных осадков. Кроме того, они очень эффективно осуществляют фотосинтез. На верхних ярусах полога живут многочисленные животные – обезьяны, ленивцы, попугаи и другие пернатые, бабочки и т. д. В здоровом дождевом лесу низкорослые деревья получают лишь рассеянный солнечный свет и гораздо меньшее количество осадков. Кроме того, здесь не бывает сильных порывов ветра.

Растения, образующие подлесок, обычно существуют в условиях повышенной влажности и более низких температур – ведь они постоянно находятся в тени. Этот ярус леса отличается высокой сыростью. Филодендроны и многие другие зеленые обитатели подлеска превратились в популярные комнатные растения. Животные представлены здесь древесными змеями, амфибиями, носухами и крыланами.

К числу обитателей самого нижнего яруса дождевого леса – лесной подстилки – относятся муравьеды и другие крупные звери, а также термиты, муравьи, скорпионы и гигантские дождевые черви. Именно здесь происходит важнейший процесс в жизни леса – разложение растительного материала. Живущие в лесной подстилке бактерии и грибы разрушают мертвые ткани и высвобождают питательные вещества в почву для их повторного использования растениями и животными.

Девственные дождевые леса поражают красотой и разнообразием. Но в наши дни они интенсивно уничтожаются. Вырубка деревьев на древесину, под строительство дорог и поселений приводит к дроблению лесных массивов на все более мелкие участки и превращение лесных угодий в сельскохозяйственные. Череду событий, сопровождающих утрату лесом биоразнообразия, и общие последствия вырубки лесов можно использовать в качестве удобных моделей для прогнозирования событий, которые могут произойти в результате сокращения биоразнообразия нашего собственного суперорганизма.

Слишком интенсивная вырубка деревьев-великанов, возвышающихся над пологом дождевого леса, оборачивается печальными последствиями не только для живущих на них существ, но и для животных и растений, населяющих нижние ярусы. Катастрофические изменения лесной экологии вызывает расчистка леса под сельскохозяйственные угодья, когда за считаные дни исчезают обширные участки джунглей. Менее очевидные изменения вызывает сооружение лесных дорог. В результате их прокладки увеличивается число деревьев, вынужденных расти на границе леса, где сильно изменяются характер ветров, уровень освещенности и влажности, а эти факторы могут оказывать сильное влияние на рост и устойчивость некоторых древесных пород. Животные, использующие такие деревья в качестве источников пищи и/или укрытий, будут вынуждены покинуть их. И если они не найдут им равноценной замены, это может привести к изменению численности и динамики популяций.

Если исчезнет защитный лесной полог, живущие под ним растения подлеска окажутся подверженными всем изменениям местного климата. При изменении окружающих условий и истончении лесного полога в подлесок устремятся потоки прямого солнечного света. В результате в этом ярусе леса усилится испарение воды и повысится температура воздуха. А это в свою очередь приведет к оскудению источников корма животных и уменьшению количества доступных для них укрытий. События будут следовать друг за другом по принципу домино.

Вырубка леса и изменение условий окружающей среды сильно влияют как на биоразнообразие экосистемы в целом, так и на численность каждого из населяющих ее видов живых существ. При изменении среды и видового разнообразия возникает «эффект домино»: изменения одной группы живых существ вызывают изменения других групп. Недавно такую зависимость обнаружила международная группа ученых, изучавшая видовой состав популяций растений и грибов на границах между дождевым лесом и сельскохозяйственными землями.

Второй, не менее полезный пример экологических взаимодействий между многочисленными видами живых существ – жизнь кораллового рифа. Мало кто видел красоту коралловых рифов воочию, но почтовые открытки не врут. Они действительно представляют собой одно из величайших сокровищ природы. Коралловые рифы – не только богатые жизнью морские экосистемы с непропорционально высоким биоразнообразием на единицу площади, но и защитные барьеры для береговых линий и очищающих воду мангровых лесов. Три самых крупных коралловых рифа на Земле – это Большой Барьерный риф у побережья Австралии, барьерный риф, протянувшийся вдоль побережья Белиза (Центральная Америка), и Флоридский риф неподалеку от островов Флорида-Кис. Коралловые рифы образованы мириадами известковых скелетов коралловых полипов – крошечных морских животных, близких родственников актиний. Твердый наружный скелет защищает полипа и служит опорой его мягкому нежному тельцу.

Кораллы живут в симбиотических отношениях с водорослями зооксантеллами. Водоросли обеспечивают кораллы кислородом и энергией, вырабатываемыми в процессе фотосинтеза. Кроме того, водоросли образуют сахара, служащие кораллам дополнительным источником пищи в бедной питательными веществами среде. Кораллы дают водорослям неорганический углерод (в виде углекислого газа) и подкисляют микросреду, облегчая тем самым процесс фотосинтеза для водорослей. Различную окраску кораллам придают в большей степени водоросли, нежели полипы. На коралловом рифе или поблизости от него обитают тысячи видов живых существ, и их выживание напрямую связано с жизнеспособностью рифа. Среди наиболее распространенных его обитателей – морские коньки и другие рыбы, омары, губки, голожаберные моллюски, морские змеи, морские звезды, морские ежи, двустворчатые моллюски и улитки.

Коралловые рифы, как и люди, имеют бактериальных и вирусных партнеров. Изучение сложных взаимодействий между различными обитателями коралловых рифов дает ученым ценные ориентиры для понимания сосуществования человека с его многочисленными партнерами-микробами, а также тех рисков, которыми чревато снижение его собственного внутреннего биоразнообразия. С коралловым рифом связано возникновение понятия «холобионт», введенного в науку в 1992 г. биологом-теоретиком Дэвидом Минделлом. Холобионт – это организм-хозяин вместе со своими симбионтами, то есть сосуществующими с ним живыми организмами других видов. Таким образом, холобионт – это группа организмов, симбиотический комплекс, который изменяется в процессе эволюции. В случае кораллового рифа холобионтом является вся совокупность составляющих его видов, каждый из которых зависит от жизни рифа в целом.

Недавно ученые использовали коралловый риф во всем его видовом многообразии в качестве аналога для описания жизни человека вместе с его микробными партнерами. Человек также является холобионтом. И если человеко-микробный холобионт «недоукомплектован», по сути дела он представляет собой дефектный организм – биологически неполноценное существо. Человеческий микробиом подвержен повреждениям и разрушению точно так же, как и коралловые рифы. Последствия этих процессов тоже схожи – они предсказуемы и потенциально катастрофичны.

Кораллы очень чувствительны к изменениям окружающих условий и порой повреждаются от одного лишь прикосновения ласта аквалангиста или лодочного якоря. Загрязнение воды, инфекционные болезни, чрезмерный вылов рыбы, использование рыболовных сетей, цунами, штормы и климатические изменения – все эти факторы могут сильно повредить здоровью рифа. Как и в случае тропического дождевого леса, многочисленные виды, жизнь которых неразрывно связана с жизнью рифа в целом, тесно взаимодействуют друг с другом, так что любое изменение в состоянии одного из видов неизбежно отразиться и на состоянии других. Коралловым рифам нужна чистая вода: для осуществления фотосинтеза партнерам кораллов, водорослям, требуется много солнечного света. Загрязнение воды и заиливание моря, связанные с жизнью крупных прибрежных городов и землечерпательными работами, могут лишить водоросли достаточного количества света. А это повышает риск заболевания и разрушения кораллового рифа в целом.

Поскольку своей красивой расцветкой кораллы обязаны полезным микроводорослям, существует простой способ оценки их состояния: ухудшение здоровья водорослей приводит к обесцвечиванию кораллов. Они утрачивают свои яркие цвета и предстают перед ныряльщиками в виде белеющих в воде невзрачных известковых конструкций. На протяжении последних десятилетий обесцвечивание кораллов во всех морях планеты постоянно усиливается.

Другой тип разрушения кораллов обнаруживает поразительное сходство с эпидемией ожирения среди людей. Он связан с интенсивным ростом крупных разновидностей водорослей, не обеспечивающих жизнедеятельность коралловых полипов. Эти макроводоросли способны погубить многих обитателей рифов. Чрезмерное содержание питательных веществ в морской воде вследствие ее загрязнения в сочетании с недостаточным поеданием крупных водорослей рыбами может привести к опасному разрастанию этих вредных «морских сорняков». Этот процесс во многих отношениях напоминает развитие воспаления, связанного с ожирением, у людей. Чрезмерное потребление питательных веществ вызывает такие изменения в нашей собственной экосистеме, которые привлекают микробных партнеров, нуждающихся в этих специфических «нутриентах ожирения» и в свою очередь еще сильнее изменяющих нашу внутреннюю среду. Когда морская вода становится чрезмерно питательной и начинают разрастаться крупные водоросли, жизнеспособность кораллового рифа снижается. Если населяющие риф рыбы не в состоянии достаточно быстро уничтожать эти водоросли, риф начинает погибать.

В последнее время человечество наконец-то обратило должное внимание на плачевное состояние тропических дождевых лесов, коралловых рифов и других сложных биологических экосистем. Мы все острее осознаем биологические риски, связанные с разрушением этих природных комплексов, и все четче представляем себе и благотворные факторы, обеспечивающие их жизнеспособность, и пагубные влияния, приводящие к их гибели. В этой связи возникает важный вопрос: когда же наконец люди проявят такую же озабоченность состоянием своей собственной внутренней экосистемы и начнут принимать такие же действенные меры по ее защите от разрушения?