Глава 3. Микробиом человека
Задумайтесь ненадолго о своих жизненно важных органах. Сердце, мозг, легкие, почки и печень – сложные структуры, выполняющие необходимые функции для поддержания жизни. Каждое мгновение и днем, и ночью они перекачивают жидкости, переносят отходы, принимают воздух и питание, передают сигналы, которые позволяют нам чувствовать мир и передвигаться по нему. Когда в результате болезни или травмы отказывает любой из этих органов, мы умираем. Все просто.
А если я вам скажу, что есть еще один жизненно важный «орган», который поддерживает жизнь, но которого вы никогда не видели? Он находится на нас и внутри нас, и лишь недавно мы поняли, какую важную роль играет в поддержании нашего здоровья.
Возможно, самое интересное то, что эта часть тела кажется совершенно чуждой. Она состоит не из человеческих клеток и сделана не по чертежам человеческих генов. Это триллионы маленьких живых существ, микробов и их родственников. Вы, может быть, решите, что называть подобное собрание жизненно важным органом уже чересчур, но именно это и представляет собой микробиом с функциональной точки зрения. В отличие от мозга и сердца его развитие начинается не в утробе, а с момента рождения. В первые несколько лет жизни его развитие продолжается благодаря получению микробов от людей, окружающих нас. Но не обманывайте себя. Потерять сразу весь свой микробиом – практически то же самое, что потерять печень или почки. Если при этом не будете жить в скафандре, долго не протянете.
Микроорганизмы, живущие в нашем теле, не просто случайная смесь всех видов, обитающих на Земле. Скорее, каждое существо эволюционировало совместно со своим набором микробов, которые осуществляют метаболические и защитные функции. Иными словами, они работают на нас. Есть микробиом у морской звезды и у акулы, есть даже у губки. У рептилий, у каждой совы, голубя и шалашника. Когда выживает вид, выживают и они. Млекопитающие, от маленьких лемуров до дельфинов и от собак до людей, полны микроорганизмов, специализирующихся на поддержании в них жизни и хорошего самочувствия.
Микробы – симбионты – предоставляют носителю, в котором обитают, жизненно необходимые услуги в обмен на кров и пищу. Термиты могут переваривать дерево исключительно благодаря бактериям в их кишечнике. Коровы усваивают питательные вещества из травы, которую едят, благодаря микробам в их четырехкамерном желудке. Даже у тли они есть, в том числе группа Buchnera, впервые поселившаяся в них более 150 миллионов лет назад. Эти микроорганизмы имеют ключевые метаболические гены, которые помогают производить белки – благодаря им тля может употреблять в пищу богатый сахарами сок растений. В свою очередь, жучки являются для Buchnera отличным домом. Взаимовыгодная ситуация. Ученые построили эволюционное семейное древо и для Buchnera, и для тлей. Сравнивая структуру обоих деревьев, мы видим, что они почти одинаковы. Вероятность того, что это случайное совпадение, стремится к нулю. Единственный возможный ответ – совместная эволюция: тля и живущие в них бактерии взаимно влияли на развитие друг друга в течение более чем 100 миллионов лет.
Если присмотреться к микробиому млекопитающих, видно, что гены, отвечающие за производство красных кровяных телец и белков в теле человека, сравнимы с похожими генами других млекопитающих. Ваши бактерии – часть большого семейного древа. В этом смысле микробный состав может считаться наследственным маркером и помогает объяснить, почему вы больше похожи на обезьян, а не на коров. Возникает интересный вопрос: это происходит из-за животных или микробных «генов»? Люди всегда считали, что верен первый вариант, но не исключено, что и второй. Скорее всего, в какой-то степени и то и другое.
Как уже упоминалось, ваше тело – это экосистема, такая же, как коралловый риф или тропические джунгли: сложная организация, состоящая из взаимодействующих живых организмов. И для любой из них критически важно разнообразие. В джунглях, например, это все виды деревьев, лиан, кустов, цветковых растений, папоротников, водорослей, птиц, пресмыкающихся, земноводных, млекопитающих, насекомых, грибов и червей. Широкое разнообразие защищает обитателей экосистемы, потому что благодаря их взаимодействию возникают прочные сети захвата и круговорота ресурсов. Его потеря приводит к болезни или даже к коллапсу системы, если погибает «краеугольный камень» – вид, который оказывает непропорционально большое в сравнении с численностью влияние на окружающую среду.
Например, когда семьдесят лет назад из Йеллоустонского парка выгнали волков, пережила взрывной рост популяция лосей. Внезапно они смогли безопасно поедать (и в конце концов уничтожили полностью) ивы, растущие на берегах речек. Численность певчих птиц и бобров, которые строили из ее веток гнезда и плотины, резко сократилась. Эрозия рек заставила водоплавающих птиц покинуть регион. Из-за отсутствия убитой волками падали на спад пошла популяция воронов, орлов, сорок и медведей. Увеличение численности лосей привело к уменьшению численности бизонов из-за конкуренции за пищу. В парк вернулись койоты и поели мышей, которыми раньше питались многие птицы и барсуки. И так далее, и так далее – сложная сеть взаимодействий разрушилась, когда из нее вынули краеугольный камень. Эта концепция применима и к «большому» миру, и к вашему микробиому, где история исчезновения желудочной бактерии Helicobacter pylori, колонизировавшей людей еще в доисторические времена, должна послужить серьезным предостережением.
Ваше тело состоит примерно из 30 триллионов человеческих клеток, но при этом в нем живут еще 100 триллионов клеток бактерий и грибков, дружественных микробов, эволюционировавших совместно с нашим видом. Подумайте хорошенько: их в теле значительно больше – от 70 до 90 %. Они живут на каждом дюйме кожи, во рту, в носу и ушах, в пищеводе, желудке и кишечнике, и т. д.
* * *
Из 50 известных типов бактерий в людях нашли от 8 до 12. Но 99,9 % клеток в теле принадлежат к шести из них, в том числе Bacteroidetes и Firmicutes. Самые успешные микробы – победители в соревновании за право жить в людях, – происходят от очень небольшого набора предков и составляют основу человеческого микробиома. Со временем они развили специализированные свойства, которые помогли им занять определенные ниши человеческого тела. Среди них: умение выживать в кислой среде, питаться конкретной пищей, предпочитать сухие, а не влажные условия (или наоборот).
Коллективно эти бактерии весят около полутора килограммов, примерно столько же, сколько ваш мозг, и представляют собой около десяти тысяч отдельных видов. Ни в одном зоопарке США не наберется такого разнообразия животных, как в нашем, невидимом человеческом.
Пока вы находились в чреве матери, у вас не было бактерий. Но во время родов и после них вас колонизировали триллионы микробов. Позже рассмотрим подробнее этот потрясающий процесс. Микроорганизмы очень быстро размножаются с нуля до триллионов. В первые три года происходит сложный и тщательно отработанный процесс перехода от бактерий-«основателей» к последующим обитателям.
В конце концов, на каждом участке внешней и внутренней поверхности тела образуется уникальная популяция. Бактерии, грибки и вирусы, например на ваших руках – не такие, как во рту или в кишечнике.
Ваша кожа – огромная экосистема размером чуть больше половины стандартного листа фанеры; площадь ее плоскостей, складок, морщин и щелей составляет немногим меньше двух квадратных метров. Большинство этих пространств очень маленькие, даже микроскопические. Гладкая кожа, если присмотреться внимательнее, больше напоминает поверхность Луны с ее кратерами, холмами и долинами. Какие микробы где живут, зависит от условий: маслянистая ли поверхность, как на лице, влажная, как в подмышке, или сухая, как на предплечье. У потовых желез и волосяных фолликул тоже есть свои микробы. Одни едят мертвую кожу, другие производят увлажнители из масел, выделяемых ею, третьи мешают вредным бактериям и грибкам вторгнуться в ваше тело.
Если говорить о носе, то исследователи недавно обнаружили, что многие патогены (болезнетворные микробы) совершенно мирно живут в носовой полости здоровых людей. Один из них, Staphylococcus aureus, обладает особенно плохой репутацией. Он вызывает фурункулы, синуситы, отравления и даже заражения крови. Но при этом может вполне безопасно существовать, ничего не делая. В каждый момент времени треть, а то и больше, людей переносят в носу золотистый стафилококк.
Больше всего микробов обитают в пищеварительном тракте – начиная с самого верха, рта. Посмотрев в зеркало, вы сразу увидите, что он разделен на несколько зон – например, зубы, язык, щеки, нёбо. У каждой по несколько поверхностей. У языка есть верх и низ. У каждого зуба несколько поверхностей, плюс место соединения с деснами. Можно смело утверждать, что на каждой живут разные бактерии. Мы немало узнали об этом из проекта «Микробиом человека», пятилетней программы, запущенной Национальным институтом здравоохранения в 2007 году. Среди прочего в его рамках занимались секвенированием генетического материала микробов, взятых у 250 здоровых молодых людей. Один из основных выводов – хотя перепись бактериального населения и показала немалое сходство между подопытными – каждый человек уникален. На уровне микроорганизмов мы отличаемся друг от друга куда сильнее, чем на генетическом. Наш набор микробов – действительно наш, личный. Тем не менее существуют и общие принципы организации. Можно их рассмотреть на примере желудочно-кишечного тракта.
Исследователи проекта взяли много мазков изо рта. Некоторые семейства, например Veillonella, Streptococci и Porphyromonas, оказались распространены во многих частях тела, но распределены были по-разному. Другие организмы, напротив, населяли ограниченное пространство.
Самая богатая микроорганизмами зона во рту – десневая борозда, место между зубами и деснами. Она просто кишит ими, причем многие анаэробны – не любят кислород, даже погибают из-за него. Может показаться странным, что у нас во рту, где постоянно находится воздух, в котором, естественно, содержится кислород, живут бактерии, которые к нему очень чувствительны, но это так. Значит существуют особые ниши, в том числе очень маленькие, где могут жить и процветать анаэробные бактерии.
Вам когда-нибудь было интересно, почему с утра изо рта пахнет иначе, чем днем? Все потому, что во время сна вы в основном дышите носом. Воздухообмен во рту замедляется, и популяция анаэробных бактерий растет. Они вырабатывают химические вещества, в том числе летучие, которые и вызывают «утренний запах». Чистя зубы, вы удаляете частички пищи и уничтожаете целые популяции бактерий. Общее количество уменьшается, пропорции меняются. Этот цикл продолжается и в течение дня.
Микробы вызывают запахи не только во рту, но и везде, где они есть. В некоторых местах, например в подмышках и паху, концентрация очень высока, причем в популяциях доминируют микробы, производящие особенно пахучие вещества. Хотя сейчас с этим борются целые отрасли промышленности, их наличие не случайно. Начиная с насекомых, микробные запахи показывают, кто мы такие: кто – друзья, кто – родные, кто – враги, кто – любимые, кто – потенциальные партнеры по спариванию, а еще говорят, какое время лучше всего подходит для этого. Матери знают, как пахнут их дети, и наоборот. Запах очень важен, и по большей части создают его микробы. Он определяет даже привлекательность для комаров! Поняв, как именно все это работает, мы сможем воспользоваться информацией, чтобы стать невидимыми или даже отвратительными для этих вредителей. Но я отвлекся.
Итак, над вашей пищей во рту поработали зубы, слюна, ферменты и дружественные бактерии. Дальше пищевод – длинная трубка, отделяющая рот и глотку от желудка. До 2004 года никто и не подозревал, что там живут бактерии – до того, как нашли богатое микробное сообщество из десятков видов.
Затем еда попадает в желудок, где начинается переваривание с помощью желудочного сока и пищеварительных ферментов. Несмотря на кислую среду, бактерии живут и там, в том числе вышеупомянутая H. pylori, которая, если уж присутствует, то обычно доминирует. Другие виды встречаются в меньшем количестве. Ваш желудок производит гормоны, как железа, – например, щитовидная. Стенки содержат иммунные клетки, которые помогают бороться с инфекцией как селезенка, лимфатические узлы или толстая кишка. H. pylori играет роль в производстве желудочного сока и гормонов, в состоянии иммунной системы.
Следующая остановка – тонкая кишка, длинная трубка, содержащая основные элементы: детергенты, ферменты, транспортеры – для разложения и впитывания пищи. Именно там вы перевариваете большую часть еды. Бактерий там сравнительно мало – возможно потому, что излишняя микробная активность может помешать ключевым функциям – перевариванию и усвоению питательных веществ.
В конце концов, то, что осталось от еды, достигает толстой кишки, где бактерии живут от стенки до стенки. Там как раз располагается подавляющее большинство микроорганизмов вашего тела. Количество просто потрясает. В одном миллилитре содержимого толстой кишки (а ее объем – несколько тысяч) их больше, чем людей на Земле. Это целая вселенная микроорганизмов, плотно упакованных, химически активных, сопровождающих вас в течение жизни. Такая ситуация может показаться неизбежной сделкой: мы даем им еду и жилье, а они за это поддерживают нас. Но такое упрощение не полностью верно. Тысячи людей теряли толстую кишку и все содержащиеся в ней бактерии из-за болезней или травм, но при этом многие потом прожили несколько десятков лет вполне здоровыми. Так что, хотя этот океан бактерий очень полезен, он не жизненно необходим. (Повторюсь: этого нельзя сказать обо всем микробиоме в целом; полная его потеря скорее всего обернется катастрофой.)
Микробы в толстой кишке разлагают волокна и переваривают крахмал. В каком-то смысле все, что дошло до конца вашей тонкой кишки, будет исторгнуто из организма, потому что вы это переварить не смогли. Голодные бактерии много чего усваивают, переваривают и превращают в еду – в основном, чтобы прокормить себя. Но некоторые вещества, произведенные ими, в частности молекулы, которые называются короткоцепными жирными кислотами, все же идут в пищу нам – начиная с клеток стенки толстой кишки. Кормят хозяина своей «гостиницы».
До 15 % калорий из еды перерабатываются в толстой кишке и используются, чтобы кормить вас. Как и все микробы, ее обитатели не просто случайные гости – мы эволюционировали, помогая друг другу. У всех млекопитающих, даже тех, чьи последние общие предки жили десятки миллионов лет назад, есть заметное сходство между типами кишечных бактерий и их функциями.
Там тепло и влажно; есть несколько «районов», населенных специализированными микроорганизмами. Те из них, что производят конкретные витамины, могут располагаться на маленьких пятачках, а вот те, которые перерабатывают крахмал в простые сахара, живут на более обширной территории. Есть и конкуренция. Как в городах: хорошие парковки и места в престижных школах легко не достаются. Бактерии, питающиеся одними и теми же веществами, вооружены одинаковыми ферментами и, словно львы и гепарды, охотящиеся на одну и ту же добычу, жестко конкурируют между собой. Мне кажется, многие из них хотят забраться в одни и те же мягкие слои слизи и воспользоваться одними и теми же немногочисленными укрытиями, защищенными от жестоких дождей из желудочного сока или желчи. В то же время клетки, которыми устлан желудочно-кишечный тракт, каждый день сбрасываются, так что сегодняшнее укрытие может завтра превратиться в тонущий корабль. В конце концов, когда остатки переваренной пищи покидают ваше тело в качестве фекалий, вместе с ними выходит смесь бактериальных клеток, а также старые клетки стенок кишечника. Вместе они, их фрагменты и вода составляют основную часть вашего стула.
Чтобы понять, насколько важную роль играют микроорганизмы в обмене веществ, подумайте вот о чем: почти все химические субстанции в крови – результат деятельности микробов. Кроме того, бактерии переваривают лактозу, производят аминокислоты и разлагают волокна в клубнике или, например, если вы едите суши, – в водорослях.
С помощью производимых ими веществ удается сохранять стабильное кровяное давление – благодаря особым рецепторам в кровяных тельцах (и, как ни странно, в носу). Эти сенсоры засекают небольшие молекулы, создаваемые микробами, которые населяют кишечник. Реакция на них влияет на давление. Таким образом, после еды оно обычно понижается. Сможем ли мы когда-нибудь получить лекарство от гипертонии, где используются эти бактерии? Вполне вероятно.
Микробы перерабатывают лекарства. Например, миллионы людей по всему миру принимают дигоксин – вещество, добываемое из наперстянки, для лечения различных заболеваний сердца. Сколько его конкретно попадет в кровь зависит от состава микробиома человека; первая химическая обработка и усвоение происходят в кишечнике. Химические различия имеют последствия. Если доза получится слишком низкой, лекарство не сработает. Если, напротив, слишком высокой, пациент может получить дополнительные проблемы с сердцем, изменение в цветовосприятии и расстройство желудка. В будущем врачам, возможно, удастся контролировать этот процесс, активизируя или угнетая кишечных микробов.
Некоторые бактерии производят витамин K, который необходим для свертываемости крови, чего не делают собственные клетки организма. Возможно, положиться на бактерии для его выработки оказалось для человеческого тела эффективнее, чем идти на дополнительные метаболические трудности, то есть вырабатывать самостоятельно. Так что наши предки выиграли конкуренцию у собратьев, которым пришлось либо самим над ним потрудиться, либо собирать из растений. В каком-то смысле можно сказать, что пращуры отдали ключевую метаболическую функцию на аутсорсинг. Мы их накормили и приютили, а они за это помогают сворачивать кровь – замечательный обмен.
Некоторые производят эндогенный «валиум». Люди, умирающие от рака печени, часто впадают в кому. Но если им дать вещество, ингибирующее бензодиазепины (в число которых и входит «валиум»), они просыпаются. Дело в том, что здоровая печень разлагает естественные бензодиазепины, вырабатываемые кишечными микробами, а вот больная печень – нет, так что «домашний валиум» поступает прямо в мозг и усыпляет больного. Другие микробы позволяют горным народам Новой Гвинеи жить на диете, 90 % которой составляет батат, в котором мало белка. Подобно бактериям, живущим на корнях бобовых растений, кишечные микробы этих племен его вырабатывают из атмосферного азота в кишечнике хозяев и создают аминокислоты.
* * *
У женщин бактерии колонизируют и защищают влагалище. До недавнего времени медики считали, что лишь одна группа бактерий, лактобациллы, защищает от патогенов, например, возбудителей молочницы. И действительно, они вырабатывают молочную кислоту, которая уменьшает кислотно-щелочной баланс, делая среду кисловатой и менее гостеприимной для патогенов. Считалось, что женщины, во влагалище которых живут другие бактерии, более уязвимы для вагинальных заболеваний. Но сейчас, когда доступны секвенции ДНК микробов от сотен здоровых женщин, мы знаем, что существуют пять основных типов вагинальных микробиот, лишь в четырех из которых доминируют лактобациллы. В пятом лактобациллы, по сути, отсутствуют. У женщин с подобным типом живут несколько других кодоминантных видов. Но, в противоположность распространенному мнению, это не повышает вероятность развития вагинальных заболеваний, и его обладательницы вовсе не принадлежат к незначительному меньшинству. Подобной «ненормальной» смесью обладает около трети всех женщин.
У женщин без лактобацилл кислотно-щелочной баланс влагалища чуть выше, но их бактерии умеют создавать недружественную среду для непрошеных гостей не менее эффективно. Подобные функциональные замены, скорее всего, происходят по всему телу; у разных людей одинаковую работу выполняют разные бактерии.
Кроме того, мы узнали, что популяция во влагалище меняется со временем. Например, в течение большей части месяца доминирует бактерия L. inners, а во время месячных расцвет переживает другая, L. gasseri, при этом после быстро идет на спад. Все вроде бы ясно, но подобный график – скорее исключение. Самая распространенная схема – отсутствие всякой схемы. Иногда доминирующие бактерии меняются в середине менструального цикла, а в следующем месяце – в конце цикла. Бывает вообще ничего не меняется. Периодически лактобациллы начинают доминировать по очереди, словно играя в чехарду. В некоторых случаях преобладают вообще «необычные» бактерии, которые затем без всякой видимой причины исчезают. Мы до сих пор не разгадали тайны этих неожиданных и значительных перемен.
* * *
Возможно, самая важная услуга, которую оказывают нам бактерии, – иммунитет.
Микробы – это важная третья ветвь иммунной системы. Первая – врожденный иммунитет. Он основан на том, что у большинства микроогранизмов, с которыми мы контактируем, есть схожие структурные черты, которые «видят» белки и клетки, охраняющие наши поверхности. Вторая – адаптивный иммунитет, способность к распознаванию специфических химических структур. Основа микробного иммунитета – бактерии, которые уже живут в вашем теле, долгосрочные обитатели, не пускающие вновь прибывших, используя при этом различные механизмы. Мы еще подробнее рассмотрим все эти ветви.
Взаимодействие между иммунной системой и микробами начинается при рождении и продолжается всю жизнь. Это логично. Одно из неотъемлемых свойств ваших обитателей – враждебность к непрошеным гостям. По сути, дружелюбные микробы довольны и местом жительства, и самой жизнью. Они совсем не рады пришельцам. Например, когда кто-то извне пытается закрепиться в вашем кишечнике, сначала им необходимо пройти барьер в виде желудочного сока, который убивает большинство бактерий. Его вырабатывает человек, но само производство стимулирует живущая там бактерия, например H. pylori. Если пришельцу все-таки удается добраться до кишечника, нужно найти источник еды и место, где устроиться. Но там и без того тесно. Ваши бактерии вовсе не горят желанием поделиться отвоеванным местом на стенке кишечника. А уж поделиться едой – и подавно. Так что они выделяют вещества, в том числе собственные антибиотики, ядовитые для других бактерий.
Некоторым микробам-пришельцам удается закрепиться на несколько дней, после чего они гибнут – собственно, чаще всего происходит именно так. Дело в том, что ваши микробы поддерживают достаточно стабильную ситуацию. Когда вы с кем-то целуетесь, то обмениваетесь множеством микроорганизмов. Но вскоре – через несколько минут, часов, максимум дней, – и вы, и ваш партнер вернетесь к прежнему микробному составу. Есть, конечно, исключения: вы можете получить от партнера вредные патогены. Но обычно способность сопротивляться вторжению, даже от достаточно привлекательного человека, с которым вам захотелось поцеловаться, очень высока. То же можно сказать и о половом акте. Идет обмен не только жидкостями, но и микробами, и что-то меняется в обоих носителях. Но вскоре и вы, и ваш партнер возвращаетесь в прежнее состояние, словно ничего (с микробной точки зрения) не произошло. Возможно, некоторые могут регулярно мигрировать между сексуальными партнерами, но пока что у нас нет о них данных – за исключением патогенов, у которых часто хорошо развита методика распространения между отдельными носителями.
* * *
Даже изменение диеты не слишком действует на микробы. В долгосрочной (месяцы, годы) перспективе состав кишечного микробиома человека меняется не слишком сильно, но при этом ваш микробиом отличается от моего. В одном небольшом исследовании люди на две недели сели на средиземноморскую диету: много волокнистой пищи, цельные зерна, сухие бобы и чечевица, оливковое масло, пять порций фруктов и овощей каждый день. Она ассоциируется со сниженным риском сердечно-сосудистых заболеваний. Все сдали кровь на липиды, коррелирующие с заболеваниями сердца, и образцы стула, чтобы определить, как изменился микробный состав кишечника после диеты. Исследователи обнаружили снижение общего уровня холестерина, а также так называемого «плохого» холестерина, или ЛНП, – это просто замечательно. Но вот микробный состав после диеты не изменился никак.
У каждого человека обнаружилась собственная уникальная микробная «подпись», подобно отпечаткам пальцев. И она осталась прежней даже после манипуляций с диетой. Тем не менее в других исследованиях изменения микробной популяции оказались более значительными. Например, питание только растительной или только животной пищей влияло на микробиоту, но только на время, пока люди сидели на этой диете. Мы не знаем, сколько нужно времени, прежде чем изменения примут постоянный характер – может быть, год. Нужно провести еще много исследований, чтобы понять, как диета воздействует на кишечных микробов. Но на данный момент кажется, что относительные пропорции различных бактерий меняются лишь в определенных границах. Сейчас исследователи пытаются выяснить их, одинаковы ли они у разных людей и насколько значительно меняются в течение жизни.
Если в вас живут 100 триллионов бактерий, а каждая – маленькая генетическая машина, сколько генов работает в ваших микробах-обитателях и что они делают?
Как мы уже обсуждали, одной из целей проекта «Микробиом человека» было секвенирование генетического материала микробов, взятых из организма молодых здоровых людей. Ученые не только провели перепись, где перечислили микробы, живущие в организмах («кто там»), но и составили список генов, которые несли эти микроорганизмы, и описали их функции («что там»). Основное открытие состоит в том, что у ваших или моих микробов миллионы уникальных генов; по последним данным, их около 2 млн. Для сравнения, в человеческом геноме 23 000 генов. Иными словами, 99 % уникальных генов в вашем теле – бактериальные, и лишь 1 % – человеческие. Наши микробы – не просто пассажиры, а активные участники обмена веществ. Их гены кодируют полезные для них продукты. Ферменты производят аммиак или уксус, двуокись углерода, метан или водород, употребляемые в пищу другими микробами. А также множество других, намного более сложных веществ, полезных для организма – мы еще пытаемся понять, как это происходит.
Недавний опрос, проведенный большой группой ученых в Европе (он начался на консорциуме MetaHit), показал нечто совсем иное. Перепись почти трехсот европейцев показала, что количество уникальных бактериальных генов в кишечнике подопытных резко отличалось. Распределение оказалось ненормальным, в виде колоколообразной кривой. Вместо этого обнаружились две отдельные группы. У большой, в которую входило 77 % участников, обнаружилось в среднем 800 000 генов. У меньшей – 23 % – всего 40 000. Такой разницы никто не ожидал. Но самым интересным наблюдением стало то, что люди с меньшим количеством генов с большей вероятностью страдали от ожирения. Это поразительный результат.
* * *
Изучение экологической структуры бактерий-обитателей – очень сложная процедура. В большой экосистеме, например в лесу, экологи могут непосредственно наблюдать за различными особями и видами, взаимодействующими в реальном времени на протяжении дня, сезона или года. Но подобным образом изучать микробные экосистемы не удастся. Как сказано выше, один из лучших современных методов – подсчитать и идентифицировать все гены в конкретном сообществе. Представим это вот таким образом. Заберем целиком один акр леса, пропустим через гигантский блендер, а затем пересчитаем оставшиеся фрагменты листьев, древесины, костей, корней, перьев и когтей; по этим останкам, обломкам и обрывкам составим примерный список обитателей и предположим, как они взаимодействуют.
Мы можем понять функции некоторых бактериальных генов, сравнив их с другими известными. Первые данные проекта «Микробиом человека» и европейской программы MetaHit в основном дали нам так называемые «гены домоводства»: они занимаются рутинной, но необходимой для жизни работой. Например, в изобилии встречаются гены для строительства и поддержания состояния клеточной стенки, потому что все бактерии обязаны их строить. Кроме того, у всех должны быть гены, позволяющие воспроизводить собственную ДНК и размножаться. Обнаружены и гены для ключевого фермента, ДНК-полимеразы, необходимой для создания новых цепочек. У людей несколько его вариантов, у микробов, живущих в нас, должно быть, тысячи, в зависимости от того, в какой именно бактерии он содержится.
В генах бактерий, обнаруженных на разных участках тела, есть и менее тонкие отличия. «Гены домоводства», конечно, остаются постоянными, но например, у кожных бактерий больше тех, которые связаны с маслами, чем у обитателей толстой кишки. У вагинальных есть гены, которые помогают создавать кислую среду и выживать в ней. Основываясь на сегодняшнем уровне знаний, можно смело сказать, что микроорганизмы выполняют специализированные функции на всех обитаемых участках тела, и разница между ними может быть гораздо больше, чем между людьми. Например, самый высокий человек на Земле выше самого низкого в два, максимум в три раза. Разница в размерах организмов типичного микробиома может составлять поразительные десять миллионов единиц. Бактериальная специализация – очень интересный и в основном неисследованный мир, который поможет понять, что именно делает каждого из нас уникальным с точки зрения здоровья, обмена веществ, иммунитета и даже когнитивных способностей.
Мы пока еще не определили функции 30–40 % бактериальных генов, обнаруженных в рамках крупных проектов, но знаем, что некоторые виды редки, им может грозить вымирание. Микробное население в целом бывает очень динамичным. Количество клеток, представляющих определенный вид, может колебаться от одной до триллиона. Давайте предположим, что животное нашло новую пищу, где содержится незнакомое ему химическое вещество. Вид бактерий, популяция которого составляла всего сотню клеток, способен в результате изменений кишечной среды из-за новой пищи размножиться за несколько дней до миллиардов. Если ранее доминирующий вид не выдержит конкуренции за еду с новой голодной бактерией, то его численность может сократиться в несколько тысяч раз, а то и больше. Именно динамизм и гибкость – основные характеристики микробиома, которые помогают ему процветать. Но с другой стороны, у вида, который в нормальных условиях представлен всего сотней клеток, нет права на ошибку. Он может столкнуться с антибиотиком, который его полностью уничтожит.
Я называю такие редкие виды «микробами на всякий случай». Они могут не только эксплуатировать необычное пищевое вещество (более распространенные, как правило, не могут), но и, скажем, обеспечивать генетическую защиту от угроз, например болезни, с которой людям еще не приходилось иметь дела. Для меня это яркий сигнал тревоги. Разнообразие жизненно необходимо. Что, если мы потеряем критически важные редкие виды? Что, если исчезнут «краеугольные камни» человеческой микробной экосистемы? Приведет ли это по принципу домино к вымиранию других видов?
* * *
Наше сосуществование с бактериями вынуждает задать немало важных вопросов. Почему они нас не уничтожили? Почему мы их терпим? Как в беспощадном мире дарвиновской конкуренции удалось добиться стабильных отношений с нашими микроорганизмами?
Ответы на эти вопросы может дать теория общественных благ – это то, что доступно всем: например, чистый воздух, которым вы дышите на морском берегу, яркий солнечный день, новая улица, построенная в том числе на ваши налоги, любимая общественная радиостанция. Но ничто на самом деле небесплатно. Общественное радио нужно поддерживать, соответственно, кто-то должен за это платить. Чистый воздух – общественное благо, но ваш автомобиль выделяет вещества, загрязняющие мой чистый воздух. Я дышу в том же пространстве, в котором вы ездите.
В хорошо функционирующем социальном мире от каждого индивида ждут, что он внесет свой вклад в общественное благо. Вы можете слушать общественное радио и не платить по счету, но если так будут поступать все, радиостанция обанкротится. Если у всех будут машины с «грязными» двигателями, пострадает общий воздух и солнечный свет. С этой точки зрения, людей, которые пользуются общественным благом, но при этом не отдают достаточно взамен, можно назвать «мошенниками»: они получают выгоду, но не расплачиваются за нее.
Однако в джунглях, где правит закон выживания наиболее приспособленных, «мошенничество» кажется довольно неплохой стратегией. Птица-мошенник сможет, например, отложить больше яиц или найти лучшее место для гнездования и за несколько поколений добиться немалого успеха (оставить большее потомство), потому что выгоды от такого поведения превышают издержки. У них есть преимущество в отборе. Однако если бы «мошенники» всегда побеждали, то никакого сотрудничества бы не наблюдалось. Почему бы всем не стать халявщиками и отказаться финансировать общественное радио? Как могут различные живые существа жить вместе, если преимуществом в отборе владеют те, кто нарушают правила? Мошенничество может легко разрушить всю систему.
Тем не менее куда бы мы ни смотрели, видим сотрудничество: пчелы и цветы, акулы и рыбы-лоцманы, коровы и рубцовые бактерии, которые помогают им извлекать энергию из травы, термиты и тли. Насколько нам известно, жвачные существуют миллионы лет, а насекомые, те же тли и термиты, и того дольше. Это значит, что мошенники не всегда побеждают. Проще говоря, наказание за это должно быть настолько высоким, чтобы процесс стал невыгодным. Если бы не было никаких последствий, большинство людей превышали бы скорость на дорогах. Наказания – действенное средство.
Тот же самый принцип и у микробов. Естественный отбор поощряет носителей, обладающих системой наказаний, которую невозможно избежать: чем масштабнее мошенничество, тем оно сильнее. Можно испортить добычу, «нажитую нечестным путем». Например, бактерия в кишечнике термита, которая выходит за четко обозначенные границы, сталкивается с сильнейшим иммунным ответом, который ставит ее на место. Это работает, но для носителя такая система может быть очень дорогой роскошью. Некоторые умирают, когда иммунная система излишне агрессивно сражается с мошенниками. А погибает носитель – погибают и все его обитатели. Когда это происходит, гены – и носителя, и обитателей, – навсегда теряются для потомства. Появляются другие термиты, в которых нет мошенников, и занимают экологическую нишу, оставленную недавно умершим собратом. Противостояние между конкуренцией и сотрудничеством разыгрывается одновременно на тысяче «сцен».
Теория игр, созданная великим экономистом и математиком Джоном Нэшем (чья биография известна нам по книге и фильму «Игры разума»), проливает свет на феномен сотрудничества, на вопрос, почему отбор в совместно эволюционирующих системах поощряет особи, которые играют в основном по правилам. Это также помогает понять поведение в обществе: как люди принимают решения по оптимизации результатов и как работают рынки. Нэш представил ситуацию, которую сейчас стали называть «равновесие Нэша». Если вкратце, то это стратегия в игре с двумя или более игроками, где результат оптимален, если играть по правилам; если жульничать, он будет хуже.
Экосистемы, которые существуют уже очень долго, например наши тела, сумели разрешить фундаментальный конфликт между конкуренцией и сотрудничеством. Мы выжили. Но эта теория по-прежнему важна – посмотрите хотя бы на наш меняющийся мир. Сотрудничество – это очень слабая вещь: если его нарушить, то дальше возможно все, что угодно. Я боюсь, что из-за избыточного использования антибиотиков, а также некоторых других распространенных практик, например кесарева сечения, мы вошли в зону опасности, в ничейную полосу между древним микробиомом и современным миром, карты которого до сих пор не существует.
