книжный портал
  к н и ж н ы й   п о р т а л
ЖАНРЫ
КНИГИ ПО ГОДАМ
КНИГИ ПО ИЗДАТЕЛЯМ
правообладателям

Джон Тёрни

Я – суперорганизм! Человек и его микробиом

Когда узнаёшь больше, отвращение иногда сменяется восхищением.

Теодор Розбери. Жизнь на человеке

Введение

Организм, познакомься с суперорганизмом

Кто я? Зеркало всегда готово напомнить. Вот он я без всякой одежды (не беспокойтесь, я буду смотреть на это сомнительное зрелище один, чтобы вам этого делать не пришлось). Я вижу перед собой бледное прямоходящее двуногое. Средних лет, мужского пола, со светлой кожей. Сравнительно высокое по человеческим меркам. С небольшой склонностью к сутулости. Мою жизнь (по крайней мере до сих пор) вполне можно назвать благословенной с медицинской точки зрения, что вообще свойственно поколению бэби-бумеров Запада. Пока еще не видно особых признаков износа. Если вспомнить, каким я видел свое отражение 30 лет назад, можно заключить, что нынешняя моя версия делается всё упитаннее в поясе (и ногти на ногах тоже, как я замечаю, становятся толще), а вот волосы редеют. В остальном же я, пожалуй, выгляжу почти как прежде.

Такая преемственность тела, такая его неизменность – одна из составляющих моего ощущения собственного Я. Человеческое тело, довольно крупное по масштабам земных существ, служит единицей индивидуальности. Нет-нет, я не имею в виду какие-то философские смыслы. Я – автономный субъект-человек, и это мое тело. Или тут уже начинается философия? Во всяком случае, я не рассматриваю сейчас мое индивидуальное Я как нечто уникальное.

Однако я чувствую (уж не знаю, насколько это важно), что мельчайшую, ничтожнейшую, исчезающе малую долю вещества и энергии Вселенной, ту долю, которая и является мною, можно отделить от всего прочего. У той порции биомассы, которую я таскаю на себе (или которая таскает меня на себе), имеются вполне обыкновенные отверстия, куда поступают вещества, а также отверстия, откуда вещества выходят. Если я хочу и дальше оставаться живым, это должно происходить с известной регулярностью. Но мне представляется, что у данного тела есть довольно отчетливые границы. Похоже, оно довольно резко отличается от остального мира. Да, я поддерживаю сознательную связь с другими людьми главным образом благодаря языку. Более того, современные технологии позволяют мне связываться с тысячами людей, иной раз находящихся от меня очень далеко; возможности моих предков были в этом смысле куда скромнее. Однако Я, связанное с другими, имеет и телесное воплощение. Я – биологическая сущность, человеческий организм.

Признаться, я всегда ощущал это организменное Я (сейчас нас таких около 7 миллиардов) как корабль, выстроенный для одиночного плавания. Такое же интуитивное представление разделяют со мной художники и поэты. Как выражался Орсон Уэллс, мы рождаемся в одиночку, живем в одиночку, умираем в одиночку. Далее он замечает, что любовь и дружба все-таки иногда делают жизнь сносной. Что ж, это верно. Однако, как выясняется, сама его предпосылка совершенно неверна. Наука вначале потихоньку, исподволь, а в последние десятилетия всё более настойчиво возражает этому мнению. Вы, как и я, являетесь отдельным, индивидуальным человеком. Но мы не одни. У каждого из нас всегда есть спутники. И весьма многочисленные.

Взгляните еще раз

Вы когда-нибудь заглядывали себе в рот? Нет, не с помощью зеркальца – с помощью микроскопа? Возможно, вы проделывали это в школе. Если забыли, то вот как это делается. Осторожно поскребите внутреннюю поверхность щеки чистой ватной палочкой, плоским концом зубочистки или просто ногтем, если у вас нет под рукой никаких других инструментов. Перенесите этот комочек слизи на предметное стекло микроскопа, добавьте каплю красителя «метиленовый синий», накройте покровным стеклом, поместите под линзы микроскопа и наведите прибор на резкость.

Даже при небольшом (скажем, десятикратном) увеличении вы увидите некоторые клетки. Они плоские – и не только из-за того, что расплющены между стеклами. Плоское состояние вообще свойственно клеткам такого типа, принадлежащим ткани, которая называется чешуйчатым эпителием. Можно увидеть ядро, отвечающее за передачу наследственных инструкций (краситель помечает, в частности, ДНК) и отделенное от всего остального, то есть от цитоплазмы. Отдельная клетка при таком увеличении выглядит не очень-то впечатляюще. Тем не менее всякая клетка напоминает нам о потрясающем факте: каждый из нас – громадная высокоорганизованная коалиция множества таких клеток, крошечных частичек куда более крупного организма, которые, как правило, способны самостоятельно расти и делиться. Таким образом, каждое прямоходящее млекопитающее состоит из своего рода элементарных частиц жизни, нужно лишь отойти от привычных нам повседневных масштабов. Начало этим частицам кладет одна-единственная – оплодотворенная яйцеклетка. Она растет и делится, в итоге порождая триллионы клеток[1] и играя роль в поддержании существования высокоорганизованного ансамбля, то есть вас или меня.

Мало того. Прибавьте увеличение, и вы обнаружите под комьями эпителиальных клеток и вокруг них мелкие точки, окрашенные синим (мы ведь добавили краситель). Это бактерии. Они окажутся в этой пробе, даже если вы используете не палец, а чистый ватный тампон. У вас во рту (на внутренней поверхности щек, на языке, на зубах, деснах и т. п.) их полным-полно. Там тепло и влажно, к тому же вы постоянно добавляете туда питательные вещества. Да, полость рта – всего лишь промежуточная станция на пути в желудок. Но все равно это отличное местечко для жизни, правда? Бактерии можно найти на любых других поверхностях вашего тела, в том числе на внутренних (скажем, в кишечнике).

До самого недавнего времени мало кто особенно задумывался о бактериях и других микробах, которым мы даем пристанище. Однако они сопровождают нас в течение всей нашей эволюции. Собственно бактерии вообще появились первыми. Они вплетены в нашу жизнь гораздо теснее, чем нам казалось до недавних пор. Они образуют сложные, меняющиеся сообщества, формируемые под влиянием жизни других наших клеток и сами влияющие на их жизнь. Они играют неожиданно значительную роль в нашем пищеварении. Они вырабатывают необходимейшие витамины и другие ценные молекулы. Они расщепляют токсины и метаболизируют лекарства. Они оказывают невидимое воздействие на наши гормоны, на нашу иммунную систему, а может быть, и на наш мозг. Кроме того, они совместными усилиями вытесняют другие, потенциально опасные микроорганизмы, заполняя собой экологические ниши, которые эти наши враги охотно заняли бы сами. Не будь у нас этих многочисленных защитников, мы остро ощущали бы их отсутствие.

Ученые называют весь этот ансамбль микробов, существующих как постоянные попутчики более крупного организма, микробиотой. В наши дни всё чаще употребляется термин «микробиом»[2]. Мой микробиом в такой же степени живой, как и я сам. Он развивается, реагирует на изменения, приспосабливается к окружающим условиям по мере того, как жизнь идет вперед; точно так же ведут себя собственные клетки моего организма. И у вас происходит то же самое. Мы только-только начинаем разбираться в том, как это влияет на нашу жизнь и как вообще следует относиться к расширенному сообществу клеток, из которых мы состоим (к сообществу, которое и является нами). И тут нам помогают современные технологии, которые, прямо скажем, мощнее любого микроскопа.

Покажи-ка нам свою ДНК

Мы рассматриваем микроскопические организмы уже лет триста, но лишь совсем недавно взглянули на них по-новому. Впервые геном человека (полный набор генов, имеющийся в каждой нашей клетке) был полностью прочитан, то есть секвенирован, лишь чуть больше десяти лет назад. Это достижение позволило специалистам начать заниматься полномасштабным секвенированием в рутинном порядке. Конечно, нам предстоит еще многое узнать о наших генах и о том, как они функционируют. Но уже сейчас мы точно знаем, как секвенировать большие количества ДНК. А это в свою очередь открывает нам удивительные возможности исследования мира микробов.

Раньше биологи изучали микробы (главным образом бактерии и вирусы) по отдельности, одного за другим. В основе наших знаний о ДНК и о функционировании генов лежат исследования, предметом которых вначале служили бактерии, особенно одна лабораторная «рабочая лошадка» – Escherichia coli (кишечная палочка). «Что верно для E. coli, то верно и для слона», – гласил веселый девиз пионеров молекулярной генетики 1960-х. Сей девиз показывает, сколько усилий они вложили в изучение одного крошечного организма.

Эти исследования базировались на солидной микробиологической практике, берущей начало еще в XIX столетии. Поколения молекулярных генетиков XX века работали с колониями бактерий, выращенных из одной-единственной клетки в плоской чашке с питательным желе. В нелабораторных условиях микробы, разумеется, живут иначе. Поэтому такой исследовательский подход пригоден лишь для небольшой доли разновидностей микробов. Обычно бактерии, как и мы, обитают в мире, кишащем другими формами жизни. На теоретическом уровне мы давно это знали. ДНК-анализ принес нам множество новых открытий. Особенно это касается разнообразия и сложности микробной жизни.

В наши дни уже неважно, есть ли у вас чистый образец одной культуры. Достаточно взять любую доступную вам биологическую смесь, извлечь из нее генетический материал – и его можно исследовать. Этим занимается новая наука метагеномика. Всё начинается с отбора пробы, в которой могут присутствовать живые клетки (или, возможно, вирусы). Затем все содержащиеся в ней ДНК нарезаются на фрагменты и секвенируются. Весьма годятся в этом смысле морская вода, почва, экскременты. Результат анализа обычно дает громадный неупорядоченный список всевозможных генов. А уж потом ученые пытаются выяснить, что это за гены и кому они принадлежат.

Такое «генетическое окно» позволяет совершенно по-новому взглянуть на совокупность клеток, человеческих и микробных, из которых состоит существо, наблюдаемое мною в зеркале. И это весьма современный подход. В моей толстой кишке, к примеру, содержится около килограмма бактерий. И это значительная клеточная масса. В ней очень много информации.

Насколько много? Ответ может вас шокировать, если вы думаете, что Я, изучаемое вами в зеркале, и есть вы. Видите ли, ваши гены по большей части вам не очень-то и принадлежат.

Проект «Геном человека» обращал главное внимание на наши собственные хромосомы – аккуратно упакованные цепочки двойной спирали ДНК, располагающиеся в ядре каждой человеческой клетки и помогающие формированию нашей индивидуальности. Как выяснилось, всего в них 24 тысячи генов. Это намного меньше, чем «около ста тысяч» – величины, которую регулярно приводили в научной литературе совсем недавно. Но и такое количество, оказывается, вполне достаточно, дабы поддерживать существование сложного организма, состоящего из триллионов клеток примерно двухсот различных типов.

Наши микробы организуют свои гены совсем не так, как это приучились делать клетки крупного многоклеточного организма, использующие подход, который можно свести к коммерческой формуле «Одна модель подходит всем». Начнем с того, что микробных клеток попросту больше. Подсчитать их нелегко. Следует учитывать микробное население кишечника, рта, носа, половых органов, кожи. В литературе встречаются разные оценки количества наших бактериальных клеток – от 30 до 400 триллионов. Если бы имеющиеся у нас клетки принимали решения касательно нашей жизни большинством голосов, бактерии наверняка бы побеждали[3].

Но это лишь половина дела. Сколько у нас микробных генов? Опять-таки здесь трудно дать точную цифру. ДНК-анализ показывает, что общее количество генов в типичном микробиоме человека составляет около 2 миллионов – в 100 раз больше, чем в наших собственных клетках. Более того, у всех людей на Земле одно и то же количество генов, но микробиомы у всех разные. Количество известных нам микробных видов и микробных генов, сопутствующих человеку, растет по мере того, как исследуются новые образцы. Общее число всех генов, когда-либо обнаруженных в человеческих микробиомах, впятеро превышает число генов в микробиоме любого отдельного человека. Напомним: в человеческих клетках 24 тысячи генов. А все микробы, живущие на человеческих существах и внутри них, имеют около 10 миллионов генов[4].

Гены позволяют организмам делать самые разные вещи, и эти 10 миллионов – невероятно богатый генетический ресурс. Мы лишь сейчас начинаем понемногу понимать, что он способен нам дать. Мы уже знаем, что наш персональный набор бактерий помогает нам переваривать пищу, усваивать лекарства, активировать иммунную систему. Эти бактерии играют роль в развитии целого ряда заболеваний, особенно затрагивающих кишечник. Косвенно они могут влиять на то, разовьется у вас ожирение или онкологическое заболевание, даже на то, будете ли вы страдать от повышенного кровяного давления, грозит вам инфаркт или инсульт. Похоже, астма тоже возникает не без их участия. Есть указания на то, что состав бактериального населения нашего кишечника может влиять даже на развитие мозга и наше поведение.

Но это лишь начало. Мы пока не знаем функций многих микробных генов, уже обнаруженных нами, но при этом продолжаем находить новые виды, новые гены, новые взаимодействия. В микробиоме содержатся не только бактерии, но и другие одноклеточные организмы. Так, многочисленные грибки считают человека очень удобным хозяином. Кроме того, с нами сосуществуют самые разные вирусы (по большей части еще не классифицированные), что лишь добавляет богатства нашему совокупному генофонду. Мы покрыты живыми существами, завалены ими, пропитаны ими. И их колоссальное разнообразие трудно себе представить.

Как выясняется, наш микробиом – это не только впечатляющий генетический ресурс, но и неисчерпаемый (и по большей части не исследованный) источник человеческого многообразия. У разных людей набор видов и штаммов бактерий может очень сильно отличаться. Даже близкие родственники или просто совместно проживающие люди обладают микробными различиями. Кроме того, в разных частях нашего тела – от подмышек до анального отверстия – имеются разные популяции микробов. Они меняются с течением времени: мы едим различную пищу, стареем, перемещаемся, моемся, дезинфицируемся, глотаем антибиотики. Наука в кои-то веки показала нам поистине новый мир. Этот мир – наше внутреннее пространство. Этот мир – часть нас самих.

Как насчет меня?

Иногда наука развивается благодаря какому-то революционному открытию, теоретическому прорыву (вспомните Ньютона или Эйнштейна). Но чаще она движется вперед куда медленнее: мелкие наблюдения постепенно, шаг за шагом меняют картину реальности, которую мы выстраиваем в своем сознании. В наши же дни мы наблюдаем совсем другое: прогресс в микробиологии служит одним из примеров того, как внезапное, резкое усовершенствование методов наблюдения преображает научный подход и приводит к своего рода научной революции.

Это восхищает и воодушевляет, но и немного озадачивает – по мере того как новости с переднего края науки доходят до нас, простых смертных. Перед нами понемногу вырисовывается картина микробиома, и мне хочется понять, что она означает лично для меня. Наука получает сигналы, позволяющие узнать о происхождении Вселенной. Наука открывает мельчайшие частицы вещества. Но удивительно то, что невероятное многообразие жизни, которое мы несем (и всегда несли) на себе и в себе, так долго ускользало от внимания исследователей. А ведь оно всё время находилось, можно сказать, на самом виду. Если наука – один из путей самопознания, то эту часть себя мы начали познавать далеко не сразу.

Обычно я с большой осторожностью отношусь к историям о том, что принесла нам та или иная научная революция. Что означают для человечества новейшие открытия в области космологии, физики частиц или наук о Земле? Однако революция в области понимания человеческого микробиома действительно имеет ко всем людям и лично ко мне самое непосредственное отношение. В данном случае вполне резонно задаться вопросом: каково это – быть живым в нашем мире и вообще – быть человеком?

Тут нет и не может быть одного универсального ответа. Поток новых научных публикаций о наших бесчисленных микроскопических компаньонах грозит перерасти в настоящее наводнение. Всё больше лабораторий подключается к выяснению того, какие микроорганизмы с нами сосуществуют и каковы их намерения. Можно прикинуть масштаб таких исследований. Поисковая машина Google Scholar, индексирующая статьи в научных журналах, выдает лишь 15 результатов на слово микробиом для 1995 года и 30 – по прошествии 5 лет. К 2005 году наблюдается небольшое увеличение (до 76), а затем мы видим поистине фантастический рост: 2190 работ в 2010 году, 9300 – к 2013 году. В наши дни за микробиомными исследованиями просто невозможно уследить: тут вы уже не наблюдаете неспешную перестановку вех, а пытаетесь поймать взглядом стартовавшую ракету, которая неуклонно набирает скорость.

Изучение микробиома наверняка изменит наш подход ко многим проблемам, особенно медицинским. А еще изменит наше восприятие себя. Да, мы по-прежнему остаемся прямоходящими приматами, имеющими общего предка с шимпанзе и при помощи языка проложившими путь к тому новому типу культуры, цивилизации и технологии, который мы гордо именуем человеческим. Но теперь мы сами себе кажемся несколько другими. Как полагают некоторые специалисты, теперь нам следует заботиться о нашем неведомом прежде «органе» – микробиоме. Теперь мы можем воспринимать себя как ходячие говорящие биореакторы, несущие на себе и в себе тысячи других видов и выращивающие тысячи видов у себя в кишечнике. Весь этот ансамбль легко описать как экосистему или скорее как набор экосистем, активно действующих на клеточном уровне. Однако есть и другое описание: не исключено, что оно лучше всего показывает, каково это – иметь столь гигантское количество микроспутников. Такое описание подразумевает, что многие из них полезны, а то и жизненно нам необходимы. Это не комменсалы (так биологи называют сосуществующие организмы, которые просто не причиняют друг другу вреда; сам термин происходит от латинского слова, означающего «сотрапезники»), это полноправные наши партнеры, и мы постоянно поддерживаем друг друга. У такой взаимной поддержки есть другое название – симбиоз. Как показывают микробиомные исследования, у нас куда больше симбионтов, чем мы могли бы себе представить. Вместе со мной (или с вами) они составляют единый ансамбль – суперорганизм[5].

Всматриваясь внимательнее

В своей книге я пытаюсь разобраться, что же это такое – мое новое Я – суперорганизм. К проблеме можно подойти с разных сторон. «Суперорганизменное Я» – понятие не совсем новое, так что вас ждет небольшой исторический экскурс. Ученые еще не до конца поняли, как исследовать суперорганизмы; чтобы получше узнать свой суперорганизм, следует взглянуть на то, каким образом они раскрывают загадки его функционирования. Кроме того, сама постановка суперорганизма во главу угла меняет научный метод. Для изучения микробиома требуется множество дисциплин. Молекулярные генетики, экологи-микробиологи, инфекционисты, иммунологи учатся по-новому общаться друг с другом, порой не без труда. И всем им приходится налаживать общение с представителями новейшей отрасли – биоинформатики, которые занимаются базами данных и программами, помогающими осмысливать микробиом с информационной точки зрения. Междисциплинарное взаимодействие становится всё интенсивнее, и сами дисциплины в ходе такого общения меняются. В частности, иммунология переживает собственную научную революцию. Как выясняется, наша иммунная система сформировалась главным образом для того, чтобы управлять этим новым, осторожно поддерживаемым в равновесии комплексом, который и составляет суперорганизм.

Остальная часть книги посвящена целому ряду вопросов, вытекающих из вопроса основного. Что это означает – быть суперорганизмом? Некоторые ответы получить легко, другие же лишь начинают вырисовываться…

В главе 1 я расскажу о том, каким образом люди впервые узнали о невидимом мире микробов. Удивительно, как простой с виду инструмент – микроскоп – помог ученым столь сильно расширить наши представления о жизни, ведь человек сотни тысяч лет даже не подозревал о существовании микроорганизмов. Первой реакцией стало, конечно. изумление. Затем героические ученые выдвинули микробную теорию, которая помогла спасти миллионы жизней, однако не принесла репутации микробов ничего хорошего.

Глава 2 повествует о том, с какими микроорганизмами мы сосуществуем. Нам предстоит ответить на вопрос, что еще способны делать микробы, кроме как вызывать болезни. Оказывается, даже простые микроорганизмы – бактерии – могут делать всё, что и многоклеточная жизнь (разве что только вот книг они не пишут). Они правят миром – и всегда правили!

В главе 3 – о том, каким образом сегодня изучают микробиом. Почему нам вообще понадобилось столько времени, чтобы осознать, что он представляет собой важнейшую часть человеческой жизни? Виной тому – в том числе несовершенство техники. Ошеломляющий прогресс в методах ДНК-секвенирования и генетического анализа позволил по-новому взглянуть на жизнь внутри нас. Теперь, когда уже известно, что внутри нас есть микрожизнь, ученым предстоит разработать новые методы для изучения того, чем же эта жизнь на самом деле занимается. В экспериментах используются, к примеру, мыши, намеренно освобожденные от микробов и аккуратно снабженные новыми кишечными бактериями в определенных комбинациях, или искусственные экосистемы, тихо живущие в лабораторных сосудах, или кусочки специально выращенной кишечной ткани, на которой должны жить и размножаться микроорганизмы. Многочисленные варианты таких методик, применяемые в огромном количестве лабораторий, помогают выстраивать новую картину жизни наших микроскопических спутников.

Главы 4 и 5 отвечают на простой вопрос «Кто здесь?» главным образом при помощи ДНК-анализа. Ответы для разных людей различны, к тому же зависят от того, куда смотреть. Можно представлять себе единый микробиом или же множество: микробиомы губ и зубов, микробиомы каждого пальца, коленного сгиба, пупка, подмышки, паха. Я немного расскажу о некоторых хорошо изученных местах – рте, коже, вагине, легких. А затем, в главе 5, мы заглянем на более изобильные пастбища, обратившись к кишечнику – органу, где обитает самое крупное микробное сообщество. Это своего рода центр суперорганизма (если такой центр вообще можно выделить).

А когда мы уже кое-что узнаем о том, с какими мельчайшими существами делим свою жизнь, логично задаться вопросом: как же они все сюда попали? Глава 6 отвечает на этот вопрос двумя способами. Она повествует о том, как эти микробные сообщества обустроились в каждом из нас; как рождается микробиом, как он развивается. Но есть и более долгая история – о том, как человек и все его предки эволюционировали вместе со своими микроскопическими сообщниками. Подробности этой истории приходится собирать по кусочкам. Какие микробиомы есть у других современных приматов? Кого наши человекообразные предки невольно выкармливали в своих кишках? Отсюда вырастает вопрос, очень беспокоящий сегодня ученых: как современная жизнь (с кесаревым сечением при родах, антибиотиками, фастфудом) изменила наш микробный состав? Мы открываем по-настоящему значимые свойства собственного микробиома, но при этом, возможно, мы всё больше его портим?

В главе 7 подробно рассматривается вопрос о том, как все эти микробы взаимодействуют с нашими собственными клетками, тканями и органами. В центре этого взаимодействия – иммунная система. Мысль о том, что иммунные клетки постоянно ведут войну с чужеродными болезнетворными агентами, многие десятилетия доминировала в научных и обывательских рассуждениях об иммунитете. Как увязать эту идею с тем фактом, что внутри нас преспокойно обитают триллионы микробов? Сейчас более реалистичным представляется образ тонкого, постоянно меняющегося, но при этом тщательно выстраиваемого взаимодействия нашего организма с микробами. Такой сдвиг восприятия этого сложнейшего аспекта человеческого существования – пожалуй, пока самое серьезное научное достижение, порожденное микробиомными изысканиями.

Но и самое тщательно организованное взаимодействие может нарушаться. В главе 8 мы зададим вопрос: что происходит, когда наши колонисты-микробы разрывают свои жилищные контракты и начинают буйствовать? Медицинские последствия изменений микробных популяций многочисленны и разнообразны. Пока мы их не до конца понимаем, однако есть четкие указания на то, что эти последствия имеют немалое значение. Можно показать, что микробиом человека меняется при кишечных, онкологических, аутоиммунных заболеваниях, при ожирении и многих других отклонениях и недугах.

Многие из таких отклонений связаны с кишечным микробиомом. На что еще он способен влиять? Могут ли эти крошечные компоненты нашего суперорганизма воздействовать на вместилище разума – мозг? Глава 9 вступает на эту территорию, где куда меньше фактов и куда больше предположений и догадок, чем в предыдущих главах. Микробиом Я здесь взаимодействуют по-настоящему. Мы зададимся вопросом, как микробы могут влиять на наш мозг и наше поведение, и попробуем выяснить, что же сейчас известно о возможной связи микробиома с такими психическими расстройствами, как депрессия.

Если бактерии и правят миром, им в этом кое-кто помогает. Не многоклеточные организмы, а еще более простые объекты – вирусы. По оценкам специалистов, на каждую бактерию приходится по десятку вирусов (где бы то ни было). Наш организм – не исключение. Что же известно об этой стороне существования нашего микробиома? Об этом – в главе 10. Исследования нашего вирусного сообщества только начинаются, но могут оказаться не менее важными, чем исследования прочих составляющих микробиома.

Похоже, в современную эпоху наш микробиом изменился. Но, может быть, следовало бы попытаться вернуть наш микробиом в некое счастливое первобытное, первозданное состояние? Или проявить изобретательность и начать подгонять персональные экосистемы под наши собственные нужды? Об этом – в главе 11. Сегодня рынок предлагает два, казалось бы, диаметрально противоположных метода: фекальную трансплантацию (для того, чтобы заново заселить кишечник микроорганизмами) и потребление пробиотических продуктов вроде йогурта или кислой капусты (способ не столь радикальный, но и не очень эффективный). Оба метода можно совершенствовать. Мы уже умеем проводить генную инженерию множества бактерий в собственных интересах. И кто знает, а вдруг уже в нынешнем веке появятся микробиомы, изготовляемые на заказ?

Для последней главы остается один вопрос, тот самый, с которого мы начали. Что это означает – быть суперорганизмом? Я не в силах дать общий ответ на этот общий вопрос, так что придется вам удовольствоваться множеством коротеньких ответов. Проводимые сейчас исследования позволяют сформулировать кое-какие рекомендации насчет того, как нам заботиться о собственном микробиоме. Я рассмотрю некоторые возможные перспективы изысканий, некоторые вопросы, пока остающиеся без ответа, и прогнозы относительно того, как все-таки найти эти ответы в будущем. А затем я снова обращусь к зеркалу, дабы созерцать мое новое, комплексное Я.

Как бы то ни было, наша телесная жизнь теснейшим образом сплетена с бесчисленным множеством маленьких жизней. Мы уже знаем, что у нас с прочими формами жизни есть общие гены. А познакомившись с нашими собственными микробами, мы, очень может быть, начнем больше ценить их или даже восхищаться ими. И более того, живя в мире антибиотиков, антисептиков, дезинфекции и пастеризации, мы попытаемся больше о них заботиться? А может быть, суперорганизм способен заботиться о себе сам?

Но прежде чем я попытаюсь дать обзор нынешнего состояния науки о микробиоме, давайте вернемся к самой первой встрече человека с микробами – событию столь недавнему по историческим меркам, что мы можем датировать его довольно точно.

Глава 1. Странный новый мир

1676 год. Антони ван Левенгук, преуспевающий голландский торговец мануфактурой, вот уже 10 лет предается одному из самых захватывающих «запойных наблюдений» в истории науки. До того он с увлечением рассматривал иллюстрации из знаменитой «Микрографии» Роберта Гука (1665), дивясь невиданным изображениям вещей, которые никто раньше не видел в таких подробностях: вот фасеточный глаз мухи, а вот – волоски на пчелином жале, вошь, вцепившаяся в человеческий волос.

Вдохновленный этими работами, Левенгук усовершенствовал способ изготовления простых переносных микроскопов с небольшими сферическими линзами. Вскоре он сам увидел то же, что видел Гук, но его более совершенные инструменты позволили ему пойти дальше. Да, он убедился, что у крупных организмов есть чрезвычайно сложно устроенные мелкие части. Но, как выяснилось, за гранью обычного человеческого зрения происходит куда больше, чем казалось. Так, в капле воды из пруда Левенгук разглядел крошечных одноклеточных существ. Он назвал их анималькулами. Увидел он и еще более мелких существ, вначале – в воде, где размалывал перец в попытке выяснить, откуда берется его жгучий вкус. Выводы, изложенные в письме, которое Левенгук в 1676 году направил в лондонское Королевское научное общество, казались странными, но сам Гук вернулся к своим микроскопам и подтвердил: так оно и есть. Когда открытия голландца опубликовали в Proceedings [«Трудах»] Общества, анималькулы Левенгука произвели настоящую сенсацию, позволив зачарованному человечеству впервые заглянуть в микромир. Так были заложены основы микробиологии[6].

Семь лет спустя в одном из своих писем в Королевское научное общество (ставших регулярными) Левенгук описывал, что он увидел, когда, соскоблив немного белого вещества, скопившегося у него между зубами и «густого, словно подмокшая мука», смешивал его с дождевой водой или слюной и затем рассматривал под микроскопом при большом увеличении. «К моему великому изумлению… указанная субстанция содержала чрезвычайно много мелких живых существ, которые передвигались самым необычайным образом».

Движение служило для Левенгука признаком жизни. Он предположил, что многие небольшие объекты, которых он наблюдал и которые казались ему неподвижными, – неживая материя. Теперь-то мы знаем, что это просто менее подвижные микробы. Но левенгуковское описание этого миниатюрного зоопарка все-таки можно считать настоящим открытием. Так обнаружились новые формы жизни, которые оставались невидимыми и невообразимыми на протяжении всей предыдущей истории человечества. Как выяснилось, они не просто пребывают «где-то там, в неизвестности»; они в буквальном смысле живут на нас.

Любознательный голландец без устали разглядывал живность, которую извлекал из собственного рта. Он восторженно описывал «прелестнейшие движения» анималькул, способы, какими они перемещаются, разнообразие их форм, само их невероятное изобилие. Мельчайшие существа были «подобны стайке мух или комаров, летящих и обращающихся друг вокруг друга на весьма небольшом пространстве». Их количество оказалось таким большим, что Левенгук решил: «Многие тысячи их могут содержаться в капле воды объемом не более песчинки».

Таких же обитателей он нашел во рту у двух дам (вероятно, его жены и дочери), которые, как и Левенгук, регулярно чистили зубы. В другом месте он сообщает, что, поскребя зубы «престарелого джентльмена, весьма небрежно относящегося к чистоте своих зубов», он обнаружил «невероятное число живых анималькул, плавающих куда быстрее, чем я когда-либо наблюдал прежде, и в таких количествах, что вода, их содержащая (хотя с нею смешана была лишь небольшая доля субстанции, взятой с зубов), сама казалась живой». Извещая о своем умозаключении Королевское научное общество, он снова ищет подходящее сравнение: «Количество животных, обитающих в зубном налете человека, столь велико, что превышает даже, по моему мнению, число людей, живущих в каком-нибудь королевстве».

Открытие того факта, что мы буквально кишим какой-то «другой» жизнью, стало сенсацией в целой череде других чудес, которые позволил увидеть микроскоп. Наряду с открытиями Галилея, сделанными при помощи телескопа, эти изыскания, позволившие натурфилософам заглянуть уже не только в макро-, но и в микромир, со всей очевидностью показали: наука лишь выиграет, применяя новые инструменты для того, чтобы выйти за пределы, которые кладут нашему восприятию невооруженные органы чувств. Поначалу не все признавали, что явления, скрытые от человеческого глаза, реальны в той же степени, что и те, которые спокойно проходят испытания нашим зрением, идущие под девизом «Видеть – значит верить». Однако большинство полагало, что благодаря таким методам наука действительно обретает немыслимый прежде доступ к ценнейшим знаниям о мире и о том, что в нем находится. Можно сказать, что наши собственные микробы сыграли ключевую роль в зарождении современного научного метода. Даже удивительно, что до самых недавних пор столь многое о них оставалось неизвестным.

Молекулярный зверинец

Через три с небольшим века после Левенгука еще один любознательный человек скреб собственные зубы в поисках жизни. Впрочем, он привлек к сему почтенному занятию своего дантиста. А звали этого естествоиспытателя Дэвид Релман, и работал он в Стэнфордском университете. Итак, вместо того чтобы выкинуть дрянь, извлеченную из трещин в деснах Релмана, доктор поместил ее в стерильные пробирки, которые Релман, истинный ученый, предусмотрительно захватил с собой.

В то время он осваивал новые генные методики обнаружения патогенных бактерий, которые сопротивлялись традиционным способам идентификации, поскольку отказывались расти в виде лабораторной культуры. Ученый задался вопросом: может быть, по той же причине многие виды остаются незамеченными и в нашей обычной микробиоте, которая представляет собой сложную смесь разных популяций микроорганизмов? Вернувшись к себе в лабораторию, он, следуя привычным микробиологическим методам, которые вскоре усовершенствовал[7], стал выращивать культуры из принесенной от дантиста пробы. Часть образцов он подверг новейшим на тот момент процедурам ДНК-анализа, ища небольшие фрагменты генетической последовательности, характерные для бактерий, и сравнивая найденные фрагменты с известными последовательностями из существующих баз данных.

Казалось бы, что нового можно было обнаружить в пространстве между зубами и деснами (в поддесневых карманах)? За много лет ученые, методично культивирующие микроорганизмы, уже описали почти 500 видов бактерий, извлеченных из этого густонаселенного региона ротовой полости.

Однако, изучая образец, взятый с двух зубов из одного рта, группа Релмана выявила 31 новый штамм бактерий. Еще 6 штаммов обнаружилось на пластинках с выращиваемой культурой, а значит, удалось найти 37 новых разновидностей бактерий (в общей же сложности после анализа всех образцов выявили аж 77).

В 1999 году Релман с коллегами опубликовали статью в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, где приличествующим этому изданию сухим научным языком сообщали: «Наши данные заставляют предположить, что значительная часть нормальной бактериальной флоры человека остается плохо охарактеризованной даже в этой хорошо изученной и хорошо знакомой специалисту микробной среде». Позже Релман заявил в интервью San Francisco Chronicle: «При помощи молекулярных методов мы нашли куда больше, чем посредством культивации. А значит, ученые в течение века с лишним невольно игнорировали огромную долю микробного мира. Недавние открытия учат нас смирению. До сих пор мы, так сказать, играли всего лишь половиной колоды».

Осознание этого факта побудило многочисленных ученых обратиться к применению новых технологий секвенирования ДНК для анализа микробных образцов, взятых из всевозможных мест человеческого тела, куда только можно забраться, чтобы наскрести, наскоблить, намести или намыть пробу. Результаты этих усилий перевернули наши представления о человеческом микробиоме и о том, как человек сосуществует с мириадами других видов.

Но прежде чем пристальнее взглянуть на результаты этих более глубоких, чем прежде, исследований незримого мира и рассмотреть терзающий сегодняшних ученых вопрос о том, что всё это означает, давайте сделаем шаг назад. Ибо за 3 века, разделяющих Левенгука и Релмана, этих двух отважных исследователей зубов, человечество еще кое-что узнало о микробах.

Хорошие парни и плохие парни

В эпоху Просвещения анималькулы Левенгука поразили общество, но казались по сути лишь безвредной новинкой. Тогда же несложные эксперименты с блеском продемонстрировали, что новомодный (для XVII века) напиток кофе или небольшое количество уксуса уничтожают живых существ в поле зрения микроскопа. Кроме того, современникам представлялась фантастической сама идея о том, что столь ничтожные существа могут оказывать сколько-нибудь существенное влияние на большой организм, служащий для них пристанищем.

Теперь-то мы знаем, что дело обстоит иначе. Самые значительные перемены в наших познаниях о микромире произошли в XIX веке. Микробная теория заболеваний возникла, когда на помощь исследователям инфекций пришла новая наука микробиология. Долгое время считалось, что заражение, возникающие при тесном контакте с больным, и обуславливает распространение некоторых болезней. Но заражение чем? Становилось всё очевиднее, что главный контакт здесь происходит с микробами, а значит, можно с уверенностью предполагать, что микроскопическая жизнь оказывает громадное влияние на куда более крупные организмы и что именно микробы – главная причина некоторых смертельных недугов. Благодаря этому стало возможным принципиально новое объяснение того, как эти недуги возникают и развиваются.

Кроме того, эти открытия оказали большое влияние на отношение людей к микроорганизмам. Здесь можно выделить два эффекта – научный и культурный. Оба в значительной мере проявляются и поныне.

С научной точки зрения микробная теория заложила основу для размышлений о причинно-следственных связях в этой важной, запутанной области биологии – основу «микробной» логики. Она до сих пор во многом определяет наше понимание причин болезней, хотя, как показывают недавние исследования, применима не всегда.

Тогда, в XIX столетии, загадочные организмы, обнаруживаемые под микроскопом, извлекались главным образом из среды вне человека. Внутри же они обнаруживались учеными в основном при изучении заболеваний. Но вызывались ли симптомы недуга этими крошечными созданиями, извлекаемыми из пациентов или больных животных (а иногда, возможно, сохраняемыми в виде лабораторных культур)? Многие имели основания усомниться в новой теории. Ее критиковали немало скептиков. Чтобы убедить их в справедливости теории, требовалось множество экспериментальных подтверждений, а кроме того, четкие правила построения умозаключений. Только так можно построить доказательную теорию.

Микробная теория сформулировала эти правила. Упрощая картину, можно сказать, что теория приняла форму принципа «Один микроб – одна болезнь» (ОМОБ) (позже из этого выросло правило «Один ген – одна болезнь», но это уже другая история)[8].

Если гипотеза ОМОБ верна, то как доказать, что выявлен действительно организм-виновник? Ведь вокруг столько микробов… В основе соответствующих правил лежит общий подход к научным экспериментам, который мы сейчас принимаем как нечто само собой разумеющееся. Впервые его формально описал в XIX веке философ Джон Стюарт Милль, назвавший его методом сходства и различия. Этот рецепт идеального эксперимента мы проходим в школе. Определите все условия в контролируемой среде. Варьируйте их по одному и посмотрите, что будет происходить. Если переменная X вызывает изменение результата Y, значит, X и Y как-то связаны друг с другом. Простой пример – выяснение того, почему на вечеринке некоторые отравились: следует установить, кто ел и кто не ел какие-то блюда.

Многое поведал о микробах жаждущему человечеству выдающийся немецкий бактериолог Роберт Кох. В начале 1880-х годов он и его великий соперник француз Луи Пастер установили связь некоторых заболеваний (главным образом, у животных) и определенных инфекционных агентов. Коху хотелось сделать обобщающие выводы и посрамить сомневающихся[9]. Наряду с невероятно энергичной работой в лаборатории и методическими усовершенствованиями (так, он стал первым, кто использовал для выращивания колоний микробиологические пластинки, а не сосуды с субстратом) он прославился тем, что сформулировал так называемые «постулаты Коха». Их всего 4. По сути это своеобразные инструкции, помогающие доказать, что данный микроб действительно вызывает определенное заболевание. Следуйте им и можете быть уверены, что вы получите ответ и убедите всех остальных.

Итак:

1. Найдите данный микроорганизм у всех (животных и/или людей), кто страдает соответствующим заболеванием. Убедитесь, что его не удается обнаружить у здоровых существ.

2. Выделите микроорганизм из зараженного организма и затем вырастите этот возбудитель заболевания в лаборатории.

3. Заразите этим выращенным микробом здоровое существо.

4. Снова выделите микроб уже из этого зараженного существа и покажите, что он такой же, с какого вы начинали.

Никакая из этих процедур в те времена не была простой даже в опытах с подопытными животными, не говоря уж о пациентах-людях (особенно большие затруднения вызывала стадия 2). Однако по мере усовершенствования методов эти 4 постулата доказали свою полезность, поспособствовав прогрессу науки и заслужив благодарность миллионов. Испытательным полигоном для постулатов Коха стал страшный бич человечества – туберкулез. В последующий десяток лет их проверили на примере холеры, тифа, столбняка и чумы.

Эта логика остается незыблемой, если в заболевание вовлечен микроб, и лишь микроб. Многие более поздние случаи (и целый ряд классических, вроде того же туберкулеза) оказываются куда более сложными. Однако правила Коха часто приводятся как своего рода золотой стандарт для выяснения звеньев причинно-следственных цепочек, описывающих воздействие различных микроорганизмов на человека.

Мощь коховской логики усилила культурное воздействие микробной теории. Новое поколение микробиологов XIX века, облаченных в белые халаты, добилось впечатляющих успехов на медицинском поприще, а также показало благотворную роль микробов. Так, Пастер интересовался не только инфекциями, но и процессами ферментации. Однако гром фанфар, сопровождавший демонстрацию того, что микробы могут вызывать болезни, как-то заглушал новости о микроскопических «хороших парнях», делающих сыр или вино. В общественном сознании укоренилось представление о том, что микробы – зло (ну не считая немногочисленные почетные исключения).

Не трогать – грязно!

Банка персикового компота открывается так. Удалите бумажную этикетку, затем тщательно поскребите банку, чтобы устранить все следы бумаги и грязи. Открыв крышку, перелейте компот в чашку. Банка НЕ ДОЛЖНА касаться чашки.

Так инструктировали персонал кухни Говарда Хьюза, пионера авиации 1920-х, кинопродюсера, миллиардера-отшельника, долгое время страдавшего обсессивно-компульсивным расстройством[10]. Кроме того, персоналу предписывалось мыть руки, пока те не начнут зудеть, и обертывать их бумажными полотенцами при подавании блюд Хьюзу. Существовали подробные инструкции на предмет того, как открывать упаковку бумажных полотенец.

Губительный психический недуг Хьюза – крайний случай вполне распространенной боязни. Этот баснословный богач перенес ряд черепно-мозговых травм в ходе нескольких авиакатастроф, а в юности заразился сифилисом. Но еще до всех этих приключений в нем укоренился постоянный страх перед микробами. Позже у него развилась настоящая болезненная фиксация на опасностях, которые бактерии могут в себе заключать. И он был такой не один.

Причины этого понятны. Микробная теория заболеваний появилась как раз в ту эпоху, когда жители больших городов очень страдали от инфекций, распространявшихся из-за скученности населения и общей антисанитарии мест человеческого обитания. Теория имела колоссальный успех. Когда Кох, Пастер и другие показали, что причиной самых страшных болезней являются крошечные организмы, микробную теорию приняли множество ученых. Ее приняли и люди, далекие от науки, поскольку теория эта оказалась легкой для понимания и поскольку (благодаря вакцинации и постройке нормальной канализационной системы) она проложила путь к предотвращению и лечению самых разных недугов. Некоторые опаснейшие болезни даже удалось победить, полностью подавив их распространение. Микробная теория остается краеугольным камнем здравоохранения – отрасли, которая тогда же и возникла.

Короче говоря, появление этой теории ознаменовалось научным и медицинским триумфом, и ученые, которые ввели ее в оборот, почитались, как герои. Классическая научно-популярная книга Поля де Крюи «Охотники за микробами», вышедшая в 1920-х годах, принадлежит перу автора, который провел некоторое время в нью-йоркском Рокфеллеровском институте медицинских исследований. Пионеры бактериологии изображены здесь как раз в таком свете. В подобном же тоне рассказывалось о бактериологах в бесчисленных газетных статьях того времени и в беллетризованных биографиях, выходивших позже.

Они стали героями, поскольку вели войну против болезней, то есть против микробов, и победили. Торжество науки закрепило в общественном сознании прочную ассоциативную связь между микробами, грязью и болезнями. К тому же практическое применение антисептиков, дезинфектантов и антибактериальных средств весьма впечатляло.

Избегать микробов – значит не только сторониться очевидных источников «неприятного» (понятно, что не следует размазывать экскременты по стенам туалета или есть тухлое мясо). Нужно уметь справляться и с невидимыми опасностями.

Этот набор взаимосвязанных идей оказался чрезвычайно перспективным и влиятельным. Итак, микробы вызывают болезни, берутся из грязи и могут распространяться путем загрязнения (заражения), которое вы даже не замечаете. Что ж, в общем-то это правда. Некоторые микробы действительно служат причиной недугов. Микробы нельзя увидеть невооруженным глазом. Строгие меры профилактики помогают избежать беды. И при посещении больницы нужно использовать дезинфектор для рук[11].

Кроме того, эту теорию очень широко пропагандируют и службы здравоохранения, и производители антимикробных товаров. И те и другие постоянно выискивают всё новые объекты для дезинфекции: туалеты, ванные комнаты, кухни, бутылочки с детским питанием, продуктовые упаковки, телефоны, компьютерные клавиатуры. К числу таких объектов, конечно, принадлежат и сами люди.

Ход этой непрекращающейся кампании изложен в книге историка Нэнси Томс «Микробное евангелие» (Nancy Tomes, The Gospel of Germs, 1998). В США первыми встрепенулись защитники общественного здоровья, – они кинулись требовать, чтобы все (особенно домохозяйки и матери) соблюдали новые стандарты чистоты и гигиены. Позже медицинские эксперты уже меньше подчеркивали значимость чистоты как таковой: главным считалось избегать контакта с инфекцией и препятствовать тому, чтобы инфицированные передавали возбудитель заболевания другим. А там уж за дело взялась промышленность.

Война с микробами считалась всеобщей обязанностью, однако на передовой по-прежнему сражались женщины. Американская реклама лизола, выпущенная в 1941 году, показывает это со всей очевидностью. Изящно соединяя домашние и патриотические обязанности, она изображает улыбающуюся домохозяйку, вскинувшую руку в воинском салюте. «Вы тоже служите в армии, – гласит надпись. – Записывайтесь в ряды бойцов с микробами… Женщина со шваброй, ведром воды и бутылкой лизола может разгромить целую армию бактерий, которые вызывают инфекцию… Лизол – оружие хозяйки, защита вашего дома»[12].

Дезинфицирующие жидкости, аэрозоли и мази по-прежнему производятся в огромных количествах, достаточно заглянуть в соответствующий отдел супермаркета. Дезинфицирующий аэрозоль «Лизол» выпускается ныне с десятью разными ароматами, но его реклама по-прежнему упирает на то, что это средство позволит «защитить семью от микробов, которые каждый день контактируют с вами». Защитить, убивая их.

Пожалуй, многие из нас, жителей западных стран, в последнее время стали куда небрежнее относиться к применению таких средств у себя дома (за исключением разве что туалета). Во всяком случае, со мной произошло именно так. Однако мы по-прежнему воротим нос от публичных мест, которые кажутся нам явно негигиеничными. А чуть только начинаем опасаться нового (или снова вспыхнувшего) заболевания, как к нам возвращаются подзабытые идеи насчет заражения и загрязнения.

Томс заканчивает экскурс в историю, вспоминая о реакции на одно из первых проявлений эпидемии СПИДа еще в 1984 году. Тринадцатилетний мальчик, страдавший гемофилией, заразился ВИЧ после регулярных переливаний крови. Когда новость о диагнозе распространилась в городке Кокомо (штат Индиана), где он жил, с ним перестали здороваться за руку; более того, жители города предпочитали не посещать туалет, которым он пользовался, и даже распространяли слухи, будто он нарочно плюет на овощи в лавках. Мальчика и его семью заставляли сидеть в церкви на дальней скамье, «вне досягаемости кашля». После того как мальчик решил вернуться в школу, кто-то выстрелил в окно их гостиной, и тогда семье пришлось уехать из города. Даже в наше время страх заразиться может превратить законопослушных граждан в сущих линчевателей.

Микробы в лаборатории

Общество стремилось держаться от микробов подальше, однако в то же самое время ученые все пристальнее исследовали микробную жизнь. На протяжении последующего столетия исследователи, охотно знакомящиеся с микробами вблизи, узнали огромное количество сведений о разновидностях микроскопических существ и отыскали новые способы их изучения.

Здесь уже оказалось недостаточно микроскопа, этого простейшего инструмента для наблюдений. Понадобилось разработать новые методы препарирования и окрашивания клеток (чтобы подчеркнуть их детали), научиться выращивать культуры микробов для долговременных исследований, проникнуть в их химию и в конце концов – в их гены.

После Левенгука микробиология сначала развивалась неспешно, а с середины XIX века – все интенсивнее и плодотворнее. Появлялись новые методики и технологии, значительно более тонкие и изощренные, чем прежде. Каталог микробов невероятно разросся. Все больше их видов обнаруживается в новых местах – от горячих источников до холодных океанских глубин.

Эти неутомимые исследования касаются и микробов, которые живут вместе с нами. Не раз предполагалось: поскольку это наши постоянные компаньоны и они так многочисленны, подавляющее их большинство не причиняет нам вреда, а может быть, даже приносит пользу. (Собственно, Пастер предположил это еще в 1885 году, но современники его не услышали[13].)

Такая точка зрения снова появилась много лет спустя, еще до наступления эры ДНК-анализа. В 1960-е годы ее высказал в провидческой книге Теодор Розбери, признанный авторитет в области исследований микроорганизмов человека. Написав по данному вопросу учебник, он в 1969 году выпустил наделавшую много шума научно-популярную книгу «Жизнь на человеке» (Theodor Rosebury, Life on Man, 1969)[14]. Сейчас ее тоже очень интересно читать – отчасти благодаря тем знаниям, которые мы успели приобрести за прошедшие десятилетия. Книга дает сжатое описание состояния области науки, которую Розбери знал как никто другой. Он описывает некоторые виды микробов и их распространение, однако почти не погружается в детали микробиома (особенно кишечного). Он рассматривает основную массу бактерий просто как безвредных пассажиров, учитывая кое-какие побочные выгоды, которые они нам приносят (например, затрудняют проникновение в наше тело организмов-колонизаторов, способных вызывать заболевания). Автор приводит и другие гипотезы (например, о возможном влиянии микробов на развитие кишечника), но лишь как вопросы, заслуживающие дальнейшего рассмотрения. Его краткое изложение важнейших фактов, которые следует знать о реальной «жизни на человеке», занимает всего-навсего 24 страницы, а остальные страницы посвящены увлекательному обсуждению антропологии отвращения (автор явно подходит к проблеме со знанием дела). С тех пор прошло не так уж много времени, но микробиология успела многое узнать о бесчисленных видах мелких существ, кишащих в нашем мире.

Так каково это – разделять жизнь с целой армией микроорганизмов? Для начала давайте посмотрим, как они живут. И пока основное внимание уделим бактериям.

Глава 2. Микробы – не мы… или все-таки мы?

Рассмотрим единичную бактерию. Пусть это будет все та же Escherichia coli. На краткий миг она оказывается в воздухе и затем падает на поверхность теплого, желеобразного, свежеприготовленного субстрата, богатого питательными веществами и находящегося в специальной лабораторной чашке для выращивания бактериальных культур. Бактерия может делать самые разные вещи, но главнейший приоритет для нее – при первой же возможности превратиться в две бактерии. В этих идеальных условиях, когда есть куда распространяться и нет конкуренции, такой процесс занимает всего 20 минут.

За это время бактерия полностью копирует ДНК своей единственной хромосомы и вырабатывает достаточно белков, каркасов клеточных стенок и других компонентов клетки, чтобы создать двойной запас всего необходимого. Затем она делится на две клетки, причем обе идентичны исходной. Спустя еще 20 минут каждая из новых клеток делится опять.

Этот процесс будет повторяться снова и снова. Микроб так стремится воспроизводить себя, что новая хромосома, полученная в результате удвоения, начинает очередной этап репликации еще до того, как происходит деление клетки, иначе ферменты, копирующие ДНК, не смогли бы делать свою работу с нужной быстротой.

Такой бешеный рост (в данном случае он называется экспоненциальным) приводит к весьма впечатляющим результатам – во всяком случае, с математической точки зрения. Через 7 часов у нас будет уже миллион E. coli, и они будут продолжать делиться. Один из персонажей «Штамма „Андромеда“» Майкла Крайтона говорит: «Можно показать, что всего за сутки одна клетка E. coli способна дать суперколонию, равную Земле по размерам и весу». Неверно: потребуется примерно два дня.

Впрочем, такого никогда не происходит, поскольку E. coli довольно скоро истощит запасы пищи и начнет задыхаться в собственных выделениях. Она среагирует на изменившуюся ситуацию, прекратив деление и перейдя в стационарную фазу, когда многие жизненные системы останавливают свою работу (или просто работают вхолостую), ожидая, пока представится новая возможность начать триумфальный рост.

Высочайшая скорость воспроизводства – одна из особенностей микробов, придающая им такую высокую приспособляемость. Существуют многие тысячи разновидностей бактерий. И любое конкретное место, будь то глубины океанских гидротермальных источников или глубины нашего кишечника, по существующим в нем условиям подходит для тех или иных бактерий. Другие бактерии тоже будут здесь присутствовать, но в значительно меньших количествах. Их обойдут конкуренты, лучше приспособленные к данной среде обитания. Но если условия изменятся, то эти неудачники, быть может, сами получат шанс совершить свой экспоненциальный рывок.

Эти две крайности – быстрое размножение и «сон» с почти полной остановкой жизненных процессов – помогают бактериям приспосабливаться к самым разным условиям и быть практически вездесущими. Они могут обитать едва ли не повсюду, питаясь едва ли не чем угодно. Они живут на Земле почти с самого начала и успели за это время перепробовать всевозможные метаболические фокусы. Даже если никто из них не интересовался бы жизнью на нас, о них стоило бы узнать побольше – хотя бы для того, чтобы понять основную часть истории жизни на Земле. Но их история не отделима от нашей. Есть большое искушение считать, что они очень отличаются от нас. Однако, как выясняется, у нас гораздо больше общего с нашими спутниками-микробами, чем мы думали.

Доминирующие виды

Крупное животное вроде Homo sapiens способно предоставлять убежище множеству других существ – желанных и нежеланных. Наше отношение к ним сложилось под влиянием ряда паразитов и червеобразных «пассажиров», которые слишком велики, чтобы стать частью микробиома, – от вшей до ленточных червей. На микроуровне, где численность населения гораздо больше, обнаруживается множество самых простых форм жизни – вирусов (о них позже). Попадаются и представители сравнительно сложной жизни – одноклеточные эукариоты (простейшие, протисты), клетки которых, судя по всему, являются более «организованными»: они снабжены ядром и другими субклеточными структурами, видимыми под микроскопом. Однако самый большой вклад в микробиом (как по совокупной массе, так и по количеству генов) вносят бактерии и в чем-то сходные с ними археи.

Мы склонны воспринимать их как что-то довольно простое, нечто среднее между забавной диковинкой и досадной помехой. Ну да, это прокариоты[15]. Их ДНК не упакована в клеточное ядро, они обладают единственной круговой хромосомой и обычно некоторыми другими разрозненными кусочками ДНК, и все это худо-бедно размещается в теле клетки. Кроме тела клетки у прокариот больше ничего и нет. Под микроскопом (при небольшом увеличении) прокариоты выглядят значительно менее сложными, чем одноклеточные эукариоты, внутренности которых устроены более изощренно. К появлению высокоразвитых многоклеточных организмов вроде нас с вами привели именно эукариоты.

Мнимая простота бактерий вроде бы отвечает их малым размерам. Бактерии – своего рода микромикроорганизмы. Объем типичной прокариоты в тысячи раз меньше, чем средней эукариотической клетки. У нее имеется геном, но он примерно в 10 тысяч раз меньше, чем у эукариоты. При беглом взгляде она вообще кажется менее организованной по внутренней структуре. Но дело в том, что эта структура оставалась по большей части невидимой вплоть до появления мощных электронных микроскопов. Долгое время внутренняя часть этих крошечных одноклеточных считалась по сути просто сосудом, где протекают реакции. Бактерию рассматривали как мешочек с биологически активными веществами; не более того.

В исторической перспективе бактерии тоже кажутся не такими уж интересными объектами. Эволюцию часто представляют в виде непрерывного и неуклонного прогрессивного развития, начавшегося с примитивных микробов и достигшего кульминации с появлением разумных приматов. Бактерии выполнили кое-какую тяжелую работу на заре жизни, но их подлинная судьба определилась, лишь когда они каким-то непонятным скачком превратились в клетки с ядрами, затем – в многоклеточные организмы, потом – в действительно интересные формы жизни, наделенные мозгом. Но как бы ни зародилась жизнь, на протяжении двух миллиардов лет бактерии наряду с другой разновидностью одноклеточной жизни, археями, оставались единственными игроками на поле. На смену поколений таким существам требуются лишь минуты, так что у них нашлось время для того, чтобы перепробовать невообразимое количество эволюционных стратегий.

Еще важнее то, что более сложная жизнь их не вытеснила. Они продолжали жить и развиваться в собственных экологических нишах, где в конце концов оказались и другие, более крупные организмы. Во многих отношениях они остались доминирующими формами жизни. Их совокупная биомасса сравнима с общей биомассой всех растений и животных на Земле. До тех пор пока некий высокоразвитый примат не начал извлекать из земли полезные ископаемые, получать из них топливо и сжигать его, обеспечивая энергией свою цивилизацию, жизнь влияла на окружающую среду в планетарном масштабе именно посредством деятельности этих видов[16].

Такой взгляд на значимость бактерий для биосферы в целом сложился лишь в последние десятилетия. Особенно этому способствовало то, что бактерии стали обнаруживать во все более экстремальных средах. В расширении наших знаний о бактериях есть два ключевых аспекта, важных для восприятия этих организмов как части нашего широкого клеточного сообщества. Во-первых, теперь мы лучшие понимаем, как они живут и на что способны. А во-вторых, мы стали лучше разбираться в том, что общего между нами и этими мельчайшими существами. Как подметил биолог и эссеист Льюис Томас, слова humus (гумус, изготовляемый триллионами бактерий почвы) и human (человек) не зря имеют от один корень.

Маленький – не значит простой

Чем так уж важны бактерии? Начнем с того, что это микробы, то есть существа очень-очень маленькие. Длина типичной бактерии по самой длинной оси – от одной до нескольких тысячных миллиметра. А значит, их легко не заметить. Почти все время нашего собственного (сравнительно краткого) пребывания на планете мы понятия не имели, что они вообще существуют. Судя по вполне достоверным оценкам, на Земле сейчас обитает около 1030 (миллиона триллионов триллионов) бактерий. Однако среди них есть крупные группы, о которых мы почти ничего не знаем. Возможно, мы никогда не установим не только общее количество микроорганизмов на Земле, но даже общее количество их видов.

С другой стороны, раз уж нам известно об их существовании, небольшие размеры и быстрый рост этих существ делают некоторых из них подходящими объектами для исследования – по одному виду в один прием. Поэтому при сравнительно скудных сведениях о глобальной бактериосфере ученые успели в невероятных подробностях изучить некоторые микроорганизмы, особенно всеобщую лабораторную любимицу – E. coli.

Достаточно хотя бы немного познакомиться с ней, и вы, пусть и не узнав всех бактерий на свете, проникнетесь немалым уважением к тому, на что бактерии способны[17]. Ну да, они могут расти и размножаться, это и делает их живыми. У них имеется полный набор крошечных наноустройств для создания копий собственной ДНК, считывания информации, которую та в себе хранит, и для передачи ее белковым молекулам. Они умеют переваривать молекулы пищи, извлекать энергию при их расщеплении и использовать полученные фрагменты молекул для создания новых.

Основную часть того, что нам известно об этих процессах – от подробностей генетического кода (одного и того же у всех организмов на Земле) до сети химических трансформаций, служащих основой метаболизма, – мы узнали из экспериментов над бесчисленными колониями E. coli в лабораторных чашках. Но вклад данного микроорганизма в науку этим далеко не ограничивается. Дальнейшие опыты, зачастую проводимые в условиях, более приближенных к жизни в природе, нежели к существованию в лабораторной чашке, и не имеющих в этой чашке конкурентов, показали, что бактерии способны на еще очень многое.

На молекулярном уровне у них имеются своего рода органы чувств. Нет, они не умеют видеть или слышать, однако E. coli и другие микробы умеют обнаруживать изменение концентрации значимых молекул вокруг себя. Они могут самостоятельно перемещаться, используя активно вращающийся миниатюрный жгутик, как своего рода сверхподвижный хвост. Они меняют курс, чтобы приблизиться к молекулам, которые им нравятся (то есть к пище), или чтобы отдалиться от молекул, которые им не нравятся. Они адаптируются к среде, замечая ее изменения (скажем, температурные перепады или уровень доступности определенных питательных веществ). Реакция на меняющиеся условия приводит к включению (или выключению) определенных генов, причем такое включение (выключение) организовано при помощи сложных биохимических цепочек, где связываются друг с другом молекулы, выстроенные особым образом. Одноклеточные реагируют на присутствие других клеток благодаря так называемому «чувству кворума», которое проявляется в том, что определенные функции активируются, лишь когда плотность клеточного населения достигает заданного порогового значения. Одни бактерии ведут химические войны с другими или же налаживают с ними тесные метаболические отношения, при которых один вид пожирает молекулярную пищу, уже частично обработанную другим в процессе потребления. Зачастую они объединяются в огромные клеточные ансамбли. Это еще не многоклеточная жизнь, но что-то очень похожее на нее по функциям. Бактерии вырабатывают клейкие молекулы, создающие единую слизистую «биопленку», которая удерживает ансамбль вместе. Подобные пленки часто покрывают поверхности, представляющие собой пригодную для обитания экологическую нишу (скажем, ваши зубы), и поддерживают существование долговечной бактериальной системы с изощренным механизмом разделения биохимического труда.

Более того; как показал Джошуа Ледерберг в работах 1940-х годов, принесших ему Нобелевскую премию, они занимаются сексом. Вообще-то, честно говоря, E. coli и другие бактерии преотлично умеют размножаться без помощи чего-либо, даже отдаленно напоминающего секс: они могут создавать клоны генетически идентичных клеток (правда, изредка при этом случаются мутации). Но бактерии не отметают и другие варианты. Время от времени две бактериальные клетки соединяются, и ДНК передается от одной к другой. Благодаря такому обмену генами микробный мир выглядит совершенно иным по сравнению с миром многоклеточных эукариотических организмов с их четким разграничением на виды. В мире микробов постоянно происходит обмен генетическими фрагментами посредством переноса кусков бактериальной хромосомы или движения небольших колец ДНК (плазмид), имеющихся у большинства бактерий, либо при помощи бактериальных вирусов. Если ничего такого не происходит, бактерия может даже захватить свободную ДНК из окружающего пространства и включить какую-то ее часть в состав своей хромосомы (этот процесс именуется трансформацией). Кроме того, при мутации бактериальная ДНК обычно меняется быстрее, чем ДНК в хромосомах других организмов, и не только из-за высокой скорости размножения. Микробы в стрессовых ситуациях (например, когда мало пищи) копируют ДНК менее точно и чинят ее хуже. Что это – просто побочное следствие стресса или же хитроумный эволюционный трюк, позволяющий быстро дать множество всевозможных ответов на возникшую проблему? Биологи продолжают об этом спорить, но в любом случае такая гипермутация позволяет осуществлять стремительные изменения.

С течением времени все эти обмены генами и перемены в ДНК приводят к появлению самых разнообразных штаммов бактерий, хотя эти новые штаммы похожи друг на друга и описываются как один и тот же вид. Однако пристальное изучение бактерий, с которыми мы успели хорошо познакомиться, заставляет сделать вывод, что «вид» для микробов – понятие расплывчатое и во многом загадочное. Одна и та же разновидность бактерий может пользоваться обширным генетическим ресурсом, основная часть которого обычно находится в резерве. Конечно же, наиболее изученной бактерией здесь опять-таки является звезда микробиологии – E. coli. У различных ее штаммов имеется общий набор генов. Однако по мере детального изучения все большего числа штаммов выясняется, что существует куда больше таких генов, которые имеются лишь у некоторых штаммов E. coli. По словам Карла Циммера, «список генов, общих для всех E. coli, все укорачивается, тогда как совокупный список генов, имеющихся по меньшей мере у одного штамма, удлиняется». В типичном штамме E. coli (если таковой вообще существует) содержится 4–5 тысяч генов. Но общее число всех генов, которые когда-либо обнаруживали у E. coli (так называемый пангеном, хотя можно называть его просто генофондом), составляет в настоящее время 16 тысяч. Это чуть меньше количества генов в человеческом геноме. Впечатляющее число для столь «простого» организма!

Человекоподобные бактерии, бактериеподобные люди

Итак, бактерии сложнее, чем кажутся на первый взгляд. Они обладают приспособляемостью и изобретательностью, как и подобает форме жизни, которой как-то удается уцелеть на протяжении трех-четырех миллиардов лет. Жизнь и эволюционная история этих наших предков (а ныне – и современников) переплетены с нашей собственной жизнью и эволюционной историей, соединены с ними бесчисленными связями, разбираться в которых мы начали только недавно.

Взять хотя бы неудобный для кого-то факт, побудивший меня написать эту книгу: они живут внутри нас. И тут Escherichia coli не исключение. Первые образцы данной бактерии выделены еще в 1885 году Теодором Эшерихом – из первых испражнений новорожденных младенцев. Эти бактерии оказалось легче изолировать, чем большинство других кишечных бактерий, поскольку они живут как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. Целый ряд невиннейших штаммов E. coli обитает в нашей толстой кишке. Они прекрасно приспособились к жизни в кишечнике теплокровных существ. С другой стороны, существует такой же разнообразный набор штаммов E. coli, вызывающих неприятные симптомы – пищевого отравления или чего-нибудь похуже.

Есть и куда более странная форма совместного проживания, в которую ученые много лет отказывались верить. Мы знаем, что основа всей биосферы – одноклеточные прокариоты. И более сложные формы жизни вроде нас с вами, со всеми «добавлениями», пришедшими с появлением эукариотической клетки, наделенной ядром, несут в себе потомков древних бактерий.

Наши высокоорганизованные, крупные по объему эукариотические клетки обладают значительно большей энергетической подпиткой по сравнению с прокариотами, даже если пересчитать энергию на их размеры. Кардинально новый взгляд на эволюцию клеток помогает понять, как такое могло получиться[18]. Эукариоты получают энергию от внутриклеточных «электростанций» – митохондрий. Митохондрии чем-то похожи на бактерии. Почему? Потому что это и есть бактерии. Точнее, когда-то они были бактериями. Они давно утратили способность к независимому существованию, но по-прежнему обладают небольшим собственным геномом, кодирующим (помимо всего прочего) копирование ДНК и аппарат чтения информации; это больше напоминает бактериальные механизмы, а не те сильно отличающиеся от них макромолекулярные чудеса, которые выполняют ту же работу в клеточном ядре.

Объяснение предложила выдающийся американский биолог Линн Маргулис (1938–2011) еще в 1960-е годы. По ее мнению, некий бактериальный флирт миллиарды лет назад привел к симбиозу, при котором одна бактерия стала жить внутри другой. Внутренний колонист затем адаптировался к новым условиям: получает все необходимое для жизни из окружающей его клетки в обмен на ту энергию, которую он высвобождал, химически расщепляя сахара с помощью кислорода. Результатом стало появление специализированной органеллы («очень маленького органа») в самой настоящей, вполне полноценной эукариотической клетке. Эта органелла – митохондрия – действовала как своего рода миниатюрная электростанция. То, что когда-то было бактерией, сперва стало внутриклеточным паразитом, а затем – более простым по структуре мешочком складчатых мембран, предназначенным для выработки энергии.

Маргулис рассматривала эту необратимую кооперацию (эндосимбиоз) как один из ключевых эволюционных механизмов и полагала, что некоторые другие части эукариотических клеток имеют такое же происхождение. Гипотеза по-прежнему считается противоречивой, но сейчас уже мало кто спорит с тем, что и митохондрии, и хлоропласты (выполняющие сходные задачи у растений) возникли именно так. Странно думать, что все наши клетки содержат эти древние останки. Иной раз число таких реликтов доходит до тысяч. Они до сих пор делятся и размножаются независимо. Все мы до сих пор живы благодаря этой колоссальной коллекции деградировавших бактерий.

Наконец, есть бактериальные останки, выполняющие другую важную работу во всех прочих разновидностях клеток. В сущности это просто следствие хода истории жизни и эволюции по нисходящей. Все дарвиновские «бесконечные прекраснейшие формы жизни» имеют общего предка; он, вероятно, весьма походил на некоторые бактерии, существующие и поныне. Этот наш древний прародитель уже успел приобрести многие необходимые гены и многие важные функции, которые белки выполняют в клетках; это говорит, что белки, а значит, и гены, где хранится информация для их синтеза, очень мало меняются в ходе эволюции. Когда белки уже действуют, любые изменения, происходящие посредством мутаций ДНК, имеют тенденцию ухудшать их работу, так что это изменение исчезает в ходе естественного отбора, неустанно отсеивающего неподходящие новые идеи.

В принципе-то мы все это знали, но недавние подвиги генных расшифровщиков, давшие нам возможность исследовать целые геномы крупных и малых организмов, показали, сколь важны эти факторы и как тесно взаимосвязаны все обитатели нашей планеты. Сравните генетические цепочки и вы обнаружите, что 37 % генов человека очень похожи на гены бактерий. А значит, эти гены уже появились у нашего общего предка больше двух миллиардов лет назад. Между тем мы делим с другими эукариотами 28 % генов, с другими животными – 16 % генов, а с другими приматами (у нас тоже есть соответствующий общий предок) – всего 6 %[19]. Так что какой бы вклад сожительствующие с нами бактерии ни вносили в нашу жизнь сегодня, в эволюционном смысле более трети наших генов (в числе прочих даров) предоставлены нам бактериями.

Как давать имена

Человек узнал о бактериях достаточно много, чтобы с легкостью скроить пеструю систему впечатляющих обобщений. Мы уже познакомились с некоторыми из таких систем. Впрочем, более подробное их описание может оказаться куда труднее не только из-за присущей им сложности, не только из-за того, что многие виды бактерий часто путают друг с другом. Нет, дело тут главным образом в названиях. Вот где настоящая путаница. Мне, как вы понимаете, в дальнейшем неизбежно придется использовать и другие названия, кроме E. coli. Так что позвольте вкратце объяснить, почему такая номенклатура – дурная реклама для науки.

Сегодня нам известно, что вид для бактерий – несколько иная номенклатурная единица по сравнению с другими организмами, у которых термин «вид» означает некую отдельную совокупность похожих существ. (Честно говоря, определение вида для других организмов тоже не очень-то прямолинейно, но сейчас не об этом речь.) Тем не менее система номенклатуры бактерий следует общепринятым в биологии правилам. Иными словами, каждый вид получает название из двух слов, как и предложил Линней еще в XVIII столетии. Первое слово пишется с большой буквы и обозначает род (набор родственных видов). Второе слово более… э-э… специфично.

Линнеева система классификации создавалась для растений. Многие из них тогда уже обладали общепринятыми названиями, которые в той или иной форме перекочевали в новую систему. Микроорганизмы тоже постепенно получали имена, по мере того как все новые обитатели микромира идентифицировались в течение столетия, прошедшего после самого первого включения микробов в Линнееву систему («инфузории», 1758 год). Бактерии, существа, которых явно никто не наблюдал прежде, именовались довольно-таки произвольно, как кому взбредет в голову: латинским словом, описывающим их форму, видимую под микроскопом, или ссылкой на то, где их впервые обнаружили, или именем их первооткрывателя, или чем-нибудь более причудливым.

В некоторых таких названиях все-таки содержатся крупицы полезной информации. Скажем, bacillus – палочкообразное существо, coccus – сферическое, vibrio – напоминающее запятую. Так что холерный вибрион Vibrio cholerae – это организм, имеющий форму запятой и как-то связанный с холерой. Большое спасибо за такие невероятно подробные сведения.

Лишь немногие описательные названия приносят еще кое-какие данные. Виды, образующие цепочку сфер наподобие ожерелья, именуются Streptococci, но если они соединяются в своего рода виноградную гроздь, это уже Staphylococci; обе разновидности широко распространены, большинство из вас наверняка о них слышали.

Но это лишь начало. Названий видов, конечно, неизмеримо больше. Есть и названия для более высоких классификационных уровней. Например, филум – набор родов. К примеру, филум Firmicutes (имеющих относительно твердую (firm) кутикулу[20] или клеточную стенку) включает такие роды, как Lactobacillus, Clostridium, Eubacterium и Ruminococcus, в каждом из которых имеется свой набор видов. При этом у каждого вида может иметься множество подвидов, или штаммов. На этом этапе наступает своего рода таксономическая усталость, и новоописанной разновидности обычно просто присваивают порядковый номер.

Разнообразие известных нам бактерий неуклонно растет. А значит, соответствующих названий требуется много. И я намерен использовать их здесь, чтобы интересующиеся могли потом почитать о них подробнее. Впрочем, обычно вполне достаточно представлять себе этих существ как бактерии X, Y или Z. Их названия зачастую почти ничего вам не скажут. Важно то, что делают эти бактерии и какие у них гены. К тому же, откровенно говоря, иногда микроорганизмы носят совершенно идиотские названия. Вряд ли мы наградим похвальными баллами того, кто решил дать одному из родов филума Bacterioidetes название Bacterioides (за этим наверняка стоит какая-то своя история, но мне на нее, признаться, наплевать). Стоило бы снять баллы с того, кто назвал род, чьей метаболической виртуозности нам еще предстоит подивиться в главе 5. Род этот именуется так: Bacteroides thetaiotaomicron. Звучит красиво, если вы не знаете, что Тета-Йота-Омикрон – название одного из студенческих братств американского Виргинского политехнического института.

Специалистов учат ориентироваться в этой трясине исторических палимпсестов и мелких тщеславий. Всем остальным приходится справляться с таксономической неразберихой по мере своих скромных сил. Но в наши дни, как правило, незачем сопоставлять названия: у нас имеются куда более точные методы выяснения того, насколько тесны родственные связи между теми или иными бактериями, где они обитают и за счет чего живут. Быстрое появление целого ряда новых методов позволило нам в полной мере оценить богатство собственного микробного груза. Давайте же обратимся к имеющимся в нашем распоряжении инструментам, которые позволяют ученым исследовать микробиом, а потом уж подробнее поговорим о том, какие открытия сделаны с их помощью.

Глава 3. Невидимые жизни

Микроскопы показали, что бактерии существуют. Но простое разглядывание этих существ дает лишь ограниченную информацию. Совершенно различные бактерии зачастую кажутся с виду очень похожими. Чтобы понять, с какими разновидностями бактерий мы имеем дело, как они живут и что способны делать, требуются новые способы разглядывания. Нужно заглянуть внутрь клеток или по крайней мере изучить материал, извлеченный из них. Наука, развиваясь бок о бок с технологией, учится по-новому видеть изучаемые объекты[21]. За последние два десятка лет ученые многое узнали о нашем микробиоме.

До этого в микробиологии человека существовала одна досадная проблема. Ученые знали, что в нас обитает множество микробов, особенно в кишечнике. Однако большинство из них сопротивлялось попыткам перенести их в лабораторию. Их убивало присутствие кислорода, либо им требовалось для выживания какое-то таинственное вещество, которое никак не удавалось выявить.

Проблему, можно сказать, обнаружили и проигнорировали – как в науках о человеке, так и в микробиологии как таковой. В середине 1980-х на нее вновь обратили внимание. Джеймс Стейли из Вашингтонского университета назвал ее «великой аномалией подсчета микробов в чашке Петри»[22]. Вместе с коллегой он напомнил научной общественности, что количество бактерий, видимое под микроскопом, к примеру, в свежеотобранном образце почвы, тысячекратно превышает количество бактерий из того же образца, которое удается заставить расти на чашке Петри. Дав обзор других методов оценки микробного разнообразия, появившихся в начале 1930-х годов, Стейли и его соавтор призвали специалистов как можно внимательнее относиться к описанию всего набора изучаемых разновидностей микробов. Однако их обзор, ориентированный на микробиологов, касался в основном лишь водных и почвенных экосистем. Специалистам же по медицинской микробиологии приходилось иметь дело с другими (весьма многочисленными) научными работами, касающимися относительно небольшого набора патогенов. При таком различии в подходах науке удивительно ловко удавалось проявлять избирательное отношение к предметам исследования, при котором известные расхождения или аномалии остаются неизученными.

Теперь дело обстоит иначе. В наши дни все сходятся во мнении, что человеческий микробиом – штука сложная и важная. И нам уже мало изучения лишь тех видов, которые легко вырастить в культуре. Придумываются все новые способы изучения более капризных микробов. Такие методы как раз и позволили Дэвиду Релману добавить множество новых видов в каталог бактерий, найденных во рту при первом, сравнительно простом, анализе.

Видеть невидимое

Исследователи микробиома имеют дело не с самыми мелкими объектами. Это прерогатива физиков – изучение частиц и взаимодействий, совершенно недоступных нашим органам чувств и потому вызывающих понятную озадаченность. Но и микробиомная наука по сути делает видимыми те вещи, о которых мы никогда бы иначе не узнали. И каждый раз, когда ученые видят нечто новое, рождается целый ряд гипотез насчет того, что же найдено и что оно делает. Эти гипотезы в свою очередь требуют новых видов экспериментов. Начиная с рубежа веков, над этим успели потрудиться многие изобретательные умы. Вот вам краткий рассказ об инструментарии исследователей микробиома и о том, чего удалось достичь при помощи этих инструментов.

Новый мир первым делом следует нанести на карту. Эти работы активно ведутся. Микробиология сейчас переживает ту же стадию, что и науки о живом в период, когда писком моды считалась естественная история (естествознание). В течение нескольких веков биология сводилась к присваиванию организмам названий, классификации животных, записыванию их повадок и особенностей поведения.

На этом уровне биологи добыли массу данных. Современные технологии отлично умеют хранить и обрабатывать информацию. Ключевая технология здесь – ДНК-секвенирование, позволяющее узнать порядок следования нуклеотидных оснований («химических букв») в каждой нити ДНК; они-то и кодируют хранящуюся в ней генетическую информацию. Скорость развития этого метода превосходит скорость развития любых других технологий в истории. Часто отмечают, что рост производительности компьютеров за последние полвека (обычно выражаемое как количество процессоров в одной микросхеме) следует так называемому закону Мура. Гордон Мур, один из основателей компании Intel, в 1965 году предположил, что число транзисторов в интегральной микросхеме удваивается каждые 2 года и в дальнейшем растет теми же темпами. Пока его «закон» соблюдается. Результат – резкое увеличение вычислительной мощи компьютеров и резкое падение их стоимости.

Но секвенсоры ДНК развиваются куда стремительнее компьютерных чипов. Разработчики проекта «Геном человека» рассчитывали, что процесс секвенирования ДНК будет непрерывно ускорятся, однако действительность превзошла самые смелые ожидания.

На то, чтобы полностью (более или менее точно) расшифровать человеческий геном с его 3 миллиардами пар нуклеотидных оснований ушло 13 лет, и на всю эту гигантскую работу затратили почти 4 миллиарда долларов. Сегодня производители обычных ДНК-секвенсоров предлагают устройства, проделывающие ту же работу за один день и всего за тысячу долларов.

Основное продвижение на этом пути приходится на сравнительно недавнее время. В американском Национальном институте исследований человеческого генома построили логарифмический график, отражающий зависимость стоимости ДНК-секвенирования от времени, и сравнили его с аналогичным графиком для закона Мура. Уменьшающаяся стоимость процессора отражается на таком графике прямой линией с небольшим отклонением от горизонтали. Стоимость же ДНК-анализа начинает падать быстрее, чем муровская стоимость, уже в 2007 году, а затем ее скорость падения все больше растет (это продолжается до сих пор). Исходная расшифровка мегабазы (1 миллиона оснований) ДНК-последовательности стоила чуть меньше 10 тысяч долларов в 2001 году, нырнула под тысячедолларовую планку в 2004 году, а в 2014 году обходится… всего в полцента.

Быстрое, дешевое, надежное секвенирование – технология, коренным образом меняющая положение в науке. Количество архивируемой информации, которую получают из цепочек ДНК, растет с невообразимой скоростью. Хороший современный секвенсор, продающийся уже полностью подготовленным для работы в лаборатории, при идеальных условиях способен выявлять до 100 миллиардов пар нуклеотидных оснований в сутки. По оценкам специалистов, за 2013 год лабораториям всего мира удалось расшифровать 15 петабаз, то есть тысячу миллионов миллионов букв ДНК[23].

Что ж, ДНК-секвенирование стало весьма доступным методом. И все равно в каждом конкретном исследовании встречаются трудности, вынуждающие ученых идти на те или иные компромиссы.

Секвенирование отдельного генома в наши дни – рутинная работа, успех которой зависит главным образом от тщательности подготовки образцов, которые закладываются в секвенсор. ДНК должна быть чистой, то есть происходить от одного организма.

Если речь идет о ваших собственных клетках, особых проблем не возникает, достаточно поскрести пальцем внутри щеки. В проекте «Геном человека» у добровольцев брали пробы крови. Человеческая ДНК обладает сравнительно крупными размерами, поэтому ее после извлечения расщепляли с помощью ферментов на более «удобоваримые» куски (примерно по сотне тысяч нуклеотидных пар в каждом), а затем их «клонировали» – воспроизводили при помощи послушных лабораторных бактерий, которые, благодаря своему быстрому росту, давали большое количество искусственной бактериальной хромосомы (ИБХ) ДНК. Затем эти ИБХ извлекались из бактерий для секвенирования.

Геномы бактерий меньше, но их труднее получить в чистом виде. С теми бактериями, которые удается выращивать в виде культуры, можно разобраться достаточно легко. Прочие же так и остаются в виде непонятной смеси, содержащей неизвестно сколько различных организмов, каждый из которых добавляет в общую сумму очень небольшое количество ДНК.

Эту трудность можно обойти, прибегнув к так называемому внекультурному анализу. Он объединяет в себе растущие возможности ДНК-секвенирования с ширящимся знанием биологии бактериальной жизни. Возьмите пробу микрожизни откуда угодно: это может быть ведро морской воды, пригоршня почвы или (как раз для наших целей) кучка человеческих экскрементов. Там вы, помимо всего прочего, обнаружите массу бактерий, вирусов и (возможно) других, более крупных организмов. Не трудитесь отделять их друг от друга. Просто извлеките все ДНК, расщепите их на удобные для анализа куски и затем проведите общее секвенирование.

Появление геномики, действующей в промышленных масштабах, предоставляет ученым доступ к постоянно расширяющейся базе данных ДНК-последовательностей. А поскольку вся эта информация хранится в электронной форме (а не только в самой ДНК), компьютеры могут легко анализировать ее, сравнивая новые образцы ДНК с теми, что уже имеются в хранилище данных. Порой они находят ряд тех же букв, следующих в том же порядке; иными словами, выявляется полное совпадение данных. Иногда это часть гена, чья функция нам уже известна (зачастую она состоит в том, чтобы руководить синтезом определенного белка). Иногда этот фрагмент чуть отличается от какого-то существующего гена. Иногда он похож на ген, но содержит неизвестный компонент. Так, фрагменты ДНК, отвечающие за кодирование белков, заключают в себе особые сигналы, показывающие, где клеточная аппаратура для чтения ДНК должна прекращать работу, а где должна снова ее начинать. При тщательно продуманной интерпретации такое секвенирование «всего, что попало в ведро» способно многое поведать о населении ведра.

Впрочем, пока все равно не так-то просто осмыслить, что же присутствует в ключевых областях человеческого микробиома. Толстая кишка человека – вероятно, самая богатая и разнообразная экосистема на планете. Выделите из нее все гены, и вы обнаружите множество таких, которых никто никогда раньше не видел. Однако подобное массовое секвенирование отделяет ген от организма, которому он принадлежит; поэтому нельзя сказать, какие разновидности бактерий (или других существ) присутствуют в данном месте.

Биологи подчас пренебрегают этими подробностями, чтобы хотя бы понять, сколько различных видов имеется в образце. Для этого они сосредотачивают внимание лишь на одном определенном гене каждой бактерии. Подход действенный: у разных бактерий этот ген почти один и тот же, если не считать небольших его участков, где наблюдаются существенные отличия. Этот ген отвечает за формирование участка РНК, молекулярной кузины ДНК, а РНК входит в состав незаменимой наномашины – рибосомы, получающей генетическое послание от участка ДНК и на основе этой инструкции собирающей аминокислоты в белковую молекулу.

Один из таких генов отвечает за 16S рРНК (рибосомную РНК, названную так по скорости седиментации – скорости, с которой она движется, если поместить суспензию с ней в центрифугу. Стандартная лабораторная методика разделения крупных фрагментов клеток).

16S рРНК приносит исследователям неоценимую пользу. Она имеется лишь у бактерий, поскольку эукариотические рибосомы устроены иначе. В клетке она присутствует в больших количествах, а значит, ее можно сравнительно легко оттуда извлекать. А 1500 нуклеотидных оснований[24], из которых она состоит, можно было секвенировать уже несколько лет назад.

Как анализировать гены – по одному, все одновременно или же вид за видом?

Последовательность 16S рРНК занимает важное место в новейшей истории биологии: этот фрагмент стал стандартным инструментом первой стадии анализа микробиома. Собственно, первые работы с 16S рРНК начались еще до того, как можно было секвенировать всю последовательность. Карл Вёзе, умерший в 2012 году, давно использовал ее для того, чтобы заново нарисовать всю карту жизни. Еще в 1970-е годы он начал сравнивать последовательности коротких фрагментов РНК – олигонуклеотидов – у различных бактерий. Выстраивая взаимосвязи между микроорганизмами и «генеалогическими деревьями» этих последовательностей, в конечном счете удалось кардинальным образом пересмотреть всю структуру жизни на Земле. Вёзе обнаружил существование третьего домена (надцарства) живых организмов (входящие в него существа теперь именуются археями), довольно сильно отличающегося от двух доменов, которые уже были известны, – бактерий и эукариот (существ более крупных, имеющих клеточное ядро). Археи, как и бактерии, являются прокариотами. Раньше ученые полагали, что все прокариоты – сравнительно близкие родственники. Но археи заметно отличаются от бактерий. Поначалу их считали существами экзотическими, обитающими лишь в самых необычных местах, но теперь-то нам известно, что археи есть повсюду, в том числе в нашем микробиоме.

Добавление нового подразделения в совокупность всех живых организмов заставило переписать учебники и утвердило секвенирование 16S рРНК в качестве одного из ключевых методов микробиологического анализа. Однако первые работы Вёзе основывались на секвенировании фрагментов РНК, полученных из чистых культур. Более современный 16S-анализ идет еще дальше, позволяя исследователям отбирать ДНК-последовательности, создающие 16S рРНК, из невероятной мешанины живых организмов.

Основная идея остается той же, однако на практике осуществить ее непросто. Работа состоит из нескольких стадий: клетки образца «вскрывают», из них извлекают ДНК, затем обнаруживают все 16S-гены при помощи ДНК-праймеров, распознающих участки в начале или в конце гена, совершенно одинаковые для всех видов. Затем ДНК-фрагменты, помеченные этими праймерами, проходят циклическую обработку. Метод, изобретенный в 1980-х и названный полимеразной цепной реакцией (ПЦР), позволяет быстро и многократно копировать небольшие количества ДНК. И наконец – собственно секвенирование.

Финальная стадия – сравнение изменчивых участков генетических последовательностей 16S с уже известными нам участками (можно сравнивать как один участок, так и несколько) – сегодня отдана компьютерным программам, имеющим базы данных ДНК, где содержатся десятки тысяч таких последовательностей. То, над чем некогда мучились бесчисленные аспиранты, теперь автоматизировано (как и большинство рутинных процедур современной молекулярной генетики). Можно прикрепить небольшие отрезки многих таких последовательностей к «биочипу» – ДНК-аналогу микросхемы – и проводить сравнение непосредственно в образце. То, что некогда требовало отдельной лаборатории и усилий высококвалифицированных специалистов, теперь проделывает машина, хотя исследователям все равно требуется знать конкретные детали тех стадий, что приводят к получению результатов. Кроме того, следует знать много тонкостей: как обрабатывать пробу, как извлекать ДНК, какие именно участки последовательностей сравнивать. Ген 16S содержит в себе 9 из важнейших гипервариабельных участков ДНК; их многочисленные различия неоднородно распределены среди бактериальных видов. Поэтому от того, какие участки вы изучаете, многое зависит. Современные методы ДНК-анализа, особенно способность «размножать» сверхмалые количества ДНК, снова и снова копируя эту молекулу, имеют оборотную сторону. Эти методы чувствительны к загрязняющим компонентам, заносимым в ходе анализа, не меньше, чем к компонентам пробы, присутствовавшим в ней изначально. Это большая помеха на пути развития микробиомных исследований. Так, тщательная проверка, выполненная в 2014 году, показала, что стандартные наборы для выделения ДНК, которыми пользуются сегодня многие специалисты, зачастую не являются стерильными (вопреки рекламе). Если исходный образец взят из области с низкой плотностью микробного населения, результаты могут легко искажаться из-за микробов, невольно вносимых исследователями в процессе работы[25].

Как пишет в связи с этим журнал Nature, такая подверженность риску загрязнения «лишь усиливает озабоченность научного сообщества тем, что технология секвенирования развивается столь быстро, что в некоторых случаях она даже обгоняет возможности ученых пользоваться ею»[26]. Однако хотя получаемые данные всегда несколько расплывчаты и неопределенны, 16S-анализ всё же сообщает нам об образце «диких» (не выращенных в культуре) бактерий то, что прежде не удавалось узнать из исследования мешанины всевозможных ДНК. И хотя этот метод используется сейчас весьма широко, он – лишь первый уровень анализа. Чтобы получить более ясную картину того, что содержится в образце, не ограничиваясь грубой оценкой структуры микробной популяции, следует глубже проникнуть в ДНК.

Теперь возможно и это. В таких случаях опять же исследуются фрагменты ДНК, выделенные из «цельного» (неразделенного) образца. При таком подходе систему настраивают на секвенирование всех кусочков ДНК, какие только удастся найти. Изначально это секвенирование (так называемый «метод дробовика») применялось к отдельному виду: ученые пытались собрать воедино геномную последовательность из всех попадающихся фрагментов (какие-то повторялись, какие-то встречались лишь один раз).

Теперь же технологии настолько развиты, что мы можем позволить себе грубый силовой подход. Неважно, сколько видов в нашем образце. Просто расщепите ДНК, секвенируйте все фрагменты и посмотрите, какой смысл можно выявить в получившейся гигантской библиотеке всевозможных перепутанных последовательностей.

Всем этим как раз и занимается метагеномика. Она дает информацию обо всем генетическом составе сообщества организмов, даже если вы не знаете, какие организмы в него входят. Опять-таки пределы точности такого анализа часто определяются тем, насколько биологи, химики и компьютерщики, работая вместе, способны отделить сигнал от шума. По сути они разбираются с тысячами пазлов, которые сваливают в одну коробку и затем хорошенько встряхивают, причем никто толком не знает, на что похожи исходные картинки.

Впрочем, метагеномика предоставляет весьма перспективный метод работы с образцами, которые раньше считались бесполезными для анализа. Чем больше полных геномных последовательностей будет расшифровано и внесено в непрерывно растущие базы данных, тем эффективнее будет этот метод. Если тот или иной микробиом кажется нам заслуживающим внимания, теперь мы можем узнать, что в нем содержится, во всех подробностях. Хватило бы бюджета!

От наблюдений к экспериментам

Далее наступает этап, который технология облегчает мало. Нам предстоит выяснить, что все это значит. Вероятно, тут уместна аналогия с переходом от естественной истории к более глубокому научному пониманию того, что же мы так долго описывали и классифицировали. Здесь требуется объединить теорию с новыми экспериментами, иначе метагеномика рискует подпасть под шуточное определение Сиднея Бреннера, одного из отцов-основателей современной молекулярной генетики, и стать «биологией с непонятными данными на входе, высокими расходами и нулевым выходом».

Как же избежать столь безрадостного итога? Биологией можно заниматься самыми разными способами, но в данном случае разумно выделить три главных подхода. Один из них сводится к тому, чтобы выяснить, как проводить контролируемые эксперименты над микробиомом. Понятно, что опыты на людях ставить непросто, даже если эти опыты вполне отвечают этическим требованиям[27]. Значит, следует обратиться к микробиомам других видов. Микробиомы есть у всех, так что для сравнения можно использовать самые разные существа. Список соответствующих микробиомов, которые уже проанализированы, неуклонно растет.

Более четкое сравнение можно провести, используя подопытных животных, которые начинают свою жизнь без всякого микробиома, – снабдить их микробиомом, специально сконструированным для того, чтобы получить ответ на конкретный вопрос, интересующий экспериментатора. Основная модельная система здесь – безмикробные мыши. Впервые их вырастили в лаборатории еще полвека назад[28]. С помощью кесарева сечения им помогают появиться на свет, а затем растят в стерильных условиях. Всю работу исследователи должны выполнять при помощи герметических рукавов с перчатками на концах. Это занятие, дорогостоящее и трудоемкое, почти вышло из употребления с зарождением новой волны микробиомных исследований. Саркис Мазманян из Калифорнийского технологического института, лауреат премии «Гений» фонда Мак-Артура (с этим гением мы еще встретимся в главе 7), рассказывает, что в 2002 году, начав исследовать влияние микробов на кишечник, он обнаружил, что в пределах досягаемости нет никого, кто знал бы, как выращивать безмикробных мышей. «Мне пришлось убедить одного лаборанта, ушедшего на пенсию, помочь мне устроить стерильные боксы и научить меня «санитарной инженерии». Вместо устройств из стали и стекла, которые он использовал в свое время (50 лет назад), мы сумели раздобыть чудесные модернизированные боксы с пластиковыми пузырями, содержащими по 4 клетки с мышами. После того как я несколько раз случайно занес в эти боксы грязь, я понял, почему исследователи так редко обращаются к безмикробным подопытным животным»[29].

Спустя десяток лет удалось наладить поточное выращивание безмикробных мышей во многих лабораториях. Мыши с давних пор служат моделями для генетических и биохимических исследований; есть фирмы, поставляющие для лабораторных исследований стандартизированные их породы («линии»). Теперь для лабораторных нужд привлекаются и другие безмикробные существа, в том числе крысы и (последнее приобретение науки) рыба данио-рерио. Эти рыбки замечательны тем, что эмбрионы у них прозрачные, поэтому за их развитием наблюдать гораздо легче.

Впрочем, все эти модели – своего рода компромиссы. В чем-то люди походят на мышей и даже на рыб, но в чем-то, как нетрудно заметить, от них отличаются. Любые результаты, полученные при изучении этих существ, в лучшем случае лишь указывают на то, что может происходить у людей. Возможна ли какая-то более удачная модель, отражающая наши, человечьи, особенности? Во многих отношениях подходит свинья. Она ближе к человеку, чем мышь, по размерам, по характеристикам пищеварительной системы, по общему метаболизму и даже по микробиому. Но давайте признаемся себе: свинья никогда не будет подопытным животным в большом количестве лабораторий. Колин Хилл из университетского колледжа Корка – один из исследователей, предпринимавших попытки задействовать свинью в качестве экспериментального объекта. На конференции 2014 года он предупредил: «Взрослая свинья с диареей – весьма неприятный объект для всех участников эксперимента»[30].

Живые животные, как и их микробиомы, – сложные объекты. Нелегко увидеть, что происходит внутри этих существ. Вот почему был разработан целый ряд способов экспериментально воспроизвести какое-то подобие части животного или же подобие микробиома. Например, клетки кишечника можно выращивать в культуре, побуждая их образовывать нечто напоминающее внутреннюю оболочку кишечника. Можно попытаться воссоздать микробную экосистему в лабораторном сосуде (или в серии сосудов). Затем можно брать пробы меняющегося населения таких биореакторов, измерять его характеристики, анализировать состав питательной жидкости и выделяемой бактериями смеси. И все это для того, чтобы получить хоть какое-то представление о функционировании системы.

Такой подход годится, если ваша цель – подобрать оптимальную смесь микробов, которая может заново заселить кишечник пациента, чей микробиом резко перешел в нежелательное состояние из-за какого-то неприятного расстройства вроде болезни Крона. Однако такой метод не удовлетворит тех, кто хочет спуститься на молекулярный уровень. Биологические процессы идут в клетках, но управляют этими процессами молекулы, большие и маленькие.

Насколько глубоко вы хотите проникнуть в эти молекулярные детали, зависит от того, какого рода объяснение вы ищете. Эксперименты разрабатывают для проверки гипотез, а те в свою очередь возникают на основе идей – важнейшего компонента всех наших хитроумных микробиомных исследований. Изучение суперорганизма вбирает идеи из всех областей биологии.

Некоторые идеи пришли из теорий о развитии жизни. По выражению великого теоретика Феодосия Добжанского, «биология приобретает смысл только в свете эволюции». Дарвиновский естественный отбор в его современном виде остается биологической «теорией всего». Но он годится скорее для объяснения того, почему биологические объекты так себя ведут, чем для объяснения того, как они действуют.

Ответ на последний вопрос зависит от того, что вы хотите понять и на каком уровне. Многое в биологических системах – человеческих и микробных – зависит от структуры молекул. Но тут же возникает проблема: молекул-то очень много. В принципе я согласен с одним ученым, который на обеде в перерыве конференции, посвященной микробиомам, заметил: «Конечно, мы толком не поймем, что творится хоть с какими-то из этих штук, пока не найдем этому молекулярное объяснение». Впрочем, на практике такой подход не всегда кажется полезным и плодотворным. Зачастую он сводится к бесконечным утверждениям по схеме «А взаимодействует с B, тем самым влияя на C, что провоцирует отклик со стороны D… и в итоге получается X». Впечатляет, когда вы можете распутать всю цепочку, но такой результат всё же представляет собой не столько объяснение, сколько описание. Однако если такое умозаключение показывает, что мы могли бы избежать вредного результата X путем воздействия на A, B, C или D, оно может послужить отправной точкой для дальнейших изысканий.

Мне совершенно не хочется вспоминать тысячи подобных формулировок; к тому же во многих действительно интересных случаях уйдет масса времени на то, чтобы составить такую цепочку. А значит, нам понадобятся идеи более высокого уровня, чтобы осмыслить причинно-следственные связи, возникающие при нашем взаимодействии с собственными микробиомами. Поэтому давайте обратимся хотя бы к некоторым результатам из мощного потока данных, получаемых с помощью новых методик.

Глава 4. Повсюду микробы

Общая площадь кожи среднего человека – около 2 квадратных метров. Разместите там типичную бактерию, и у нее будет столько же пространства, сколько у одного-единственного человека, живущего на участке, сравнимом по размеру с суммарной территорией всех пятидесяти штатов США[31]. Если применить более привычную нам шкалу, то можно дать такую оценку: потребуется миллион бактерий, чтобы полностью покрыть булавочную головку.

Такая разница в масштабах делает многие исследования нашей микробиоты весьма приблизительными. Если представить себе, что наша кожа действительно кажется бактериям чем-то вроде континента, то можно, развивая этот образ, сказать, что мы хотим узнать не только общую численность микробного населения, но и его географическое распределение. Как мы увидим, площадь внутренних поверхностей тела гораздо больше площади кожи, так что проблема изучения этих областей еще сложнее.

Нынешние ученые могут отбирать пробы отовсюду, куда их допускают испытуемые. Рекордным, вероятно, является одно исследование, в ходе которого удалось проанализировать 400 различных участков кожи одной героически терпеливой четы и сделать довольно представительную перепись микробного населения. Новые научные результаты влекут за собой новые вопросы, так что за каждым очередным изысканием следует новый отбор проб, новый анализ, новые выясненные подробности. Но для того чтобы оценить масштаб суперорганизма, следует первым делом поискать ответ на основополагающий вопрос: «Кто здесь?»

Основополагающий ответ: «Здесь не все». Простое, но важное открытие. Да, ученые недавно узнали об ошеломляющем количестве и разнообразии микробных видов, обитающих в теле и на его поверхности. Однако это разнообразие ограничено. Уместно вспомнить знаменитую микробиологическую максиму, сформулированную голландцем Баасом Бекингом: «Всё есть повсюду, но среда производит свой отбор». В каждую бактерию заложен потенциал вездесущести, однако места, где эти микроорганизмы реально обитают, зависят от конкретных условий среды обитания, в том числе и от присутствия других бактерий.

Допустим, мы объединим данные всех исследований человеческого микробиома, какие когда-либо проводились, и составим общий список обнаруженных в нем бактерий. По оценкам специалистов, на Земле насчитывается от 50 до 100 филумов бактерий (напомним: филум – одна из самых крупных таксономических категорий, она содержит большое количество видов). Иными словами, мы даже толком не знаем, сколько бактериальных филумов существует на свете. Однако нам точно известно, что лишь представители небольшого их числа входят в человеческий микробиом. В нем могут иногда встречаться очень маленькие колонии представителей других филумов, но в целом, похоже, человек сосуществует не более чем с дюжиной бактериальных филумов. И лишь полдюжины из них – доминирующие: их представители составляют 99,9 % общего числа наших бактерий-компаньонов.

Мы знаем, что бактерии стремительно размножаются и потому способны быстро заполнить любую экологическую нишу, какая только им позволит в ней расти. Так что отсутствие у нас представителей большинства филумов показывает, что бактерии грузятся на славный корабль «Homo sapiens» отнюдь не посредством каких-то случайных процессов. Они проходят отбор и контроль. Что ж, этого следовало ожидать от системы, где миллионы лет идет совместная эволюция.

Еще одна находка общего порядка укрепляет нас в этой мысли. Дело в том, что не все микробы обнаруживаются на каждом участке тела. Мы предоставляем бактериям весьма различные среды обитания, и поэтому бактериальное население в них тоже весьма различно. Чтобы получить всестороннее представление о суперорганизме, нужно более пристально вглядеться в эти участки. Но прежде не помешает обратиться к карте человеческого микробиома и к одному международному проекту, организованному в США и как раз направленному на ее создание.

Широкий взгляд

Проект получил название «Микробиом человека», явно намекающее ученым (и спонсорам), что это естественный наследник проекта «Геном человека», ознаменовавшегося громким успехом. Новый проект запустила сеть американских Национальных институтов здравоохранения в конце 2007 года. Предполагалось провести обследование биоматериала, взятого у выборки здоровых добровольцев. Содружество лабораторий изучало биологические пробы, взятые у 242 взрослых, с 15 различных участков тела у мужчин и 18 – у женщин. (Большинство этих мужчин и женщин жили в двух американских городах – Хьюстоне и Сент-Луисе.) Общее количество процедур анализа превысило 11 тысяч, поскольку каждого донора просили в течение 2 лет дважды предоставить соответствующий биоматериал. Примерно из половины образцов выделили базовые последовательности 16S рРНК, которые позволяют идентифицировать типы микробов, но не определяют, какие именно штаммы присутствуют в пробе или каков их конкретный генетический состав. Сравнительно небольшой набор из 681 пробы секвенировали после фрагментирования ДНК на небольшие кусочки; так удалось получить общее представление о том, какие белки способны производить эти микробы. Наконец, для 800 бактериальных штаммов, выделенных из проб этих 242 участников эксперимента, провели полное секвенирование геномов. Всё это обошлось куда дешевле проекта «Геном человека», однако общие затраты составили немалую сумму – 170 миллионов долларов.

Благодаря новейшим технологическим достижениям эта сумма позволила получить больше данных, чем когда-либо получали биологи. Сообщество лабораторий, участвовавших в проекте, собрало в общей сложности 18 терабайт информации – примерно в 5000 раз больше, чем проект «Геном человека». В середине 2012 года первый масштабный анализ этих данных с подобающим триумфальным шумом появился в самых читаемых научных журналах – Nature и Science.

Эти данные позволили подтвердить еще одно важнейшее открытие относительно человеческого микробиома – его необычайную сложность и изменчивость. Картина микробиома здорового американца, нарисованная проектом «Микробиом человека», оказалась широкой во всех смыслах. В общей сложности участники эксперимента несли в себе и на себе более 10 тысяч видов микробов, то есть в соответствующих «человеческих экосистемах» имелось примерно 8 миллионов дополнительных генов – в 360 раз больше, чем собственных генов организма-хозяина. Само огромное количество различных микробов, бьющихся за жизненное пространство в каждом из нас, означает, что результаты вашего микробиологического обследования наверняка будут отличаться от результатов такого же обследования вашего соседа. «Все здоровые люди существенно отличаются друг от друга» – такой вывод сделало сообщество ученых, работавших в рамках проекта «Микробиом человека». Это заключение прозвучало в самом начале их программной статьи-отчета[32]. Как объяснял Роб Найт из Колорадского университета, это означает, что если у какого-то человека есть среди других микробов один в большом количестве, всегда найдется другой человек, у которого этого микроба практически нет.

Следующее важнейшее открытие показало еще одну сторону этого разнообразия. Различные участки тела сильно отличаются друг от друга, в этом нет ничего удивительного. Однако большой неожиданностью стал тот факт, что микробиомные образцы, взятые с одного и того же участка тела разных людей, тоже очень отличаются. Сие открытие не очень-то порадовало организаторов проекта. Проект «Микробиом человека» продвигали среди спонсоров как подобие проекта «Геном человека». Стратеги от науки искренне надеялись, что он даст возможность выявить своего рода универсальный микробиом, точно так же как предыдущий проект выявил универсальную геномную последовательность человека. Такой микробиом стал бы стартовой площадкой для дальнейшей работы по изучению мелких различий между конкретными людьми. Но теперь мы видим, что никакого универсального микробиома нет, а есть лишь огромное множество микробиомов, весьма отличающихся друг от друга. Авторы одной статьи даже временно отказались от строгого языка науки, чтобы объявить: открытие того, что «нет филума, который присутствовал бы на определенном участке организма у всех людей», попросту «сбило их с ног»[33].

Разумеется, можно сгрести все эти данные вместе и вывести коллективный микробиом всех участников того или иного исследования – или всего набора исследований. Так и поступили.

Эти 20 дюжин здоровых взрослых американцев с их 10 тысячами видов микробов[34] на всех стали донорами микробов из ряда мест организма, выбранных отчасти из соображений научного интереса, отчасти же просто из соображений удобства. Девять из этих участков находились во рту или возле него: отбирались пробы слюны, двух видов зубного камня, пробы с поверхности языка, нёба, внутренней части щеки, с десен, миндалин и горла. Четыре участка находились на коже: левый и правый локтевой сгиб, а также заушные складки. При этом сравнительно недоступная нижняя часть пищеварительного тракта с ее куда более значительной микробной нагрузкой была представлена лишь своими выделениями – фекалиями. Микробы из перечисленных мест отбирали у всех участников проекта. Женщины давали еще три вида образцов – из наружного отверстия, из срединной и задней области влагалища.

Полученные результаты подтвердили, что основную часть бактериального населения наших микробиомов составляют представители всего четырех филумов: Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria и Proteobacteria. Первые два преобладают в кишечнике среднего здорового человека, особенно в толстой кишке, хотя Firmicutes можно обнаружить практически во всех остальных местах. Actinobacteria и Proteobacteria в изобилии встречаются во рту; имеются они и на коже.

Пока не очень-то информативно. Каждый из этих филумов содержит в себе большой набор видов. К примеру, Firmicutes (по-английски название звучит трогательно: firm and cute – «очаровательно твердые») – это просто бактерии с относительно твердой внешней оболочкой. Эту черту использовали, чтобы отличить их от хлюпиков Mollicutes (molli в переводе с латыни означает «мягкий»), к которым у меня личный интерес (об этом в главе 5) и у которых практически нет клеточной стенки.

Поэтому не так-то легко оценить значимость результатов, получаемых на первой стадии микробиомных исследований. Гарвардский эпидемиолог Уильям Хейнидж говорит: попробуйте-ка интерпретировать изменение в микробиоме кишечника, когда вам известно лишь, как изменилось соотношение содержания двух бактериальных филумов; по степени информированности вы окажетесь в положении человека, уверенного, что вольер, где живут 100 птиц и 25 улиток, идентичен аквариуму, где обитают 8 рыб и 2 кальмара, ведь оба вместилища содержат вчетверо больше позвоночных, чем моллюсков[35].

Но как только вы спуститесь от уровня филумов пониже, микробное разнообразие может показаться несколько озадачивающим. В рамках проекта «Микробиом человека» удалось обнаружить 1000 видов микробов лишь во рту, 440 – на локтевых сгибах, 1250 – за ушами. Влагалище, как выяснилось, обладает наименее многообразным микробным населением из всех обследованных зон тела: зачастую в нем обитает лишь несколько видов из рода Lactobacillus.

Во всех же прочих местах мы неизменно сталкиваемся с длинным (часто весьма длинным) списком видов, различным даже для довольно небольших участков организма. Так, в каждой из обследованных зон рта имеется микробное население особого состава. На сухих, влажных и маслянистых участках кожи (вы сами знаете, где они у вас располагаются) живет различная микробная флора. Особое микробное население у таких маленьких образований, как волосяные фолликулы или потовые железы. В кишечнике – самом крупном вместилище микробов – имеется множество различных экологических ниш для микробов, но в рамках проекта не планировалось подробно исследовать еще и эту область. Как предостерегал один ученый, полагаться лишь на образцы фекалий для того, чтобы разобраться в кишечной микробиоте, – все равно что пытаться представить себе окраску «феррари», нюхая выхлопные газы.

Столько видов! Их можно перечислить все, но это было бы бессмысленно. Скорее всего в списке нам окажутся хорошо знакомыми лишь немногие названия. На самом-то деле мы больше всего хотим узнать, что все эти микробы делают и каковы особенности их деятельности в разных местах организма, у разных людей, при заболеваниях и в здоровом состоянии. Для этого следует внимательнее вглядеться в наши многообразные микробные ниши, а затем – на перекрывающиеся друг с другом карты, отражающие результаты другого рода исследований. Давайте рассмотрим все наши основные экосистемы по очереди, кратко перечисляя главные их свойства. Самая сложная из них, кишечник, заслуживает отдельной главы (ее номер – 5). Здесь же я обращусь к целому ряду других мест, которые не столь сложны с точки зрения микробной жизни, однако и не обязательно просты. Начнем с той части нашего организма, которую микробы (как и все прочие, кто с нами знакомится) встречают первой, – с кожи.

Чувствовать кожей

Кожа постоянно находится в контакте с бактериями. Кроме того, легко видеть, что на микроуровне она представляет собой весьма разнообразный ландшафт. Вечно влажная среда между пальцами ног, благоприятная для роста грибков, заметно отличается от участков на кончиках пальцев рук, под мышками, в паху или от обширных областей спины.

Некоторые микробы, пасущиеся у нас на коже (отмершие клетки постоянно отшелушиваются от ее внешнего слоя, снабжая микроорганизмы пищей), привлекают к себе внимание из-за того, что делают жизнь человека некомфортной или просто слегка вонючей. К тому же брать пробы с кожи легко. Поэтому кожную микробиоту изучают уже много лет. Как отмечает Джессика Снайдер Сакс в книге 2007 года «Микробы хорошие и плохие» (Jessica Snyder Sachs, Good Germs, Bad Germs), толстый том с вполне современным заглавием «Экология человеческой кожи» вышел еще в 1965 году.

Как и в случае с другими областями тела, это не означает, что мы всё о ней знаем. Например, Staphylococcus epidermis, бактерия, названная по ее излюбленной среде обитания (эпидермису), почти неизменно является колонизатором кожи. Она принадлежит к числу нескольких видов, которые, как долго считалось, вытесняют своих менее невинных конкурентов, в особенности бактерию Staphylococcus aureus, которая часто служит причиной кожных инфекций и еще более неприятных вещей. При этом она может преспокойно жить в носу, не причиняя его владельцу никакого вреда.

Однако эксперименты, с большой тщательностью выполненные в 2012 году на безмикробных мышах, показали, что S. epidermis еще и способствует активации иммунных реакций кожи, необходимых для защиты от патогенов. У мышей присутствие этой бактерии позволяет избежать воздействия Leishmania major, совершенно неродственной ей эукариоты, которая у людей вызывает тропическую лихорадку (лейшманиоз)[36].

Многообразие микробного населения кожи показывает, что бактерий мы избежать не можем. Мы лишь невольно влияем на то, какие микроорганизмы поселяются на нас и в нас. Работа кожи, в отличие от работы кишечника, относительно проста: не пускать внешних микробов внутрь, а внутренних – наружу. Она держит бактерии в узде при помощи двух типов потовых желез. Пот такой соленый не для того, чтобы помогать вам охлаждаться; высокое содержание соли подавляет рост бактерий. Еще один противомикробный щит создают выделения сальных желез.

Впрочем, в областях, где эти железы наиболее активны, тоже имеются микробы. Они способны переносить соленую и кислотную среду или же поедать сальные выделения. Печально известная Propionibacterium acnes считает очень благоприятным для себя низкий уровень кислорода во впадинах сальных желез и обладает целым арсеналом ферментов, позволяющих ей поедать липиды, которые она там обнаруживает. В период полового созревания гормоны заставляют эти железы усиливать секрецию и представители рода Propionibacterium, в том числе P. acnes, начинают усиленно размножаться. Частым следствием этого является acne – угревая сыпь. Впрочем, здесь есть своя компенсация: данная бактерия создает из липидов жирные кислоты, обладающие антибактериальным действием. К несчастью для прыщавых подростков, эти кислоты действуют лишь на другие виды бактерий.

Наряду с этими основными игроками кожа поддерживает существование целого ряда других микробов, а также грибков и клещей (последние – недостаточно микроскопические существа, чтобы описывать их в этой книге). Они различны у разных людей и в разное время. Возможно, кожная микробиота – самая разнообразная и изменчивая в человеческом организме. Наша интуиция готова с этим согласиться, ведь мы контактируем с окружающим миром главным образом через кожу. Каждый из нас обладает своего рода эпидермисовым зверинцем. Это подтверждают многочисленные исследования: так, специалисты показали, что можно идентифицировать человека по составу микробных популяций, которые он невольно переносит с пальцев на компьютерную клавиатуру[37].

Всеобъемлющий обзор исследований кожи, сделанный в 2013 году, описывает разнообразие кожной микробиоты у здоровых взрослых как «фантастическое»[38]. Как показано в одной работе, пробы, взятые с предплечий 6 разных людей, имели меньше 10 % общих родов бактерий. Кисти одного человека обладают разным составом микробного населения, перекрывание здесь, по данным анализа, достигает лишь 17 %. Однако мы обычно имеем больше общих кожных бактерий с нашими партнерами и домашними животными, чем с незнакомцами. Авторы упомянутого обзора полагают, что все эти результаты «бросают вызов устоявшейся идее человеческого микробиома». Возможно, добавляют они, следует рассматривать совокупный микробиом «всех обитателей нашего жилища и нашего места работы».

Как подчеркивается в другом исследовании, кожа не только поддерживает существование микробов, но и постоянно сбрасывает их с себя, притом с такой скоростью, что любая комната, где мы оказываемся, быстро получает наш «микробный автограф». Мы движемся в облаке своих микробов. В рамках проекта «Домашний микробиом», организованного в США, в 2014 году опубликованы первые результаты долговременного обследования 7 семей и их жилищ. Пробы отбирались из различных мест по всему жилищу, а также у каждого члена семьи. Удалось выявить четкую связь между человеком и его окружением. Так, в микробном отношении пол больше похож на ступни ног, чем на стены, а выключатели заимствуют микробов у наших рук. Люди – более богатый источник микробов, чем комнаты, где они живут, так что движение здесь по большей части одностороннее. Одна супружеская пара, участвовавшая в исследовании, переехала из гостиничного номера в отдельный дом. Их новое окружение вскоре стало напоминать по микробному составу номер, который они недавно покинули[39].

Еще одна яркая демонстрация микробного разнообразия выходит за пределы, которыми ограничивали себя первые исследователи микробиома, бравшие образцы лишь у обитателей процветающих стран Северного полушария. Сравнение биоматериалов у жительниц Танзании и американок, проведенное под руководством группы йельских ученых, показало существенные различия в составе микробов на кистях рук[40]. Исследовались небольшие группы: 29 танзанийских женщин, воспитывавших детей, и 15 жительниц США, на чьем попечении не находились дети (для удобства исследователи брали пробы лишь у старшекурсниц). Различия бросались в глаза. Все распространенные бактерии присутствовали у обеих групп, однако на руках американок обнаружилось гораздо больше Propionibacteria и Staphylococci, тогда как у танзаниек имелось больше бактерий, обычно присутствующих в почве. Кроме того, у обследованных жительниц Танзании оказалось вдесятеро больше особей бактерий на квадратный сантиметр, зато количество видов бактерий у них – лишь две трети от американского. Не удивительно: обследованные американки проводили почти все время в помещении традиционного западного типа, тогда как сама конструкция танзанийских жилищ позволяла африканкам постоянно непосредственно контактировать с окружающим воздухом. Полученные результаты лишний раз подтверждают идею, что на кожный микробиом оказывает сильное воздействие ежедневный контакт со средой. Кроме того, они опровергают предположения, что пребывание на открытом воздухе непременно увеличивает наше микробное разнообразие.

Хотя кожа встречается со множеством микробов самым случайным образом, она, подобно другим частям нашего тела, в ходе эволюции научилась привечать некоторые виды в качестве долговременных жильцов. Мы склонны считать, что кожу легко очищать: в конце концов, мы регулярно моем руки, нас этому научили в детстве. Что ж, это полезное занятие, но оно должно приводить к избавлению лишь от бактерий, недавно оказавшихся на коже, а не от всех бактерий вообще. Последнее (если такое возможно) сделало бы нашу кожу весьма уязвимой для колонизации менее желательными видами.

Более того, недавние интригующие исследования показывают, что некоторые бактерии проникают под эпидермис, в более глубинные слои кожи. Группа Ричарда Галло, работающая в Калифорнийском университете, искала бактерии как раз в глубоком слое кожи – дермисе – и в жировой прослойке под ним[41]. И там, и там ученые обнаружили свои бактериальные сообщества. Эта находка, способная несколько встревожить, важна в двух отношениях. Получается, что бактерии, сумевшие пробраться в глубинные слои кожи, имеют более прямой контакт с нашей иммунной системой, которая вообще поддерживает сложные взаимодействия с микробиомом (об этом мы поговорим в главе 7). Кроме того, мы видим, как увеличивается перечень участков тела, которые раньше считались стерильными и которые, как выясняется ныне, служат приютом по крайней мере для некоторых организмов, пришедших откуда-то извне. Мы заселены куда плотнее, чем считалось раньше.

Рот: множество микробиомов в одном

Полость рта, где много лет назад началось исследование микробиома человека, до сих пор служит зоной и самых простых, и самых сложных исследований. Итак, рот продолжает всех удивлять, что блестяще продемонстрировал с помощью ДНК-анализа первопроходец микробиологии Дэвид Релман.

Начнем с простого. Что может быть проще поцелуя? Однако в микроскопическом масштабе лобзание – штука довольно сложная. Исследование 2014 года, в шутку названное «Микробиом влюбленных», показывает интенсивность микробного переноса при самых разных чмоканьях – от ритуального клевка в щечку до более интимных шалостей. Группа голландца Ремко Корта опросила 21 парочку, интересуясь тем, как и насколько часто те целуются, и вовлекла целующихся в эксперимент, при котором один из партнеров пил между поцелуями пробиотический йогурт. Подтвердилось то, что вы наверняка и так предполагали: поцелуй – отличный способ передать бактерии, живущие на языке любителя йогурта, партнерше. Как сообщают ученые, при десятисекундном поцелуе передается около 10 миллионов бактерий[42].

Однако результаты поцелуев в долгосрочной перспективе куда сложнее – как в человеческих отношениях, так и в микробиологическом смысле. Состав микробов на поверхности языка действительно более схож у партнеров, чем просто у случайно выбранной пары людей, однако сходство это не так уж сильно зависит от того, насколько часто парочка целуется. Прямой перенос ведет к возникновению устойчивых популяций одних бактерий, но не других. Видимо, на процесс отбора здесь влияет целый ряд иных факторов. Поцелуи оказывают свое воздействие, но последнее слово все равно остается за экосистемой.

Ведутся и более трудоемкие исследования орального микробиома. Уместно вспомнить одну программную статью, где этому микробиому уделяется особое внимание. Она вышла в середине 2014 года, и в ней по-новому использованы результаты старых изысканий. (Открытия в биологии всё чаще совершаются именно так.) Уже изученные ДНК-последовательности хранятся в базах данных, к которым могут обратиться все желающие. Компьютерные кудесники порой ставят новые вопросы, ответы на которые можно получить из уже имеющегося массива информации.

Мурат Эрен из Лаборатории морской биологии, располагающейся в массачусетском городке Вудсхол (сегодня эта оснащенная по последнему слову техники лаборатория занимается далеко не только биологией моря), задался вопросом: может быть, повторный анализ данных, полученных в рамках проекта «Микробиом человека», только выиграет, если учесть информацию о типах бактерий, выясненную при анализе собранных образцов?[43] Для примера взяли фрагмент базы данных ДНК-последовательностей и информацию, касающуюся микробов из американских ртов. И в самом деле, работа принесла результат.

В этих ртах таится много неведомых бактерий, поскольку базовый 16S рРНК-анализ при всей невероятной полезности имеет свои ограничения. В частности, отыскивая ярко выраженные бактериальные типы путем сравнения некоторых гипервариабельных участков генов, этот метод отбирает лишь немногие участки, устанавливая своего рода порог для определения того, что следует считать отдельным видом (или операционной таксономической единицей). Последовательности, отличающиеся в этом отношении меньше чем на 3 %, считаются одинаковыми.

Такая процедура помогает избегать завышенной оценки уровня разнообразия, поскольку при секвенировании постоянно происходят небольшие ошибки. Однако в результате мы сваливаем в одну кучу некоторые микроорганизмы, различающиеся по немаловажным параметрам. Эрен заново рассмотрел старые данные, используя более действенный подход, направленный на поиск «наиболее информационно насыщенных нуклеотидных позиций» в наборе 16S рРНК. Его метод рассуждения базируется на теории информации и энтропии, созданной в 1948 году Клодом Шенноном. Мы можем рассматривать этот метод просто как применение сети с более мелкими ячейками при рыбалке в пруду, где плавают всевозможные генетические последовательности.

Ячейки оказались столь мелкими, что выделенные благодаря им новые бактериальные разновидности (теперь они именуются олиготипами, а не операционными таксономическими единицами) могут различаться в одном определенном гене всего лишь на одну пару нуклеотидных оснований ДНК из 1500.

Команда Эрена выбрала для обкатки своего метода именно оральный микробиом, поскольку интенсивное изучение микрофлоры рта уже дало обширный массив систематически организованной информации. Это одна из наиболее тщательно изученных групп нашего микробного населения. Многообразие жизни у нас во рту можно в полной мере оценить, обратившись к базе данных «Оральный микробиом человека», где, по состоянию на 2014 год, насчитывалось 688 видов (определение виду давалось через последовательности 16S рРНК). Целых 440 из них удалось вырастить в культуре – самая высокая доля среди всех участков тела, поскольку во рту меньше анаэробных бактерий (не выносящих присутствия кислорода), чем, к примеру, в кишечнике. У нас даже есть полные геномные последовательности для 347 из них. Самое давнее место исследования наших микробов ученые успели довольно подробно изучить. Однако новые, более изобретательные способы отсеивания данных показывают, что микрофлора рта еще многое способна поведать.

Эта новая процедура анализа состояла из двух основных стадий. Данные проекта «Микробиом человека», набор из 10 миллионов «показаний» для двух отдельных коротких участков гена 16S, классифицировали по олиготипам (490 на одном участке и 360 – на другом). Затем эти олиготипы сопоставили с полными последовательностями из более богатой базы данных «Оральный микробиом человека».

Оказалось, что олиготипы – то же, что и виды. Так ли это? На этот вопрос нет простого ответа, точно так же, как и на вопрос: что такое вообще «вид» у микробов? Какой же тогда смысл можно извлечь из всех этих данных? Видите ли (вздохнем поглубже), некоторые олиготипы (около 15 % общего числа) оказались не отличимыми от некоторых видов, описанных в каталоге. Некоторые группы из двух и более видов оказались не отличимыми по олиготипу. И (главный вывод, ради которого стоило затевать исследование) более 150 видов из базы данных принадлежали к множественным олиготипам, тем самым – по меньшей мере – повышая вероятность того, что исходная классификация видов пренебрегает существенными различиями. Еще 86 олиготипов, похоже, не описывали ни одно из существ, данные о которых содержались в базе «Оральный микробиом».

В этом немаловажный урок для всех, кто берется оценивать микробиомные исследования. То, что вы находите, зависит от того, где вы ищете. Возможно, скрытые от нас уровни разнообразия еще ждут своего обнаружения. Изучение микробиома при помощи алгоритмов, позволяющих обрабатывать гигантские массивы данных о генетических последовательностях, чем-то напоминает выслеживание животных в джунглях при помощи бинокля с линзами, пропускающими лишь лучи с узким диапазоном длин волн – только одного цвета из всего спектра. Поставив линзы, настроенные на другой цвет, вы увидите другой набор обитателей леса, хотя он и будет в чем-то перекрываться с тем, который вы уже видели через первую пару линз.

Из такого анализа можно сделать и другие выводы. Разнообразие, открываемое путем классификации на олиготипы, действительно играет важную роль; в этом нас больше всего убеждает то, что различные олиготипы микробов, кажущихся весьма похожими, обитают в разных местах. Отсюда наверняка можно узнать что-то новое об экосистеме, хотя пока и не очень понятно, что именно. Проверьте биоматериал более двух сотен человек, представленный в проекте «Микробиом человека», и может оказаться, что во всех пробах, взятых с языка, присутствует один олиготип, а в пробах, взятых с зубов, неизменно присутствует другой. Иногда бактерии, живущие, как правило, в разных местах, отличаются лишь на пару нуклеотидов в гене 16S.

Эрен проявляет очаровательную искренность, совершенно не скрывая того факта, что биологическую значимость таких данных нам еще предстоит выяснить[44]. Он обращает особое внимание на два организма, различающихся по распределению. Один – уже идентифицированный вид F. periodonticum, важный для науки, поскольку связан с воспалительным заболеванием десен. Другой достаточно сходен с ним, чтобы носить такое же название, однако с кое-каким довеском: «F. periodonticum 98,8 %». Как объясняет Эрен, это временное наименование как бы говорит: «F. periodonticum – самое близкое к этой штуке существо в базе данных, но все-таки перед нами явно два разных существа».

Как предполагают ученые, такие малые различия в 16S рРНК сопровождаются большими отличиями в других генах, а значит, и в том, как и где способны жить эти бактерии. Для подтверждения этой гипотезы следует внимательнее исследовать индивидуальных микробов. А поскольку микробов для исследования теперь больше, само расширение массива соответствующей информации заставляет оральный микробиом выглядеть еще более сложной системой.

По части разнообразия этот микробиом уже сейчас получает высокие баллы. Все 12 микробных филумов (11 филумов бактерий и 1 филум архей), обнаруженных у человека, найдены и во рту, где насчитываются сотни, а то и тысячи видов. Самое большое количество различных видов обнаружено в области зубов и поддесневых карманов, однако свои сообщества имеются и в других областях рта (или близких ко рту) – в горле, на миндалинах и языке.

Более подробные исследования выявили ключевые аспекты нашего взаимодействия с некоторыми из весьма значимых видов микробов, особенно обитающим на зубах. Некоторые из них, особенно представители рода Streptococcus, специфично связываются с белками или углеводами, находящимися в покрывающем зубы тонком слое смеси, которая состоит из слюны и жидкости, выделяющейся из поддесневых карманов. Едва захватив новую территорию, эти микробы уже сами предоставляют участки для связывания колонистам второй и третьей волны. В итоге поверхность зуба покрывает комплексная биопленка взаимодействующих бактерий. Целая отрасль медицинской и бытовой промышленности занимается удалением этой пленки и даже полным устранением оральных бактерий (в качестве меры профилактики кариеса). Специалисты строят всевозможные гипотезы насчет связей между той или иной частью человеческого микробиома и возникновением заболеваний. Такие связи порой кажутся весьма зыбкими. Однако в данном случае связь выстраивается самая ясная: нам известно, что бактерии биопленки действительно разрушают зубную эмаль, производя кислоту из сахара. Однако преимущества микробиомной науки станут очевиднее, если благодаря ей мы научимся лучше понимать экологию таких сообществ и сумеем разработать более тонкие методы сохранения зубов, чем полоскание или чистка антибактериальной пастой. Я попробую умозрительно описать некоторые будущие методы в главе 11.

Вагинальный микробиом – экосистема для защиты

Похоже, у каждого микробиома собственная история. Вагинальный микробиом, по понятным причинам имеющийся лишь у половины населения, является одним из самых простых по микробному составу, однако может служить отличным примером того, как новые инструменты для наблюдения за микробами позволяют пересматривать идеи о системах, которые кажутся нам хорошо изученными. Давно укоренившаяся в науке и довольно несложная история об одном типе бактерий, поддерживающем одно полезное свойство (уровень кислотности), теперь уступила место одному из множества неоконченных рассказов о смещении равновесия в экосистеме.

Влагалище давно вызывает интерес микробиологов – отчасти из-за тех интенсивных исследований, которыми сопровождались в XIX веке жаркие споры о причинах родильной горячки. Полезное дополнение к этим работам появилось в 1891 году, когда один немецкий гинеколог сообщил на медицинском конгрессе, что ему удалось вырастить в культуре новый палочкообразный организм, полученный из вагинальных мазков.

В конце 1920-х годов организм, который он обнаружил, классифицировали как Lactobacillus acidophilus. Как и в случае со многими другими видами микробов, теперь известно, что это целый набор тесно связанных между собой организмов. У них есть общая особенность: все они вырабатывают молочную кислоту путем ферментации углеводов, в том числе и тех, что находятся в слизистой оболочке. В последующие десятилетия широко распространилось мнение, что высокий уровень содержания Lactobacillus свидетельствует о здоровом влагалище, поскольку оно поддерживает нужную кислотность (низкое значение рН). А кислая среда, в свою очередь, препятствует росту других бактерий – болезнетворных.

Что ж, такое бактериальное дополнение к вагинальной химии казалось логичным. Клетки внутреннего слоя эпидермиса влагалища (в среднем 20 см2 ткани), также получают энергию, превращая глюкозу в лактат, который затем просачивается через эпителий в слизистую оболочку. Лактобактерии затем снижают рН дальше. Вагинальные клетки и их бактериальные гости совместно трудятся над тем, чтобы предотвращать колонизацию влагалища другими видами.

Однако недавние микробиомные исследования показали, что картина не столь проста. Представители рода Lactobacillus по-прежнему являются наиболее распространенными бактериями в вагинальных пробах; так, они присутствуют примерно у 320 из 400 жительниц Северной Америки, обследованных в 2010 году группой Ларри Форни из Университета штата Айдахо. Но данная работа[45] выявила также немало совершенно здоровых женщин, поддерживающих нужный вагинальный рН без всякой помощи бактерий Lactobacillus. Сходные результаты получены в ходе исследования, проводившегося в Японии. По следам этих работ в США были предприняты изыскания, показавшие, что у четверти обследованных взрослых женщин сравнительно мало Lactobacilli или же их нет совсем. Похоже, что для работы по поддержанию кислотности привлекались другие виды из примерно 280 обнаруженных. Однако недавние микробиомные исследования заставили кардинально пересмотреть ряд научных идей в этой области.

Бактериальный вагиноз – распространенное заболевание из числа тех, чье название легко расшифровать: речь идет о бактериальном заражении влагалища. Казалось бы, такой диагноз предполагает традиционное понимание инфекционных болезней как результат вторжения нежелательных патогенных организмов. Это неприятное заболевание часто связано с целым рядом серьезных проблем при беременности, в том числе с преждевременными родами и выкидышами. Весьма полезно было бы иметь соответствующий индикатор риска для беременных, а еще лучше – метод профилактики вагиноза.

Вариации, которые мы наблюдаем сегодня в микробиомах женщин, не демонстрирующих симптомов вагиноза и кажущихся совершенно здоровыми, показывают, что это не так-то просто осуществить. Да и сами эти вариации неоднородны. К примеру, в Северной Америке они различны у представительниц разных этнических групп. Картина складывается весьма мозаичная. Исследования показывают 5 широких типов вагинальных микробных сообществ. Четыре из них имеют значительную долю определенных Lactobacilli. При этом все 5 типов встречаются в разных пропорциях у 4 этнических групп. Эти работы показывают, что наше знание микроорганизмов остается фрагментарным. Самую распространенную из лактобактерий, L. iners, удалось обнаружить (пусть даже иногда в сравнительно небольших количествах) у 66 % обследованных женщин. Ее идентифицировали только в 1999 году, когда прошло больше века после появления самых первых сообщений о «нормальных» вагинальных микробах, поскольку эта бактерия критичнее других относится к лабораторной среде, в которой ее пытаются вырастить.

Общий подсчет по-прежнему демонстрирует, что штаммы Lactobacillus доминируют в микробном населении вагины. У обследованных белых женщин их вклад составляет 90 %, у женщин азиатского происхождения – 80 %, но у темнокожих женщин и латиноамериканок – лишь 60 %. Возможно, именно из-за этого у них чуть выше средний вагинальный рН (то есть среда менее кислая).

Однако есть данные о том, что здесь играет роль конкретный штамм лактобактерий – и не из-за его влияния на кислотность. Некоторые Lactobacilli вырабатывают заметные количества перекиси водорода, что препятствует развитию других бактерий; оказывается, такой вариант защиты эффективнее предотвращает вагиноз. Странная находка: уровень содержания кислорода в вагине сравнительно низок, а значит, вероятность производства пероксида водорода, казалось бы, не очень велика. Возможно, эти бактерии занимаются еще чем-то? Да, некоторые их штаммы вырабатывают и другие вещества-антибиотики. Выявление генов человеческого микробиома, отвечающих за синтез групп ферментов, которые в свою очередь помогают синтезировать малые молекулы, и анализ соответствующих продуктов позволили обнаружить неведомый науке антибиотик лактоциллин. Его вырабатывают обычные вагинальные бактерии. Вероятно, это неединичный случай[46].

Как показало еще одно исследование, состав вагинального микробного населения может довольно быстро меняться. Вероятно, такие изменения связаны с тем, занимались ли сексом исследованные женщины (отметим: все участницы эксперимента продолжали оставаться здоровыми), а также с исходным составом их микробиома. А значит, простые методы диагностики в таких случаях не очень-то применимы.

Выявление признаков физиологических неполадок путем исследования вагинальных микробов затрудняется из-за менструального цикла. Работы, где состав вагинальной микробиоты отслеживался на фоне менструального цикла, показывают, что состав бактериальных популяций влагалища довольно сильно меняется в зависимости от фазы цикла. Но конкретные изменения, по-видимому, носят индивидуальный характер и происходят у разных женщин в разное время.

Среди всей этой сложности можно выделить один довольно ясный факт: видимо, все-таки существует связь между лактобактериями и успешно протекающей беременностью. И человек, возможно, приспособился к тому, чтобы этой особенностью пользоваться. У женщин в период до полового созревания и после менопаузы обычно меньше вагинальных лактобактерий (или же их нет совсем), а изменения содержания эстрогена в репродуктивные годы делает соответствующую экологическую нишу более привлекательной для этой разновидности бактерий. Современные исследования служат подтверждением давних наблюдений: в США доля преждевременных родов у темнокожих женщин и латиноамериканок действительно выше.

Казалось бы, все это подтверждает гипотезу, согласно которой низкое содержание лактобактерий означает высокий уровень риска. Однако, к разочарованию врачей, ищущих четкие диагностические признаки, это скорее всего лишь полезный индикатор. Интенсивный анализ множества микробиомных образцов, взятых с данного участка женского организма, показывает, что простые определения «отклонений от нормального состава микробной смеси» здесь не очень-то пригодны. Не существует четкой границы нормы. Один из стандартных тестов на вагиноз использует в качестве критерия отсутствие лактобактерий. Это совершенно неправильно, подчеркивает Роксана Хики, коллега Форни. Здесь используется порочная логика, ведь присутствие Lactobacilli может свидетельствовать о здоровье, но их отсутствие еще не означает болезнь. Возможно, работу лактобактерий взяли на себя какие-то другие виды. Присутствие лактобактерий в таком микробиоме, быть может, и является достаточным условием здоровья, но не является необходимым его условием.



Конец ознакомительного фрагмента. Купить полную версию.

Примечания

1

Человек мягок, податлив и довольно изменчив. Клетки – тоже. Поэтому не так-то просто подсчитать, сколько клеток у среднего взрослого. Часто приводят грубую оценку – от 10 до 100 триллионов. Согласно одной из недавних более осторожных оценок, учитывающей объемы и основные типы клеток различных органов, это количество составляет чуть больше 37 триллионов [Bianconi, 2013]. Короче говоря, их триллионы и триллионы. Сойдемся на этом.

2

Некоторые подразумевают под микробиотой совокупность всех микроорганизмов, обитающих в каком-то ограниченном пространстве, а под микробиомом – общий массив генетического материала, который эти микроорганизмы в себе несут. Второй термин, придуманный генетиком Джошуа Ледербергом, несколько двусмысленен, что (на мой взгляд) даже полезно. Термин этот можно воспринимать как результат слияния слов микроб и биом, причем биом здесь воспринимается в экологическом значении – как набор различных взаимодействующих видов. Более свежая версия: термин возник благодаря соединению слова микроб и суффикса – ом, имеющегося в таких терминах, как «геном», «протеом» и другие «-омы», столь любимые нынешними биологами. В этом как бы проявляется напряжение (и сотрудничество), существующее между различными ветвями биологии, изучающими проблемы микробиома. Похоже, на практике термины «микробиота» и «микробиом» взаимозаменяемы, и второй в наши дни часто вытесняет первый. Здесь я буду использовать термин «микробиом» в смысле «все организмы», если только из контекста не явствует, что речь идет лишь о ДНК.

3

Многие приводят цифру «100 триллионов» (по сравнению с 10 триллионами клеток тела), однако эта оценка нашего бактериального населения проведена давно и основана на анализе одного грамма кала [Smith, 2014]. Впрочем, точное количество не играет роли в наших дальнейших рассуждениях.

4

Когда я писал черновик этого раздела, в самом обширном каталоге числилось 987 9896 генов [Li, 2014]. К тому времени, как текст книги отправился в типографию, это количество перевалило за 10 миллионов [Karlsson, 2014].

5

Применительно к данному контексту термин предложен опять же Джошуа Ледербергом. Этот парень вообще повлиял на многое в науке.

6

Строго говоря, честь описания первого микроба принадлежит Гуку: он наблюдал грибок, о котором написал как о «маленьких грибах многообразных форм» [Gest, 2004]. Зато Левенгук стал первым, кто описал бактерии.

7

Kroes, 1999.

8

ОМОБ – термин, взятый мною у Питера Конрада, специалиста по медицинской социологии, предположившего, что микробная и генетическая теории следуют одному образцу [Conrad, 1999].

9

Эта история хорошо изложена в: John Waller, The Discovery of the Germ [«Открытие микроба»], 2002.

10

Fowler, 1986.

11

См.: Nicholas Bakalar, Where the Germs Are [«Где живут микробы»], 2003. Это превосходный, великолепно сбалансированный обзор хороших и плохих микробов (хотя упор в нем делается все-таки на плохих).

12

Не всякую рекламу лизола приятно читать. В одном довоенном журнале предпринята по сути серьезная атака на микробиом: в рекламном объявлении утверждалось, будто лизол «по-настоящему очищает вагинальный канал даже в присутствии слизистого вещества. А значит, лизол куда действеннее полумер вроде мыла, соли или соды. Гарантирована безупречная изысканность: устраняется сам источник предосудительного запаха». Женщины, вам следует делать это, чтобы «оставаться желанными». Впрочем, нелишне отметить, что это объявление представляет собой не столько текст о борьбе с нежелательным запахом, сколько не очень-то замаскированную рекламу лизола как спермицида.

13

Отмечено в: Jessica Snyder Sachs, Good Germs, Bad Germs [«Микробы хорошие и плохие»], 2007.

14

Между прочим, мой экземпляр датируется 1976 годом, так что мне следует похвалить себя за интерес к этой теме, возникший у меня еще в те далекие времена.

15

«Прокариоты» и «эукариоты» – вероятно, два самых раздражающих термина в науках и живом. Два слова очень похожи друг на друга. Чертовски трудно запомнить, что есть что. Однако различие между ними – самое важное в классификации живых организмов.

16

Покойная Линн Маргулис являлась одной из самых убежденных проповедников этого сбалансированного взгляда на эволюцию жизни. Среди ее нескольких превосходных книг следует выделить «Микрокосмос», написанный совместно с ее сыном Дорионом Саганом [Lynn Margulis, Dorion Sagan, Microcosmos, 1992] и дающий, быть может, лучшее описание жизни с этой точки зрения, хотя некоторые детали устарели с момента выхода книги.

17

Для этого лучше всего прочесть замечательную книгу популяризатора Карла Циммера «Микрокосм» [Carl Zimmer, Microcosm], где работа жизни рассматривается через призму E. coli. Полезным дополнением к ней может служить недавно вышедшая «Философия микробиологии» Морин О’Малли [Maureen O’Malley, Philosophy of Microbiology], приправленная биологией и историей.

18

Видимо, само появление сложных клеток – событие в высшей степени маловероятное, раз уж в течение двух миллиардов лет единственными живыми организмами на Земле оставались бактерии. Почему химические и физические процессы, сформировавшие энергетику клеточной эволюции, сделали столь маловероятным возникновение эукариотической сложности? Этот вопрос объясняется в замечательно аргументированной книге Ника Лейна «Жизненно важный вопрос» (Nick Lane, The Vital Question), которая должна уже выйти к тому моменту, когда вы будете это читать.

19

McFall-Ngai и др., 2013.

20

Кутикула – пленка, покрывающая клеточную стенку. (Прим. перев.)

21

Отступление для философов. Появление новых методов наблюдения означает, что теперь мы видим что-то по-иному – или что мы видим что-то иное? Дастон [Daston, 2011] предлагает в этой связи еще больше пищи для размышлений. Мне нравятся такие философские дискуссии, поскольку они затрагивают то, чем ученые действительно занимаются. Мой собственный нефилософский ответ: «Вероятно, здесь и то и другое».

22

Staley, 1985.

23

Singer, 2013.

24

Здесь уже не идет речь о парах нуклеотидных оснований: РНК – молекула однонитевая (в отличие от ДНК, которая состоит из двух нитей). (Прим. перев.)

25

Salter, 2014.

26

Cressey, 2014.

27

Еще сравнительно недавно, в 1970-х, в США проводили на заключенных-добровольцах опыты по изучению бактериального токсина, ответственного за некоторые симптомы брюшного тифа. Но времена меняются [Hornick, 1970].

28

По мнению биолога Роба Данна, сообщения прессы о первых безмикробных животных вызвали в обществе энтузиазм: теперь-то, считали многие, удастся полностью уничтожить микробов и в среде обитания человека. Мне кажется, это превратное толкование истории, но рассказывает он, что ни говори, убедительно [Dunn, 2011, гл. 5].

29

Цит. по: Mazmanian, 2009.

30

Лейтмотив работы Exploring Human Host-Microbiome Interactions in Health and Disease [«Исследование взаимодействия «хозяин – микробиом» у здоровых и больных людей»], Hinxton, апрель 2014.

31

Это очень грубая оценка, но, как мне представляется, верная хотя бы по порядку величины. Человек в положении лежа занимает 3 квадратных метра, а бактерия микронной длины – одну миллионную одной миллионной квадратного метра. Площадь же континентальной части США – около 9 миллионов квадратных километров.

32

Human Microbiome Project Consortium, 2012.

33

Keeney и др., 2014.

34

Определение вида здесь чисто техническое. Оно связано с последовательностями 16S рРНК. Собственно, речь идет о так называемых «операционных таксономических единицах» (ОТЕ). Вполне допустимо рассматривать их как виды, пытаясь оценить степень микробиологического разнообразия.

35

Hanage, 2014.

36

Naik, 2012.

37

Fierer и др., 2010.

38

Sanford и Gallo, 2013.

39

Lax, 2014.

40

Hospodsky, 2014.

41

Nakatsuji, 2013.

42

Kort, 2014.

43

Eren, 2014.

44

Это не из статьи, а из блога http://oligotyping.org/2014/06/25/oligotyping-analysis-of-the-human-oral-microbiome

45

Ravel, 2011.

46

Donia, 2014.