Родни Дитерт - Человеческий суперорганизм
Вскоре после рождения ребенка микробы заселяют и другие части его тельца, открытые для воздействия внешней среды (например, дыхательные и мочеполовые пути). Вообще говоря, о микробах пищеварительного тракта известно сегодня гораздо больше, чем о микроорганизмах других частей тела. Но этот факт отражает всего-навсего больший объем научных исследований, посвященных изучению кишечного микробиома, чем микрофлоры кожи, дыхательных путей или мочеполовой системы.
По мере роста и развития ребенка постепенно растет и созревает и его микробиом. Речь идет о настоящем партнерстве малыша с микробами, тонко приспособленными к существованию в определенных частях его тела и взаимодействиям именно с теми клетками, из которых эти части тела состоят. Каждая стадия роста и развития ребенка сопровождается изменениями как его физиологических систем, так и микробной смеси в его теле. События, происходящие с микробиомом на этих ранних стадиях, имеют критическое значение для здоровья человека в будущем. Это связано с тем, что с момента зачатия и на протяжении первых двух лет жизни малыш очень чувствителен к так называемому перинатальному программированию активности его генов. Эти периоды (окна) развития, которые в своих ранних публикациях я назвал «критическими окнами уязвимости», представляют собой этапы развития, когда внимательная забота и кормление микробиома могут принести впоследствии максимальные дивиденды. Похоже, для каждой физиологической системы существуют специфические «критические окна уязвимости», когда она особенно чувствительна к внешним воздействиям, включая и эффекты микробиома. А это значит, что формирование хорошо сбалансированного микробиома в ранней жизни повышает шансы человека на крепкое здоровье в будущем.
Откуда мы взялись?
Мир микробов гораздо обширнее, сложнее и разнообразнее, чем мы привыкли считать. В почве и тканях некоторых растений живут бактерии, способные «фиксировать» атмосферный азот. Они могут поглощать этот газ из воздуха и превращать его в соединения (например, аммонийные), которые могут усваивать горох, соя, люцерна и другие бобовые растения, обогащая ими почву. В свою очередь, эти мутуалистические азотфиксирующие бактерии, живущие в клубеньках на корнях растений (за что их обычно называют клубеньковыми бактериями), получают от растения источник энергии — сахара.
Без преувеличения можно сказать, что сама Земля находится внутри гигантского «микробного пузыря». Как показали недавние исследования, область распространения микробов простирается до верхних слоев атмосферы с невероятно суровыми жизненными условиями. Более того, по мнению многих ученых, микробы, по-видимому, могут влиять на климат нашей планеты (а быть может, даже управлять им). Анализ недавно бушевавших на планете ураганов показал, что бактериальные сообщества в центре вращающейся воронки воздуха сильно отличаются по своему составу от обычной бактериальной флоры верхних слоев атмосферы. Ураганы — это сильные возмущения атмосферы, вызывающие резкие сдвиги в распределении атмосферных микробов по сравнению с нормой; не исключено, что события, происходящие в человеческом теле при различных «пертурбациях» микробиома, сходным образом приводят к возникновению «ураганов» в виде неинфекционных болезней.
Один из актуальных вопросов современной науки — способность микробов жить в космосе. Одну из недавно открытых бактерий, отличающуюся невероятной выносливостью, ученые дважды обнаруживали в различных установках космических агентств, которые подготавливали к отправке в космос тщательнейшим образом стерилизованные материалы. Первый из этих случаев произошел в Космическом центре Кеннеди во Флориде, второй — в Европейском космическом агентстве во Французской Гвиане. Недаром ученые присвоили этой новой бактерии название, часть которого на латинском языке означает «чистый». Имеются свидетельства, что некоторые бактерии способны выживать в суровых космических условиях. Эксперименты, проведенные на Международной космической станции, показали, что споры бактерий Bacillus pumilus, предварительно выделенных из образцов материалов ее внутренней отделки, и в самом деле сохраняли жизнеспособность после длительного пребывания в открытом космосе. Бактериальные клетки, в которые впоследствии превратились эти споры, обнаружили повышенную устойчивость к большинству повреждающих воздействий ультрафиолетового излучения.
Независимо от того, являемся ли мы суперорганизмами, возникшими здесь, на Земле, или в каких-то других местах Вселенной, ясно одно: микробы были неотъемлемой частью жизни наших древнейших предков. Необычная команда дотошных исследователей с антропологических, информационно-технологических, экологических и биохимических факультетов нескольких американских университетов изучила микробы, присутствующие в образцах экскрементов, которые были найдены во время археологических раскопок поселений древнейших человекоподобных существ. Ученые установили, что содержащиеся в этих образцах микробы во многом соответствовали микробиомам современных людей. При этом самое большое сходство было выявлено между микробиомами наших вымерших древних предшественников и современных людей, живущих в земледельческих общинах. Городской образ жизни, похоже, вызвал значительные изменения нашего микробиома, так что он стал сильно отличаться от микробиома наших самых древних из найденных до сих пор предков.
И неудивительно: ведь по мере того как на заре развития человечества менялось наше поведение и источники пищи, изменялся и наш микробиом. Австралийские ученые провели анализ ДНК микробиома ротовой полости людей на разных стадиях развития человеческой цивилизации, использовав в качестве лабораторного материала археологические находки древних зубов. Они обнаружили, что переход первобытных людей от охоты и собирательства к земледелию и скотоводству был напрямую связан с изменением бактериальных сообществ в их ротовой полости. Наш микробиом как нельзя лучше соответствует нашему образу жизни — и так было испокон века.
Смелое утверждение, что человечество обязано своим непрерывным существованием микробам и без своих микробных партнеров перестанет эффективно функционировать и даже утратит здоровье, совсем не так крамольно, как может показаться на первый взгляд. Надежный фундамент для такого представления заложила своими работами Линн Маргулис — знаменитый биолог, член Национальной академии наук США, а затем и профессор Бостонского университета. Одно время Маргулис была замужем за Карлом Саганом — астрономом, физиком и биологом, профессором Корнеллского университета и популяризатором науки, впоследствии прославившимся на весь мир благодаря телесериалу «Космос». А теперь попробуйте представить себе, какие разговоры вели эти супруги за обеденным столом! В течение нескольких лет Маргулис и Саган составляли типичную «ученую» чету, но еще до того, как к каждому из них пришла настоящая слава, их жизненные пути разошлись…
В 1967 г. Маргулис предположила, что древние бактерии имели столь критическое значение для функционирования наших собственных клеток, что последние начали поглощать их и включать в собственную структуру. Эндосимбиоз — это взаимовыгодное сосуществование двух организмов, относящихся к разным доменам жизни, при котором один из организмов обитает внутри другого. Люди, как и все другие млекопитающие, имеют клетки с ядром и относятся к домену эукариот (Eukaryota). Нашими клетками в буквальном смысле поедались одноклеточные организмы, относящиеся к домену бактерий, но не переваривались ими, а сохранялись вместе с их генами в своей цитоплазме как часть новых гибридных клеток. Такими «останками» древних бактерий являются митохондрии, находящиеся в каждой человеческой клетке за пределами ядра, где «живут» наши хромосомы и гены. Все клетки живых существ, имеющие ядро, имеют и митохондрии.
Клетки растений оснащены не только митохондриями, но хлоропластами — зелеными органеллами, осуществляющими фотосинтез, которые в незапамятные времена тоже, по-видимому, были бактериями. Как митохондрии, так и хлоропласты обеспечивают клетки энергией, но делают это совершенно иначе, нежели сами клетки. В результате вновь возникшие гибридные клетки обрели дополнительную жизнеспособность и приспособляемость.
Суть этой концепции изложена в книге «Обретение геномов» (Acquiring Genomes), написанной Линн Маргулис совместно со своим сыном Дорионом Саганом. Маргулис считала, что виды, установившие эндосимбиотические отношения с другими видами, прогрессировали в эволюционном отношении гораздо быстрее, чем «виды-одиночки». Это утверждение, очевидно, не могло прийтись по нраву сторонникам строгого дарвинизма, традиционно отстаивавших идею медленного, скучного эволюционного развития на основе мутаций. Но, в самом деле, зачем так долго ждать и надеяться на сомнительные мутации, когда можно выпросить, позаимствовать или попросту украсть полезный геном либо, на худой конец, некоторые полезные бактериальные гены? В конце концов, существуют убедительные свидетельства того, что живые существа нередко обмениваются своими генами. Результаты молекулярных исследований указывают и на то, что многие хромосомные гены эукариот, возможно, изначально возникли у архей и бактерий. Иными словами, люди — химеры. И похоже, некоторые функции, осуществляемые человеческим геномом, возникли еще у наших бактериальных прапрапредков.
