1. Микроорганизмы нашего тела

Итак, попробуем оценить, сколько же микробов обитает внутри нас.

Если считать по массе, то в теле взрослого человека их в среднем около полутора килограммов. Это делает вашу микробиоту одним из самых крупных органов, который по весу соперничает с мозгом и лишь немного уступает печени.

Мы уже знаем, что по абсолютному числу клеток микроорганизмы выигрывают у человека в соотношении десять к одному. А что, если мы сравним наши ДНК? У каждого из нас примерно двадцать тысяч человеческих генов. И в то же время мы несем от двух до двадцати миллионов микробных генов. Это означает, увы, что с точки зрения генетики мы по крайней мере на 99 % являемся микробами!

Чтобы вам было не так обидно, взгляните на это с точки зрения сложности устройства человека. В каждой клетке человека содержится гораздо больше генов, чем в микробной. Просто в вашем организме так много микробов, что в сумме все их гены перевешивают ваши.

Организмы, которые живут в нас и на нас, очень разнообразны. Большинство из них (но не все) – одноклеточные. Они представляют все три основные ветви эволюционного древа. В кишечнике живут представители царства археи – одноклеточные организмы, не имеющие ядер; самые распространенные из них – метаногены, которые существуют без кислорода, помогают переваривать пищу и выделяют газ метан (у коров они тоже есть).

Далее идут эукариоты: грибки микозов кожи и дрожжевые грибки, которые создают колонии в вагине и иногда в кишечнике. Но доминируют над всеми бактерии – например, эшерихия коли (Escherichia coli), кишечная палочка, которая у нас ассоциируется прежде всего с расстройством желудка, случающимся из-за плохо промытой зелени. Однако безвредные и полезные разновидности этой бактерии практически всегда присутствуют в наших внутренностях.

И каждый день благодаря новым технологиям мы узнаем, что этот мир еще разнообразнее, чем нам казалось раньше. Это как если бы мы прошли по океану с тралом с очень крупными ячейками, а потом, осмотрев улов, заключили бы, что в море водятся лишь киты и гигантские кальмары. Теперь же мы открыли, что жизнь у нас внутри гораздо более многообразна. Например, вы можете предположить, что любые две бактерии у вас в кишечнике, набросившиеся на ваш последний бутерброд, очень похожи друг на друга, как, скажем, анчоусы или сардины. Но на самом деле у них не больше общего, чем у морского огурца (голотурии) и большой белой акулы: это два существа с абсолютно разными поведением, пищей и экологической ролью.

Итак, где находятся все наши микробы и какова их роль? Чтобы узнать это, давайте совершим экскурсию по нашему телу.

Говорят, Наполеон, возвращаясь из военного похода, писал императрице Жозефине: “Буду в Париже завтра вечером. Не принимай ванну”. Он предпочитал естественный запах своей обожаемой супруги, причем концентрированный. Но почему же, когда мы на какое-то время остаемся без мыла, дезодорантов, пудры и духов, от нас начинает так плохо пахнуть? Главным образом из-за микробов, которые питаются нашими выделениями и делают их еще более пахучими.

Ученые до сих пор пытаются, извините за каламбур, разнюхать, какой практической цели служит деятельность существ, обитающих на самом обширном нашем органе – коже. Одно известно точно: они вносят вклад в формирование запаха нашего тела, включая и те компоненты этого запаха, которые привлекают комаров. Как уже отмечалось, кровососущие насекомые действительно предпочитают запахи одних людей другим, и виноваты в этом микробы. Они расщепляют вещества, которые выделяет кожа, на летучие соединения, которые могут нравиться или не нравиться комарам. Причем разные виды комаров предпочитают различные участки наших тел. Например, для Anopheles gambiae, одного из основных разносчиков малярии, наиболее привлекателен не запах подмышек, а запах рук и ног.

В этой связи возникает заманчивое решение: если втереть в кожу рук и ног антибиотик, можно предотвратить нападение этого вида комаров, потому что, убивая микробов, вы убиваете запах.

Микробы, живущие на нашей коже, – как и все остальные микробы, – необязательно существуют специально для нашего блага. Но они, будучи добросовестными жильцами, и в самом деле здорово нам помогают: уже тем, что они на нас живут, они мешают другим, вредным, микробам нас заражать. На различных участках кожи обитают различные микробы, причем разнообразие – количество видов – необязательно пропорционально количеству микробов, имеющихся на том или ином участке. Иногда бывает как раз наоборот. Если проводить аналогию с Америкой, представьте себе, что штат Вермонт (население 600 тысяч человек) этнически столь же разнообразен, как Лос-Анджелес (десять миллионов человек), а Лос-Анджелес стал таким же моноэтничным, как Вермонт. У вас на лбу и под мышками огромное количество микробов, но сравнительно немногих видов; и наоборот, на руках (ладонях и предплечьях) относительно немного микробов, зато весьма разнообразных. Микробные сообщества на руках у женщин, как правило, более разнообразны, чем у мужчин, и эта разница сохраняется, несмотря даже на мытье рук, и это заставляет предположить, что причина, пусть еще и неизвестная, кроется в биологических различиях.

Более того, мы обнаружили, что микробы, живущие на вашей левой руке, отличаются от живущих на правой. Вы можете потирать руки, хлопать в ладоши и касаться обеими руками одних и тех же поверхностей – на каждой все равно развивается отдельное микробное сообщество. Этот факт вдохновил нас с профессором Ноем Фирером из Университета Колорадо в Боулдере на попытку воспроизвести одно из самых знаменитых открытий общей биологии. В свое время, пытаясь объяснить распространение и распределение организмов на изолированных островах и связь между разнообразием видов и занимаемой территорией, британский биолог и антрополог Альфред Рассел Уоллес вместе с другими учеными разработал сложную теорию биогеографии. Уоллес, современник Дарвина, одновременно с ним и независимо от него разработавший учение о естественном отборе, нанес на карту линию, которая проходит через современные Индонезию и Малайзию и отделяет азиатскую фауну (обезьяны и носороги) от австралийской (какаду и кенгуру). Мы с Фирером заинтересовались, можно ли провести такую же “линию Уоллеса” на клавиатуре компьютера между клавишами G и H – эта линия, по идее, должна разделять половины клавиатуры с четко отличающимися микробными популяциями. Мы также хотели проверить, будет ли на клавише “пробел” больше видов микробов – просто потому, что она гораздо длиннее всех остальных.

Наши результаты подтвердили существование своего рода “линии Уоллеса”, но мы обнаружили нечто куда более удивительное: каждый палец и соответствующая ему клавиша характеризовались примерно одинаковым микробным сообществом. Мы также смогли по микробному профилю ладони с точностью до 90 % определить хозяев компьютерной мыши. Микробное сообщество на вашей руке сильно отличается от аналогичных сообществ других людей (по разнообразию видов – в среднем на 85 %), что означает, что у каждого из нас, помимо обычных, есть еще и микробные отпечатки пальцев.

Мы пошли дальше и провели эксперименты, чтобы узнать, сколько раз нужно коснуться предмета, чтобы оставить отчетливый микробный след. Это исследование еще слишком неполное, чтобы использовать его результаты в суде. Но на телевидении приняты, скажем так, более упрощенные стандарты доказательств, поэтому вскоре после того, как мы опубликовали статью на эту тему, был показан очередной эпизод сериала “Место преступления: Майами”, где сюжет строился на судебно-медицинской экспертизе микробного отпечатка.

Тем временем криминалист-микробиолог Дэвид Картер перебрался из Небраски на Гавайи, чтобы устроить там “заповедник тел”. “Что это такое?” – спросите вы Перед криминалистами часто встает задача определить, как давно наступила смерть человека, труп которого они исследуют. В “заповеднике” Картера пожертвованные родственниками и различными институтами тела умерших хранятся в различных условиях, и ученые постоянно анализируют скорость их разложения. При этом наблюдается поразительная преемственность микробных сообществ. Так же как на голой скале вначале появляются колонии лишайников, затем, последовательно, мхи, травы, сорняки, кустарники и, наконец, деревья, процесс распада также идет в определенном порядке.

Джессика Меткалф, постдокторант в моей лаборатории в Университете Колорадо в Боулдере, устроила свой собственный “заповедник тел” в миниатюре, использовав сорок мертвых мышей (они умерли в процессе других экспериментов по созданию препаратов для лечения сердечно-сосудистых заболеваний и рака). Джессика обнаружила, что может правильно определить время смерти с точностью до трех дней. Это примерно такая же погрешность, как и в применяемом в настоящее время методе с использованием насекомых. Зачем же тогда нужен микробиологический метод?

Ответ: насекомые еще должны найти мертвое тело, в то время как микроорганизмы всегда тут как тут, а это может оказаться полезным в тех случаях, когда на месте преступления отсутствуют насекомые.

Следующим пунктом нашей экскурсии по телу будет нос. В ноздрях человека живут вполне определенные виды микробов, в том числе стафилококк золотистый (Staphylococcus aureus), который вызывает стафилококковые инфекции в больницах. Таким образом, здоровые люди, судя по всему, часто являются “домом” для опасных микробов. Мы считаем, что в данном случае объяснение может быть таким: другие бактерии, живущие у нас в носу, не дают золотистому стафилококку взять верх, точнее, захватить нос. Еще одно интересное наблюдение: окружающая среда сильно влияет на то, какие виды микроорганизмов поселяются у нас в носу. У детей с более разнообразным микробным населением носа, например у живущих в сельской местности, рядом с животными, в будущем меньше вероятность заболеть астмой и аллергией. Получается, что повозиться в грязи иногда полезно.

Спускаясь ниже, в легкие, мы обычно обнаруживаем только мертвые бактерии. Внутренняя поверхность легких, к которой есть доступ воздуха, содержит целый коктейль антимикробных пептидов: крошечных белков, которые мгновенно убивают попадающие туда бактерии. Однако в легких больных муковисцидозом или вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ) иногда обнаруживаются опасные микроорганизмы, которые вносят вклад в развитие пульмонологических заболеваний.

Ученые до сих пор спорят о том, имеется ли в горле у каждого из нас отдельное сообщество микробов, или там присутствуют только те микробы, которые поступают изо рта. Однако уже известно, что микробы из горла курильщиков отличаются от микробов некурящих людей, что, вероятно, говорит о том, что курение вредно не только для нас самих, но и для обитающих внутри нас существ.

Скорее всего, вам приходилось слышать только о вредных бактериях ротовой полости – тех, которые вызывают заболевания десен и зубов. Одна из них, стрептококк мутанс (Streptococcus mutans), – та самая тварь, которая разрушает наши зубы. Появилась она, по-видимому, в связи с развитием земледелия, когда рацион наших предков резко обогатился углеводами, особенно сахарами.

Так же как и невольно одомашненные нами и питающиеся нашими отбросами крысы, некоторые бактерии приучились жить в наших телах. К счастью, большинство из “одомашненных” бактерий полезны – они формируют биопленку, которая не пропускает “плохие” бактерии. Микробы ротовой полости могут даже помогать регулировать кровяное давление, расслабляя артерии при помощи выделяемого ими оксида азота (родственника закиси азота, с которым вы сталкивались, сидя в стоматологическом кресле).

Другой вид, палочка Плаута (Fusobacterium nucleatum), как правило, присутствует во рту здорового человека, однако может и способствовать развитию пародонтоза. F. nucleatum представляет интерес, потому что этих бактерий находят внутри опухолей толстого кишечника, но мы пока не знаем, причина это или следствие: то ли F. nucleatum вызывает рак, то ли это просто реакция на условия, в которых развивается опухоль.

Микробное население рта также весьма разнообразно. Даже разные стороны одного и того же зуба могут быть заселены разными микробными сообществами, в зависимости от множества факторов, включая доступ кислорода и особенности жевания.

В желудке, где среда почти такая же кислая, как в автомобильном аккумуляторе, могут выжить лишь немногие виды организмов, но они играют огромную роль. Одна из этих бактерий, хеликобактер пилори (Helicobacter pylori, H. pylori), сосуществует с человеком уже так давно, что, изучая ее штаммы у представителей разных наций, можно узнать, какие народы находятся в родстве друг с другом и с кем они контактировали в процессе миграции.

H. pylori играет ключевую роль в возникновении язв желудка и тонкого кишечника, когда в результате разрушения слизистой оболочки желудочный сок начинает разъедать ткани. Первые симптомы включают дурной запах изо рта и жгучую боль в желудке, в дальнейшем развивается тошнота и кровотечение. Долгие годы врачи считали причиной язвы стресс и неправильное питание и рекомендовали пациентам отдых, покой, исключение острой пищи, алкоголя и кофе, прописывали молоко и антациды. Больные испытывали облегчение, но редко выздоравливали полностью.

В 1980-х годах австралийские врачи Барри Маршалл и Дж. Робин Уоррен показали, что в большинстве случаев язву вызывает бактерия H. pylori, поэтому лечение должно включать антибиотики или антибактериальные препараты, например содержащие висмут. Маршалл был настолько убежден в своей правоте, что лично выпил культуру H. pylori – и заработал гастрит (который быстро вылечил) и Нобелевскую премию (которую разделил с Уорреном).

Однако сегодня мы знаем, что более половины всего населения Земли являются носителями H. pylori. Почему же у подавляющего большинства из них нет язвы? Судя по всему, эта бактерия – лишь один из многих факторов риска данной болезни: необходимый, но недостаточный. Оказалось, что многие здоровые люди могут быть носителями H. pylori, как и ряда других бактерий, которых мы связываем с болезнями. Одна из задач и надежд науки о микробиомах – выяснение того, как и почему эти микроорганизмы иногда вдруг на нас набрасываются.

Далее мы переходим в кишечник. Мы считаем, что это самое большое и самое важное микробное сообщество в организме человека. Если вы – живущий в человеке микроб, то это ваша столица. Мегаполис длиной до десяти метров, полный извилистых улиц и укромных уголков. Микробам здесь раздолье: тепло, изобилие пищи и питья, да и канализация под боком. С точки зрения микроба наш кишечник похож одновременно и на Нью-Йорк, и на какую-нибудь восточную нефтяную столицу – бесчисленное население и доступная энергия.

Всасывание питательных веществ из пищи в кровь в основном происходит в тонком кишечнике. В толстом кишечнике всасывается вода, а также – при помощи ферментов, выделяемых полезными микроорганизмами, – происходит расщепление клетчатки, которая в непереваренном виде поступает из тонкого кишечника. При этом высвобождается еще больше энергии. Обитая в пищеварительном тракте, микробы кишечника в огромной степени руководят нашим метаболизмом. От них зависит, что нам можно есть, сколько калорий мы усваиваем, воздействию каких питательных веществ и токсинов подвергаемся, как на нас влияют лекарства.

С точки зрения науки имеет большое значение еще один факт, касающийся этого важнейшего микробного сообщества: отсюда очень легко получить образцы. Микробы, живые и мертвые, просто выбрасываются наружу, обычно после утреннего кофе. В основном в фекалиях содержатся микроорганизмы из последнего, дистального, отдела толстой кишки. Несмотря на некоторую разницу в составе сообществ тонкого и толстого кишечника, эта разница в общем незначительна по сравнению с различиями между микробными сообществами двух разных людей. То есть ваши испражнения – готовый портрет уникального микробного сообщества вашего кишечника.

Правда, до некоторой степени картина, которую мы получаем, анализируя фекалии, получается искаженной. Например, E. coli часто упоминается в заголовках как ужасно грозная бактерия, которая время от времени попадает в пищу из-за недостаточного уровня санитарии, но на самом деле она необязательно опасна сама по себе. Мы знаем о ней только потому, что ее находят в фекалиях (если в овощах или мясе обнаруживается E. coli, это признак фекального заражения). В действительности этих бактерий в кишечнике здорового человека не так уж много: всего одна клетка на десять тысяч клеток других микроорганизмов. Своей известностью E. coli обязана тому факту, что среди других микроорганизмов она играет роль сорняка, вроде лебеды или одуванчика, и лучше их всех растет в чашке Петри. То же самое относится к ряду других бактерий, чью роль на протяжении десятилетий мы преувеличивали только по одной причине: их легко вырастить в лаборатории.

Большинство микробов в нашем кишечнике гораздо менее стабильны, и мы пока не знаем, как вырастить их in vitro (в данном случае – в лаборатории). В основном они относятся к двум крупным группам бактерий – фирмикуты (Firmicutes) и бактероиды (Bacteroidetes) – и играют важную роль в переваривании пищи и усвоении лекарств. Кроме того, установлена их связь с рядом заболеваний, включая ожирение, воспалительные заболевания кишечника, рак толстой кишки, болезни сердца, рассеянный склероз и аутизм. Вот почему такое открытие, как секвенирование следующего поколения, произвело настоящую революцию. Мы наконец можем рассмотреть то, что до сих пор оставалось невидимым.

Прежде всего должен признаться в собственном невежестве: мы еще очень мало знаем о микробах, живущих снаружи и внутри пениса. Надо сказать, что микробиология – наука, которая началась с того, что голландский ученый Антони ван Левенгук рассматривал под микроскопом в числе прочего и сперму, – так и не изучила как следует мужские гениталии. Тем не менее определенный прогресс уже достигнут.

У меня есть коллега (который желает сохранить анонимность, чтобы не стать добычей телевизионщиков), изучающий распространение заболеваний, передающихся половым путем (ЗППП), среди подростков. Часть его работы связана с исследованием микробиома полового члена подростков. Для этого ему регулярно необходимы образцы спермы, причем полученные регулярно и сразу после полового акта. Итак, когда этому человеку звонит один из его “клиентов”, мой коллега в своем обычном прикиде – длинные волосы, кожаная куртка и золотая цепь вокруг шеи – садится в белый лабораторный микроавтобус и едет отбирать пробы с пенисов ваших сыновей. Конечно, все это исключительно ради науки. И находятся же такие сознательные родители, которые подписывают на это официальное согласие!

Так или иначе, в этой области до сих пор проводилось недостаточно исследований (возможно, отчасти из-за того, что слишком многие при описании темы начинают глупо хихикать), и поэтому работа моего коллеги может стать важной вехой по созданию микробиома пениса – в болезни и здравии.

Вагина, в отличие от пениса, изучена очень хорошо. В микрофлоре здоровой взрослой женщины европейского происхождения обычно доминирует всего несколько видов молочнокислых бактерий из рода лактобациллы (Lactobacillus). Не волнуйтесь, это не те бактерии, которые превращают молоко в йогурт, но все же их близкие родственники, которые также вырабатывают молочную кислоту, поддерживая в вагине кислую среду. Вот что показал в своих работах Жак Равель, профессор микробиологии и иммунологии в Университете штата Мэриленд: виды, доминирующие в вагинальном микробном сообществе конкретной женщины, могут с течением времени меняться, в том числе в разные периоды менструального цикла, когда благодаря поступлению крови развиваются перерабатывающие железо бактерии деферрибактер (Deferribacter). Вагинальные бактерии женщины могут меняться даже при смене полового партнера.

До недавнего времени почти все исследования вагинальной микрофлоры были сосредоточены на борьбе с ЗППП. Ученые изучали роль вагинальных микробов в заболевании, которое называется бактериальный вагиноз, а также пытались установить, могут ли вагинальные микробы способствовать или препятствовать передаче различных половых инфекций, включая ВИЧ.

Однако выяснилось, что не все здоровые вагинальные микробиомы похожи друг на друга. Новые результаты заставляют предположить, что микробные сообщества здоровых женщин, в частности латиноамериканок, афроамериканок, белых и азиаток, сильно различаются в зависимости от происхождения. И, как мы увидим, до некоторой степени вагинальные микробы могут определить нашу судьбу.