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
