Текст книги "Телесный разум. Как тело влияет на наши мысли, чувства и воспоминания"

Рассмотрим историю об AncestryDNA – коммерческой компании, которая анализирует ДНК за определенную плату. Однажды мужчина по имени Барри вошел в систему Ancestry и нашел совпадение со своей ДНК. Его поразило известие о том, что у него есть дочь, и он пригласил ее на ужин в честь Дня благодарения, чтобы познакомиться. Помимо того, что родственники были рады своему воссоединению, они узнали еще об одном сюрпризе: они оба оказались специалистами по генеалогии.

ДНК – это врата к длинной линии предков, которые сделали возможным наше нынешнее существование.

Я всем сердцем верю, что чем больше мы узнаём о себе и чем больше понимаем элементы, влияющие на нашу жизнь, тем более разумной, радостной и осмысленной жизнью мы сможем жить. Хотя на этом пути и могут быть сюрпризы, большинство людей сочтут подобное путешествие полезным.

ДНК, как мы уже узнали, находится в митохондрии и ядре клетки. Долгое время ядро клетки, заключенное в мембрану, считалось «командным центром» – клеточным эквивалентом мозга. Однако эта гипотеза в настоящее время оспаривается рядом ученых, которые считают, что именно клеточная мембрана, а не ядро, представляет собой «мозг» клетки.

По словам клеточного биолога Брюса Липтона, одного из ведущих представителей нового типа ученых, клеточная мембрана содержит рецепторные и эффекторные белки[251]251
  Клеточная мембрана содержит рецепторные и эффекторные белки: Lipton, B. H. (2001). «Insight into cellular consciousness.» Bridges, 12(1), 5.


[Закрыть]. Рецепторы функционируют как молекулярные наноантенны (приставка «нано-» обозначает очень маленький размер), которые контролируют как внутреннее, так и внешнее состояние клетки. Рецепторы мембраны функционируют как сенсорные нервы, а эффекторные белки – как двигательные нервы, генерирующие действие. Поэтому вполне разумно сравнить клеточную мембрану – с ее затворами и каналами – с транзистором для обработки информации и органическим компьютерным чипом[252]252
  Органическим компьютерным чипом: Lipton, B. H. The Biology of Belief: Unleashing the Power of Consciousness, Matter & Miracles. (Santa Rosa, Calif.: Mountain Of Love/Elite Books, 2005).


[Закрыть]. Следовательно, мембрана всех клеток может быть еще одним местом, где могут храниться какие-либо данные.

За последние 30 лет наномикроскоп[253]253
  Наномикроскоп: Contera, S. Nano Comes to Life: How Nanotechnology Is Transforming Medicine and the Future of Biology (Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2019).


[Закрыть] (атомно-силовой микроскоп, или АСМ) показал, как белки извлекают энергию из окружающей среды и выполняют задачи, необходимые для поддержания функционирования организма. Именно с помощью этих и более совершенных микроскопов родилась наука о нанотехнологиях. Нанотехнологии исследуют наноразмерный мир отдельных молекул. Ученые в этой сфере работают над созданием гибридных биоорганических устройств, имитирующих биологические процессы и предназначенных для использования в новых компьютерах и электронных устройствах, в частности микрочипах.

Микрочип, как известно большинству людей, представляет собой набор электронных схем на маленькой пластине (чипе) из полупроводникового материала, обычно кремния. Интегральные схемы сегодня используются практически во всем электронном оборудовании, что в свое время произвело революцию в мире электроники. Компьютеры, мобильные телефоны и другие цифровые приборы в настоящее время являются неотъемлемой частью структуры современного общества, что стало возможным благодаря низкой стоимости производства интегральных схем. В микрочипе площадью размером с ноготь может быть несколько миллиардов транзисторов и других электронных компонентов, а ширина каждой проводящей линии в цепи будет становиться все меньше и меньше по мере развития технологии.

В 1997 году австралийский исследовательский консорциум, возглавляемый Б. А. Корнеллом из Австралийского национального университета в Канберре, опубликовал статью в журнале Nature, в которой показал, что клеточная мембрана не только выглядит как компьютерный чип, но и фактически действует как таковой. Корнелл и его коллеги успешно превратили биологическую клеточную мембрану[254]254
  Биологическую клеточную мембрану: Cornell, B. A., Braach-Maksvytis, V., Pace R., et al. (1997). «A biosensor that uses ion-channel switches.» Nature, 387, 580–583.


[Закрыть] в чип с цифровым считыванием.

Другое австралийское исследование, на этот раз проведенное Исследовательской группой по функциональным материалам и микросистемам (RMIT) в Мельбурне, преуспело в создании первой в мире электронной клетки долговременной памяти с использованием функционального оксидного материала в виде ультратонкой пленки, что в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. Руководитель проекта Шарат Шрирам сказал: «Способность создавать очень плотные и сверхбыстрые аналоговые клетки памяти открывает возможность для имитации сложных биологических нейронных сетей[255]255
  «Для имитации сложных биологических нейронных сетей»: Nili, Hussein, Walia, Sumeet, Sriram, Sharath, et al. (2015). «Donor-Induced Performance Tuning of Amorphous SrTiO3 Memristive Nanodevices: Multistate Resistive Switching and Mechanical Tunability.» Advanced Functional Materials, 25(21), 3172–3182.


[Закрыть]». Другими словами, биологические нейронные сети все еще меньше и быстрее, чем любое устройство, которое лучшие ученые мира могут создать.

В 2010 году тайваньские ученые представили новый компьютерный микрочип, который в то время был самым маленьким устройством в своем роде – всего девять нанометров в поперечнике (один нанометр равен одной миллиардной части метра). Директор лаборатории Ян Фу-лян сказал, что с помощью этой технологии чип площадью один квадратный сантиметр сможет хранить миллион изображений или сто часов 3D-фильмов[256]256
  Миллион изображений или сто часов 3D-фильмов: Yang Fu-liang Savage, Sam (2010). «Scientists Create World’s Smallest Microchip.» RedOrbit.com. https://www.redorbit.com/news/technology/1966110/scientists_create_worlds_smallest_microchip/.


[Закрыть].

В 2015 году команда из Мичиганского университета создала не только очень маленький микрочип, но и самый маленький в мире функционирующий компьютер размером менее одного кубического миллиметра – в наперстке поместится почти 150 таких устройств. Названный Michigan Micro Mote[257]257
  Michigan Micro Mote: June, Catharine (2015). «Michigan Micro Mote (M3) makes history as the world’s smallest computer.» University of Michigan. https://ece.engin.umich.edu/stories/michigan-micro-mote-m3-makes-history-as-the-worlds-smallest-computer.


[Закрыть], или M3, этот нанокомпьютер обеспечивает обработку, хранение данных и беспроводную связь. Чипы предназначены для совместной работы с другими чипами, которые в совокупности называются «умная пыль» (англ. smart dust)[258]258
  «Умная пыль» (англ. smart dust): Templeton, G. (2014). «Smart dust: a complete computer that’s smaller than a grain of sand.» ExtremeTech. http://www.extremetech.com/extreme/155771-smart-dust-a-complete-computer-thats-smaller-than-a-grain-of-sand.


[Закрыть].

Ближе к концу 2020 года инженеры из Техасского университета создали самое маленькое устройство по хранению памяти[259]259
  Самое маленькое устройство по хранению памяти: Hus, S. M., Ge, R., Akinwande, D., et al. (2020). «Observation of single-defect memristor in an MoS2 atomic sheet.» Nature Nanotechnology, 16, 58–62.


[Закрыть] на сегодняшний день. Они сократили поперечное сечение области микрочипа всего до одного квадратного нанометра. «Научный святой грааль» по размерам приближается к тому, что управлять функцией памяти способно устройство величиной с атом. Создавая чипы все меньших размеров, инженеры стремятся снизить энергопотребление чипов и увеличить их производительность, что поможет создать более быстрые, умные и экономичные устройства.

Какое отношение это имеет к клеточной памяти? Эти открытия показывают, что невероятное количество информации можно уместить в крошечное пространство, что убеждает нас в возможности осуществления того же процесса в живых клетках.

В Массачусетском технологическом институте Тимоти Лу – член группы синтетической биологии – и другие ученые разрабатывают схемы в бактериальных клетках[260]260
  Разрабатывают схемы в бактериальных клетках: Chen, A. Y., Zhong, C., Lu, T. K. (2015). «Engineering living functional materials.» ACS Synthetic Biology, 4(1), 8-11.


[Закрыть], буквально программируя их для хранения и вычисления данных. И поскольку каждая позиция ДНК может кодировать четыре разных фрагмента информации – цитозин (C), гуанин (G), аденин (A) и тимин (T) – вместо двух в классических кремниевых чипах, ДНК может когда-нибудь позволить нам хранить больше данных в меньшем пространстве. Те же свойства, которые делают ДНК отличным генетическим кодом для живых организмов, делают ее и желательным материалом для хранения данных на компьютерах.

В 2013 году Нику Голдману и его группе из Европейского института биоинформатики удалось закодировать все сонеты Шекспира в ДНК[261]261
  Закодировать все сонеты Шекспира в ДНК: Goldman, N., Bertone, P., Chen, S., Dessimoz, C., LeProust, E. M., Sipos, B., and Birney, E. (2013). «Towards practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA.» Nature, 494(7435), 77–80.


[Закрыть]. Как будто этого было недостаточно, в 2017 году исследователи из Гарвардской медицинской школы взбудоражили весь научный мир, закодировав в геномах живых бактерий пять кадров из классической серии фотографий «Лошадь в движении» 1870-х годов – ранней предшественницы фильмов. «Эта работа демонстрирует, что подобная система может принять и стабильно хранить практические объемы реальных данных в геномах популяций живых клеток[262]262
  «В геномах популяций живых клеток»: Shipman, Seth L., Nivala, Jeff, Macklis, Jeffrey D., and Church, George M. (2017). «CRISPR-Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria.» Nature, 547(7663), 345-doi:10.1038/nature23017.


[Закрыть]», – написал ведущий автор исследования Сет Л. Шипман.

Джордж Черч – генетик из Гарвардского университета[263]263
  Джордж Черч – генетик из Гарвардского университета: Church, G. M., Gao, Y., and Kosuri, S. (2012). «Next-generation digital information storage in DNA.» Science, 337(6102), doi: 10.1126/science.1226355.


[Закрыть] и один из авторов нового исследования – недавно закодировал свою собственную книгу «Регенезис» в бактериальную ДНК, после чего сделал 90 миллиардов ее копий. «Рекордный тираж», – иронично сказал он в интервью. ДНК как компактный и стабильный носитель информации представляет собой преобразующую концепцию в биологии и компьютерных технологиях.

Очевидно, что ДНК обладает потенциалом для хранения огромного количества информации. В настоящее время мы знаем, что представляет собой часть этой информации, но большая ее часть до сих пор остается terra incognita[264]264
  Terra incognita (лат.) – неизвестная земля; незнакомая область. – Прим. ред.


[Закрыть]. Она похожа на темную сторону Луны и может быть невидима, но мы знаем, что она существует. Я предполагаю, что воспоминания о нашей жизни и жизни наших предков хранятся в неисследованной области ДНК, клеточной мембране и цитоскелете.

Резюме

Человеческая клетка – удивительная биологическая сущность. Трудно по-настоящему оценить, как что-то настолько маленькое может содержать так много информации и выполнять так много функций. Это напоминает мне матрешку – набор деревянных кукол уменьшающегося размера, помещенных одна в другую. Представьте, что внешняя кукла представляет собой Вселенную, внутрь которой вставлена наша Галактика, затем Земля, затем люди, затем клетки, затем атомы, а затем и субатомные частицы. Но, в отличие от матрешки, все эти системы, осознаем мы это или нет, связаны и постоянно влияют друг на друга.

МЫ ЖИВЕМ В ЭПОХУ, КОГДА БОЛЬШИНСТВО ИЗ НАС РАЗБИРАЕТСЯ В МИКРОЧИПАХ И КОМПЬЮТЕРАХ ЛУЧШЕ, ЧЕМ В КЛЕТОЧНОЙ БИОЛОГИИ.

За последние полвека мы наблюдали, как компьютеры, которые занимали огромные пространства в университетских лабораториях и функционировали с небольшим объемом памяти, уменьшались в размерах – некоторые теперь достигают размеров в 1 × 16 мм – при экспоненциальном увеличении объема памяти. И микрочипы, хранящие огромные объемы памяти в очень маленьком пространстве, уже не кажутся нам чем-то необычным.

Клеточная мембрана, обладающая всеми характеристиками микрочипов, помимо выполнения других функций, также управляет производством белков, которые шифруют воспоминания. Это относится ко всем клеткам организма – как к корковым, так и к соматическим (клеткам тела). В то время как общепринятая в науке точка зрения гласит, что воспоминания в мозге расположены в синапсах, доказательства, приведенные в главе о мозге, убедительно показали, что инграммы хранятся в нейрональных клетках.

Сегодня интеллект определяют как способность понимать окружающую среду и приспосабливаться к ней, используя унаследованные способности и приобретенные знания. Для того чтобы применять полученные знания, необходимо обладать памятью.

В клетке воспоминания расположены по крайней мере в трех частях: клеточной мембране, цитоскелете с его нанотрубками и клеточном ядре с ДНК и РНК. Это относится ко всем клеткам, включая стволовые.

Клетки общаются со своими соседями и оказывают им помощь в случае, если те подвергаются стрессу или болезни. Ткани взрослого человека сохраняют записанную в их ДНК память об эмбриональных клетках, из которых они возникли. Также мы узнали, что конусы роста аксонов содержат большую часть молекулярного механизма независимой клетки, включая белки, участвующие в росте, метаболизме, передаче сигналов и многих других процессах, и что крошечные отделения в дендритных ветвях кортикальных нейронов могут выполнять сложные операции по математической логике.

Основываясь на доказательствах, какими бы нелогичными они ни были, мы можем заключить, что клетки в наших телах действительно разумны и образуют существенный и необходимый субстрат телесного разума.

Ключевые выводы

♦ Клеточные мембраны корковых и соматических клеток умеют хранить информацию;

♦ воспоминания также хранятся и внутри клетки;

♦ ДНК – это клеточный эквивалент iCloud;

♦ каждая клетка может хранить огромный объем информации;

♦ основные механизмы, с помощью которых функционируют нервы, – ионные каналы, нейромедиаторы и электрические синапсы – существуют во всех участках тела;

♦ сборки биологических клеток работают совместно с нейронными сетями;

♦ клетки помнят свое прошлое, начиная с момента зачатия.

Глава пятая
Интеллект одноклеточных организмов

Считается, что одноклеточные организмы являются древнейшей формой жизни, возраст которой предположительно составляет 3,8 миллиарда лет. Изучение одноклеточных организмов – опасная территория для ученого. Это минное поле из оставшихся без ответов вопросов. Одна из трудностей состоит в том, чтобы определить понятие жизни или провести различие между растениями и животными[265]265
  Определить понятие жизни или провести различие между растениями, организмами и животными: Различия между организмами и животными – см. статью в Википедии: http://wikidiff.com/organism/animal.


[Закрыть][266]266
  Одна из трудностей состоит в том, чтобы определить понятие жизни или провести различие между растениями, организмами и животными. В научном сообществе слово «организм» означает отдельное, целостное живое существо (животное, растение, гриб или микроорганизм), а животное – это многоклеточный организм, который обычно подвижен, клетки которого не заключены в жесткую клеточную оболочку (в отличие от растений и грибов) и который получает энергию исключительно за счет потребления других организмов (что отличает его от растений).


[Закрыть]. Эксперты расходятся во мнениях относительно того, живые ли вирусы или, что гораздо более спорно, являются ли таковыми прионы[267]267
  Прионы – особый класс инфекционных патогенов, не содержащих нуклеиновые кислоты. – Прим. пер.


[Закрыть]. Однако многие ученые все же считают, что бактерии являются самыми маленькими живыми организмами на земле.

В предыдущей главе мы говорили о том, что представляет собой интеллект[268]268
  Что представляет собой интеллект: Humphreys, Lloyd G. (1979). «The construct of general intelligence.» Intelligence, 3(2), 105–120.


[Закрыть], и на основе этого определения ученые находят признаки интеллекта у различных одноклеточных и многоклеточных животных. У этих организмов, или животных, – а именно ими они и являются – нет мозга и даже нейронов. Тем не менее они, похоже, способны к обучению, принятию решений, целенаправленному поведению и запоминанию[269]269
  Принятию решений, целенаправленному поведению и запоминанию: Guan, Q., Haroon, S., Gasch, A. P., et al. (2012). «Cellular memory of acquired stress resistance in Saccharomyces cerevisiae.» Genetics, 192(2), 495–505.


[Закрыть] – по крайней мере, когда дело доходит до атакующих их вирусов. Они чувствуют и изучают свое окружение[270]270
  Они чувствуют и изучают свое окружение: Rennie, John and Reading-Ikkanda, Lucy (2017). «Seeing the Beautiful Intelligence of Microbes.» Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/the-beautiful-intelligence-of-bacteria-and-other-microbes-20171113/.


[Закрыть], общаются с соседями и адаптируются, учитывая множество факторов.

Большие достижения в молекулярной медицине привели к открытию огромного количества микроорганизмов, называемых микробиомом, в кишечнике. Параллельно с изучением бактерий в целом и бактерий в кишечнике в частности мы также рассмотрим концепцию нервной регуляции пищеварительной системы, которая связывает центральную и кишечную нервную системы. По этому маршруту обмен информацией происходит в обоих направлениях.

Бактерии

Как правило, бактерии имеют форму сфер, стержней или спиралей. Кишечная палочка (E. coli) – бактерия, наличие которой говорит о фекальном загрязнении пищевых продуктов, – в длину достигает около 7 мкм (равно семи микронам), а в диаметре – 1,8 мкм. В среднем в грамме почвы содержится 40 миллионов бактериальных клеток, а в миллилитре пресной воды – один миллион. На Земле насчитывается примерно 5×10³⁰ бактерий, образующих биомассу, превышающую совокупную массу всех растений и животных вместе взятых[271]271
  Превышающую совокупную массу всех растений и животных вместе взятых: См. статью в Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteria.


[Закрыть].

Долгое время считалось, что бактериальные клетки, когда-то описанные как «мешки с ферментами», практически не имеют внутренней структуры. Бактерии, в отличие от одноклеточных организмов (например, слизевиков, которых мы будем обсуждать чуть позже), не имеют мембран-связанного ядра. Их генетический материал обычно представляет собой кольцевую хромосому со связанными с ней белками и РНК, расположенными в цитоплазме, в неправильной формы зоне, называемой нуклеоидом. Однако недавно исследователи из Макгиллского университета обнаружили бактериальные органеллы[272]272
  Исследователи из Макгиллского университета обнаружили бактериальные органеллы: Ladouceur, A. M., Parmar, B., Weber, S. C., et al. (2020). «Clusters of bacterial RNA polymerase are biomolecular condensates that assemble through liquid-liquid phase separation.» bioRxiv. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.16.994491v1.full.pdf.


[Закрыть], участвующие в экспрессии генов, из-за чего предположили, что бактерии могут быть не такими простыми, как мы привыкли думать.

У Escherichia coli, бактерий, которые были объектами исследования ученых из Макгиллского университета, органеллы удерживаются вместе при помощи липких белков, а не мембраны. Ученые называют эту систему разделением фаз, которая может быть универсальным процессом для всех типов клеток и, вероятно, была вовлечена в само происхождение жизни на Земле.

Бактерии вступают в бесконечную битву с вирусами и сталкиваются с нитями нуклеиновой кислоты, известными как плазмиды. Чтобы пережить этот натиск, бактерии и археи[273]273
  Археи – одноклеточные микроорганизмы, похожие на бактерии, но отличающиеся от них в определенных аспектах химической структуры, таких как состав клеточных стенок. Археи обычно живут в экстремальных условиях, часто в очень жаркой или соленой среде. Несмотря на их морфологическое сходство с бактериями, археи обладают генами и несколькими метаболическими путями, которые более тесно связаны с генами эукариотов (группа организмов, включающая растения, животных и грибы), а также с ферментами, особенно участвующими в транскрипции и трансляции (Трансляция – осуществляемый рибосомой процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), происходящий на клеточном уровне; реализация генетической информации. – Прим. пер.). Археи также являются частью микробиоты человека и встречаются в толстой кишке, полости рта и на коже.


[Закрыть] используют различные защитные механизмы, включая иммунную систему адаптивного типа, которая основана на единице ДНК, известной как CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), что можно перевести как «короткие палиндромные повторы, расположенные группами через регулярные промежутки».

Бактериальная система защиты также полагается на фермент под названием Cas9[274]274
  Фермент под названием Cas9: Heler, R., Samai, P., Marraffini, L. A., et al. (2015). «Cas9 specifies functional viral targets during CRISPR-Cas adaptation.» Nature, 519(7542), 199.


[Закрыть], который использует память для направленных изменений в вирусном генетическом коде. Ученые считают, что у определенных бактерий именно Cas9 управляет формированием этих воспоминаний.

Исследователи с кафедры молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что благодаря комбинации CRISPR и отрядов CRISPR-ассоциированных белков – Cas – бактерии способны использовать небольшие отдельные молекулы РНК, чтобы заглушить критические части генетического сообщения «захватчика» и приобрести иммунитет от подобных вторжений в будущем, запомнив инфекцию[275]275
  Запомнив инфекцию: Nuñez, J. K., Lee, A. S., Engelman, A., and Doudna, J. A. (2015). «Integrase-mediated spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity.» Nature, 519(7542), 193.


[Закрыть]. Этот процесс заключается в изменении генома бактерии – добавлении коротких вирусных последовательностей, называемых спейсерами, между повторяющимися последовательностями ДНК. Спейсеры формируют воспоминания о патогенах, которые им уже встречались, и служат проводниками для ферментов, кодируемых CRISPR-ассоциированными генами, ищущих и уничтожающих вирусы, которые пытаются повторно заразить бактерию.

Другие исследователи из Калифорнийского университета в Беркли[276]276
  Другие исследователи из Калифорнийского университета в Беркли: Nuñez, J. K., Lee, A. S., Engelman, A., and Doudna, J. A. (2015). «Integrase-mediated spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity.» Nature, 519(7542), 193.


[Закрыть] изучали способность штамма сенной палочки (Bacillus subtilis) запоминать 10 различных историй клеток, прежде чем подвергать их воздействию общего стрессора. Анализ – слишком сложный, чтобы описывать его здесь, – показал, что Bacillus subtilis в течение относительно длительного времени помнит аспекты своей клеточной истории. Хотя ученые и не смогли объяснить лежащие в основе этого явления биологические механизмы, они создали концепцию измерения как стойкости памяти у микробов, так и количества закодированной в организмах[277]277
  Закодированной в организмах: Wolf, D. M., Fontaine-Bodin, L., Arkin, A. P., et al. (2008). «Memory in microbes: quantifying history-dependent behavior in a bacterium.» PLoS One, 3(2), e1700.


[Закрыть] информации о прошлом.

Возьмите экстремофильный кокк Deinococcus radiodurans – организм, который процветает в физически или геохимически экстремальных условиях, вредных для большей части живых организмов на Земле, – и бросьте его в кислоту. Он выживет. Выбросьте его в открытый космос, и он будет процветать. Высушите его, храните в течение миллиона лет, а затем вытащите, и бактерия вернется к жизни. D. radiodurans страдает от немногих мутаций даже при воздействии ионизирующего излучения. НАСА присвоило ей прозвище «Бактерия Конан[278]278
  Отсылка к Конану-варвару – вымышленному фэнтезийному персонажу, которого изображают сильным и стойким. – Прим. пер.


[Закрыть]». Поскольку она способна пережить любую пандемию, глобальное потепление, похолодание и атомную войну, IT-специалист Пак Чунг Вонг из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории[279]279
  Пак Чунг Вонг из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории: Vaidyanathan, G. (2017). «Science and Culture: Could a bacterium successfully shepherd a message through the apocalypse?» Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(9), 2094–2095.


[Закрыть] вставил текст песни It’s a Small World After All, закодированный в ДНК, в геном этой бактерии, а затем позволил ей размножаться в течение ста поколений. Встроенная песня сохранилась без изменений, а это означает, что бактерии могут служить информационными «капсулами времени».

У бактерий в наших телах есть выбор: они могут оставаться одинокими и отделенными от своих семей и друзей, подвергаясь атаке иммунной системы хозяина или антибиотиков, или объединяться с попутчиками, образовывая биопленку, что значительно повышает их шансы на выживание. Биопленки – это трехмерные структуры, состоящие из выделяемых бактериями полисахаридов, переработанной ДНК и материалов мертвых или умирающих бактерий. Однако биопленки – это не просто плотные скопления бактериальных клеток. Они имеют сложные функциональные структуры – как внутри, так и снаружи, – которые поддерживают коллективную жизнь клеток.

Со временем бактериальные клетки в определенных областях биопленки начнут взаимодействовать со своими соседями, но делать они это будут по-разному. Бактерии общаются посредством химического процесса, называемого чувством кворума[280]280
  Чувство кворума: Kim, M. K., Ingremeau, F., Zhao, A., Bassler, B. L., and Stone, H. A. (2016). «Local and global consequences of f low on bacterial quorum sensing.» Nature Microbiology, 1(1), 1–5.


[Закрыть], в ходе которого они высвобождают молекулы, служащие сообщениями, которые соседние бактерии обнаруживают с помощью нанотрубок. Также было обнаружено, что эти нанотрубки действуют межвидовым образом[281]281
  Нанотрубки действуют межвидовым образом: Dubey, G. P. and Ben-Yehuda, S. (2011). «Intercellular nanotubes mediate bacterial communication.» Cell, 144(4), 590–600.


[Закрыть]: между сенной палочкой (Bacillus subtilis), золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus) и кишечной палочкой (Escherichia coli).

Чувство кворума может возникать как внутри одного вида бактерий, так и между различными видами. Бактерии используют его для координации определенного поведения, такого как вирулентность, устойчивость к антибиотикам и образование биопленки.

Гюрол М. Суэль и его команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего в течение многих лет изучали связь в биопленках на больших расстояниях. Они сообщили об обнаружении волн заряженных ионов, распространяющихся через биопленку для координации метаболической активности бактерий во внутренней и внешней областях биопленки. «Точно так же, как нейроны в нашем мозге… бактерии используют ионные каналы, чтобы связываться друг с другом[282]282
  «Бактерии используют ионные каналы, чтобы связываться друг с другом»: Prindle, A., Liu, J., Süel, G. M., et al. (2015). «Ion channels enable electrical communication in bacterial communities.» Nature, 527(7576), 59–63.


[Закрыть] посредством электрических сигналов», – сказал Суэль.

Бактерии в биопленках вызывают многие хронические заболевания и, разумеется, устойчивы ко всем формам лекарств. Ученые из Массачусетского технологического института[283]283
  Ученые из Массачусетского технологического института: Gandhi, S. R., Yurtsev, E. A., Korolev, K. S., and Gore, J. (2016). «Range expansions transition from pulled to pushed waves as growth becomes more cooperative in an experimental microbial population.» Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(25), 6922–6927.


[Закрыть] впервые наблюдали два штамма бактерий, каждый из которых устойчив к одному антибиотику, защищающих друг друга в среде, содержащей оба препарата. Полученные результаты углубляют наше понимание мутуализма – явления, чаще наблюдаемого у более крупных животных, при котором разные виды извлекают выгоду из взаимодействия друг с другом. Эта перекрестная защита может помочь бактериям сформировать сообщества, устойчивые сразу к нескольким лекарственным препаратам.

Согласно данным группы химиков, биологов, физиков и инженеров, работающих в Австралийском консорциуме Флиндерса по исследованию и инновациям, а также изучающих биопленки, у бактерий есть сенсорные системы[284]284
  У бактерий есть сенсорные системы: Koshland Jr., D. E. (1980). «Bacterial chemotaxis in relation to neurobiology.» Annual Review of Neuroscience, 3(1), 43–75; Lyon, P. (2015). «The cognitive cell: bacterial behavior reconsidered.» Frontiers in Microbiology, 6, 254; Biofilm Research & Innovation Consortium. https://www.flinders.edu.au/biofilm-research-innovation-consortium.


[Закрыть], которые соединяются с когнитивно-поведенческими цепями и демонстрируют множество других нейронных функций.

С 1983 года Роберто Колтер[285]285
  Роберто Колтер: Chimileski, Scott and Kolter, Roberto (2018). «Microbial Life: A Universe at the Edge of Sight.» https://hmnh.harvard.edu/microbial-life-universe-edge-sight.


[Закрыть], профессор микробиологии и иммунобиологии из Гарвардской медицинской школы, возглавляет лабораторию, которая изучает эти явления. Колтер заявил, что под микроскопом коллективный разум бактерий проявляется впечатляюще зрелищно. Снимки из лаборатории были представлены на выставке «Мир в капле» в Гарвардском музее естественной истории.

В свете вышеизложенного и других, связанных с этим, исследований ведущие ученые-когнитивисты пришли к выводу, что сообщества бактерий внутри биопленки, по-видимому, действуют как своего рода микробный мозг[286]286
  Микробный мозг: Baluška, F. and Mancuso, S. (2009). «Deep evolutionary origins of neurobiology: Turning the essence of ‘neural’ upside-down.» Communicative & Integrative Biology, 2(1), 60–65.


[Закрыть].

Есть еще один момент, касающийся бактерий. Возможно, вы помните часть о митохондриях в главе, посвященной клетке. Эта органелла является древним рудиментом симбиотических бактерий[287]287
  Древним рудиментом симбиотических бактерий: Landau, Elizabeth (2020). «Mitochondria May Hold Keys to Anxiety and Mental Health.» Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/mitochondria-may-hold-keys-to-anxiety-and-mental-health-20200810/.


[Закрыть], которые вторглись в клетки-хозяева около двух миллиардов лет назад и стали специализироваться на производстве энергии. Митохондрии все еще несут небольшое количество собственной ДНК, хотя, имея всего 37 генов, они содержат меньше генетического материала, чем другие живые организмы. Подобно бактериям, митохондрии изменяются в размерах и форме, и некоторые из них для обмена информацией также образуют связи. Несколько недавних исследований показали, что митохондрии могут иметь большое значение не только для общего физического благополучия человека, но и, в частности, играть удивительно важную роль в победе над тревожностью и депрессией. Это – еще один пример того, как органеллы в ненейронных клетках влияют на мышление и чувства.

Микробиом

Желудочно-кишечный тракт человека (ЖКТ) населен 100 триллионами бактериальных клеток, общий вес которых может превышать два килограмма. В последнее время было проведено множество исследований того, как кишечные бактерии влияют на важнейшие аспекты нашей физиологии, и ученые выяснили, что мириады обитающих в кишечнике микробов имеют решающее значение для развития и функционирования иммунной системы[288]288
  Развития и функционирования иммунной системы: Sampson, T. R. and Mazmanian, S. K. (2015). «Control of brain development, function, and behavior by the microbiome.» Cell Host & Microbe, 17(5), 565–576.


[Закрыть]. Что еще более важно, кишечные микробы влияют на сложный и, казалось бы, далекий от них мозг. За последнее десятилетие эта концепция перестала казаться невероятной: результаты исследований на животных показали, что микробиота (совокупность всех бактерий, грибков и вирусов, населяющих наш кишечник) может влиять на метаболиты мозга[289]289
  Метаболиты мозга: Clarke, G., O’Mahony, S. M., Dinan, T. G., and Cryan, J. F. (2014). «Priming for health: gut microbiota acquired in early life regulates physiology, brain and behaviour.» Acta Paediatrica, 103(8), 812–819; Janik, R., Thomason, L. A., Stanisz, A. M., Stanisz, G. J., et al. (2016). «Magnetic resonance spectroscopy reveals oral Lactobacillus promotion of increases in brain GABA, N-acetyl aspartate and glutamate.» Neuroimage, 125, 988–995.


[Закрыть], поведение[290]290
  Поведение: Sampson, T. R. and Mazmanian, S. K. (2015). «Control of brain development, function, and behaviour by the microbiome.» Cell Host & Microbe, 17(5), 565–576.


[Закрыть] и нейрогенез[291]291
  Нейрогенез: Ogbonnaya, E. S., Clarke, G., and O’Leary, O. F. (2015). «Adult hippocampal neurogenesis is regulated by the microbiome.» Biological Psychiatry, 78(4), e7-e9.


[Закрыть], то есть образование новых нейронов.

У кишечных микробов 3,3 миллиона генов[292]292
  У кишечных микробов 3,3 миллиона генов: Qin, J., Li, R., Mende, D. R., et al. (2010). «A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing.» Nature, 464(7285), 59–65.


[Закрыть], в то время как у человека – всего 23 000[293]293
  Автор приводит здесь количество белок-кодирующих генов, которых примерно 23 000, но общее количество генов человека, считая те, что белки не кодируют, измеряется сотнями тысяч. – Прим. ред.


[Закрыть]. Эти микроорганизмы продуцируют множество нейроактивных соединений, а также способствуют метаболизму хозяина путем выработки метаболитов, таких как желчные кислоты, холин и короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), которые необходимы для поддержания здоровья хозяина[294]294
  Короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), которые необходимы для поддержания здоровья хозяина: Russell, W. R., Hoyles, L., Flint, H. J., and Dumas, M. E. (2013). «Colonic bacterial metabolites and human health.» Current Opinion in Microbiology, 16(3), 246–254; Tan, J., McKenzie, C., Potamitis, M., Macia, L., et al. (2014). «The role of short-chain fatty acids in health and disease.» Advances in Immunology, 121(91), e119.


[Закрыть]. КЦЖК представляют собой подмножество жирных кислот, которые вырабатываются микробиотой кишечника во время ферментации сложных углеводов, таких как пищевые волокна и частично усваиваемые и неперевариваемые полисахариды. Самые высокие уровни КЦЖК обнаруживаются в проксимальном отделе толстой кишки, где они локально всасываются и эпителием кишечника (внутренние клетки кишечника) транспортируются в кровоток и в итоге в мозг.

Сигналы из кишечника передаются в остальную часть тела по гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси, однако блуждающий нерв[295]295
  Блуждающий нерв: Grenham, S., Clarke, G, Dinan, T. G., et al. (2011). «Brain-gut-microbe communication in health and disease.» Frontiers in Physiology, 2, Montiel-Castro, A. J., González-Cervantes, R. M., and Pacheco-López, G. (2013). «The microbiota-gut-brain axis: neurobehavioral correlates, health and sociality.» Frontiers in Integrative Neuroscience. doi: 10.3389/fnint.2013.00070.


[Закрыть] является основным путем, который позволяет стимулам из мозга проходить в кишечник, а из кишечника – в мозг. Только недавно было установлено, что этот нерв также является неотъемлемым компонентом нейронного пути вознаграждения[296]296
  Нейронного пути вознаграждения: Han, W., Tellez, L. A., Kaelberer, M. M., et al. (2018). «A neural circuit for gut-induced reward.» Cell, 175(3), 665–678.


[Закрыть]. Команда исследователей из Йельского университета, Дьюкского университета и Университета Сан-Паулу обнаружила, что обе ветви блуждающего нерва[297]297
  Обе ветви блуждающего нерва: Han, W., Tellez, L. A., Kaelberer, M. M., et al. (2018). «A neural circuit for gut-induced reward.» Cell, 175(3), 665–678.


[Закрыть] асимметрично ведут в центральную нервную систему и только правая передает сигналы вознаграждения дофаминовым нейронам в стволе головного мозга.

В дополнение к блуждающему нерву ось «мозг – кишечник – микробиота» включает центральную нервную систему, симпатическую и парасимпатическую, нейроэндокринную и иммунную, а также кишечную нервную системы.

Энтеральная нервная система (ЭНС) – это внутренняя нервная система кишечника. Она состоит из разветвленной сети нейронов, которая выстилает стенки желудочно-кишечного тракта. Сложнее ЭНС только головной и спинной мозг.

ЭНС обладает уникальной способностью контролировать поведение кишечника без вмешательства центральной нервной системы. Именно эта независимость побудила Майкла Гершона из Колумбийского университета назвать ее вторым мозгом[298]298
  «Второй мозг»: Gershon, Michael D. (2020). «How smart is the gut?» Acta Physiologica. 228, e13296; Gershon, Michael D. The Second Brain (New York: HarperCollins, 1998); Rao, M. and Gershon, M. D. (2017). «The dynamic cycle of life in the enteric nervous system.» Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 14(8), 453–454; Mungovan, K. and Ratcliffe, E. M. (2016). «Influence of the Microbiota on the Development and Function of the ‘Second Brain’ – The Enteric Nervous System.» In The Gut-Brain Axis (Cambridge, Mass.: Academic Press, 2016), 403–421.


[Закрыть]. Биолог Майкл Шеманн вместе с коллегами из нескольких немецких университетов задокументировали, что ЭНС способна к привыканию, сенсибилизации, обусловленному поведению и долгосрочной фасилитации – иначе говоря, к различным формам неявного обучения и запоминания[299]299
  К различным формам неявного обучения и запоминания: Schemann, M., Frieling, T. and Enck, P. (2020). «To learn, to remember, to forget – How smart is the gut?» Acta Physiologica, 228(1), e13296.


[Закрыть].

Доказано, что неправильный состав кишечной микробиоты в детском возрасте влияет на процесс формирования центральной нервной системы.

Многочисленные исследования демонстрируют, что дисфункция оси «мозг – кишечник» может привести как к воспалительным, так и к функциональным заболеваниям желудочно-кишечного тракта. Ученые отмечают, что психиатрические и неврологические заболевания, включая рассеянный склероз, аутизм, шизофрению и депрессию[300]300
  Депрессия: Dinan, T. G. and Cryan, J. F. (2013). «Melancholic microbes: a link between gut microbiota and depression.» Neurogastroenterology and Motility, 25(9), 713–719.


[Закрыть], часто сопровождаются желудочно-кишечными болезнями.

Одним из наиболее распространенных желудочно-кишечных заболеваний является синдром раздраженного кишечника[301]301
  Синдром раздраженного кишечника: Vandvik, P. O., Wilhelmsen, I., and Farup, P. G. (2004). «Comorbidity of irritable bowel syndrome in general practice: A striking feature with clinical implications.» Alimentary Pharmacology & Therapeutics, 20(10), 1195–1203; Dinan, T. G. and Cryan, J. F. (2013). «Melancholic microbes: a link between gut microbiota and depression?» Neurogastroenterology and Motility, 25(9), 713–719.


[Закрыть] (СРК). Интригующей особенностью СРК является то, что ему часто сопутствует другая патология с иными симптомами. Проведенные в Норвегии исследования пациентов с синдромом раздраженного кишечника показали, что, хотя распространенность расстройств настроения среди населения составляет 11 %, у норвежцев с диагнозом СРК она достигает 38 %.

Желудочно-кишечный тракт в настоящее время также признан основным регулятором мотивационных и эмоциональных состояний. Проблемы в этой области[302]302
  Проблемы в этой области: Kirkey, Sharon (2019). «The rise of ‘psychobiotics’? ‘Poop pills’ and probiotics could be game changers for mental illness.» National Post, https://nationalpost.com/health/the-rise-of-psychobiotics-poop-pills-and-probiotics-could-be-game-changers-for-mental-illness?s=.


[Закрыть] часто встречаются у людей с депрессией и тревогой, и исследования показывают, что их кишечная флора отличается от флоры эмоционально здоровых людей. Кишечные бактерии также вырабатывают серотонин, дофамин и другие химические вещества, которые регулируют настроение. Надежда состоит в том, что улучшение состава полезных микробов кишечника – с помощью пробиотиков, трансплантации фекальной микробиоты, капсул, наполненных донорским стулом, или путем добавления в рацион квашеной капусты или других ферментированных продуктов – может облегчить трудноизлечимую депрессию, на которую не имеют воздействия привычные методы. Это также может коренным образом изменить парадигму восприятия психических заболеваний, которые долгое время считались следствием поражения мозга. На самом деле все может быть гораздо сложнее.

Неудивительно, что в научной литературе все чаще появляются сообщения об исследованиях воздействия психотропных препаратов[303]303
  Психотропных препаратов: European College of Neuropsychopharmacology. «Scientists find psychiatric drugs affect gut contents.» ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190909095019.htm.


[Закрыть] на кишечные микробы. Недавно группа ученых из Ирландии обнаружила, что некоторые лекарства увеличивают количество определенных бактерий в кишечнике. Например, литий и вальпроат (оба используются при биполярном расстройстве) увеличивали количество клостридий и других бактерий. Стоит отметить, что это – нежелательный результат. Антидепрессанты из класса селективных ингибиторов обратного захвата серотонина (СИОЗС) – эсциталопрам и флуоксетин – значительно подавляли рост бактериальных штаммов, таких как E. coli, и этот эффект уже можно считать положительным.

Вполне вероятно, что действие некоторых психотропных препаратов, фактически являющихся наркотиками, может быть направлено на кишечные микробы. В зависимости от микробиома некоторые лекарства способны принести пользу одним людям, а другим – причинить вред. Несомненно, оценка микробиома человека перед началом лечения станет важным лабораторным тестом в будущем.

Исследования продемонстрировали еще одну связь между кишечником и мозгом: доказано, что питание с большим содержанием соли[304]304
  Питание с большим содержанием соли: Faraco, G., Brea, D., Sugiyama, Y., et al. (2018). «Dietary salt promotes neurovascular and cognitive dysfunction through a gut-initiated TH17 response.» Nature Neuroscience, 21(2), 240–249.


[Закрыть] увеличивает риск развития цереброваскулярных заболеваний и деменции. До настоящего времени оставалось неясно, как пищевая соль вредит мозгу, однако ученые из Колледжа Уэилл Медикал в Нью-Йорке обнаружили, что эта связь происходит через адаптивный иммунный ответ, инициируемый кишечником. Пищевая соль, по-видимому, способствует развитию сосудисто-нервной и когнитивной дисфункции с помощью произведенных кишечником Т-хелперов 17 (Th17), недавно обнаруженного подмножества эффекторных Т-клеток памяти. Клетки Th17 являются отличительными признаками многих воспалительных заболеваний.

Подавляющее большинство микробов кишечника человека – дружелюбные пройдохи, которые вносят важный вклад в наше здоровье[305]305
  Вносят важный вклад в наше здоровье: Hu, S., Dong, T. S. and Chang, E. B. (2011). «The microbe-derived short chain fatty acid butyrate targets miRNA-dependent p21 gene expression in human colon cancer.» PloS One, 6(1), e16221; Shenderov, B. A. (2012). «Gut indigenous microbiota and epigenetics.» Microbial Ecology in Health and Disease, 23(1), 17195.


[Закрыть]. Не так давно биоинженеры из Университета Бэйлора начали изучать влияние кишечных бактерий на процесс старения[306]306
  Влияние кишечных бактерий на процесс старения: Hartsough, L. A., Kotlajich, M. V., Tabor, J. J., et al. (2020). «Optogenetic control of gut bacterial metabolism.» eLife, 9, e56849.


[Закрыть]: в экспериментах на нашем старом друге C. elegans они заразили кишечной палочкой червя, заставляя того вырабатывать больше колановой кислоты, которая защищала клетки его кишечника от вызванной стрессом фрагментации митохондрий. Митохондрии все чаще признаются важными участниками процесса старения. Ученые заметили, что черви, несущие этот штамм кишечной палочки, жили дольше своих собратьев.

Для оптимального развития мозга младенца первоначальная колонизация его кишечника[307]307
  Первоначальная колонизация его кишечника: Younge, N., McCann, J. R. and Seed, P. C., et al. (2019). «Fetal exposure to the maternal microbiota in humans and mice.» JCI Insight, 4(19), e127806.


[Закрыть] должна происходить в родовых путях матери. Кесарево сечение в значительной степени мешает передаче микробов от матери к ребенку. Вместо того чтобы спускаться по родовым путям[308]308
  По родовым путям: Koenig, J. E., Spor, A., Ley, R. E., et al. (2011). «Succession of microbial consortia in the developing infant gut microbiome.» Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(supplement 1), 4578–4585.


[Закрыть], собирая лактобациллы, ребенок хирургическим путем извлекается из матки. Младенцы, родившиеся с помощью кесарева сечения[309]309
  Младенцы, родившиеся с помощью кесарева сечения: Faa, G., Gerosa, C., Fanos, V., et al. (2013). «Factors influencing the development of a personal tailored microbiota in the neonate, with particular emphasis on antibiotic therapy.» The Journal of Maternal-Fetal & Neonatal Medicine, 26(sup2), 35–43.


[Закрыть], колонизируются бактериями – в которых преобладают стафилококки, коринебактерии и пропионибактерии – из источников окружающей среды, включая врачей, воздух, медицинское оборудование и других новорожденных. Эти бактерии могут отрицательно повлиять на развитие мозга и способность переваривать молоко[310]310
  В настоящее время применяются различные методики, которые позволяют произойти колонизации необходимых микробов в организме ребенка.


[Закрыть].