Роб Найт Смотри, что у тебя внутри. Как микробы, живущие в нашем теле, определяют наше здоровье и нашу личность
Follow Your Gut
The Enormous Impact of Tiny Microbes
ROB KNIGHT
WITH BRENDAN BUHLER
TED, the TED logo, and TED Books are trademarks of TED Conferences, LLC
TED BOOKS and colophon are registered trademarks of TED Conferences, LLC
Cover and interior design by MGMT. design Illustrations by Olivia de Salve Villedieu
© 2015 by Rob Knigth. All rights reserved.
© Е. Валкина, перевод на русский язык, 2015
© ООО “Издательство АСТ”, 2015
Издательство CORPUS ®
* * *Предисловие
Мы знаем, кто вы такой: человеческое существо, двуногое животное с бесконечными возможностями разума, наследник всего сущего, никогда не прочитавший до конца ни одного пользовательского соглашения – просто поставьте, где надо, галочку. А теперь знакомьтесь, это тоже вы: триллионы мельчайших существ, обитающих в ваших глазах, ушах и обширных поместьях, именуемых вашим кишечником. И этот внутренний микромир может перевернуть ваше понимание ваших болезней, вашего здоровья и самого себя.
Благодаря новым технологиям (многие из них были разработаны за последние несколько лет) ученые сегодня знают о микроскопических формах жизни внутри нас больше, чем когда-либо прежде. И то, что мы узнаём, поразительно. Эти одноклеточные организмы – микробы – оказались не только гораздо многочисленнее, чем мы думали, они в немыслимых количествах обитают почти в каждом уголке нашего тела и играют куда более важную роль, чем мы когда-либо могли себе представить: от них зависят очень многие стороны нашего здоровья и даже нашей личности.
Собрание микроскопических тварей, для которых наш организм служит домом, называется микробиотой человека (иногда также – микрофлорой и микрофауной), а совокупность их генов – человеческим микробиомом. И, как это часто бывает с научными открытиями, новые факты о микромире заставляют нас смирить наше эго. Астрономия уже объяснила нам, что наша планета – вовсе не центр Вселенной, эволюция научила нас, что человек – лишь один из видов животных. Составление человеческого микробиома учит нас, что в доме нашего тела наш собственный голос тонет в хоре независимых (и взаимозависимых) форм жизни с их собственными устремлениями и программами.
Сколько же всего внутри нас микроорганизмов? Вы состоите из приблизительно десяти триллионов человеческих клеток – но в вашем теле содержится около ста триллионов микробных клеток[1]. То есть вы – это в огромной степени не вы.
Но это не значит, что человек – всего лишь вместилище крошечных созданий, случайно попавших внутрь его тела и разносящих заболевания. На самом деле мы живем в равновесии со всем сообществом населяющих нас микроорганизмов. Их роль не сводится к роли пассивных пассажиров – они участвуют в фундаментальных жизненных процессах, включая пищеварение, иммунные реакции и даже поведение.
Совокупность микробов внутри нас представляет нечто вроде объединения различных сообществ. Разные части организма населяют различные группы видов, имеющие специализированные функции. Микробы, живущие во рту, отличаются от тех, которые живут на коже или в кишечнике. Мы не просто отдельные личности; каждый из нас – экосистема.
Разнообразие микроорганизмов помогает объяснить даже такие индивидуальные особенности, которые мы привыкли списывать на случайность или невезение. Скажем, почему некоторых из нас так любят комары? Например, меня эти маленькие демоны почти не кусают, в то время как на мою подругу Аманду они летят, как пчелы на мед. Оказывается, некоторые из нас действительно вкуснее с точки зрения комаров, и главная причина столь избирательной “аппетитности” – различия в составе микробных сообществ, обитающих на нашей коже (подробнее об этом – в главе 1).
И это еще не все: разнообразие микробов, которые живут на нас и внутри нас, просто потрясает. Вероятно, вам приходилось слышать, что если сравнивать ДНК, то все мы, люди, примерно одинаковы: наш геном на 99,99 % совпадает с геномом любого другого человека, например вашего соседа. Но это не касается микрофлоры вашего кишечника: здесь могут совпадать всего 10 % микробов.
Этим можно объяснить огромные различия между людьми – от разницы в весе до непохожих аллергий, от вероятности заболеть до уровня тревожности. Мы еще только начинаем систематизировать – и понимать – этот необозримый микромир, но выводы первых исследований уже ошеломляют.
Бесконечное разнообразие мира микробов особенно впечатляет, если учесть, что каких-то сорок лет тому назад мы понятия не имели, насколько многочисленны одноклеточные организмы и какое невероятное количество видов они насчитывают. До этого основные принципы классификации живых организмов основывались на книге Чарльза Дарвина “Происхождение видов”, увидевшей свет в 1859 году[2]. Дарвин изобразил древо эволюции, сгруппировав все организмы по общим физическим признакам: короткоклювые вьюрки, длинноклювые вьюрки и так далее; и в течение долгого времени этот принцип оставался основой классификации и систематики.
Традиционные представления о жизни базировались на том, что люди могли увидеть в окружающем их мире – невооруженным глазом или в микроскоп. Более крупные организмы были поделены на растения, животные и грибы. Оставшиеся одноклеточные организмы попали в две крупные категории: протисты (простейшие) и бактерии. Что касается растений, животных и грибов, мы были правы. Но вот наши представления об одноклеточных оказались абсолютно ошибочными.
В 1977 году американские микробиологи Карл Вёзе и Джордж Э. Фокс предложили новый вариант “древа жизни”, основанный на сравнении различных форм жизни на клеточном уровне с использованием рибосомной рибонуклеиновой кислоты – родственницы ДНК, которая присутствует в любой клетке и участвует в синтезе белков. Картина была ошеломляющей. Вёзе и Фокс обнаружили, что одноклеточные организмы более разнообразны, чем все растения и животные, вместе взятые. Как выяснилось, животные, растения, грибы; все люди, медузы, навозные жуки; любая нить водорослей, любой клочок мха, устремленные вверх калифорнийские секвойи; все лишайники и лесные грибы – все живое, что мы видим вокруг, – это всего лишь три отростка на конце одной ветви эволюционного древа. Основные же его обитатели – одноклеточные организмы: бактерии, археи (которые были впервые выделены в виде отдельной группы Вёзе и Фоксом), дрожжи и некоторые другие формы жизни.
Только за последние несколько лет в понимании микрожизни внутри нас произошел прорыв, которым мы обязаны новым технологиям, в первую очередь совершенствованию секвенирования ДНК и взрывному увеличению мощности компьютеров. Сегодня при помощи процесса, который называется секвенированием нового поколения, мы можем получать образцы клеток из различных частей организма, быстро анализировать содержащиеся в них микробные ДНК, сравнивать и объединять с информацией из других органов, чтобы идентифицировать тысячи видов микроорганизмов, которые считают наше тело своим домом. Таким образом мы обнаруживаем бактерии, археи, дрожжевые грибы и другие одноклеточные организмы (в частности, эукариоты), совокупный геном которых длиннее нашего собственного.
Ну а новые компьютерные алгоритмы, в свою очередь, значительно упрощают и облегчают интерпретацию этой генетической информации. В частности, теперь мы можем составить микробную карту тела, позволяющую сравнивать сообщества микроорганизмов в различных частях тела и у различных людей. Огромная часть этой информации получена в рамках проекта “Микробиом человека” (Human Microbiome Project), осуществленного под эгидой Национальных институтов здравоохранения США (US National Institutes of Health, NIH). Стоимость исследования составила 170 миллионов долларов, в нем участвовало более двухсот ученых, которые на сегодняшний день собрали и проанализировали не менее 4,5 терабайт данных. И это только начало; другие международные проекты, такие как “Исследование состава биоты желудочно-кишечного тракта человека” (Metagenomics of the Human Intestinal Tract Consortium, MetaHIT), постоянно добавляют и анализируют новые данные.
Стоимость этих анализов все время снижается, благодаря чему все больше людей могут сделать полную перепись живущих в их организмах микробов. Десять лет назад, чтобы проанализировать свой микробиом, вам пришлось бы заплатить сто миллионов долларов. Сегодня подобная информация обойдется всего лишь в сотню баксов – настолько дешево, что врачи скоро станут назначать такие исследования как рутинную медицинскую процедуру.
Но почему же врачам интересен состав вашего микробиома? Потому что появляются все новые и новые исследования, доказывающие связь между нашими микробами и многими нашими заболеваниями, включая ожирение, артрит, аутизм и даже депрессию. А эта связь, в свою очередь, сразу же открывает новые перспективы лечения.
Что только не влияет на наш микробиом – лекарства, диета, количество сексуальных партнеров, даже то, первый ли вы ребенок у своих родителей! Читая последующие страницы, вы убедитесь, что микроорганизмы глубоко включены практически во все аспекты нашей жизни. Они и впрямь заставляют нас по-иному взглянуть на вопрос: “Что же это значит – быть человеком?”
1. Микроорганизмы нашего тела
Итак, попробуем оценить, сколько же микробов обитает внутри нас.
Если считать по массе, то в теле взрослого человека их в среднем около полутора килограммов. Это делает вашу микробиоту одним из самых крупных органов, который по весу соперничает с мозгом и лишь немного уступает печени.
Мы уже знаем, что по абсолютному числу клеток микроорганизмы выигрывают у человека в соотношении десять к одному. А что, если мы сравним наши ДНК? У каждого из нас примерно двадцать тысяч человеческих генов. И в то же время мы несем от двух до двадцати миллионов микробных генов. Это означает, увы, что с точки зрения генетики мы по крайней мере на 99 % являемся микробами!
Чтобы вам было не так обидно, взгляните на это с точки зрения сложности устройства человека. В каждой клетке человека содержится гораздо больше генов, чем в микробной. Просто в вашем организме так много микробов, что в сумме все их гены перевешивают ваши.
Организмы, которые живут в нас и на нас, очень разнообразны. Большинство из них (но не все) – одноклеточные. Они представляют все три основные ветви эволюционного древа. В кишечнике живут представители царства археи – одноклеточные организмы, не имеющие ядер; самые распространенные из них – метаногены, которые существуют без кислорода, помогают переваривать пищу и выделяют газ метан (у коров они тоже есть).
Далее идут эукариоты: грибки микозов кожи и дрожжевые грибки, которые создают колонии в вагине и иногда в кишечнике. Но доминируют над всеми бактерии – например, эшерихия коли (Escherichia coli), кишечная палочка, которая у нас ассоциируется прежде всего с расстройством желудка, случающимся из-за плохо промытой зелени. Однако безвредные и полезные разновидности этой бактерии практически всегда присутствуют в наших внутренностях.
И каждый день благодаря новым технологиям мы узнаем, что этот мир еще разнообразнее, чем нам казалось раньше. Это как если бы мы прошли по океану с тралом с очень крупными ячейками, а потом, осмотрев улов, заключили бы, что в море водятся лишь киты и гигантские кальмары. Теперь же мы открыли, что жизнь у нас внутри гораздо более многообразна. Например, вы можете предположить, что любые две бактерии у вас в кишечнике, набросившиеся на ваш последний бутерброд, очень похожи друг на друга, как, скажем, анчоусы или сардины. Но на самом деле у них не больше общего, чем у морского огурца (голотурии) и большой белой акулы: это два существа с абсолютно разными поведением, пищей и экологической ролью.
Итак, где находятся все наши микробы и какова их роль? Чтобы узнать это, давайте совершим экскурсию по нашему телу.
КожаГоворят, Наполеон, возвращаясь из военного похода, писал императрице Жозефине: “Буду в Париже завтра вечером. Не принимай ванну”. Он предпочитал естественный запах своей обожаемой супруги, причем концентрированный. Но почему же, когда мы на какое-то время остаемся без мыла, дезодорантов, пудры и духов, от нас начинает так плохо пахнуть? Главным образом из-за микробов, которые питаются нашими выделениями и делают их еще более пахучими.
Ученые до сих пор пытаются, извините за каламбур, разнюхать, какой практической цели служит деятельность существ, обитающих на самом обширном нашем органе – коже. Одно известно точно: они вносят вклад в формирование запаха нашего тела, включая и те компоненты этого запаха, которые привлекают комаров[3]. Как уже отмечалось, кровососущие насекомые действительно предпочитают запахи одних людей другим, и виноваты в этом микробы. Они расщепляют вещества, которые выделяет кожа, на летучие соединения, которые могут нравиться или не нравиться комарам. Причем разные виды комаров предпочитают различные участки наших тел. Например, для Anopheles gambiae, одного из основных разносчиков малярии, наиболее привлекателен не запах подмышек, а запах рук и ног.
В этой связи возникает заманчивое решение: если втереть в кожу рук и ног антибиотик, можно предотвратить нападение этого вида комаров, потому что, убивая микробов, вы убиваете запах.
Микробы, живущие на нашей коже, – как и все остальные микробы, – необязательно существуют специально для нашего блага. Но они, будучи добросовестными жильцами, и в самом деле здорово нам помогают: уже тем, что они на нас живут, они мешают другим, вредным, микробам нас заражать. На различных участках кожи обитают различные микробы, причем разнообразие – количество видов – необязательно пропорционально количеству микробов, имеющихся на том или ином участке. Иногда бывает как раз наоборот. Если проводить аналогию с Америкой, представьте себе, что штат Вермонт (население 600 тысяч человек) этнически столь же разнообразен, как Лос-Анджелес (десять миллионов человек), а Лос-Анджелес стал таким же моноэтничным, как Вермонт. У вас на лбу и под мышками огромное количество микробов, но сравнительно немногих видов; и наоборот, на руках (ладонях и предплечьях) относительно немного микробов, зато весьма разнообразных[4]. Микробные сообщества на руках у женщин, как правило, более разнообразны, чем у мужчин, и эта разница сохраняется, несмотря даже на мытье рук, и это заставляет предположить, что причина, пусть еще и неизвестная, кроется в биологических различиях[5].
Более того, мы обнаружили, что микробы, живущие на вашей левой руке, отличаются от живущих на правой. Вы можете потирать руки, хлопать в ладоши и касаться обеими руками одних и тех же поверхностей – на каждой все равно развивается отдельное микробное сообщество. Этот факт вдохновил нас с профессором Ноем Фирером из Университета Колорадо в Боулдере на попытку воспроизвести одно из самых знаменитых открытий общей биологии. В свое время, пытаясь объяснить распространение и распределение организмов на изолированных островах и связь между разнообразием видов и занимаемой территорией, британский биолог и антрополог Альфред Рассел Уоллес вместе с другими учеными разработал сложную теорию биогеографии[6]. Уоллес, современник Дарвина, одновременно с ним и независимо от него разработавший учение о естественном отборе, нанес на карту линию, которая проходит через современные Индонезию и Малайзию и отделяет азиатскую фауну (обезьяны и носороги) от австралийской (какаду и кенгуру). Мы с Фирером заинтересовались, можно ли провести такую же “линию Уоллеса” на клавиатуре компьютера между клавишами G и H – эта линия, по идее, должна разделять половины клавиатуры с четко отличающимися микробными популяциями. Мы также хотели проверить, будет ли на клавише “пробел” больше видов микробов – просто потому, что она гораздо длиннее всех остальных.
Наши результаты подтвердили существование своего рода “линии Уоллеса”, но мы обнаружили нечто куда более удивительное: каждый палец и соответствующая ему клавиша характеризовались примерно одинаковым микробным сообществом. Мы также смогли по микробному профилю ладони с точностью до 90 % определить хозяев компьютерной мыши[7]. Микробное сообщество на вашей руке сильно отличается от аналогичных сообществ других людей (по разнообразию видов – в среднем на 85 %), что означает, что у каждого из нас, помимо обычных, есть еще и микробные отпечатки пальцев.
Мы пошли дальше и провели эксперименты, чтобы узнать, сколько раз нужно коснуться предмета, чтобы оставить отчетливый микробный след. Это исследование еще слишком неполное, чтобы использовать его результаты в суде. Но на телевидении приняты, скажем так, более упрощенные стандарты доказательств, поэтому вскоре после того, как мы опубликовали статью на эту тему, был показан очередной эпизод сериала “Место преступления: Майами”, где сюжет строился на судебно-медицинской экспертизе микробного отпечатка[8].