Часть 1. Новое биологическое мышление

1. Конец старой биологии

А что, если сама биологическая сущность человека радикальным образом отличается от того, чему нас учили в школе? Первым делом такая мысль вызывает растерянность и замешательство. В конце концов, бульшая часть моей жизни уже прожита, и я прожил ее, пребывая в полной уверенности, что уж в людях-то я разбираюсь неплохо. Увы! Выясняется, что все мои представления о фундаментальных основах человека были ошибочными. И в этом я далеко не одинок.

О том, что значит быть человеком, мы обычно узнаем еще в детстве, по большей части на уроках в школе. Эти знания, как правило, включают биологическую природу людей и особенности, отличающие их от животных. Нередко школьные знания дополняются наставлениями со стороны церкви или религиозных общин. И, разумеется, изо дня в день мы получаем соответствующие представления о людях от членов своих семей. Родители, братья и сестры с утра до вечера забрасывают нас провокационными вопросами типа «Зачем ты это сделал?» или «О чем ты вообще думал?». А вопросы, звучавшие в нашем семействе, и вовсе предвосхищали идеи о суперорганизме, например: «А каким местом ты думал, когда решил это сделать?»

На наши представления о природе и/или биологии человека могут оказывать влияние общественные и даже государственные организации. Школа, церковь и семья довольно полно разъяснили мне, что я представляю собой как человек и какое место я занимаю в окружающем нас мире. Но идеи, почерпнутые мною в детстве из этих разных источников, не всегда совпадали. Даже люди, к которым я прислушивался больше всего, имели различные точки зрения. И это было прекрасно! В моем случае ни один из источников информации о людях не настаивал на том, чтобы мое мнение совпадало с его собственными взглядами. За исключением разве что эволюционного учения Дарвина, которое, безусловно, требовалось знать для успешной сдачи школьного экзамена по биологии.

Школа познакомила меня с эволюционной догмой, что человек – вершина развития жизни на Земле – достиг господствующего биологического положения благодаря жесткому естественному отбору. Эти идеи отражали общебиологические представления Чарлза Дарвина и его учение о борьбе за существование и изменение видов. С этими академическими мантрами я сталкивался на протяжении большей части моего биологического образования.

Я помню, как сильно увлекся незаслуженно забытой книгой Феодосия Добржанского – знаменитого генетика растений, биолога-эволюциста и ученого, прославившегося переосмыслением классических идей Дарвина в свете открытия генов в XX в. Я высоко ценил работы Добржанского в области генетики и эволюционной биологии, но заинтересовавшая меня книга не имела отношения к эволюционной биологии. Это были рассуждения о генетике и природе человека под названием «Биологические основы человеческой свободы» (The Biological Basis of Human Freedom, 1954). В этой книге Добржанский вышел за узкие рамки генетического исследования и затронул более общие проблемы биологии, такие как родство человека с природой и взаимоотношения между генами, окружающей средой и культурой. Он отстаивал мысль о пользе кооперативного поведения для формирования приспособленности и естественного отбора людей. Сотрудничеству между людьми Добржанский посвятил многие страницы своей книги. А в этой книге я размышляю о сотрудничестве, осуществляющемся внутри человека. Каждый человек – это деревня. Самобытное, невероятно широкое мировоззрение Добржанского отчасти и побудило меня заняться генетикой в колледже, а эти генетические исследования в свою очередь позволили мне стать сотрудником Корнеллского университета. Я всегда восхищался тем, как широко мыслил Добржанский о возможностях своей науки (генетики) применительно к людям – как к отдельным индивидам, так и к человеческому обществу в целом.

К концу моего обучения в университете дарвиновскую теорию эволюции дополнили захватывающие идеи еще одного блестящего ума. В 1976 г. бывший профессор Оксфордского университета Ричард Докинз опубликовал книгу «Эгоистичный ген» (The Selfish Gene). В ней ученый высказал предположение, что человеческие существа, по сути дела, представляют собой «генные машины», чья биологическая деятельность определяется тщательно отобранными в процессе эволюции человеческими генами. Очень смелое утверждение! Но оно было основано на общих представлениях XX в. о биологии млекопитающих, и это обернулось его недостатком. Если люди – роботы, управляемые генами, то какие именно гены управляют нашей жизнедеятельностью? Некоторые гены на всем протяжении нашей жизни так никогда и не «включаются» (то есть так никогда и не становятся активными); другие, напротив, никогда не «выключаются»; третьи выключаются на какое-то время, а затем включаются вновь. Следует ли нам принимать в расчет только включенные гены? Но кто или что в таком случае заставляет их «включаться»?

Эти соображения из области эпигенетики позволяют нам говорить о том, что идеи о «генных роботах» или «эгоистичном гене» немного устарели. Для этого, пожалуй, есть и еще более важное основание: сегодня мы знаем, что 99 % генетической информации, содержащейся в той части пространства, которая называется «человеком», никакого отношения к его собственному геному не имеет. Наши собственные гены несут лишь 1 % информации, управляющей работой клеток нашего тела. Проблема в том, что всякий раз, когда нам начинает казаться, что мы знаем абсолютно всё, что происходит в биологии, кто-нибудь открывает нечто, о чем прежде мы даже не догадывались, и это нечто порой бывает весьма существенным. Не корректнее ли было бы говорить о людях не как о «генных машинах», а как о «машинах для хранения микробов», предназначенных для их передачи будущим поколениям людей?

Когда я был ребенком, церковь познакомила меня с креационистскими взглядами на человека как на организм, созданный на небесах и водворенный на прежде безлюдную землю. Кроме того, церковь снабдила меня рекомендациями о том, как люди должны вести себя в этом мире. Я отобрал из них те, что соответствовали моим собственным взглядам, и, рассуждая о возможных путях происхождения жизни, решил проявлять известную гибкость.

В своих представлениях о людях моя далекая от атеизма семья находилась где-то в самой середине широкого спектра научных и религиозных концепций. К счастью, мои близкие предоставили мне полную свободу в оценке этих разнообразных взглядов и в формировании собственных представлений о людях, Земле и Вселенной. В 25 лет я довольно твердо стоял на позициях эволюционного креационизма, и так продолжалось десятилетиями. Я даже немного гордился «гибкостью» и «оперативностью» своих представлений о людях и жизни на Земле. Довольный и умиротворенный, я продолжал жить с этими представлениями вплоть до недавнего времени.

Истинную биологическую тайну, сокрытую в людях, не понимал почти никто. Даже лучшие умы человечества, такие столпы биологии, как Чарлз Дарвин, Феодосий Добржанский, Ричард Докинз, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, упустили из виду один из ключевых элементов биологии человека. А именно: люди – совсем не те существа, которыми мы все считали себя прежде. Каждый человек, пребывающий в собственном теле, совсем не одинок.

В 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили природу ДНК и в 1962 г. получили за свою работу Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Почти через полвека после этого открытия был совершен новый прорыв в биологии, который, как надеялись многие, окончательно раскроет все тайны человеческой природы: ученые почти полностью расшифровали человеческий геном, то есть определили последовательность нуклеотидов (и генов) в молекуле ДНК. Эти знания, казалось бы, должны дать нам все необходимое для понимания природы человека, его здоровья и болезней.

Разработка проекта «Геном человека» началась еще в конце 1980-х гг., а для его полного осуществления потребовалось три пятилетних плана. Проект осуществлялся в Национальных институтах здоровья США, координировался Национальным институтом исследований человеческого генома и финансировался Конгрессом США. Его общая стоимость, по примерным оценкам, составила около 3 млрд долларов. К участию в проекте были также привлечены несколько федеральных ведомств США и около двадцати крупных научно-исследовательских институтов и организаций в Северной Америке, Европе и Азии. Скрупулезную трудоемкую работу выполняли легионы ученых. Одним из положительных «побочных эффектов» этого титанического труда стала разработка новых технологий молекулярного анализа. Результаты проекта изменили биологию – но далеко не в том направлении и не в той степени, как ожидали сами исследователи.

По иронии судьбы одно из величайших научных свершений современности положило конец старой биологии. В феврале 2001 г. журнал Nature опубликовал наиболее значимые результаты глобального научного исследования. Это событие стало кульминационным пунктом долгой генетической революции в биологии XX в. и ознаменовало собой успешное завершение основного этапа проекта «Геном человека».

Что дает нам основание полагать, что один из величайших проектов в истории науки положил конец целой эпохе биологического мышления? Все очень просто: его результаты. Факты, выявленные при его реализации, разительно отличались от ожидаемых. До начала проекта ученые считали, что наш геном состоит приблизительно из 50 000 генов. Основываясь на научных представлениях того времени, ведущие ученые мира полагали, что наш геном управляет белковым синтезом, метаболизмом и развитием клеток и тканей. А значит, возможность контролировать геном должна была подарить медикам чудодейственный эликсир от самых разных болезней. Всё правильно – за исключением только того обстоятельства, что ученые сильно недооценили роль окружающей среды. Короче говоря, результаты титанического труда по расшифровке человеческого генома никого в восторг не привели.

Выяснилось, что геном человека насчитывает не 50 000, а всего примерно 22 000 генов – менее половины от ожидавшегося количества. Кроме того, эта цифра существенно ниже того числа генов, которое, по мнению ученых, должно соответствовать невероятной сложности и разнообразию биологической активности человека. Фактически по количеству генов, кодирующих белки, мы едва превосходим аскарид и других круглых червей (нематод): их геном состоит примерно из 20 000 генов. Человек – вершина эволюции?! Может быть. Но если мы такие особенные, то уж точно не из-за того, что наш геном сильно превосходит числом генов геномы других видов.

Так что с человеческим геномом в 22 000 генов дело обстоит не так просто. В соответствии с идеями биолога-эволюциониста Ричарда Докинза, всем управляют наши человеческие гены (то есть гены, свойственные нам как млекопитающим). И, научившись управлять этими генами, мы, несомненно, смогли бы лечить любые человеческие болезни. Во всяком случае, такова и была грандиозная конечная цель проекта «Геном человека». Но как столь небольшому количеству генов удается управлять жизнедеятельностью, развитием, выживанием и даже благоденствием такой фантастически сложной системы, как человек? Ответ один: никак.

Будь у нас одни только человеческие гены (то есть гены, роднящие нас с млекопитающими), ни о каком благоденствии не было бы и речи; мы были бы обречены на болезни и умирание. Эти гены не предназначены для поддержания долгой и здоровой жизнедеятельности людей. Они составляют лишь небольшую часть нашей системы жизнеобеспечения. Именно поэтому результаты проекта «Геном человека» и ознаменовали собой начало эры новой биологии. Самый важный его результат заключается в том, что наш базовый человеческий геном составляет лишь ничтожную часть системы, благодаря которой здоровые дети превращаются в здоровых взрослых и производят на свет новое поколение здоровых людей.

Разочаровавшие результаты проекта заставили нас задуматься о том, чту может скрываться за пределами человеческого генома. Люди – неизолированные самодостаточные организмы, состоящие исключительно из клеток, свойственных млекопитающим. Мы вправе претендовать на большее. Человек – это суперорганизм.

XX в. был временем выдающихся научных свершений. В известном смысле мы стали хозяевами нашей среды обитания. А эта среда включает не только всю планету, но и космические путешествия за ее пределы. Во введении я описал изменения, которые претерпела ситуация с инфекционными заболеваниями в середине XX столетия. В детстве, пришедшемся на 1950-е гг., мне посчастливилось стать очевидцем некоторых из этих изменений, когда благодаря научным инновациям люди одержали верх над многими смертельными инфекционными недугами.

Это было время, когда становились широкодоступными вакцины Солка и Сэбина против полиомиелита, и на моих глазах из медицинской практики постепенно исчезло «железное легкое» – аппарат для стимуляции дыхания жертв полиомиелита. Скарлатина и дифтерия перестали быть тотальной угрозой для детей. У многих представителей моего поколения беби-бумеров до сих пор заметен небольшой шрам на плече, оставшийся после прививки от оспы (у большинства представителей более молодых поколений он отсутствует).

В те времена ученые были вполне уверены, что знают людей, знают среду их обитания и знают, как управлять и людьми, и этой средой для достижения всеобщего благоденствия. Они полагали, что раз антибиотики – благо, то чем больше их будет, тем лучше. В те времена люди без вопросов принимали все новшества химической промышленности, пищевой индустрии и транспорта. Ведь все они шли нам только на пользу! В конце концов, теперь людям стало по силам создать новый тип искусственной среды, где можно было бы контролировать выброс химических веществ и даже изолировать себя от микробов. Теперь мы могли радикальным образом изменить доступность пищи, разнообразие продуктов питания и выбор диет. Мы могли полностью оградиться от окружающего мира защитным коконом и управлять из него внешним миром.

Хотя намерения людей прошлого века были самыми похвальными, фундаментальное непонимание истинной природы человека завело нас в тупик. Мы думали, что нам совсем не обязательно существовать в окружающей нас среде, а на самом деле вне этой среды наша жизнь невозможна.

Руководствуясь представлениями старой биологии, в XX в. люди, по сути дела, занимались заменой одного набора своих болезней другим. Мы снизили риск смерти от инфекционных болезней, но повысили риск пожизненной нетрудоспособности и преждевременной смерти от хронических неинфекционных заболеваний (НИЗ).

В 2012 г. мне предложили написать статью для специального выпуска научного журнала Entropy. Этот выпуск был посвящен одной из актуальных проблем современности: можно ли предсказать, будет ли человек здоровым на протяжении жизни или его будут вечно мучить болезни? Какие факторы нужно для этого учитывать, какие показатели и параметры следует измерять? Существуют ли некие биологические признаки, позволяющие предсказывать здоровье? Я был уверен, что смогу ответить на этот вопрос – в конце концов, с ним и была связана вся моя работа на протяжении последних 35 лет. На начало статьи у меня ушло полдня, я стал просматривать написанное и чем внимательнее вчитывался в свои рассуждения, тем менее убедительными они мне казались. И я сник. Что случилось? То ли день выдался неподходящим для литературных трудов, то ли у меня просто-напросто не было правильного ответа.

Обескураженный, я лег спать. В середине ночи я проснулся от яркого сновидения. Некоторые его эпизоды тут же улетучились из моей памяти. Но в ней сохранилось главное – новое представление о том, чту составляет суть здорового человека. И это определяющее начало здоровья вполне поддается количественной оценке у новорожденного младенца – его микробиом.

Микробиом человека обычно определяют как совокупность микробов, живущих внутри его тела и на его поверхности. Этим термином нередко обозначают как микробные клетки, так и их гены. Совокупность микробов, использующих наше тело в качестве жилища, иногда называют также микробиотой. Микробиом не связан с какой-то определенной частью тела, напротив, он рассредоточен практически по всем его участкам, граничащим с внешней средой. Он присутствует в дыхательных путях (в носу, бронхах, легких), желудочно-кишечном тракте (во рту, глотке, тонком и толстом кишечнике, слепой кишке), в половых путях, на коже и т. д.

Разные участки тела заселены различными видами микробов, предпочитающими жить именно в этих местах. Эти микробы – такая же неотъемлемая часть нашего тела, какой они были у наших предков.

Мысль, разбудившая меня среди ночи, – что для здоровья малышу требуются как человеческие клетки и гены, так и полный комплект микробов, – была подробно изложена в 2012 г. в одной из моих статей и получила название «гипотезы полноценной биологической сущности человека». Моя гипотеза утверждает, что вопреки тому, чему в детстве нас учат школа и церковь, люди как «чисто» млекопитающие существа на самом деле нежизнеспособны. Теряя микробных партнеров, мы лишаемся важной части своей биологической сущности, без которой невозможно не только наше благоденствие, но и само существование. В своем полноценном виде каждый человек представляет собой конгломерат из тысяч различных видов существ. Если мы лишаемся каких-то ключевых видов микробов, начинаются проблемы со здоровьем. По сути дела, все мы «гибриды»: каждый человек – это суперорганизм.

Прежние представления о человеке отражали наиболее распространенные в XX в. биологические и богословские концепции. Теперь, однако, мы мыслим иначе. Человек – это микрокосм, заселенный самыми разнообразными видами существ. Фактически наше тело является их пленником: они живут и в его внутренностях, и на поверхности. В нашем теле обитают археи – микроскопические существа, населяющие также подледные озера Антарктиды, глубочайшие океанические впадины, горячие источники с почти кипящей водой и прочие земные местообитания с экстремальными условиями. Люди связаны с окружающей средой самыми разными способами, многие из которых нам даже и не снились.

Но вернемся ненадолго к идее Ричарда Докинза об эгоистичном гене. Вот основная предпосылка ученого: «Мы – всего-навсего машины для выживания, самоходные роботы, слепо запрограммированные на сохранение эгоистичных молекул, известных под названием генов. Эта истина до сих пор наполняет меня изумлением» (Ричард Докинз, «Эгоистичный ген»).

Основное допущение здесь состоит в том, что человеческий геном в значительной степени определяет существование и поведение человека. В 1998 г., в программе «Вера и разум» американского канала PBS, Докинз объяснил также, каким образом гены, определяющие развитие нервной системы человека и животных, используют их поведение в своих интересах. В свете дарвиновских эволюционных идей эта мысль звучит вполне логично, но она подразумевает, что именно человеческие гены определяют формирование человеческой нервной системы, которая в свою очередь заставляет нас вести себя сообразно интересам тех же самых человеческих генов.

Теперь, руководствуясь представлениями новой биологии, мы понимаем, что это не так. Сегодня известно, что наши микробные гены, называемые также вторым геномом человека, определяют поведение (например, вызываемое голодом потребление пищи), которое поддерживает существование бактериальных генов и их воспроизводство. Если в людях и присутствуют по-настоящему «эгоистичные гены», то, скорее всего, они находятся в микробах, а не в человеческих клетках. Старая биология такую ситуацию предвидеть не могла.

Как станет ясно из последующих разделов книги, наши микробные партнеры (то есть микробиом) оказывают существенное влияние на поведение человека. Так кто же здесь главный? Кто именно сидит за рулем автобуса, называемого человеческим суперорганизмом? Люди обзаводятся микробами, чтобы стать более совершенными, или же микробы «конструируют» более совершенного человека в качестве нового и более подходящего вместилища для последующих поколений своих потомков?

А может быть, на самом деле здесь нет ни «начальников», ни «подчиненных»? Но теперь-то мы знаем, что суперорганизм современного человека складывается из тысяч видов существ, а потому лучший вывод, который можно сделать в таких обстоятельствах, заключается в том, что в нашем многовидовом суперорганизме преобладают гены, готовые к сотрудничеству и согласованной работе, – то есть не эгоистичные гены. Люди без микробов начинают болеть. Микробы без людей превращаются в бомжей.

На самом деле эта взаимосвязь имеет еще более замысловатый характер. Как показали исследования, между микробами и клетками нашего собственного тела существует обмен генами. Человеческий организм представляет собой сплошную «мешанину» даже на клеточно-молекулярном уровне. Многие из наших «современных» генов изначально были не «нашими». Их подарили нам древние микробные партнеры. Человек – совсем не то существо, о котором нам рассказывали до сих пор. Человек – нечто гораздо большее. Человек – это микрокосм, отражающий весь мир, в котором он живет.

Но может быть, рекламируя «новую биологию», я лишь напускаю еще больше туману вокруг таких извечных вопросов, как природа Человека и Вселенной? Это не так. Я твердо убежден, что новое биологическое мировоззрение в конечном итоге изменит всю нашу жизнь – и изменит ее в лучшую сторону. Это изменение произойдет очень постепенно, но оно неизбежно отразится и на качестве медицины, и на безопасности людей и окружающей их среды. Изменит оно и наше понимание межличностных взаимодействий. Не исключено, что оно даже приведет к изменению культурного и политического климата на планете.

Но первым делом нужно поближе познакомиться с той невидимой, но в высшей степени полезной частью нашего организма, о которой и шла до сих пор речь, – нашим микробиомом.