Текст книги "Книга слизи. Скользкий след в истории Земли"

III
Организм

Вероятно, не существует живых существ, которые бы вовсе не содержали слизи. Человек в этом отношении не является исключением, однако он изучен лучше других. Барьеры из четырех разных гидрогелей охраняют наши тела так, чтобы патогены на пути в наш организм на каждом уровне оказывались перед слизистым барьером. Эти гидрогели – высокоспециализированные, адаптированные к соответствующим потребностям и взаимодействующие с иммунной системой. Обширные слизистые барьеры на контактных поверхностях организма – например, в дыхательных путях и пищеварительном тракте – взаимодействуют с миллиардами резидентных микробов, которые живут в нас и с нами, и тем самым способствуют нашему благополучию. Взаимодействие настолько тесное и непрерывное, что высшие организмы уже сложно воспринимать как отдельных индивидов. Со своим микробиомом они образуют так называемые холобионты, то есть совокупность многоклеточного организма и бесчисленного множества микроорганизмов.

Рисунок 15. Человеческая кожа со слоем ороговевших клеток в разрезе (1). Альбрехт Дюрер, отрывок из произведения «Наставление к укреплению городов», 1527 (2). Патогенная бактерия Streptococcus pneumoniae приводит к воспалению легких у человека (3)

Человек как крепость

«Я за всю свою жизнь не видел ничего, что так бы порадовало мое сердце», – писал Альбрехт Дюрер в своем дневнике о «замечательных вещах для использования человеком», которые он обнаружил в Брюсселе в августе 1520 года. Это были добытые испанскими завоевателями сокровища Монтесумы II, последнего правителя ацтеков. Изысканное общество Брюсселя увидело золотые солнца, серебряные луны и другие филигранные произведения искусства, а также оружие и дорогие одежды. Возможно, так и зародился интерес Дюрера к ацтекам, потому что годы спустя он изучал изображение великолепного города-государства ацтеков Теночтитлана, элементы которого прослеживались даже в его родном городе – Нюрнберге – и которое он впоследствии позаимствовал для собственной работы.

Это был век создания проектов на будущее. Примером тому служит «Утопия» Томаса Мора, лорда-канцлера при английском короле. Создав свой вымышленный остров, Мор дал название идеальному обществу. Именно в таком и Дюрер хотел проверить свое многогранное образование и множественные способности, будучи homo universalis. Военная безопасность была необходима, однако одного лишь строительства крепостей уже было недостаточно. Более того, оборона и гражданское общество теперь должны были существовать в идеальной гармонии и взаимодействовать по строгим принципам эстетики. Дюрер описал свою продуманную до малейших деталей каменную утопию наряду со всевозможными укреплениями в своем учении «Наставление к укреплению городов».

Человеческий организм похож на город, продуманный до мелочей, словно поле для настольной игры «Мельница», и в той же степени скучный. Ему, как и многим другим утопичным проектам, не хватает очарования органически развивающейся структуры. Как говорил Мор, «кто узнает хотя бы один город, тот узнает все города». Что же общего у идеального города и человеческого организма с его слизью? Сходство связано со сложностями, которые нужно преодолевать как в камне, так и в плоти, крови и слизи. Как можно защитить объект, на который постоянно нападают чужие армии и полчища микробов, одновременно не прерывая жизненно важные, необходимые для выживания процессы, такие как снабжение продовольствием?

Город-крепость Дюрера имеет четкую иерархическую структуру. Замок – центр управления – расположен в центре и надежно защищен. Тот, кто хотел бы узурпировать власть в таком городе, должен был бы преодолеть много улиц и оборонительных сооружений или найти черный ход. Жилые и рабочие здания, торговые лавки и конюшни – определенные функциональные единицы для Дюрера. Это отражает социальный порядок и обеспечивает эффективное разделение труда, при котором, например, кузнецы живут рядом с литейщиками, духовенство – рядом с церковью, а дворянство – рядом с ратушей и замком. Оборона, тем не менее, остается превыше всего: постоянная борьба с захватчиками накладывает отпечаток на город и людей.

Нормальное функционирование организма обеспечивают клетки как мельчайшие единицы. В зависимости от их функций они объединяются в ткани и органы, которые, в свою очередь, группируются в целые системы, например, пищеварительный тракт. Тем не менее строгий порядок распространяется не только на четкое расположение органов. К примеру, кишечник сочетает в себе две противоположные функции – защиту от патогенов и прием питательных веществ, причем делает это очень филигранно. На первый взгляд однородная ткань пищеварительного тракта поделена на сегменты. Изначально акцент делается на приеме внутрь питательных веществ, в то время как иммунная система ведет себя более сдержанно. Активная борьба с патогенами ведется в задних отделах кишечника, где она уже не может повредить пищеварению.

Там, где важнее сохранить и защитить организм, мы отчасти закрываем глаза на патогены. Тем не менее действует общий принцип: все жизненно важные процессы могут беспрепятственно протекать только тогда, когда вход, как в городе-крепости, надежно защищен и готов выдержать как внутренний мятеж, так и внешнюю агрессию. Дюрер предлагал отражать нападение противников с помощью многочисленных стен и рвов. В нашем случае первая линия сопротивления не видна, однако в организме человека происходят определенные процессы, которые помогают избавиться от патогенов. Некоторые исследователи говорят о поведенческом иммунном ответе, при котором ключевую роль играет эмоция отвращения. Тем не менее не всегда удается избежать контакта с возбудителями заболеваний, в результате чего в игру вступает физическая защита организма.

Наша кожа – наш бастион, постоянно напоминающий нам о единстве нашего организма. Стивен Коннор в своей «Книге о коже» рассказывает о сложных ритуалах бальзамирования в Древнем Египте. Первый надрез на теле считался таким чудовищным, что ответственный за процесс человек должен был тут же покинуть место бальзамирования, потому что его закидывали камнями и осыпали проклятиями. Это лицемерно, ведь надрез был совершенно необходим, поскольку бальзамировщику разрешалось работать только с уже вскрытым телом. Внешняя оболочка человека считалась неприкосновенной также и в Древней Греции.

Кожа – это очень плотный барьер, поскольку ее задача – ограничивать путешествия нежеланных гостей внутрь организма и, что еще важнее, регулировать потери воды. Будучи биологической стеной, кожа и сама защищена толстым слоем склеенных вместе клеток. Это сухая, малопитательная и кислая среда, в которой патогенам сложно поселиться. Более того, кожа и так уже заселена полезными микробами, которые приспособились к этой среде и не желают делить ее с соперниками. Попасть в организм через кожу зачастую можно только через рану. Не бывает полностью непроницаемых стен, как не бывает и крепостей без связи с внешним миром. Так и с кожей: патогены могут попробовать пробраться через одну из брешей в этой биологической стене.

К таким слабым местам относятся рот и нос, которые к тому же хуже охраняются. Структурно они обозначают переходы от плотной кожи к пористым слизистым оболочкам, которые снабжают все внутренние контактные поверхности гидрогелем, например, поверхность глаз и внутреннее ухо. Они не могут отгородиться от внешнего мира, например, с помощью кожи, в связи с чем эти зоны и сам организм становятся уязвимыми. Захватчики стремятся туда несметными полчищами. Согласно исследованию Стэнфордского университета, только во время приема пищи в организм ежедневно попадают миллиарды микробов.

Не все микробы несут опасность, но те, которые появляются в испорченной еде, а также их токсины, – однозначно. Каждый кусочек строго оценивается стражами – нашими органами чувств. Есть ли слизь? На вкус или на запах подозрительно? Если да, объект отторгается, по меньшей мере так должно быть. Существует ряд национальных деликатесов – например, японское блюдо натто, ферментированное и сброженное настолько, что оно имеет длинные вязкие нити слизи. Тот, кто с детства не привык к аромату и текстуре таких блюд, едва ли во взрослом возрасте сможет справиться с отвращением. Такой же привычки требует специфический вкус или запах, как, например, у экзотического азиатского фрукта дуриана, который можно учуять с большой дистанции.

Молекулы запаха и вкуса мы воспринимаем тогда, когда они попадают на рецепторы носа и языка, однако на этом этапе им предстоит раствориться в гелесодержащей слюне или слизи из носа. Это первая важная преграда на входе в крепость под названием «человек». «Таким образом, орган обоняния приобретает новую защитную функцию в нашем организме, – пишет Ален Корбен. – Нос, предшественник вкуса, предупреждает нас о ядовитых веществах». Ценность этой функции проявляется еще и в том, что эффективные рецепторы обоняния расположены не только в носу, но и на языке. Органы чувств в данном случае работают сообща, что объясняет, почему молекулы запаха изменяют восприятие вкуса. Этот пример также доказывает, что информация о вкусе и запахе поступает в мозг порознь – по разным каналам.

Разумеется, не стоит злоупотреблять сравнениями с городом Дюрера, однако в нем, как и в организме, оборона расставлена на разных уровнях. В случае каменных крепостей это означает, что врагам нужно сначала преодолеть ров, затем штурмовать огромные стены, а в конце сразиться с защитниками крепости или выманить их хитростью. В нашем организме четыре системы гидрогелей, тесно связанные между собой, выполняют как «гражданские», так и «военные» функции, поскольку они защищают и те поверхности, которые одновременно являются для нас спасательными кругами. Гидрогели должны останавливать врагов, снабжать организм воздухом и питательными веществами, а также следить за внутренним порядком. Тому, кто не вносит своего вклада, нет места ни в организме, ни в городе Дюрера: «Не бесполезный король должен жить в этом замке, а талантливые, мудрые, мужественные, умелые люди, способные держать замок в порядке, а также опытные воины».

Патогенам и паразитам не дозволено проходить в наш организм, однако и опухолевые клетки, к примеру, играют не по правилам. Напротив, они выходят из-под контроля, растут и распространяются без нашего согласия, да еще и с эксплуатацией ценных ресурсов. «Наемники», наоборот, желанные гости, но и с них нельзя спускать глаз. Это – микробиом, триллионная армия микроорганизмов разного рода, среди которых бактерии, археи и грибы, обитающие в основном в слизистых слоях и непременно следящие за благополучием нашего организма. Исследования сосредоточены прежде всего на бактериях, однако по численности вирусы их опережают.

Виром[5]5
  Виром – совокупность вирусов организма, вирусный биом. В его состав входят не только бактериофаги, но и другие вирусы, которые могут вызывать заболевания, при этом они могут быть в активном и неактивном состоянии. – Прим. научн. ред.


[Закрыть], или фагеом, для нас не опасен, поскольку он состоит из так называемых бактериофагов. Эти вирусы-хищники нападают исключительно на бактерии. Они находят своих жертв, потому что те прилипают к нашим муцинам и накапливаются в слоях слизи. Бактериофаги ограничивают число бактерий, населяющих наш организм, тем самым поддерживая здоровый и разнообразный микробиом. Попутно они борются с патогенами, которые движутся внутрь организма.

Но обо всем по порядку: первый уровень нашей физической защиты состоит из больших слоев геля, своего рода крепостных рвов, заполненных слизью перед входами в организм. Микробы попадают внутрь с пищей, воздухом или иным образом, застывают в геле, отфильтровываются, а затем либо вымываются из организма, либо погружаются в глубокий сон. Тем не менее вышеописанный алгоритм не всегда срабатывает. Отдельный микроб может прорваться в пищеварительном тракте через гель, однако затем попадает в слизистую оболочку под ним. Ее клетки сомкнуты плотно, просто так проскользнуть через них не получится. На этом этапе наши защитники выстраивают стену из щитов – чрезвычайно толстый гликокаликс клеток, то есть их внешнее гелевое покрытие, в молекулярной среде которого застревают многие патогены. Такие бывалые вояки как Streptococcus pneumoniae приносят с собой специальные молекулярные ножницы и прорезают дыру, тем самым поражая определенные муцины.

Рисунок 16. Гликокаликс как оболочка клетки: клетка в разрезе (а), с ядром (b), а также гликокаликсом (d), чьи молекулы (с) закреплены в мембране клетки. В зависимости от плотности муцина и других составляющих меняется внешняя форма клетки (A – D)

Энзим[6]6
  Энзимы, или ферменты, – обычно сложные белковые соединения, РНК или их комплексы, ускоряющие химические реакции в живых системах.


[Закрыть] такого типа может быть использован и в медицине. Все клетки тела одеты в гликокаликс, как в созданные индивидуально под них рыцарские доспехи. В таком случае защитные силы организма могут отличить своего от чужого, идентифицировать патогены, а также отреагировать на пересаженную ткань или неправильное переливание крови с несовместимой группой. В последних случаях защитная реакция нежелательна и может составлять угрозу жизни. В связи с этим американские ученые используют разрезающий муцины энзим кишечной палочки, чтобы создать в определенной степени безличные, универсальные клетки крови, подходящие для любого переливания. С другой стороны, важно восстановить гликокаликс. Известно, к примеру, что клеткам стенок вен необходима плотная гелевая оболочка, иначе они будут разрушены кровотоком. Дегенерация этой оболочки характерна для таких распространенных явлений как повышенное кровяное давление и апоплексический удар. Впрочем, пока остается вопросом, является ли эта дегенерация причиной или следствием болезни. Восстановление гликокаликса в любом случае важно для защиты уязвимых стенок сосудов и предотвращения дальнейшего ущерба.

Обращаясь еще раз к облику города-крепости: в нем был заложен определенный радиус, внутрь которого не разрешалось заходить конюхам и простому люду, однако стражи могли перемещаться по всей площади. Аналогично и с иммунитетом, который патрулирует весь наш организм. Все остальные, желающие свободно перемещаться по телу, должны иметь действующий билет в форме подходящего гликокаликса или подделать его, как это делают опухолевые клетки. Как правило, клетки в тканях объединяются за счет гелевых оболочек и крепятся друг к другу с помощью специального клея, еще одного гидрогеля в организме.

Внеклеточный матрикс буквально скрепляет нас подобно соединительной ткани и создает трехмерные ткани из отдельных клеток. Без него не было бы ни органов, ни мышечных волокон, ни кровеносных сосудов, ни костей, ни связок, ни сухожилий, ни хрящей, ни кожи. «Многие болезни – возможно, даже большинство болезней – это нарушение работы внеклеточного матрикса», – говорит Зена Верб, на протяжении десятилетий исследовавшая этот гидрогель и его роль при раке молочной железы. Внеклеточный матрикс, несомненно, играет роль при различных инфекциях и онкологии, поскольку он контролирует внешние и внутренние границы. Если опухолевые клетки хотят слоняться по организму и размножаться в другом месте, то они должны высвободиться из собственной соединительной ткани и встроиться в среду нового матрикса.

Для современной биомедицины очень важно изучить подобные перемещения, потому что большинство летальных исходов от онкологии наступает именно из-за метастазов. До этого ученые делали акцент на изменениях опухолевых клеток, однако теперь в центре исследования оказывается новая ткань, которая принимает опухолевые клетки в ходе миграции. Еще в 1889 году английский врач Стивен Пейджет разработал теорию «семени и почвы», согласно которой метастазирующие раковые клетки нуждаются в подходящей среде так же, как и семена нуждаются в плодородной почве. Такой подход объясняет, почему метастазы появляются не случайно и не своевольно, а, в зависимости от первоначальной опухоли, поражают конкретные органы и ткани. Также есть основания полагать, что мигрирующие раковые клетки предпочитают не случайные новые места обитания, а готовые к заселению, в том числе с соответствующим внеклеточным матриксом.

Рисунок 17. Кровеносные сосуды в разрезе, здесь в разрезе с эритроцитами (b), оснащены плотным слоем гликокаликса (1а), который, правда, разрушается при ряде болезней (2а). В таком случае клетки крови (с) и иммунокомпетентные клетки (d) могут беспрепятственно присоединяться друг к другу и провоцировать воспаления

Микробам сначала приходится преодолеть гликокаликс слизистой оболочки, чтобы попасть в матрикс. Матрикс представлен базальной мембраной, которая создает вязкий гель под поверхностью органов и тканей, то есть определенную неприступную стену в крепости под названием «человек». Все это похоже на замок Спящей красавицы, однако клетки иммунитета там не спят вековым сном, а безостановочно патрулируют наш организм, эффективно сражаясь с патогенами. Внеклеточный матрикс очень многогранен, так как он предлагает попавшим в соединительную ткань клеткам подходящую для них трехмерную среду.

Матрикс регулирует рост клеток и их объединение в функциональные ткани. Когда эти процессы будут полностью изучены, можно будет выращивать ткани, печатать их на 3D-принтере или регенерировать их в организме самостоятельно. Уже есть первые попытки и успехи в этой области. В любом случае важен каркас, окружающий клетку. Внеклеточный матрикс млекопитающих существует в комбинациях, состоящих из трехсот компонентов. Таким образом, он слишком сложен, чтобы подлежать полной замене.

Впрочем, это и не потребуется, поскольку в будущем регенеративная медицина позволит выращивать у пациентов определенный орган, который сделает трансплантации излишними. Уже сейчас существуют гидрогели нового вида: их добывают из морских водорослей и оснащают специальным сигнальным веществом по примеру внеклеточного матрикса. Это сигнальное вещество способствует созданию кровеносных сосудов. В ходе первых экспериментов этот гидрогель вводили в мышцы, чтобы привлечь нужные аутогенные клетки и создать сосуды. Другие сигнальные вещества внеклеточного матрикса, в зависимости от потребности, управляют развитием различных типов клеток, что сегодня также является важной темой в биомедицине.

Крепостные рвы, рыцарские доспехи и неприступные стены: лишь немногие патогены могут выдержать такую защитную реакцию. Но даже тот, кому удается прорваться, не сразу оказывается прямо у цели. Вирусы, к примеру, должны сперва захватить ядро клетки, чтобы подстроить этот пункт управления под себя, в частности, под процесс размножения. Правда, для этого нужно преодолеть четвертый, последний гидрогель. В отличие от замка Дюрера, управление нашим организмом хоть и скоординировано, но децентрализовано. Ядро каждой клетки содержит собственный генетический материал и отдает собственные команды, будучи отделенным от остальной части клетки специальной оболочкой. Своеобразный «импорт» и «экспорт» осуществляется через тысячи пор, каждая из которых выполняет до тысячи поставок ежесекундно. Несмотря на поразительную скорость, обмен происходит через неупорядоченный гидрогель внутри поры – зону повышенного контроля.

Через нее сложно пробраться, но есть определенные вооруженные умельцы, которые только и ждут хорошего момента для нападения. Среди микробов есть один под названием «истребитель» – слишком большой для ядра клетки и потому проделывающий дыру в ядерной мембране. Более терпеливые захватчики ждут специальной фазы жизни клетки, при которой оболочка ядра сама распадается и освобождает путь к генетическому материалу. Наконец, существуют еще и откровенные мошенники, например, вирус герпеса, показывающий фальшивый «паспорт», чтобы попасть в организм элегантно, как в троянском коне. Они способствуют локальному растворению гидрогеля, после чего пропускают внутрь своих товарищей, как будто они добросовестные путешественники.

Этот процесс – буквальная гонка вооружений между защитными силами нашего организма и чужеродными захватчиками. Впрочем, поведение каждого паразита индивидуально. Все они зависят от помощи хозяина, который для этого даже готов заглушить защитную реакцию организма. Так, например, человеческий эмбрион, по сути, являющийся чужеродным организмом, получает не только защиту, но и снабжение всем необходимым от материнского организма через пуповину. Питание происходит с помощью особой слизи: сосуды внутри пуповины не могут сгибаться, потому что они находятся в специальной соединительной ткани. Слизь, получившая название «Вартонов студень», имеет важное значение на протяжении всего срока развития плода, которое постепенно ослабевает к моменту родов и обрывает связь между матерью и ребенком.

Рисунок 18. Флюоресцирующие голубым огнетелки (Pyrosoma) состоят из сотен и тысяч отдельных организмов, объединенных в своеобразное желе (1). Эта морская улитка охотится с помощью слизистой сети (2). Спиралевидный патоген Campylobacter jejuni (3). Морское ракообразное Phronima съедает внутренности желеобразной сальпы, затем откладывает в образованную полость яйца и использует оболочку от сальпы как выводковую камеру (4)