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

В недавнем отчете некоммерческого Фонда семьи Г. Дж. Кайзера проблема врожденных пороков и «неполноценного поколения» рассматривается под иным углом зрения. В документе говорится, что НИЗ повинны в смерти миллионов людей, что сегодня они – главная причина ограниченной трудоспособности. Речь идет о нарушениях физических возможностей, связанных с врожденными пороками, о которых я уже говорил выше, но, с точки зрения Фонда семьи Кайзера, причина их – НИЗ, а не дефектный микробиом, порождающий эти самые НИЗ. Кроме того, в отчете подчеркивается необходимость ранних медицинских вмешательств: обходятся они дешевле и оказываются успешнее, чем лечение пациентов, у которых уже возникло одно или несколько НИЗ в процессе взросления. Агентства Всемирной организации здравоохранения также уже официально признали связь между НИЗ и нарушениями трудоспособности. Кроме того, в рамках своих программ и партнерских инициатив эту связь признала и Генеральная Ассамблея ООН. Дисфункции микробиома, НИЗ и нарушения трудоспособности практически неразделимы. Это и составляет природу нынешней эпидемии инвалидности и основу стремительного роста доли населения с ограниченными возможностями.

Два социолога из Центра социальной интеграции и изучения ограниченных возможностей Университета штата Мэн исследовали проблему нарушения трудоспособности и границ восприятия «целостного человека» или, по определению самих ученых, диапазонов восприятия «человеческих качеств». Среди интересных тем, затронутых Элизабет Депой и Стивеном Джилсоном, два вопроса вызывали особый интерес в свете недавних прорывов в изучении микробиома – что значит быть человеком и в каких границах люди способны признавать человеческие качества в атипичном человеческом теле?

Мне кажется, что, рассуждая о готовности людей признавать «атипичность», Депой и Джилсон главным образом имели в виду ограничение физических возможностей человека, о которых можно судить по тем или иным внешним признакам. Для компенсации утраченных функций человек может использовать технические приспособления, заметные для окружающих. Но реальность такова, что эти нарушения принимают самую разную форму. Распознать некоторые из них невооруженным глазом не так-то просто, и приспособления для их компенсации к настоящему времени еще не созданы. Ведь младенец с неполным (недоукомплектованным) микробиомом или взрослый человек с дисфункциональным микробиомом никому не покажутся «атипичными». Очевидные признаки ограниченных физических возможностей могут появиться у такого человека только в том случае, если он заболеет определенным НИЗ. О том, что собой представляет ребенок, лишенный микробов, нам уже известно. В самом начале своего университетского обучения я как-то побывал в Далласе, где столкнулся с необычной ситуацией: на свет должен был появиться новорожденный, контакт которого с микробами, по мнению врачей, неминуемо привел бы его к смерти. Пытаясь хоть как-то спасти жизнь малыша, доктора умышленно поместили его в стерильные условия.

В 1971 г. известность получил случай Дэвида Веттера, родившегося с генетической недостаточностью иммунной системы. Воздействие микробов не помогло бы иммунной системе Дэвида окрепнуть, потому что ее попросту не было. Ребенка могли убить любые патогенные микробы. Поскольку его родители уже потеряли одного ребенка, находившегося точно в таком же состоянии, к моменту рождения Дэвида врачи пребывали в полной боевой готовности. Малыш родился в результате кесарева сечения и был тут же помещен в стерильный пластиковый пузырь, надежно защищавший его от микробов. В этом «коконе» Дэвид провел 12 лет. У ребенка не было ни иммунной системы, ни микробиома, который мог бы созревать одновременно с ним и позволить его организму биологически функционировать в окружающем мире. Мальчик трагически умер в 1984 г. после неудачной попытки трансплантации костного мозга, приведшей его к заражению вирусами Эпштейна-Барр, которые вызвали серьезные осложнения.

Люди с отсутствующим или дефектным микробиомом внешне ничем особенным не выделяются. Тем не менее у них, как правило, отмечаются метаболические нарушения и высокая уязвимость к широкому спектру болезней зрелого возраста. В этом-то и состоит главная проблема. Увидеть свой микробиом нельзя, а потому определить на глазок, насколько серьезен его дисбаланс, невозможно. Но дефекты и нарушения – видите ли вы их или нет – никуда не деваются. В случае Дэвида Веттера они стали очевидными лишь потому, что вследствие иммунодефицита ребенка пришлось изъять из нормального окружающего мира и, чтобы обеспечить его выживание, поместить в полностью искусственные условия.

Несмотря на значительный прогресс социальной интеграции людей с ограниченными возможностями во многие сферы общественной жизни, распространяющиеся сегодня эпидемии НИЗ и связанные с ними нарушения порождают целый ряд проблем:

1. Нарушения здоровья, связанные с НИЗ, ограничивают доступность некоторых элементов среды, которыми могут пользоваться другие люди.

2. Постоянно растущее число людей с ограниченными физическими возможностями, обусловленными НИЗ, означает, что в обществе становится все меньше тех, кто может чувствовать себя в безопасности в разных средах.

Опасность состоит в том, что все большее количество людей оказывается строго ограничено определенной средой, где они могут функционировать, не подвергаясь риску.

Проблемы, с которыми сталкивается общество, где многие люди вынуждены вести борьбу за безопасное взаимодействие с различными средами, вторглись и в жизнь нашей семьи. Прежде чем стать научным редактором, моя жена работала в Университете штата Нью-Йорк в Бингемтоне, где занималась расстройствами способностей к обучению. Ее работа состояла в разработке и практическом внедрении специальных переходных программ для студентов с нарушениями способностей к обучению, синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), расстройствами аутистического спектра (РАС) и травматическим повреждением мозга. Когда в 1994 г. она начинала практиковать здесь в качестве интерна, под ее присмотром было всего шесть студентов, и работа казалась ей легкой и приятной. Но затем количество ее подопечных стало быстро расти – сначала за счет студентов с СДВГ, а в XXI веке – с синдромом Аспергера.

Студенты с синдромом Аспергера – по сравнению с их сокурсниками с нарушениями других типов – требуют гораздо более интенсивной личной поддержки, поскольку испытывают значительные трудности при перемещении между различными социальными средами. Взрослых молодых людей с РАС (например, синдромом Аспергера) ждет нелегкая жизнь, так как обычно им требуется основательная поддержка со стороны других людей. Возникает закономерный вопрос: кто будет оказывать им эту поддержку, если число нуждающихся в ней членов общества постоянно растет? По данным некоммерческой организации Asperger/Autism Network, взрослым людям с синдромом Аспергера нередко требуется помощь в выполнении таких рутинных дел, как оплата счетов, уборка дома или поддержание надлежащего распорядка дня. Если они не живут вместе с родителями, лучший выход для них – заручиться помощью соседей по дому или квартире.

Университеты стараются держать ситуацию под контролем. Но повышение квалификации работников, помогающих таким студентам, не может решить проблему: число молодых людей с нарушениями неуклонно растет, причем настолько значительно, что канадские университеты, например, уже начали специализироваться на оказании поддержки группам студентам с определенным типом отклонений, в частности с синдромом Аспергера. Но ведь психические и когнитивные расстройства – это всего-навсего одна из многочисленных категорий нарушений развития, которые возникают всё чаще и затрагивают все физиологические системы человека (иммунную, нервную, пищеварительную, сердечно-сосудистую, метаболическую, дыхательную и мочеполовую). В США в период между 1980 и 2005 гг. число студентов с нарушениями развития увеличивалось вдвое быстрее, чем общая численность студентов. В 1999/2000 учебном году эта страна потратила 77,3 млрд долларов на образование и поддержку студентов с ограниченными возможностями.

Но речь идет не только о деньгах. Профессиональный опыт моей жены заставляет ее беспокоиться главным образом о том, что если эпидемия нарушений развития, связанных с НИЗ, и дальше продолжится такими же темпами, то рост ограниченно трудоспособного населения начнет превышать возможность заботиться о них. Министерство здравоохранения и социальных служб США еще в 2001 г. опубликовало тревожный отчет о росте числа молодых людей с различными расстройствами и катастрофической нехватке патронажных работников. Необходимо найти решение этой проблемы до тех пор, пока жертвы этой эпидемии не окажутся без всякой поддержки.

Чем сильнее мы страдаем от НИЗ, осложняющих нам и без того нелегкую повседневную жизнь, тем ниже мы склоняем перед ними голову, тем покорнее пытаемся смириться с ограничениями и защититься от внешних невзгод. Иногда люди даже отказываются от социальных взаимодействий – общественных мероприятий и общения с друзьями, родными и деловыми партнерами. Вспомним хотя бы лорда Саймона, известного члена британского парламента. Видный политик и государственный деятель, из-за сильной аллергии он был вынужден избегать больших скоплений людей. На первый взгляд, казалось бы, просто маленькое неудобство, но кто знает, какие возможности может упустить человек, который занимает важный государственный пост, но не способен свободно общаться с согражданами?

Все чаще срываются торжественные праздничные обеды, свадебные приемы, корпоративные застолья, летние пикники, банкеты и даже обычные семейные ужины. Их устроители должны позаботиться о том, что их гости могут страдать пищевыми аллергиями, непереносимостью продуктов или иметь диетические ограничения по медицинским показаниям (например, связанные с диабетом). Кроме того, могут потребоваться дубликаты кухонной утвари и посуды, дополнительные запасы продуктов и их отдельное хранение. Необходимо сохранять этикетки и ярлыки от всех используемых продуктов – на случай, если придется их изучить! С каждым годом прием гостей превращается для хозяев во все более тяжкое испытание. Сегодня мы беспокоимся по поводу пищи гораздо сильнее, чем прежние поколения.

Ученик колледжа покидает родной дом и направляется на учебу в университет, обрекая себя на питание фастфудом. И совсем скоро он начинает пропускать занятия из-за приступов аллергии. Продукты, которые требуются одному студенту, легко могут убить другого. Посещение комнаты приятеля в общежитии может обернуться для его сокурсника вызовом скорой помощи.

Членам одной семьи, как правило, удается кое-как приспособиться к особенностям своих близких, связанным с питанием и прочими экологическими аспектами здоровья. Но когда дети с аллергиями, пищевой непереносимостью, диетическими ограничениями или нарушениями развития вследствие НИЗ заканчивают школу и отправляются в университет, они сталкиваются с серьезными проблемами. В 2009 г. Министерство юстиции США получило жалобу на Университет Лесли в г. Кембридже (штат Массачусетс) по поводу инцидента, связанного с пищевыми аллергиями и целиакией. В жалобе утверждалось, что в раздел III Закона о гражданах США с ограниченными возможностями следует включить широкий спектр пищевых аллергий. В результате судебного урегулирования этого вопроса было решено считать пищевые аллергии особой формой ограниченных возможностей, а университетским сервисным службам было вменено в обязанность относиться к ним соответствующим образом. Другие университеты сочли, что это решение суда распространяется на все высшие учебные заведения, и теперь не только по-другому организуют питание в кампусе, но даже размещают студентов в общежитии, сообразуясь с «комплектом» ограниченных возможностей, обусловленных НИЗ. Очевидно, люди лишаются еще одного преимущества социальной жизни и еще одной свободы, которой они пользовались испокон века – возможности собираться вместе за трапезой. И эта перемена напрямую связана с проблемами микробиома, пищеварительными расстройствами и сбоями в созревании иммунитета.

Как скрытая, так и явная физическая сегрегация людей существовала на всем протяжении человеческой истории и осуществлялась под влиянием самых разных факторов. Самыми значительными из них были расовая принадлежность, религия, стиль жизни (например, оседло-земледельческий или кочевой), политика и богатство. Даже столетия назад генетически родственные кланы и племена стремились контролировать собственные территории и жить обособленно от чужих кланов и племен. Несмотря на попытки групп к смешению, в разных частях света такое разделение наблюдается по сей день (например, в Индии, где сохранилась кастовая система, или в уже упомянутых колониях для прокаженных).

Впрочем, до сих пор только две многочисленные группы людей, страдающих различными нарушениями, отделялись от всех остальных: это пожилые люди, нередко имеющие функциональные расстройства и поселившиеся в специальных домах, интернатах, пансионатах и общинах, а также дети и молодые люди с отклонениями аутистического спектра, посещающие специальные школы и проживающие в особых жилых комплексах. Такие учреждения были созданы с целью оказания более эффективной и квалифицированной помощи этим группам людей. Однако некоторые авторы отмечают, что попытки обеспечить этих людей специальным уходом и/или специальным образованием сами по себе могут непреднамеренно привести к усугублению сегрегации. Несмотря на принятые законы, способствующие социальной интеграции детей с ограниченными возможностями, эта проблема остается актуальной и сегодня. Если связанная со сверхчувствительностью неспособность людей объединяться в группы в пределах какой-нибудь среды (например, школы или класса) лишь усиливается, будет усугубляться и сегрегация.

А теперь посмотрим, что могло бы произойти, если бы у людей вообще не возникали аллергии, аутоиммунные заболевания, метаболические, неврологические и поведенческие расстройства или если бы у страдающих ими людей могла восстанавливаться утраченная по их вине функциональность. В этом случае исчезли бы многие факторы, усугубляющие разрыв между людьми. На протяжении многих тысячелетий люди были социальными животными, и усилия, которые мы можем предпринять, чтобы стать более выносливыми, менее взаимозависимыми и более открытыми для человеческих взаимодействий, пошли бы на пользу не только нам самим, но и всему окружающему миру.

5. Генный обмен и переключения генов

В предыдущих главах этого раздела книги я не раз подчеркивал, что громадное большинство клеток и генов нашего суперорганизма являются микробными, а не человеческими, и объяснял, почему это обстоятельство имеет такое важное значение для физического благополучия людей и понимания природы человека. Факт, что более 99 % генов нашего тела приходится на долю микробиома, а не наших хромосом, – одно из самых сенсационных открытий в этой области знаний. Но что это значит? Допустим, некий продукт на 99 % лишен лактозы. Для большинства людей, чувствительных к лактозе, он будет полезным: его умеренное потребление позволит им избежать целого ряда расстройств. Но чем гены отличаются в этом отношении от лактозы? Или вы всерьез считаете, что 1 % человеческих генов оказывает на наш организм большее влияние, чем 99 % микробных генов? Как станет ясно в дальнейшем, ответ на этот вопрос, скорее всего, будет отрицательным, и связано это не столько с общим количеством тех и других генов, сколько со скрытым от наших глаз разнообразием их взаимодействий. Оба генома – человеческий и микробный – работают взаимосвязанно. Порой даже трудно определить, является ли тот или иной эффект результатом активности микробных или человеческих генов. Все клетки и гены нашего суперорганизма имеют очень древнее происхождение, и, хотя порой оно весьма туманно, они, безусловно, тесно взаимосвязаны и взаимозависимы.

Существует два основных механизма генетической регуляции с участием микробов и генов наших хромосом. Назовем их генным обменом и переключениями генов. Когда речь идет о генном обмене, нас в первую очередь интересуют прежний и настоящий обладатели генов и место, где они обосновались после обмена. Под переключениями генов подразумевают их рабочее состояние – включены они или выключены подобно настольной лампе. Обмен и переключения генов – главные инструменты, с помощью которых микробы утверждают свои права в нашем суперорганизме.

Одно из главных недавних открытий в биологии – способность организмов обмениваться генами. Кто бы мог вообразить такое?! Те самые частицы, которые, как мы привыкли считать, делают нас людьми и определяют наши отличия от других существ, на самом деле являются предметом купли-продажи и просто обмена на своего рода рынке-толкучке. Оказывается, их можно продавать, словно товары на рынке, или просто отдавать в дар.

Исследователи, изучающие генный обмен, первым делом пытаются выяснить происхождение того или иного гена – появился ли он в результате обмена? Это почти равнозначно попытке определить, от каких далеких предков берут начало все гены, имеющиеся сегодня в наших хромосомах. А это, на мой взгляд, все равно что по очереди разглядывать всех современных жителей США и пытаться ответить на вопрос: где была родина древнейших предков всех этих людей? США – это плавильный котел множества народов, которые веками мигрировали из других регионов, стран и частей света в определенную географическую область Северной Америки. Эта миграция продолжается и в наши дни. Большинство предков людей, проживающих сегодня в США, первоначально жили в других частях света, и, соответственно, большинство их генов также имеют иноземное происхождение. Люди могут двигаться и перемещаться из одних мест в другие. Такой же способностью, оказывается, наделены и гены. А потому главной темой этой главы будет перемещение.

Прежде всего следует определить, какие биологические структуры имеют микробное происхождение, а какие свойственны нам как представителям группы млекопитающих. Как отмечалось в предыдущем разделе, одно из крупнейших открытий XX в. в области биологии было связано с напоминающими бактерий крошечными «энергетическими станциями» наших клеток – митохондриями. Эти органеллы находятся в цитоплазме – студенистом веществе клетки, окружающем ядро. По мнению большинства современных ученых, митохондрии – это остатки древних микробов (бактерий), которых в незапамятные времена каким-то образом поглотили наши предковые клетки, потому что эти бактерии могли использовать кислород для выработки энергии, а клетки-захватчики этого делать не могли. Митохондрии позволили этим клеткам использовать более разнообразные источники энергии, а о пользе диверсификация источников энергии говорит хотя бы тот факт, что сегодня это одна из главных новостных тем в глобальном масштабе: чтобы защитить Землю от экологической катастрофы, разные страны мира пытаются освоить альтернативные способы получения энергии. А если митохондрии произошли от микробов, то и содержащиеся в них гены первоначально были микробными генами. Ядро же – главная структура наших клеток – на все 100 % досталось нам от млекопитающих. И содержащиеся в ядре хромосомы никогда не компрометировали себя межвидовыми обменами и трансферами. Или все-таки компрометировали?

Главный способ, с помощью которого наши хромосомы могут приобрести ген от организма другого вида, представляет собой процесс, получивший название горизонтального переноса генов. В результате этого процесса организм одного вида передает часть генетического материала находящемуся по соседству организму другого вида (такими организмами могут быть существа разных видов, живущие внутри суперорганизма). Горизонтальный перенос генов может быть односторонним или двусторонним, то есть принимать форму обмена генами. Нередко в результате такого обмена один вид получает преимущества очень быстро, а другой – медленно. Это напоминает ситуацию, когда банк единовременно предоставляет клиенту всю сумму денег, необходимую для покупки нового дома (первоначальное преимущество для клиента-заемщика), но затем новый домовладелец вынужден в течение десятилетий погашать свой долг, включая выплату процентов (долгосрочное преимущество для банка).

Горизонтальный перенос генов осуществляется на протяжении жизни одного поколения живых организмов. Этим он отличается от вертикального переноса генов, который происходит во время размножения и предполагает перенос генов между поколениями – от родителей потомству. При вертикальном переносе генов у людей мать и отец передают свои хромосомы (через яйцеклетку и сперматозоид) будущему ребенку, развивающемуся из оплодотворенного яйца (зиготы). Кроме того, во время родов мать передает ребенку свой микробиом: так осуществляется вертикальный перенос микробных генов. Вертикальный перенос генов, о котором ученые знают давно, долгое время считался единственным способом передачи генетического материала. Горизонтальный перенос генов стал известен науке сравнительно недавно. Этот принципиально иной процесс предполагает межвидовое «перескакивание» генов. На первый взгляд он напоминает простое межвидовое «рукопожатие», но на самом деле немного сложнее и загадочнее.

В 1950 г. выпускница Корнеллского университета, генетик Барбара Макклинток, показала, что гены и в самом деле обладают подвижностью, могут «прыгать» и менять свое местоположение – по крайней мере на хромосомах в пределах клеточного ядра. Прошли десятилетия, прежде чем это революционное открытие было в полной мере оценено учеными и удостоено Нобелевской премии. Но, если гены и впрямь такие прыгучие, не могут ли они перескакивать между клетками организмов разных видов?

Предварительные результаты, опубликованные в 1950-х гг., показали, что такой процесс и в самом деле возможен между некоторыми бактериями, одной из которых является возбудитель дифтерии – дифтерийная палочка (Corynebacterium diphtheriae). Гены, перенесенные в этот микроб бактериальными вирусами бактериофагами, влияли на его вирулентность, то есть способность вызывать болезнь. Позднее ученые обнаружили, что бактериофаги могут переносить между бактериями различных видов и гены, обеспечивающие устойчивость микробов к антибиотикам.

Оказывается, человеческое тело – необычайно удобная конструкция для горизонтального переноса генов. Было установлено, что микробы, входящие в состав нашего микробиома, используют в качестве «толкучки» для обмена генами кишечник. Лишь совсем недавно ученые обнаружили, что различные виды бактерий, живущие в одном и том же месте человеческого тела, время от времени обмениваются друг с другом своими генами. Но может ли горизонтальный перенос генов осуществляться в том случае, если реципиентом генов является сложно устроенный организм – растение, животное или даже человек?

Вопрос о горизонтальном переносе генов у высших организмов, включая людей, дискутируется уже более десятилетия; одновременно обсуждаются и предположения, происходит ли при этом обмен генами или их однонаправленный перенос. В 2005 г. был продемонстрирован горизонтальный перенос генов между двумя видами растений – рисом и просом. Рис рисом – а как насчет людей? Могут ли микробные гены не только обосновываться в человеческих хромосомах, но и передаваться затем от родителя к ребенку во время размножения? В одном из наиболее убедительных на сегодняшний день исследований группа ученых из Кембриджского университета под руководством Алестера Криспа сфокусировала внимание на человеческих генах, обладающих замечательным сходством с генами бактерий, архей и грибов.

В человеческом геноме (то есть геноме, свойственном нам как млекопитающим), были идентифицированы десятки или даже сотни чужеродных генов – вероятно, микробного происхождения; похоже, многие из них кодируют белки с уникальной ферментной активностью. Благодаря таким функциям эти микробные гены наделяют наши клетки способностями к утилизации химических веществ, которые в противном случае у них попросту отсутствовали бы. Присутствие микробных генов в наших хромосомах вызывает ряд важных вопросов. Вписывается ли межвидовой горизонтальный перенос и скачки генов в дарвиновскую теорию эволюции? Имеет ли право «древо жизни», отображающее родственные узы между видами и ход эволюции, на существование в своем привычном виде или же оно представляет собой нечто иное? Быть может, оно больше похоже на раскидистое дерево пекана или грецкого ореха, сплошь опутанное огромными паутинными гнездами гусениц белой американской бабочки (Hyphantria cunea)? А если так, то какая часть этой «конструкции» приходится на дерево, а какая – на паутину гусениц?

Горизонтальный перенос генов от микробов человеку – сравнительно недавнее открытие, и никто еще полностью не уверен, что этот механизм – единственное объяснение присутствия микробных генов в человеческом геноме. Но свидетельства о существовании обмена генами между микробами, с одной стороны, и растениями и животными, с другой, настолько убедительны, что исключение людей из этого широко распространенного биологического процесса было бы явной натяжкой, граничащей с допущением, что в биологическом плане люди не имеют ничего общего с большинством животных. Сегодня большинство дебатов по этому поводу касается времени, когда происходили такие переносы генов, и видового спектра позвоночных, которых они затронули.

Древний перенос генов от микробов в хромосомы наших предков-млекопитающих означает, что некоторые из приблизительно 1 % человеческих «млекопитающих» генов на самом деле не имеют никакого отношения к млекопитающим. По крайней мере некоторые из тех генов, что присутствуют сегодня в наших хромосомах, попали в них из микробов. Таким образом, чем глубже мы всматриваемся внутрь себя, тем меньше остается от нас «человеческого», того, что не испытало бы на себе влияния микроорганизмов. Но если эти заимствованные у микробов гены позволили нам выполнять полезные, прежде недоступные для нас функции, значит, и эти функции, по сути дела, тоже имеют микробное происхождение. Таким образом, генный обмен, снабдивший наши человеческие клетки генами микробного происхождения, сделал границу между той частью нашего организма, которая свойственна нам как млекопитающим, и нашим микробиомом весьма расплывчатой.