Болезнетворные микроорганизмы, к которым относятся вирусы, бактерии, грибы и паразиты, невидимы человеческому глазу. Но каждый из нас точно знает, что они существуют практически везде: на игрушках, в песочнице, на дверной ручке, компьютерной клавиатуре, на купюрах и монетах, на продуктах питания, которые мы покупаем на рынке или в супермаркете, на руках людей, с которыми мы контактируем, и на наших собственных ладонях. Они подкарауливают нас везде, только и ждут того, как бы поселиться в нашем организме, тем самым нарушив его функционирование.

Иногда мы размышляем над тем, как же все-таки они выглядят, эти мелкие противные причины наших болезней. Для большинства людей подобный вопрос находится где-то в плоскости научной фантастики. Ученые же с огромной радостью докапываются до самой сути.

Несколько лет назад машинисты метрополитена в Нью-Йорке, Йоханнесбурге, Париже, Москве, Токио, Сиднее и сотрудники недавно запущенного берлинского метро могли наблюдать странное явление. Молодые ученые роились, как пчелы, с ватными палочками и ловили невидимых обитателей нашей планеты, наших сожителей, которые живут в нас, на нас, над нами и под нами. Инициатором такого флешмоба стал нью-йоркский биоинформатик Кристофер Мэйсон из Корнеллского университета (Cornell University). Однажды он забирал свою дочь из детского сада и увидел, как она облизывает игрушку. Как у любого другого родителя, у него уже вертелось на языке: «Не суй в рот грязные предметы, а то заболеешь». Но ученый осекся, задавшись вопросом, с какими именно возбудителями контактирует его ребенок. В 2013 году Мэйсон и его коллеги начали работу по исследованию скрытых микроорганизмов в нью-йоркском метро. Позже к ним присоединились коллеги в других штатах и других странах. Ватными палочками они собирали содержимое поверхностей сидений, терминалов по продаже билетов, поручней в вагонах метро. Так ученые получали образцы клеток и их остатков, которые скапливались на поверхностях различных предметов. Затем из полученного материала выделили фрагменты ДНК, и миллионы кусков с помощью компьютерной программы собрали в единую картину. Таким образом была определена структура генетического материала полученных клеток и их видовая принадлежность.

Генетическое картирование микробов, обитавших на станциях нью-йоркского метро, было завершено.

Тот, кто однажды увидит эту карту целиком, будет потрясен от осознания того, что на ней представлен параллельный мир. Ученые смогли определить 637 различных видов микробов. Половиной из них оказались бактерии, перемешанные с фрагментами ДНК людей, грызунов, грибов и вирусов. Некоторые бактерии были болезнетворными. Мэйсон и его команда обнаружили возбудителей сибирской язвы, чумы, но большинство микроорганизмов все же не представляли опасности для человека, а некоторые оказались даже полезными. После того как работа в метро Нью-Йорка была успешно завершена, был дан старт аналогичному проекту в Берлинском метрополитене, который планируется завершить к 2020 году.

И тогда мы узнаем гораздо больше о том, какие существуют микробы, где они обитают, откуда появляются, как размножаются, какие их разновидности и в каком количестве способны вызывать вспышки инфекционных заболеваний.

Метагеномика – это область науки, которая проливает свет на параллельную вселенную и ее обитателей, скрытых от человеческого глаза, но живущих повсюду рядом с нами. Метагеномика – предмет жарких дискуссий в будущем. Каждый день мы оставляем множество персональных данных в Сети, которые многое могут рассказать о наших интересах и пристрастиях. Точно так же малюсенькие существа, которые мы оставляем на различных поверхностях в метрополитене и не только, способны поведать многое о нас: кто мы такие, возбудители каких заболеваний нас поджидают. Возможно, однажды мы поймем, как можно обезопасить себя от них и даже их победить. Но на сегодняшний день этот проект лишь в очередной раз напоминает нам, что мы живем не одни на этой планете, и развенчивает миф о нашей самостоятельности и независимости.

Хорошие микробы помогают нам выживать, плохие осложняют нашу жизнь тем, что вселяются в нас и вызывают развитие различных заболеваний. Нам никак не избежать контакта с ними. Если мы не попадем под машину, не станем жертвой авиакатастрофы или нас не затопчет лошадь, то с высокой долей вероятности можно утверждать, что умрем мы (хотелось бы верить, что произойдет это не слишком скоро) от инфекции. А пока этого не случилось, нам не остается ничего, кроме как всецело и полностью довериться нашей иммунной системе, чего она вполне заслуживает. Ей действительно приходится нелегко, поскольку она вынуждена день за днем охранять нас.

Предполагается, что мы не будем усложнять ей жизнь круглосуточным сидением перед телевизором без малейшего движения, курением, частыми вечеринками с распитием алкоголя, вредной и жирной едой, постоянными стрессами. Если мы ее побережем и обеспечим ей немного покоя, то тем самым значительно облегчим ей работу.

Наша иммунная система очень умная и очень хорошо нас знает. Она прекрасно осведомлена, откуда в прошлом исходила опасность и как удалось этой опасности противостоять. Она приспосабливается к нам, постоянно изучает что-то новое и в любой экстренной ситуации моментально готова прийти на помощь. Кроме всего прочего, наша иммунная система очень скромная. В отличие от сердца, желудка, легких, печени, почек и других органов, которые сразу начинают подавать сигналы, если дела у них обстоят не очень хорошо, иммунная система ведет себя тихо, лишний раз не докучая нам. И пока она функционирует бесперебойно, мы даже не задумываемся о ее существовании. Мы знаем ее имя, но большинство людей не имеет ни малейшего представления о том, как она выглядит и где находится. Большинство из нас полагает, что в организме просто что-то где-то есть, и это что-то своевременно отражает угрозы и атаки болезнетворных микроорганизмов. Собственно, на деле все так и происходит. Иммунная система существует и моментально вступает в бой, если возникает угрожающая жизни ситуация.

Она не защитит нас от злой собаки или карманного вора. В этом случае более эффективными окажутся ловкая нога или сильная рука. Если мы вступаем в контакт с химическими отравляющими веществами, то роль первой скрипки берет на себя печень. При врожденных заболеваниях действенными зачастую бывают только медикаментозная терапия и лечебная гимнастика, эрготерапия. При избыточной влажности, жаре, холоде, давлении и ударах защиту обеспечивает кожа, состоящая из нескольких слоев, которые выполняют разные функции. Самый верхний слой кожи представляет собой мертвые роговые чешуйки, которые постоянно слущиваются с поверхности. Этот своего рода мертвый чехол является форпостом нашей иммунной системы. Если бактерия, грибок или вирус оседают на поверхность такого мертвого чехла, то опасности организму они никакой не представляют. Согласитесь, ведь на кончиках пальцев не развивается воспаление, если мы касаемся ими грязной клавиатуры компьютера. Мы также не заболеем, если нам придется сесть на грязное сиденье унитаза. Ведь кроме рогового слоя и защитных бактерий, обитающих на поверхности кожи, у нас есть еще защитники – собственные антибиотики, вырабатываемые нашим организмом. При контакте с бактериями, грибами, токсинами и вирусами они начинают моментально синтезироваться. Особенно эффективны они в отношении кишечной палочки, эшерихии коли, которая может быть очень опасной для человека.

Для того чтобы возбудителю удалось нас сразить, сначала он должен прорваться через кожный барьер и попасть внутрь нашего организма. Произойти это может только на участках, где расположены живые клетки кожного покрова. Например, на месте ранки, или пореза, или иного механического повреждения кожи. Потертости, опрелости, воздействие на кожу высокими температурами или контакт с кислой средой – все это делает нашу кожу очень уязвимой. Также заражение возможно в результате попадания возбудителя на участки, покрытые слизистой оболочкой. Сама по себе слизь защищает чувствительные слизистые оболочки, но не всегда это происходит эффективно. Например, в женский организм болезнетворный агент может проникнуть через влагалище. Оттуда он легко передвигается куда угодно. Например, может обосноваться в мочевом пузыре, вызывая его воспаление. Самый легкий путь проникновения в наш организм – через слизистую оболочку глаза, носа и ротовой полости. Достаточно, чтобы утром в автобусе на нас кто-нибудь пару раз чихнул от души, и миллионы болезнетворных микроорганизмов, попав на слизистую глаза и носа, устремляются внутрь нашего организма. И тогда за работу принимается наша иммунная система. Кажется, что все работает очень просто. Но на деле куда сложнее.

Сначала нашей защитной системе предстоит распознать, с кем она имеет дело: с бактерией, вирусом, грибком, паразитом, простейшими или клетками собственного организма, которые пытаются ввести в заблуждение. Против каждого нападения у иммунной системы есть свой механизм защитной реакции.

Чтобы понять, насколько это сложно, представьте, как команда ученых в своей лаборатории годами работает над созданием прививки или лекарства против одного конкретного заболевания.

Наша иммунная система, в отличие от группы ученых, всю работу делает в одиночку. Иногда и в ее работе случаются сбои, в результате которых она начинает реагировать неправильно. При избыточном реагировании у человека развивается аллергия. Если же иммунная система начинает атаковать собственный организм, развивается аутоиммунное заболевание. Иногда иммунный ответ бывает недостаточным. При слабом иммунном ответе мы можем подцепить что-то легкое, типа насморка, или что-то пострашнее, например, воспаление оболочек головного мозга, а можем даже заболеть раком. Случается и такое, что наша иммунная система мечется в нерешительности, не понимая, как ей поступить с незнакомым болезнетворным агентом: в этом случае мы тоже заболеваем. Иногда иммунная система вступает в контакт с особенно агрессивным болезнетворным агентом и ей не удается быстро распознать его и выработать правильную стратегию защиты. Из такой ситуации нам также вряд ли удастся выйти здоровыми самостоятельно, скорее всего, придется обратиться за медицинской помощью. Но с учетом того объема задач, которые наш иммунитет вынужден решать каждый день, количество допущенных ошибок носит обозримый характер. Даже если случается, что поначалу защитная система не понимает, как держать удар, то в большинстве случаев через какое-то время она начинает понимать, как это сделать и что лучше предпринять, чтобы сохранить нас здоровыми, и запускает в работу защитный механизм. Как правило, после пережитого однажды опыта приобретенный навык сохраняется. При повторном контакте с тем же самым вредоносным агентом иммунная система реагирует молниеносно, поражает его будто выстрелом из пистолета.

Если коротко, то наша иммунная система гениальна. Но на разработку имеющихся у нее механизмов ей понадобилось несколько миллионов лет. При этом она и сейчас не стоит на месте, постоянно совершенствуется и становится более зрелой.

Ни для одного из существовавших когда-либо биологических видов наша планета не была уютным и комфортным местом для проживания. Даже четыре миллиарда лет назад, когда только начинала формироваться земная кора, а бактерии – первые живые существа – плавали в водах океана, уже тогда между ними шла ожесточенная борьба за существование. Тот, кто хотел остаться на плаву, должен был найти для себя прогретые участки коры, чтобы усердно на них размножаться делением. Бактерии, которым это не удавалось, были выброшены из эволюционного процесса. Оставшиеся успешно размножались и все лучше приспосабливались к меняющимся условиям окружающей среды.

Когда-то, примерно 2,7 миллиарда лет назад, из вод океана вынырнули первые древние существа и одноклеточные. В результате клеточного деления возникли многоклеточные организмы. Эволюция начала набирать обороты. Появились водоросли, губки и грибы, бактерии стали объединяться в сложные колонии. На Земле того времени еще сохранялся основной принцип жизни – «сожрать самому или быть сожранным». Недавно появившиеся многоклеточные еще не имели в своем арсенале оружия, которое могло бы им помочь в борьбе с уже достаточно продвинутыми в эволюционном плане бактериями и вирусами. Для этого потребовались еще миллионы лет эволюции. И только примерно 500–600 млн лет назад случился эволюционный скачок.

Где-то в водах океана, который на тот момент практически полностью покрывал земной шарик, многоклеточные формы жизни научились вырабатывать маленькую белковую молекулу. По своим свойствам она была похожа на антибиотик широкого спектра действия. Они впрыскивали ее в клеточную мембрану бактерии, тем самым убивая ее. Одновременно белковая молекула подавляла у бактерий и вирусов, которые атаковали многоклеточные существа, способность размножаться. Гениальный трюк – сделать своего врага бесплодным. Это достижение можно справедливо считать Днем рождения иммунной системы.

Появление защитных белковых молекул, или дефензинов, стало катализатором в эволюционном процессе. Многоклеточные существа больше не должны были оставаться обезоруженными и ожидать нападения врага, который их уничтожит. Они обрели способность защищать себя, а вместе с тем и шанс на более длинную жизнь. А тот, кто дольше живет, имеет лучшую способность к размножению. Следующим прорывом стало появление клеток-пожирателей, так называемых фагоцитов. На поверхности их клеточной оболочки располагались участки стыковки – рецепторы. Они выполняли функцию распознавания оболочек других живых существ. Если обнаруживались какие-либо признаки того, что перед ними вражески настроенный вирус, бактерия или грибок, то фагоциты первыми его атаковали. При этом они крепились к его поверхности. Рецепторы (участки стыковки) точно совпадали со структурами поверхности вражески настроенных микробов, подобно двум кирпичикам конструктора лего. Как только клетке-пожирателю удавалось состыковаться с потенциальным обидчиком, она тут же заглатывала его и переваривала внутри себя. Так, с появлением дефензинов и клеток-пожирателей возникли первые механизмы самозащиты.

Чего еще не хватало на тот момент с практической точки зрения, так это системы оповещения, с помощью которой можно было объявить тревогу и подозвать подкрепление в виде дефензинов и клеток-пожирателей. Сколько столетий понадобилось для того, чтобы сформировалась такая система оповещения, доподлинно никто не знает. Факт остается фактом: однажды она появилась. Этот период ознаменовался активной работой цитокинов – маленьких белковых молекул, которые выполняют роль посыльных между клетками, своего рода разновидность химической телефонной связи. Работа их заключается в том, чтобы сообщать о наличии вражеского агента, тем самым стимулируя клетки-пожиратели и дефензины к размножению со скоростью ветра, чтобы прижать врага к стенке. Так сложилась следующая версия защитной системы, «система комплемента», состоящая из нескольких протеинов, в результате взаимодействия которых эффективно подавляются инфекционные процессы, преимущественно на начальных стадиях развития заболевания.

Таким образом, к основным важным компонентам нашей иммунной системы относятся клетки-пожиратели, дефензины, цитокины в роли сигнальных веществ и система комплемента, которая по цепочке запускает артиллерию защитных реакций.

Живые существа приходят в этот мир, уже имея в арсенале этот набор механизмов, который носит название неспецифический иммунитет. Это значит, что с помощью данных механизмов организм без разбора отражает все атаки, которые кажутся ему подозрительными.

Врожденная иммунная система в течение следующих миллионов лет превратилась в хит экспорта. Вскоре ею стали пользоваться не только зеленые водоросли, но и другие простейшие живые существа. Новые, более сложно устроенные организмы начали заселять Землю. Около 500 миллионов лет назад в водах Мирового океана уже плавали первые, похожие на рыб позвоночные. Площадь океана становилась тем временем меньше. Появлялись участки суши. На Земле царил теплый влажный климат, который постепенно становился сухим. Первые рыбы, ракушки и ракообразные активно возились в воде и давали начало множеству новых различных видов. На суше стремительно увеличивалось количество новых видов растений. Амфибии начинали выходить из воды на сушу. Новые разновидности насекомых расширяли свое жизненное пространство. Ящерицы, змеи и другие пресмыкающиеся неуклюже расползались по болотам и прибрежной полосе. Прогресс по огромной производственной площадке под названием «эволюция» шагал семимильными шагами. На Земле становилось все теснее. В ходе эволюции появлялись не только новые разновидности растений и животных, но и новые возбудители заболеваний, не известные до этого момента бактерии, вирусы и паразиты. Врожденная иммунная система пока еще справлялась с большинством из них, но уже далеко не со всеми. Часто она работала медленно, с каждым разом ей было все сложнее ориентироваться и распознавать, кто перед ней: враг или нормальная клетка собственного организма.

Такой пробел в работе защитной системы стал серьезным камнем преткновения в дальнейшем развитии механизмов выживания. В результате мутаций со временем появилась новая, более умная защитная система – адаптивная иммунная система. На возбудителей болезней она реагировала путем выработки высоко специализированных иммунных клеток, так называемых Т-клеток, которые убивали болезнетворных агентов, и В-клеток, которые отвечали за выработку новых антител.

Такие клетки иммунного ответа уже не атаковали просто так все чужеродное. Они были специалистами узкого профиля, которые вступали в схватку только с определенными возбудителями и нейтрализовали их, после чего на долгие годы запоминали о той схватке с врагом и абсолютно точно знали, что нужно делать, если такой же возбудитель встретится им еще раз.

На сегодняшний день никто не может однозначно сказать, какими путями шла эволюция к созданию этой новой, очень умной защитной системы. Также неизвестно, кто стал первым счастливым обладателем такого умного механизма защиты. Вполне возможно, что это были миноги.

Эти позвоночные животные, напоминающие угря, на сегодняшний день занесены в Красную книгу как исчезающий вид и по праву считаются живыми ископаемыми. Уже более 500 миллионов лет они тихо и спокойно обитают в воде, с помощью зубов-терок питаются рыбой и благополучно размножаются. Очень простая стратегия жизни, благодаря которой эти живые организмы дожили до наших дней, не претерпевая значительных мутаций (изменений).

Биологи, занимающиеся вопросами эволюции, и иммунологи очень любят миног. Не существует в арсенале ученых никакой другой, более понятной иммунной системы. Древних животных нельзя оживить с помощью генной инженерии, как в фильме «Парк юрского периода». Чтобы понять, как функционировала иммунная система живых существ до наших дней, имелась ли она у них вообще, ученым необходимо найти живое существо, имеющее возраст несколько миллионов лет и дожившее до наших дней в неизмененном состоянии.

Только с помощью такого животного у ученых появляется возможность заглянуть в прошлое. Для реализации такой задачи вполне бы подошла акула. Хрящевые рыбы существуют уже почти 400 млн лет. Но средой обитания акул является морская вода, им требуется много места, растут они дольше, чем человек, некоторые из них достигают половой зрелости только к возрасту 30 лет.

И, как известно, они не относятся к животным, с которыми очень легко ужиться человеку. Лучшей альтернативы, чем миноги, просто не существует. Для комфортного проживания им достаточно небольшого тазика с прохладной пресной водой, и они не кидаются на каждого, кто опустит руку в тазик, где они обитают. Достаточно веские аргументы в пользу того, чтобы миноги стали любимыми питомцами ученых.

В 2011 году рабочая группа ученых во главе с Томасом Бемом (Boehm) из Института иммунологии и эпигенетики Макса Планка в г. Фрайбург совместно с американскими специалистами объявили об открытии, которое они сделали в процессе исследования миног. Оказалось, что самые примитивные из живущих на планете позвоночных имеют ткани, схожие с тканями вилочковой железы человека. Был сделан вывод, что миноги обладают центральным аппаратом адаптивной иммунной системы. В вилочковой железе, которая у человека и других высших позвоночных расположена чуть выше сердца, Т-лимфоциты вызревают в боеспособные клетки иммунного ответа. Когда они покидают вилочковую железу, они уже могут целенаправленно распознавать, атаковать и уничтожать бактерии и вирусы за счет специфических рецепторов, способных идентифицировать чужеродные молекулы. Совместно с B-лимфоцитами, которые тоже распознают чужеродных агентов, они образуют внешне эффективную защитную систему, которая не только отражает нападение в случае опасности, но и способна запоминать стратегию своего противника. В случае повторной атаки такая защитная система мобилизуется еще быстрее и молниеносно нейтрализует врага.

Структуры, схожие по строению с тканями вилочковой железы, обнаружили немецкие ученые у миног после длительных поисков болезнетворных агентов в их организме. Сделанное ими открытие было сенсационным. За счет того, что животные не претерпели изменений как минимум в течение последних 500 млн лет, сегодня мы достоверно знаем, что возраст адаптивной иммунной системы – грандиозного изобретения эволюции – гораздо больше, чем предполагалось ранее. И доступна она была не только высшим позвоночным, к которым относится и человек, – именно такой точки зрения придерживались ученые последние 150 лет. С позиции двойной системы иммунного ответа, минога и человек очень схожи между собой. Но эволюция позаботилась о том, чтобы иммунная система человека в ходе его развития становилось более сложной. Различные органы во всем организме трудятся во благо иммунной системы. Они синтезируют большое разнообразие различных клеток иммунного ответа, антител и сигнальных веществ (медиаторов). Кроме того, есть клетки, которые регулируют данные процессы с помощью сложных систем, управляют ими и контролируют их.

В общем, наша иммунная система – это не стационарная установка по производству защитных шариков, а скорее хаотически разрозненная и вместе с тем высокоупорядоченная гениальная сеть из многих компонентов.

Компоненты взаимодействуют между собой, иногда лучше, иногда хуже, иногда мгновенно, а иногда с задержками. Но постоянно занимаются самообразованием и применяют полученные знания и навыки, чтобы сохранять нас здоровыми. Одним словом, суперорган.

Иногда пациенты задают мне вопрос: «А где находится наша иммунная система?» Самый простой ответ звучит так: «Везде, где она нужна».

Ученые со всего мира каждую неделю сигнализируют о новых открытиях и неизвестных ранее фактах, о способностях и свойствах иммунной системы. Но каждое новое открытие порождает новые вопросы. Главные из них относятся к области регуляции и управления иммунной системой. Кто или что дает команду для захвата болезнетворных агентов? Кто или что координирует ход сражения с возбудителями? Какие воины ведут за собой в атаку остальных бойцов и в каком количестве? Кто или что сигналит о выигранном бое и дает распоряжение принять исходные позиции? Как выстраивается линия защиты при повторной атаке?

Но при всех этих многочисленных вопросах как же радостно просто знать, что наша иммунная система существует. Существует везде, где она нужна. И для начала я предлагаю остановиться именно на этом простом тезисе.

Итак, наша иммунная система в действительности не представляет собой какой-то отдельный орган, она состоит из различных органов, которые работают в связке друг с другом: тимус, селезенка, глоточные миндалины, огромное количество лимфоузлов по всему телу, а также костный мозг. В состав иммунной системы входит огромное разнообразие клеток и огромное количество других помощников, которые рассредоточены по всему организму: антитела, медиаторы, различные разновидности белков, которые принимают участие в иммунном ответе.

К иммунной системе относятся и бактерии, обитающие на поверхности нашего кожного покрова, слизистых оболочек, бактерии кишечника, а также биохимические вещества, например, соляная кислота желудка и слизь. Все вместе, на первый взгляд, выглядит как хаос. Только при более детальном рассмотрении удается понять, насколько гениальна наша иммунная система, насколько она высоко упорядоченная и хрупкая одновременно. Но обо всем по порядку.