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

Микробиом новорожденного малыша начинает формироваться во время его появления на свет. Но, развиваясь в матке, малыш также подвергается воздействию некоторых микробов (например, бактерий плаценты), что, несомненно, способствует его пренатальному иммунному созреванию.

Плацентарное сообщество бактерий немногочисленно и включает представителей таких типов, как Firmicutes, Tenericutes, Proteobacteria, Bacteroidetes и Fusobacteria. Плацентарный микробиом, похоже, сильнее всего напоминает микробиом полости рта. Разнообразие микробов здесь, по-видимому, тесно связано с пренатальным развитием малыша. В недавно проведенном исследовании группа пекинских ученых обнаружила, что плацентарные микробиомы женщин, вынашивавших детей с нормальным и недостаточным весом при рождении, значительно различались. Плаценты женщин, вынашивавших малышей с недостаточным весом тела, отличались меньшим бактериальным разнообразием и пониженным процентным содержанием лактобактерий, или лактобацилл (Lactobacillus).

Огромную роль в формировании микробного разнообразия, наследуемого будущим ребенком, играют условия жизни матери, включая диету, стрессы и прием лекарств (например, антибиотиков). А самое главное событие в процессе обсеменения новорожденного микробами – момент его появления на свет. Именно во время продвижения по влагалищу малыш заражается как вагинальными микробами, так и микробами материнской слепой кишки – начального отдела толстого кишечника, снабженного червеобразным отростком (аппендиксом). Одними из первых в кишечнике новорожденного появляются бактерии, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него – например энтеробактерии (семейство Enterobacteriaceae), которых вскоре замещают несколько разновидностей анаэробных («ненавидящих кислород») бактерий – бифидобактерии (Bifidobacterium), бактероиды (Bacteroides) и клостридии (Clostridium).

Эти микробы и являются первыми биологическими партнерами новорожденного младенца. К числу микробов относятся такие древние и чрезвычайно просто устроенные формы жизни, как бактерии, вирусы, микроскопические грибы и некоторые эукариотические существа (то есть организмы, чьи клетки содержат ядро, например дрожжи). Поскольку физиологические системы младенца активно созревают в течение первых 5–12 месяцев жизни, взаимодействие его организма с этими первыми микробными поселенцами оказывает сильное и продолжительное влияние на развитие органов и тканей.

Процесс «посева» микробиома завершают кожные контакты между матерью и ее ребенком, а также его грудное кормление. Организм малыша засевается при этом специфическими микробами, многие из которых отличаются от микробов, полученных им во время родов. Выхаживание недоношенных младенцев, предполагающий длительный кожный контакт между матерью и ребенком, получило название «метода кенгуру». «Кенгуру» не только способствует формированию кожного микробиома недоношенного малыша, но, похоже, и позволяет ему быстро догнать в развитии доношенных детей. Когда младенец подрастает и источники его пищи становятся более разнообразными, его микробиом начинает меняться.

Идеальная пища для младенца – грудное молоко. Одно из исключений из этого правила – чрезмерная зараженность грудного молока токсическими веществами, способными причинить вред ребенку. Грудное молоко не только обеспечивает организм малыша специфическими иммунными факторами, защищающими его от инфекций, но и содержит особые сахара (олигосахариды), которые наш организм переваривать не может, но которые нужны нашим микробам. Состав грудного молока словно специально рассчитан на кормление микробов, только что заселивших кишечник малыша, и способствует их созреванию на ранних стадиях жизни ребенка. По сути дела, человеческое грудное молоко содержит питательные вещества, предназначенные исключительно для микробов. Этот факт как нельзя лучше свидетельствуют о том, какую огромную важность имеет микробиом для нашего организма. Кроме того, грудное молоко, по-видимому, служит источником дополнительных микробов, передаваемых матерью ребенку во время грудного кормления, а потому является своего рода пробиотическим продуктом.

Грудное молоко содержит несколько сотен видов бактерий. Эти микробы вкупе с присутствующими в нем пребиотиками (микробной пищей) способствуют нормальному созреванию кишечника младенца. Фактически грудное молоко – первый пробиотический продукт, вкушаемый малышом. Состав микробиома грудного молока зависит от нескольких факторов – в том числе от того, каким образом ребенок появился на свет (в результате естественных родов или кесарева сечения). Неудивительно, что в грудном молоке очень много лактобацилл и других бактерий, питающихся молочной кислотой. Но это только вершина айсберга. В нем содержатся и другие бактерии, например различные виды бифидобактерий (Bifidobacterium) и золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus). Прием антибиотиков во время беременности или лактации может отразиться на концентрации бактерий в грудном молоке. Следует отметить к тому же, что молоко матерей, рожавших естественным образом, обладало бульшим видовым разнообразием бактерий и в нем присутствовало меньше видов стафилококков, чем молоко женщин, рожавших с помощью кесарева сечения. Как и другие пробиотики, содержащиеся в пище или пищевых добавках, микробы человеческого молока способны изменять метаболизм младенца и могут даже на длительное время поселиться в его кишечнике.

В свою очередь, когда кишечные микробы малыша получают свою излюбленную пищу, в результате ее расщепления они образуют метаболиты (продукты метаболизма), необходимые для нормального роста и развития ребенка. Это обстоятельство снова наводит на мысль, что грудное молоко содержит уникальные питательные вещества, предназначенные не для человеческих клеток тела младенца, а для их утилизации его микробами, которые в результате синтезируют необходимые ему витамины и прочие метаболиты. Очевидно, молочные смеси и другие суррогаты грудного молока, неспособные обеспечить вновь сформированный микробиом младенца адекватным питанием, могут изменять нормальный процесс развития этого микробиома и вызывать различные нарушения развития физиологических систем малыша. В XX столетии разработчики молочных смесей этого факта попросту не понимали: они руководствовались представлениями «старой» биологии.

Вскоре после рождения ребенка микробы заселяют и другие части его тельца, открытые для воздействия внешней среды (например, дыхательные и мочеполовые пути). Вообще говоря, о микробах пищеварительного тракта известно сегодня гораздо больше, чем о микроорганизмах других частей тела. Но этот факт отражает всего-навсего больший объем научных исследований, посвященных изучению кишечного микробиома, чем микрофлоры кожи, дыхательных путей или мочеполовой системы.

По мере роста и развития ребенка постепенно растет и созревает и его микробиом. Речь идет о настоящем партнерстве малыша с микробами, тонко приспособленными к существованию в определенных частях его тела и взаимодействиям именно с теми клетками, из которых эти части тела состоят. Каждая стадия роста и развития ребенка сопровождается изменениями как его физиологических систем, так и микробной смеси в его теле. События, происходящие с микробиомом на этих ранних стадиях, имеют критическое значение для здоровья человека в будущем. Это связано с тем, что с момента зачатия и на протяжении первых двух лет жизни малыш очень чувствителен к так называемому перинатальному программированию активности его генов. Эти периоды (окна) развития, которые в своих ранних публикациях я назвал «критическими окнами уязвимости», представляют собой этапы развития, когда внимательная забота и кормление микробиома могут принести впоследствии максимальные дивиденды. Похоже, для каждой физиологической системы существуют специфические «критические окна уязвимости», когда она особенно чувствительна к внешним воздействиям, включая и эффекты микробиома. А это значит, что формирование хорошо сбалансированного микробиома в ранней жизни повышает шансы человека на крепкое здоровье в будущем.

Мир микробов гораздо обширнее, сложнее и разнообразнее, чем мы привыкли считать. В почве и тканях некоторых растений живут бактерии, способные «фиксировать» атмосферный азот. Они могут поглощать этот газ из воздуха и превращать его в соединения (например, аммонийные), которые могут усваивать горох, соя, люцерна и другие бобовые растения, обогащая ими почву. В свою очередь, эти мутуалистические азотфиксирующие бактерии, живущие в клубеньках на корнях растений (за что их обычно называют клубеньковыми бактериями), получают от растения источник энергии – сахара.

Без преувеличения можно сказать, что сама Земля находится внутри гигантского «микробного пузыря». Как показали недавние исследования, область распространения микробов простирается до верхних слоев атмосферы с невероятно суровыми жизненными условиями. Более того, по мнению многих ученых, микробы, по-видимому, могут влиять на климат нашей планеты (а быть может, даже управлять им). Анализ недавно бушевавших на планете ураганов показал, что бактериальные сообщества в центре вращающейся воронки воздуха сильно отличаются по своему составу от обычной бактериальной флоры верхних слоев атмосферы. Ураганы – это сильные возмущения атмосферы, вызывающие резкие сдвиги в распределении атмосферных микробов по сравнению с нормой; не исключено, что события, происходящие в человеческом теле при различных «пертурбациях» микробиома, сходным образом приводят к возникновению «ураганов» в виде неинфекционных болезней.

Один из актуальных вопросов современной науки – способность микробов жить в космосе. Одну из недавно открытых бактерий, отличающуюся невероятной выносливостью, ученые дважды обнаруживали в различных установках космических агентств, которые подготавливали к отправке в космос тщательнейшим образом стерилизованные материалы. Первый из этих случаев произошел в Космическом центре Кеннеди во Флориде, второй – в Европейском космическом агентстве во Французской Гвиане. Недаром ученые присвоили этой новой бактерии название, часть которого на латинском языке означает «чистый». Имеются свидетельства, что некоторые бактерии способны выживать в суровых космических условиях. Эксперименты, проведенные на Международной космической станции, показали, что споры бактерий Bacillus pumilus, предварительно выделенных из образцов материалов ее внутренней отделки, и в самом деле сохраняли жизнеспособность после длительного пребывания в открытом космосе. Бактериальные клетки, в которые впоследствии превратились эти споры, обнаружили повышенную устойчивость к большинству повреждающих воздействий ультрафиолетового излучения.

Независимо от того, являемся ли мы суперорганизмами, возникшими здесь, на Земле, или в каких-то других местах Вселенной, ясно одно: микробы были неотъемлемой частью жизни наших древнейших предков. Необычная команда дотошных исследователей с антропологических, информационно-технологических, экологических и биохимических факультетов нескольких американских университетов изучила микробы, присутствующие в образцах экскрементов, которые были найдены во время археологических раскопок поселений древнейших человекоподобных существ. Ученые установили, что содержащиеся в этих образцах микробы во многом соответствовали микробиомам современных людей. При этом самое большое сходство было выявлено между микробиомами наших вымерших древних предшественников и современных людей, живущих в земледельческих общинах. Городской образ жизни, похоже, вызвал значительные изменения нашего микробиома, так что он стал сильно отличаться от микробиома наших самых древних из найденных до сих пор предков.

И неудивительно: ведь по мере того как на заре развития человечества менялось наше поведение и источники пищи, изменялся и наш микробиом. Австралийские ученые провели анализ ДНК микробиома ротовой полости людей на разных стадиях развития человеческой цивилизации, использовав в качестве лабораторного материала археологические находки древних зубов. Они обнаружили, что переход первобытных людей от охоты и собирательства к земледелию и скотоводству был напрямую связан с изменением бактериальных сообществ в их ротовой полости. Наш микробиом как нельзя лучше соответствует нашему образу жизни – и так было испокон века.

Смелое утверждение, что человечество обязано своим непрерывным существованием микробам и без своих микробных партнеров перестанет эффективно функционировать и даже утратит здоровье, совсем не так крамольно, как может показаться на первый взгляд. Надежный фундамент для такого представления заложила своими работами Линн Маргулис – знаменитый биолог, член Национальной академии наук США, а затем и профессор Бостонского университета. Одно время Маргулис была замужем за Карлом Саганом – астрономом, физиком и биологом, профессором Корнеллского университета и популяризатором науки, впоследствии прославившимся на весь мир благодаря телесериалу «Космос». А теперь попробуйте представить себе, какие разговоры вели эти супруги за обеденным столом! В течение нескольких лет Маргулис и Саган составляли типичную «ученую» чету, но еще до того, как к каждому из них пришла настоящая слава, их жизненные пути разошлись…

В 1967 г. Маргулис предположила, что древние бактерии имели столь критическое значение для функционирования наших собственных клеток, что последние начали поглощать их и включать в собственную структуру. Эндосимбиоз – это взаимовыгодное сосуществование двух организмов, относящихся к разным доменам жизни, при котором один из организмов обитает внутри другого. Люди, как и все другие млекопитающие, имеют клетки с ядром и относятся к домену эукариот (Eukaryota). Нашими клетками в буквальном смысле поедались одноклеточные организмы, относящиеся к домену бактерий, но не переваривались ими, а сохранялись вместе с их генами в своей цитоплазме как часть новых гибридных клеток. Такими «останками» древних бактерий являются митохондрии, находящиеся в каждой человеческой клетке за пределами ядра, где «живут» наши хромосомы и гены. Все клетки живых существ, имеющие ядро, имеют и митохондрии.

Клетки растений оснащены не только митохондриями, но хлоропластами – зелеными органеллами, осуществляющими фотосинтез, которые в незапамятные времена тоже, по-видимому, были бактериями. Как митохондрии, так и хлоропласты обеспечивают клетки энергией, но делают это совершенно иначе, нежели сами клетки. В результате вновь возникшие гибридные клетки обрели дополнительную жизнеспособность и приспособляемость.

Суть этой концепции изложена в книге «Обретение геномов» (Acquiring Genomes), написанной Линн Маргулис совместно со своим сыном Дорионом Саганом. Маргулис считала, что виды, установившие эндосимбиотические отношения с другими видами, прогрессировали в эволюционном отношении гораздо быстрее, чем «виды-одиночки». Это утверждение, очевидно, не могло прийтись по нраву сторонникам строгого дарвинизма, традиционно отстаивавших идею медленного, скучного эволюционного развития на основе мутаций. Но, в самом деле, зачем так долго ждать и надеяться на сомнительные мутации, когда можно выпросить, позаимствовать или попросту украсть полезный геном либо, на худой конец, некоторые полезные бактериальные гены? В конце концов, существуют убедительные свидетельства того, что живые существа нередко обмениваются своими генами. Результаты молекулярных исследований указывают и на то, что многие хромосомные гены эукариот, возможно, изначально возникли у архей и бактерий. Иными словами, люди – химеры. И похоже, некоторые функции, осуществляемые человеческим геномом, возникли еще у наших бактериальных прапрапредков.

Если учесть, что человеческое тело служит обиталищем мириадам микробов, и добавить к этому возможность горизонтального переноса бактериальных генов млекопитающим (включая людей), становится понятным, какой впечатляющей системой является наш суперорганизм. Человек – такой же холобионт, как и коралловый риф с его фантастическим многообразием живых существ, совместная деятельность которых создает нечто неизмеримо большее, чем просто сумма составляющих его компонентов.

Мои обязанности как исследователя-токсиколога, занимающегося изучением иммунной системы, директора проводимой в Корнеллском университете токсикологической программы и ведущего сотрудника корнеллского Центра охраны окружающей среды требовали от меня серьезных размышлений над вопросами, связанными с оценкой безопасности людей. Я думал не только о системе здравоохранения – ее истории, современном положении и будущем развитии, но и о безопасности среды, в которой мы живем. По сути дела, фундаментальный принцип токсикологии и безопасности окружающей среды был сформулирован в XVI в. знаменитым швейцарским врачом, алхимиком и энциклопедистом Парацельсом. Этот принцип и определил все дальнейшее развитие науки токсикологии. Звучит эта мантра так: «Доза делает [лекарство] ядом». На практике это значит, что вещество, безопасное и даже полезное в одних дозах, в более высоких дозах может причинить вред здоровью человека или даже убить его. Этот принцип остается главной движущей силой современной токсикологии и применяется во всем мире в соответствии с правилами безопасности, принятыми в разных странах. Он имеет силу для всей токсикологической практики за некоторыми исключениями. Так, например, в настоящее время ученые и контролирующие органы решают, существуют ли безопасные уровни содержания свинца и некоторых других тяжелых металлов в организме человека. Поскольку наши возможности оценивать пагубные эффекты свинца за последнее десятилетие значительно расширились, безопасный уровень содержания этого металла в организме нуждается в уточнении.

То, что мы считаем безопасным, безопасно ровно настолько, насколько совершенны наши методы, используемые для оценки безопасности. Хотя теория и практика токсикологии спасли несметное число человеческих жизней и за несколько столетий, истекших со времен подневольных «дегустаторов» потенциально отравленной пищи, значительно эволюционировали, дело не обошлось без многочисленных исторических «накладок». Фактически история этой науки полна неприятных сюрпризов, которые и породили твердое убеждение, будто нас может сгубить всё, что нам пока толком не знакомо.

Принято считать, что посуда из свинцово-оловянного сплава и свинцовое стекло ускорили падение Римской империи. По свидетельству шотландского врача и химика XVIII столетия Уильяма Каллена, в Средние века мышьяк считался едва ли не традиционным средством для совершения политических убийств. К этому яду частенько прибегало семейство Борджа; от отравления мышьяком, вероятно, умер Наполеон Бонапарт. К неожиданным последствиям нередко приводило и промышленное использование ртути. Английское выражение «безумен как шляпник», породившее одиозного персонажа сказки «Алиса в Стране чудес» и суперзлодея из комиксов про Бэтмена, связано с психическими расстройствами, возникавшими у шляпных мастеров вследствие вдыхания паров ртути при выделке тонкого плотного войлока – фетра. Непредвиденным рискам подвергались и другие ремесленники. Когда в XIX в. в Лондоне, Бирмингеме, Эдинбурге и других британских городах стала приобретать популярность технология гальванического серебрения изделий, многие ювелиры отправились в сумасшедшие дома или просто в могилу.

Мышьяк фигурирует в качестве орудия массовых убийств в комедии с участием Кэри Гранта «Мышьяк и старые кружева», поставленной в США в 1944 г. по написанной несколькими годами ранее одноименной пьесе Джозефа Кесселринга. А в литературе и романтических операх XIX в. нередко фигурируют более экзотические токсины, в том числе и яды, полученные из тропических растений. Так, например, главная героиня последней оперы Дж. Мейербера «Африканка» вдыхает ядовитый аромат цветов манцинеллового дерева (манцинеллы), млечный сок которого богат самыми разнообразными токсинами. Другое ядовитое дерево, приобретшее зловещую литературную славу, – анчар, произрастающий в некоторых регионах Юго-Восточной Азии. Содержащиеся в нем токсины вызывают нарушение сердечной деятельности. Но, для того чтобы эти соединения приобрели силу смертельного яда, подстегнувшего творческое вдохновение деда Чарлза Дарвина, Эразма Дарвина, русского поэта Александра Пушкина и других, их концентрацию необходимо увеличить с помощью перегонки млечного сока дерева.

В бытность директором токсикологической программы мне иногда приходилось писать краткие аннотации на статьи, публиковавшиеся в научном разделе газеты New York Times и посвященные различным аспектам здравоохранения и токсикологии. Спектр затрагиваемых в них вопросов был очень широк – от «Какие продукты можно сочетать с голубыми плесневыми сырами, чтобы не умереть?» до вопросов, связанных с токсичностью косточек некоторых фруктов (например, абрикосов). Дело в том, что в косточках содержится вещество амигдалин, которое при воздействии желудочной кислоты образует ядовитый цианид. Тогда мне и в голову не могло прийти, что публикация этой статьи в конце концов приведет к выявлению некоего импортируемого пищевого продукта, буквально начиненного амигдалином, который долгие годы подвергал опасности здоровье жителей Манхэттена.

Природа вообще богата токсическими веществами. Кожный яд тропических лягушек древолазов и по сей день используется коренными жителями Южной Америки: они натирают им наконечники охотничьих стрел. Зерно, семена и плоды многих растений могут быть заражены грибками, вырабатывающими сильнейшие яды афлатоксины; человека, отведавшего такие продукты, ждет неминуемая болезнь и смерть. Но, если вокруг столько ядов, как же нам удается оставаться в живых?