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.
* * *История микроорганизмов – это сага о бесконечных войнах и сотрудничестве. Поскольку многие знакомы с дарвиновскими идеями о конкуренции и выживании наиболее приспособленных видов, начнем именно оттуда.
Тщательные наблюдения Дарвина показали, что индивидуальные представители вида всегда отличаются, в качестве примера возьмем птиц или людей. Ученый разработал теорию эволюции, выдвинув постулат, что при существовании различных вариантов природа «отберет» тот (или тех), кто наиболее адаптирован («приспособлен»), кто лучше всего использовал свой цикл жизни и оставил потомство. Именно они побеждают в конкуренции с другими видами и со временем начнут количественно превосходить их. Возможно, даже вызовут вымирание последних. Естественный отбор – причина часто упоминаемого «выживания наиболее приспособленных». Но Дарвин не знал, что тот же принцип можно отнести к микробам. Как и мы, он сосредоточился, в первую очередь, на том, что видел своими глазами – растениях и животных. Но на деле едва ли не лучшие доказательства естественного отбора удалось получить с помощью наблюдений и экспериментов именно над микроорганизмами.
Например, я могу вырастить культуру распространенной кишечной бактерии E. coli{17}, поместив немного существующих клеток в чашку с питательным веществом. За ночь в теплом инкубаторе она может дать до 10 миллиардов новых клеток. Вся чашка будет покрыта настолько плотным ковром, что отдельные колонии различить невозможно. А теперь предположим, что я сделал такой же посев в другую чашку, но добавил стрептомицин – антибиотик, убивающий большинство штаммов E. coli. На следующее утро я увижу всего десяток изолированных колоний размером с миниатюрный прыщик, в каждой из которых будет от силы миллион клеток. Каждое скопление происходит от одной-единственной, которая пережила контакт с антибиотиком, а затем размножилась. Как объяснить разницу в результатах между посевом со стрептомицином и без него?
Во-первых, мы видим, что антибиотик сработал. Вместо 10 миллиардов клеток всего 10 миллионов, то есть в тысячу раз меньше. Можно сказать, что антибиотик убил 99,9 % клеток, позволив выжить лишь малому количеству. Но все же лекарство сработало не полностью. Некоторым удалось выжить. Так почему же одни клетки уцелели, а другие – нет? Просто повезло? И да, и нет.
Везение состоит в том, что клетки, резистентные к стрептомицину, имеют вариант гена, необходимого всем E. coli для выработки белков, без которых они не смогут существовать. Он не очень эффективен, но его хватает, чтобы помочь резистентным штаммам выжить и произвести потомство. Остальные же умирают, потому что антибиотик вмешивается в действие обычной версии того же белка.
Генетические варианты, обеспечивающие это свойство, появляются интересным образом. Вполне возможно, что у некоторых клеток (в данном примере – десяти) из исходной культуры в миллиард был подобный вариант гена. Эти клетки существовали изначально. Описывая эксперимент в дарвиновских терминах, можно сказать, что стрептомицин «отбирает» в популяции варианты с резистентной формой гена, а вот отсутствие антибиотика в окружающей среде «отбирает» более эффективную, но уязвимую к нему обычную форму. Количество E. coli с данным свойством зависит от того, как часто и как давно они контактировали со стрептомицином. Это простой пример естественного отбора, но конкуренция вечна. Пусть победит сильнейший микроб.
Одни конкурируют с другими, охотятся на них и даже эксплуатируют, но есть и бесчисленные примеры сотрудничества и синергии. Например, если кишечная бактерия Bacteroides может очистить химическое вещество в окружающей среде, мешающее развитию E. coli, то это выгодно второй. Одностороннее полезное отношение такого рода называется комменсализмом.
Еще более сильным бывает взаимодействие, если оно выгодно обеим сторонам. Представьте, что выделения E. coli служат хорошим источником пищи для Bacteroides. В таком случае два этих вида будут собираться в одной среде. Оба всего лишь следуют собственной программе, но при этом помогают друг другу. Это симбиоз.
В иных условиях создают симбиоз другие бактерии. Например, в быстром ручье бактерия А поедает выделения бактерии Б, а также прилипает к острым краям камней. Бактерия В прилипать не умеет, но может прицепляться к бактерии А. Бактерия Б производит вещество, питательное для В. Вот вам и ситуация, где бактерии А, Б и В будут встречаться вместе, причем к выгоде для всех трех.
За более чем 4 миллиарда лет эволюции бактерий, учитывая, что некоторые делятся каждые двенадцать минут, а также их астрономическое количество, вариантов было практически бесконечное множество. Благодаря этому постоянному процессу появились отдельные бактерии, населившие все доступные ниши на Земле.
Иногда они стабильно живут вместе, формируя консорциум. Подобные кооперативные группы в изобилии встречаются в окружающей среде – в почве, ручьях, гниющих бревнах, горячих источниках – практически везде, где есть жизнь. Самое древнее однозначное доказательство существования жизни – это окаменевшие цианобактериальные маты возрастом 3,5 миллиарда лет, найденные в Австралии. Консорциумы, состоявшие из огромных лежащих друг на друге листов, – полноценные миниатюрные экосистемы. Скорее всего, одни занимались фотосинтезом, другие дышали кислородом, третьи осуществляли ферментацию, четвертые ели необычные неорганические соединения. То, что для одного вида – еда, для другого – яд. Собравшись в слои и объединив усилия, они смогли обеспечить выживание для всех.
Существуют микроорганизмы, которые умеют создавать вокруг себя слои вещества, похожего на желатин. Этот плотный гель называется биопленкой. Состав бывает разным, но он защищает бактерию от высыхания, избыточной жары, нападения иммунной системы. Его существование объясняет присутствие бактерий в самых жестоких условиях.
Микробы образуют консорциумы и огромные сети сотрудничества не только в почве, океане или каменистых поверхностях, но и в животных. В человеческом теле это главные персонажи моей истории про «пропавших микробов». Великий биолог Стивен Джей Гоулд дал нам точку отсчета для всей земной биологии, написав:
Мы живем в эпоху бактерий (как было вначале, как есть сейчас и как должно быть всегда, пока миру не настанет конец…){18}
Вот контекст человеческой жизни – и передний, и задний ее план.
Глава 3. Микробиом человека
Задумайтесь ненадолго о своих жизненно важных органах. Сердце, мозг, легкие, почки и печень – сложные структуры, выполняющие необходимые функции для поддержания жизни. Каждое мгновение и днем, и ночью они перекачивают жидкости, переносят отходы, принимают воздух и питание, передают сигналы, которые позволяют нам чувствовать мир и передвигаться по нему. Когда в результате болезни или травмы отказывает любой из этих органов, мы умираем. Все просто.
А если я вам скажу, что есть еще один жизненно важный «орган», который поддерживает жизнь, но которого вы никогда не видели? Он находится на нас и внутри нас, и лишь недавно мы поняли, какую важную роль играет в поддержании нашего здоровья.
Возможно, самое интересное то, что эта часть тела кажется совершенно чуждой. Она состоит не из человеческих клеток и сделана не по чертежам человеческих генов. Это триллионы маленьких живых существ, микробов и их родственников. Вы, может быть, решите, что называть подобное собрание жизненно важным органом уже чересчур, но именно это и представляет собой микробиом с функциональной точки зрения. В отличие от мозга и сердца его развитие начинается не в утробе, а с момента рождения. В первые несколько лет жизни его развитие продолжается благодаря получению микробов от людей, окружающих нас. Но не обманывайте себя. Потерять сразу весь свой микробиом – практически то же самое, что потерять печень или почки. Если при этом не будете жить в скафандре, долго не протянете.
Микроорганизмы, живущие в нашем теле, не просто случайная смесь всех видов, обитающих на Земле. Скорее, каждое существо эволюционировало совместно со своим набором микробов, которые осуществляют метаболические и защитные функции. Иными словами, они работают на нас. Есть микробиом у морской звезды и у акулы, есть даже у губки. У рептилий, у каждой совы, голубя и шалашника. Когда выживает вид, выживают и они. Млекопитающие, от маленьких лемуров до дельфинов и от собак до людей, полны микроорганизмов, специализирующихся на поддержании в них жизни и хорошего самочувствия.
Микробы – симбионты{19} – предоставляют носителю, в котором обитают, жизненно необходимые услуги в обмен на кров и пищу. Термиты могут переваривать дерево исключительно благодаря бактериям в их кишечнике. Коровы усваивают питательные вещества из травы, которую едят, благодаря микробам в их четырехкамерном желудке. Даже у тли они есть, в том числе группа Buchnera, впервые поселившаяся в них более 150 миллионов лет назад. Эти микроорганизмы имеют ключевые метаболические гены, которые помогают производить белки – благодаря им тля может употреблять в пищу богатый сахарами сок растений. В свою очередь, жучки являются для Buchnera отличным домом. Взаимовыгодная ситуация. Ученые построили эволюционное семейное древо и для Buchnera, и для тлей. Сравнивая структуру обоих деревьев, мы видим, что они почти одинаковы. Вероятность того, что это случайное совпадение, стремится к нулю. Единственный возможный ответ – совместная эволюция: тля и живущие в них бактерии{20} взаимно влияли на развитие друг друга в течение более чем 100 миллионов лет.
Если присмотреться к микробиому млекопитающих, видно, что гены, отвечающие за производство красных кровяных телец и белков в теле человека, сравнимы с похожими генами других млекопитающих. Ваши бактерии – часть большого семейного древа. В этом смысле микробный состав может считаться наследственным маркером и помогает объяснить, почему вы больше похожи на обезьян, а не на коров{21}. Возникает интересный вопрос: это происходит из-за животных или микробных «генов»? Люди всегда считали, что верен первый вариант, но не исключено, что и второй. Скорее всего, в какой-то степени и то и другое.
Как уже упоминалось, ваше тело – это экосистема, такая же, как коралловый риф или тропические джунгли: сложная организация, состоящая из взаимодействующих живых организмов. И для любой из них критически важно разнообразие. В джунглях, например, это все виды деревьев, лиан, кустов, цветковых растений, папоротников, водорослей, птиц, пресмыкающихся, земноводных, млекопитающих, насекомых, грибов и червей. Широкое разнообразие защищает обитателей экосистемы, потому что благодаря их взаимодействию возникают прочные сети захвата и круговорота ресурсов. Его потеря приводит к болезни или даже к коллапсу системы, если погибает «краеугольный камень» – вид, который оказывает непропорционально большое в сравнении с численностью влияние на окружающую среду.
Например, когда семьдесят лет назад из Йеллоустонского парка выгнали волков, пережила взрывной рост популяция лосей. Внезапно они смогли безопасно поедать (и в конце концов уничтожили полностью) ивы, растущие на берегах речек. Численность певчих птиц и бобров, которые строили из ее веток гнезда и плотины, резко сократилась. Эрозия рек заставила водоплавающих птиц покинуть регион. Из-за отсутствия убитой волками падали на спад пошла популяция воронов, орлов, сорок и медведей. Увеличение численности лосей привело к уменьшению численности бизонов из-за конкуренции за пищу. В парк вернулись койоты и поели мышей, которыми раньше питались многие птицы и барсуки. И так далее, и так далее – сложная сеть взаимодействий разрушилась, когда из нее вынули краеугольный камень. Эта концепция применима и к «большому» миру, и к вашему микробиому, где история исчезновения желудочной бактерии Helicobacter pylori, колонизировавшей людей еще в доисторические времена, должна послужить серьезным предостережением.
Ваше тело состоит примерно из 30 триллионов человеческих клеток, но при этом в нем живут еще 100 триллионов клеток бактерий и грибков, дружественных микробов, эволюционировавших совместно с нашим видом. Подумайте хорошенько: их в теле значительно больше – от 70 до 90 %. Они живут на каждом дюйме кожи, во рту, в носу и ушах, в пищеводе, желудке и кишечнике, и т. д.
* * *Из 50 известных типов{22} бактерий в людях нашли от 8 до 12. Но 99,9 % клеток в теле принадлежат к шести из них, в том числе Bacteroidetes и Firmicutes. Самые успешные микробы – победители в соревновании за право жить в людях, – происходят от очень небольшого набора предков и составляют основу человеческого микробиома. Со временем они развили специализированные свойства, которые помогли им занять определенные ниши человеческого тела. Среди них: умение выживать в кислой среде, питаться конкретной пищей, предпочитать сухие, а не влажные условия (или наоборот).
Коллективно эти бактерии весят около полутора килограммов, примерно столько же, сколько ваш мозг, и представляют собой около десяти тысяч отдельных видов. Ни в одном зоопарке США не наберется такого разнообразия животных, как в нашем, невидимом человеческом.
Пока вы находились в чреве матери, у вас не было бактерий{23}. Но во время родов и после них вас колонизировали триллионы микробов. Позже рассмотрим подробнее этот потрясающий процесс. Микроорганизмы очень быстро размножаются с нуля до триллионов. В первые три{24} года происходит сложный и тщательно отработанный процесс перехода от бактерий-«основателей» к последующим обитателям.
В конце концов, на каждом участке внешней и внутренней поверхности тела образуется уникальная популяция. Бактерии, грибки и вирусы, например на ваших руках – не такие, как во рту или в кишечнике.
Ваша кожа – огромная экосистема размером чуть больше половины стандартного листа фанеры; площадь ее плоскостей, складок, морщин и щелей составляет немногим меньше двух квадратных метров. Большинство этих пространств очень маленькие, даже микроскопические. Гладкая кожа, если присмотреться внимательнее, больше напоминает поверхность Луны с ее кратерами, холмами и долинами. Какие микробы где живут, зависит от условий: маслянистая ли поверхность, как на лице, влажная, как в подмышке, или сухая, как на предплечье. У потовых желез и волосяных фолликул тоже есть свои микробы. Одни едят мертвую кожу, другие производят увлажнители из масел, выделяемых ею, третьи мешают вредным бактериям и грибкам вторгнуться в ваше тело.
Если говорить о носе, то исследователи недавно обнаружили, что многие патогены (болезнетворные микробы) совершенно мирно живут в носовой полости здоровых людей. Один из них, Staphylococcus aureus, обладает особенно плохой репутацией. Он вызывает фурункулы, синуситы, отравления и даже заражения крови. Но при этом может вполне безопасно существовать, ничего не делая. В каждый момент времени треть, а то и больше, людей переносят в носу золотистый стафилококк.
Больше всего микробов обитают в пищеварительном тракте – начиная с самого верха, рта. Посмотрев в зеркало, вы сразу увидите, что он разделен на несколько зон – например, зубы, язык, щеки, нёбо. У каждой по несколько поверхностей. У языка есть верх и низ. У каждого зуба несколько поверхностей, плюс место соединения с деснами. Можно смело утверждать, что на каждой живут разные бактерии{25}. Мы немало узнали об этом из проекта «Микробиом человека», пятилетней программы, запущенной Национальным институтом здравоохранения в 2007 году. Среди прочего в его рамках занимались секвенированием генетического материала микробов, взятых у 250 здоровых молодых людей{26}. Один из основных выводов – хотя перепись бактериального населения и показала немалое сходство между подопытными – каждый человек уникален. На уровне микроорганизмов мы отличаемся друг от друга куда сильнее, чем на генетическом. Наш набор микробов – действительно наш, личный. Тем не менее существуют и общие принципы организации. Можно их рассмотреть на примере желудочно-кишечного тракта.
Исследователи проекта взяли много мазков изо рта. Некоторые семейства, например Veillonella, Streptococci и Porphyromonas, оказались распространены во многих частях тела, но распределены были по-разному. Другие организмы, напротив, населяли ограниченное пространство.
Самая богатая микроорганизмами зона во рту – десневая борозда, место между зубами и деснами. Она просто кишит ими, причем многие анаэробны – не любят кислород{27}, даже погибают из-за него. Может показаться странным, что у нас во рту, где постоянно находится воздух, в котором, естественно, содержится кислород, живут бактерии, которые к нему очень чувствительны, но это так. Значит существуют особые ниши, в том числе очень маленькие, где могут жить и процветать анаэробные бактерии.
Вам когда-нибудь было интересно, почему с утра изо рта пахнет иначе, чем днем? Все потому, что во время сна вы в основном дышите носом. Воздухообмен во рту замедляется, и популяция анаэробных бактерий растет. Они вырабатывают химические вещества, в том числе летучие, которые и вызывают «утренний запах». Чистя зубы, вы удаляете частички пищи и уничтожаете целые популяции бактерий. Общее количество уменьшается, пропорции меняются. Этот цикл продолжается и в течение дня.