Наша первая встреча произошла в октябре 1983 года на Второй международной конференции по кампилобактериальным инфекциям в Брюсселе. Там я познакомился с доктором Барри Маршаллом, молодым врачом из Австралии, который открыл ЖКПО и заявил, что тот вызывает гастрит и язву желудка. Ему никто не поверил. На тот момент «знали», что их вызывает стресс и избыток желудочного сока. Я тоже скептически отнесся к данной идее и, конечно, сразу понял, что ученый открыл новую бактерию. Но, как по мне, убедительных доказательств, что она вызывает язву, предоставлено не было.
Лишь через два года, когда другие ученые подтвердили связь микроба с гастритом и язвенной болезнью, я решил посмотреть, смогу ли внести вклад в исследование ЖКПО (в 1989 году бактерию переименовали в Helicobacter pylori, обнаружив, что это отдельный от Campylobacter вид). Они родственники примерно такой же дальности, как лев (Pantera leo) и домашняя кошка (Felis catus){7}: определенное сходство есть, но различия достаточно большие, благодаря которым их можно отнести к разным родам. Моя лаборатория разработала анализ крови на этот микроб и показала: если он живет в вашем организме, то у вас есть и естественная защита от него{8}.
Но врачи объявили войну H. pylori не на жизнь, а на смерть, прописывая антибиотики при любом желудочном дискомфорте. Их девизом стала фраза «Хорошая H. pylori – мертвая H. pylori»{9}. Я тоже принадлежал к этому лагерю почти десять лет.
Однако к середине девяностых изменил мнение. Начали накапливаться свидетельства, что H. pylori – часть нормальной микрофлоры нашего кишечника{10} и играет огромную роль в здоровье. Лишь отказавшись от догмы, провозглашавшей «гастрит – это плохо», удалось заново оценить биологию этой бактерии. Да, она портит жизнь некоторым взрослым, но позже мы узнали, что она очень полезна для детей. Ее уничтожение может принести больше вреда, чем пользы.
Большим достижением Маршалла и его партнера-исследователя Робина Уоррена стали клинические исследования, показавшие, что уничтожение H. pylori с помощью антибиотиков лечит язву. Другие подтвердили и расширили наблюдения. За это открытие ученые получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2005 году.
В 2000 году я перешел в Нью-Йоркский университет и оборудовал там лабораторию с целью узнать, чем эта древняя бактерия занималась в наших желудках и каковы были последствия. За четырнадцать лет набралось большое количество доказательств, что исчезновение этого почтенного микроба, возможно, стало одной из причин нынешних эпидемий. А потом H. pylori привела меня к более широкому исследованию – человеческого микробиома в целом.
Сейчас в моей лаборатории постоянная суета. Мы работаем более чем над двадцатью проектами – наблюдаем, как антибиотики действуют на микробы и их носителей, проводя опыты как на мышах, так и на людях. В типичном эксперименте над животными мы даем им лекарства в питьевой воде и сравниваем с теми, кто их не получает. Начинаются исследования очень рано, иногда еще до рождения детеныша. Потом даем подрасти и следим за состояниями и изменениями: насколько толстыми становятся, как работает печень, как вырабатывается иммунитет в кишечнике, как растут кости, что происходит с гормонами и мозгом.
Это очень интересная работа, потому что в каждой из областей мы видим изменения, вызванные антибиотиками, причем на ранней стадии жизни. Стало понятно, что младенчество – ключевое «окно» уязвимости. Совсем в юном возрасте существуют критические периоды роста, и наши эксперименты показывают: потеря дружественных кишечных бактерий на этой стадии развития приводит к ожирению – по крайней мере, у мышей. Также проводим исследования по социальному развитию и целиакии. У нас много идей по поводу того, как применить полученные данные о мышах к людям. Главная цель – помочь восстановиться после перенесенного урона, в том числе разработать стратегии возвращения исчезнувших микробов. Ключевой шаг во всех этих стратегиях – уменьшить дозировку и частоту приема антибиотиков при лечении детей, причем чем быстрее это произойдет, тем лучше.
Моя одиссея, начавшаяся почти тридцать семь лет назад, после того самого больного менингитом, убедила меня, что сейчас – важнейший этап моей карьеры. Годы работы врачом-инфекционистом и научные эксперименты помогли оформить собственную точку зрения на «чуму современности». Я не ожидал, что все так сложится. Но, словно подталкивая, работа переносила меня через долины, горы и океаны научных медицинских исследований. Она же привела к новым идеям о меняющейся современной жизни, которыми я хочу поделиться с вами. Сегодняшняя «чума» – совсем не такая, которая унесла жизни сестер моего отца, но и не менее смертоносная.
Глава 2. Наша микробная планета
Первоначально, 4,5 миллиарда лет назад, наша планета была безжизненной сферой из расплавленного металла. Но через миллиард лет океаны уже кишели свободно живущими клетками. Каким-то образом, еще не совсем ясным для науки, в этих первобытных морях зародилась жизнь. Одни говорят, что первые «кирпичики» жизни прилетели пылью из открытого космоса – это так называемая гипотеза панспермии. Другие считают, что самовоспроизводящиеся молекулы появились в залежах глины на дне океана, в горячих гидротермальных источниках, или в пенных пузырях, появлявшихся, когда волны разбивались о скалы. У нас по-прежнему нет точного объяснения, как же все началось.
И все же мы более-менее понимаем, как благодаря простым правилам появилась богатая и разнообразная жизнь нашей планеты и продолжают появляться сложные организмы. Вся биология основывается на незыблемых принципах эволюции, конкуренции и сотрудничества, впервые появившихся в первобытных океанах.
Мы живем на микробной планете, где полностью доминируют формы жизни, не видные невооруженному глазу. Около 3 миллиардов лет бактерии были единственными живыми обитателями Земли. Они жили повсюду на земле, в воде и воздухе, запуская химические реакции, создавая биосферу и условия для эволюции многоклеточной жизни. Они же создали кислород, которым мы дышим, почвы, которые возделываем, пищевые сети для наших океанов. Медленно, неумолимо, с помощью проб и ошибок в бездне времени они построили сложные и прочные системы обратной связи, и по сей день поддерживающие всю жизнь на Земле.
Человеку очень трудно представить себе эту бездну времени, миллиарды лет деятельности микробов, которые превращали неорганическую материю в живую. Эта идея произошла из геологии – из нашего понимания, как континенты формировались, дрейфовали, расходились, врезались друг в друга, создавая горные цепи, которые затем подвергались миллионам лет эрозии ветром и дождем. Тем не менее бактерии жили на Земле задолго до появления гигантских суперконтинентов Лавразии и Гондваны, образовавшихся полмиллиарда лет назад; именно они – родоначальники нынешних континентов.
Джон Макфи в одной из своих классических книг привел замечательную аналогию с местом человечества в этой огромной хронологии: «Давайте представим, что вся история человечества – это один старый английский ярд, равнявшийся расстоянию от носа короля до кончика его вытянутой руки. Стоит один-единственный раз провести по ногтю среднего пальца пилочкой, и вы сотрете всю человеческую историю»{11}.
Или вот другое. Если 3,7 миллиарда лет жизни на Земле представить в виде 24-часовых суток, то наши предки-гоминиды появились бы за 47–96 секунд до полуночи. Наш собственный вид, Homo sapiens, – за 2 секунды до полуночи.
Но есть еще кое-какие потрясающие данные, которые по-настоящему позволяют оценить, насколько огромен мир микробов. Они не видны невооруженным глазом, за несколькими исключениями, лишь подтверждающими правило{12}. Миллионы могут одновременно пройти через ушко одной иголки. Но если собрать всех вместе, их будет не только больше, чем всех мышей, китов, людей, птиц, насекомых, червей и деревьев – вообще всех видимых форм жизни на Земле – вместе взятых: они окажутся еще и тяжелее. Задумайтесь об этом. Невидимые микробы составляют бóльшую часть биомассы Земли: млекопитающие, пресмыкающиеся, морская живность и т. д.
Без микробов мы не могли бы есть и дышать, а вот без нас почти все они жили бы отлично.
Термин микроб относится к нескольким типам организмов. В этой книге говорится в основном о домене бактерий, также называемых прокариотами – об одноклеточных безъядерных организмах. Но это вовсе не означает, что они примитивны. Бактериальные клетки – полностью самодостаточные существа: они могут дышать, двигаться, есть, избавляться от выделений, защищаться от врагов и, что важнее всего, размножаться. Они бывают самых разных форм и размеров. Есть похожие на мяч, морковь, бумеранг, запятую, змею, кирпич, даже треножник. Все великолепно адаптированы к жизни в этом мире, в том числе и те, кто живет в телах и на них. Когда они нас покидают, начинаются большие проблемы.
Еще один микробный домен, археи, с первого взгляда напоминает бактерии, но, как говорит само название, это очень старая, глубокая ветвь древа жизни с иной генетикой, биохимией и независимой эволюционной историей. Их обнаружили в экстремальных средах, в частности горячих источниках и соленых озерах, но на самом деле археи можно найти во многих нишах, в том числе в человеческом кишечнике и пупке.
Третья ветвь микробной жизни – эукариоты, одноклеточные организмы с ядром и другими органеллами, которые являются «кирпичиками» для строительства более сложных, многоклеточных форм жизни. За последние 600 миллионов лет от эукариот произошли насекомые, рыбы, растения, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие – вся «большая» жизнь, от муравьев до секвойи. Впрочем, некоторые примитивные относят к микробам, в том числе грибы, водоросли, некоторые амебы и слизистая плесень.
Вот еще один пример, который поможет оценить масштабы. Все знают, что такое семейное древо. Вы расставляете на нем своих предков – родителей, бабушек и дедушек, прабабушек и прадедушек и т. д., причем их количество растет с каждым поколением. Теперь представьте семейное древо всей жизни на Земле – тут столько разных форм жизни, что оно больше похоже на куст с ветками, торчащими во все стороны. Представьте на секунду, что это круглый куст, в котором первое поколение – самый первый живой организм – находится в центре, а ветки торчат наружу. Затем поместим куда-нибудь нас, людей, допустим, на восемь часов, если смотреть по циферблату.
Теперь вопрос. Где находится форма жизни, которую мы называем «кукуруза» и которая растет на наших полях? Вы, наверное, посчитаете, что она вряд ли находится слишком близко к нам, в конце концов это же зеленое растение. Наверное, где-то на противоположной стороне куста. А вот и нет, кукуруза находится, примерно, в точке 8:01. Если люди и кукуруза настолько близкие, как оказалось, родственники, кто же занимает остальные ветки? Ответ: по большей части бактерии. Например, расстояние между E. coli и Clostridium – двумя часто встречающимися – намного больше, чем между нами и кукурузой{13}. Человечество – всего лишь песчинка в мире, населенном микроорганизмами. Нужно привыкать к этой идее.
А еще есть и вирусы, которые, строго говоря, неживые; они распространяются, вторгаясь в живые клетки и пользуясь их ресурсами. Вспомним грипп, простуду, герпес и ВИЧ, которые считаются проблемой человечества. Но большинство в этом мире вообще нами не интересуются: они заражают клетки бактериальные, а не животные, типа наших. Их количество в океанских водах не поддается никакому исчислению: больше, чем звезд во Вселенной. За миллиарды лет сражений между вирусами и микробами и те и другие разработали оружие для убийства друг друга. На самом деле один из возможных способов лечения бактериальных инфекций – использование фагов, вирусов, убивающих бактерии. Эту идею я затрону ближе к концу книги.
В нашем мире обитает (и формирует его) множество разных микробов, но сосредоточимся в основном на бактериях и на том, что происходит, когда мы без разбора убиваем их мощными лекарствами. Есть, конечно, немало эукариот (например, Plasmodium falciparum, один из главных возбудителей малярии), вызывающих сильнейшие страдания, но проблемы, которые они доставляют, другого рода. Вирусов, которые приносят большой вред, тоже хватает – вспомните хотя бы ВИЧ, – они не лечатся антибиотиками. Но это отдельная тема и отдельная книга.
* * *Микробы живут везде, куда ни посмотри. В океане их столько, что и представить невозможно, хотя некоторые оценки дают определенное понимание. Не менее 20 миллионов (а возможно, и миллиарда) типов микробов составляют 50–90 % океанской биомассы. Количество таких клеток в столбе воды (от поверхности моря до дна) превышает 1030, или нониллион (тысячу миллиардов миллиардов миллиардов). Весят они столько же, сколько 240 миллиардов африканских слонов{14}.
Международная перепись океанских микроорганизмов, проект длиною в десять лет, собравший образцы морских микробов из 1200 разных мест, утверждает, что различных родов микроорганизмов на самом деле в сто раз больше, чем считалось ранее. В каждом изученном месте некоторые обязательно доминировали и количественно, и по активности. Но, к удивлению, обнаружилось немало таких, кто представлен популяциями менее десяти тысяч особей (для бактерий это мизерное число), в том числе одиночными экземплярами. Ученые сделали вывод, что многие редкие бактерии вошли в режим ожидания, готовясь к расцвету и доминированию, как только условия окружающей среды окажутся подходящими. То же верно и для микробов, обитающих в наших телах. Способность «прятаться» немногочисленными колониями в течение длительных периодов, а затем спонтанно «расцветать» – это важный аспект их жизни.
Многие морские микробы – так называемые экстремофилы. Они живут в гидротермальных источниках, где кипящая вода, богатая серой, метаном и водородом, поднимается из мантии и встречается с ледяной водой, формируя конусообразные расщелины. Это адская смесь кислот и тяжелых химикатов, но даже в таких условиях, без кислорода и солнечного света, процветают богатые сообщества. То же самое видим в горячих прудах и гейзерах Йеллоустонского национального парка в Вайоминге и в пузырящемся битумном озере на острове Тринидад в Карибском море. Бактерии живут и в огромных ледниках Антарктики, и в ледяных глубинах Северного Ледовитого океана.
Океанское дно, состоящее из темных вулканических пород и составляющее 60 % земной поверхности, служит домом, пожалуй, самой большой популяции микроорганизмов на планете. Они живут за счет энергии, получаемой от реакции горных пород с водой.
Недавно были обнаружены бактерии, которые едят частицы пластика, плавающие в Мировом океане. Это медленный процесс, и все же не менее тысячи различных видов участвуют в превращении «пластисферы» в более здоровую биосферу. Мы не делали ничего, чтобы стимулировать их – разве что кидали пластиковый мусор в океан. Некоторые добрались до него, и тем, кому такая еда пришлась по вкусу, стали быстрее размножаться – вот вам естественный (пластиковый) отбор в действии{15}.
В самом глубоком месте на Земле, в Марианской впадине, недавно обнаружили активное сообщество микроорганизмов, причем там в десять раз больше бактерий, чем в осадочных породах окружающей впадину абиссальной равнины. Гигантские «ковры» – размером с Грецию – живут на дне океана у западного побережья Южной Америки, питаясь сероводородом.
Ветры, в том числе ураганные, поднимают немало микроорганизмов в воздух; некоторые выживают и даже остаются там. Вокруг формируются частички льда, снежинки, и возникают перистые облака. Они оказывают влияние на погоду и климат, перерабатывают питательные вещества и разлагают загрязняющие.
На поверхности Земли микробы заведуют почвой – одним из самых драгоценных ресурсов. Запущены проекты по сбору почвенных бактерий в разных уголках мира, некоторые эксперты называют это «поисками темной материи Земли» по аналогии с изучением природы неизведанных просторов космоса.
Живут они и в горных породах. Например, на золотом прииске Мпоненг в ЮАР выживают благодаря радиоактивному распаду: уран разделяет молекулы воды, а получившийся свободный водород объединяют с сульфат-ионами, получая пищу. Больше того, они едят даже золото. Delftia acidovorans с помощью особого белка превращает ионы золота, ядовитые для нее, в инертную форму, которая осаждается из окружающей воды и формирует минеральные залежи. Самая же живучая бактерия в мире, Deinococcus radiodurans, живет в радиоактивных отходах.
Мы знаем, что наша планета обитаема благодаря микроорганизмам. Они разлагают мертвую материю – это очень ценная услуга. Кроме того, превращают инертный азот из атмосферы в свободный, которым могут пользоваться живые клетки. И тем самым приносят пользу растениям и животным. После утечки нефти в скважине Deep Water Horizon в Мексиканском заливе бактерии съели большую часть загрязняющих веществ, потому что сумели приправить питательные вещества в нефти азотом из воздуха, устроив себе комплексный обед.
Но мой любимый пример описали несколько лет назад. Геологи бурили исследовательскую скважину и изучали извлеченные оттуда керны. Один, который достали с глубины в милю, состоял всего из трех компонентов: базальта (коренной породы), воды и бактерий – множества бактерий{16}. Они жили и размножались на диете из камней и воды.
Наконец, целые отрасли промышленности основаны на их работе: изготовление хлеба, который мы едим, алкогольных напитков, которые пьем, современных лекарств, разработанных биотехнологической отраслью. Вполне можно утверждать, что микроорганизмы способны провести любой необходимый нам химический процесс. В огромном разнообразии кроются неслыханные возможности. Нужно лишь четко определить проблему и найти бактерии, которые могут ее решить, или изменить их с помощью генной инженерии.