Как микробы управляют нами. Тайные властители жизни на Земле - Эд Йонг

Изучение микробиомов начинается точно так же: первым делом нужно перечислить микробиомы разных животных или разных участков тела на одном животном. Где какие виды обитают? Почему? И почему не обитают там, где не обитают? Перед тем как заняться исследованием их влияния на организм, нужно обратиться к их биогеографии. Исследования Уоллеса и его коллекция позволили ему сформулировать самый важный постулат биологии: виды изменчивы. «Возникновение каждого вида совпадает в пространстве и во времени с уже существующим близкородственным видом», – писал он много раз, иногда курсивом[20]. Животные постоянно соревнуются между собой, а сильнейшие из них выживают и размножаются, передавая свои преимущества своему потомству. Иными словами, они эволюционируют путем естественного отбора. Это стало самым важным озарением за всю историю науки, а ведь началось все с неутомимого желания узнать больше об окружающем мире и исследовать его, а также со склонности подмечать, кто где живет.

Кроме Уоллеса по миру в поисках сокровищ природы скитались и многие другие натуралисты. Чарлз Дарвин совершил кругосветное путешествие на борту корабля «Бигль»: за пять лет он обнаружил окаменевшие кости гигантских ленивцев и броненосцев в Аргентине, встретил гигантских черепах, морских игуан и разнообразных пересмешников с Галапагосских островов. Его приключения и коллекции заронили интеллектуальные семена той же идеи, что дала ростки и в мыслях Уоллеса, – теории эволюции, которая позднее станет неразрывно связана с именем Дарвина. Томас Генри Гексли, которого окрестили «бульдогом Дарвина» за активную пропаганду идеи естественного отбора, побывал в Австралии и Новой Гвинее, где изучал морских беспозвоночных. Ботаник Джозеф Хукер добрался аж до Антарктиды, по пути собирая образцы растений. А уже совсем недавно Эдвард Осборн Уилсон, закончив изучать муравьев Меланезии, написал учебное пособие по биогеографии.

Многие считают, что эти знаменитые ученые обращали внимание лишь на видимый мир животных и растений, игнорируя скрытый мир микробов. Это не совсем так. Дарвин, несомненно, пополнил свою коллекцию микробами, попавшими на палубу «Бигля», – он их называл инфузориями[21]. Также он вел переписку с ведущими микробиологами[22]. С оборудованием того времени у него попросту не было возможности углубиться в эту тему.

А вот современные ученые способны собирать образцы микроорганизмов, разделять их на части, извлекать ДНК и распознавать их путем секвенирования генов. Таким образом, они делают все то же самое, что и Дарвин с Уоллесом в свое время. Они собирают образцы в разных местах, опознают и задают главный вопрос: что где живет? Они тоже занимаются биогеографией, только в другом масштабе. На смену размахиванию сачком для бабочек приходят аккуратные мазки ватной палочкой. Прочесть данные генома – все равно что пролистать определитель. А день, проведенный в зоопарке, можно сравнить с путешествием на «Бигле» – он шел от острова к острову, а микробиологи переходят от вольера к вольеру.

Дарвин, Уоллес и их коллеги относились к островам с особым любопытством. Оно и понятно – ведь самые причудливые и прекрасные формы жизни встречаются именно там. Благодаря изоляции островов от окружающей природы и их ограниченным размерам эволюция там может разгуляться на всю катушку. Принципы, по которым работает биология, там проявляются куда четче, чем на обширном материке по соседству. Но остров – это не только окруженный водой участок суши. Для микробов любой организм-хозяин является островом – целым миром, вокруг которого пустота. Рука, которой я глажу Бабу в зоопарке Сан-Диего, – это плот, на котором микроскопические обитатели острова-человека переезжают на остров-панголин. Взрослый человек, слегший с холерой, – словно остров Гуам, захваченный завезенными туда змеями. Человек – не остров? А вот и неправда: для бактерий мы все – острова[23].

Каждый из нас обладает своим собственным уникальным микробиомом. Его формируют унаследованные нами гены, принятые лекарства, рукопожатия, возраст, а также то, где мы жили и что мы ели. В плане микробов мы очень похожи, но при этом такие разные. Когда микробиологи только занялись составлением полного списка человеческих микробов, они планировали открыть некую основу микробиома – группу видов, обитающих в организме каждого. Сейчас сам факт существования такой основы является спорным[24]. Некоторые виды встречаются часто, но не везде. Если основа и есть, то на уровне функций, а не организмов. Есть определенные задачи, например, переварить некие питательные вещества или исполнить какой-нибудь особый метаболический трюк, и выполняют их всегда микробы – вот только не одни и те же. Эту же тенденцию можно наблюдать и в мире животных. Птицы киви в Новой Зеландии роются в мусоре в поисках червей, а в Англии этим занимаются барсуки. Тигры и дымчатые леопарды – гроза лесов на Суматре, тем временем на Мадагаскаре, где кошачьи не водятся, ту же роль выполняют фоссы, млекопитающие из семейства мадагаскарских виверр, а на Комодо главным хищником в пищевой цепочке является огромный варан. Одни и те же задачи выполняются разными видами на разных островах. Острова эти могут представлять из себя как участки суши, так и разных людей.

На самом деле человек скорее напоминает архипелаг – цепочку островов. На каждом отдельном острове Галапагосов обитают свои разновидности вьюрков и черепах, а на каждой части нашего тела – своя микробная фауна. На коже микробиом по большей части состоит из бактерий Propionibacterium, Corynebacterium и Staphylococcus; Bacteroides правят в кишечнике, Lactobacillus – во влагалище, а Streptococcus – в полости рта. В самих органах бактерии тоже неоднородны. Микроорганизмы, обитающие в начале тонкой кишки, отличаются от тех, что проживают в прямой кишке. Над десневым краем и под ним живут разные микробы. Жирные участки на лице и груди заселили одни микробы, жаркие и влажные заросли в области паха и под мышками – другие, а третьи захватили сухие пустыни на предплечьях и ладонях. Кстати, о ладонях: население вашей правой ладони всего на одну шестую совпадает с населением левой[25]. Разница между частями тела в этом плане во много раз превосходит разницу между людьми. Проще говоря, бактерии у вас на предплечье больше напоминают бактерий на моем предплечье, чем у вас же во рту.

Микробиом меняется не только территориально, но и со временем. Когда ребенок при рождении покидает идеально чистый мир маминого живота, его тело сразу заселяют вагинальные микробы матери. Почти три четверти штаммов микроорганизмов новорожденного совпадают с материнскими. Затем начинается экспансия. Ребенок получает новые виды бактерий от родителей и окружающего мира, и микробиом его кишечника постепенно становится все разнообразнее[26]. Главенствующие в кишечнике виды сменяют друг друга, ведь рацион младенца меняется: на смену Bifidobacterium, специализирующимся на переваривании молочных продуктов, приходят Bacteroides, любители углеводов. Вместе с микробами меняется и их поведение. Они начинают производить разнообразные витамины и подготавливают кишечник к перевариванию взрослой пищи.

Это очень бурный период, но его этапы вполне предсказуемы. Представьте, что будет происходить в лесу после пожара или на новорожденном острове, только что высунувшемся из океана на поверхность. И там, и там вскоре появятся самые незамысловатые обитатели – мхи и лишайники. За ними подтянутся трава и мелкие кустарники, а потом и деревья. Экологи называют этот процесс сукцессией, или сменой сообществ, и к микробам данное понятие тоже применимо. Микробиому новорожденного требуется от одного до трех лет, чтобы достичь зрелого состояния, а потом наступает стабильность. Да, микробиом меняется изо дня в день, от рассвета до заката, даже от обеда к ужину, но эти изменения ничтожны по сравнению с теми, что произошли в первые годы жизни. Микробиом взрослого человека динамичен, но лишь на фоне общей стабильности[27].

У разных животных смена микробных сообществ происходит по-разному, потому что мы – довольно привередливые хозяева. Колонизировать нас дано не любым микробам, а тем, что дано, мы можем сами подбирать товарищей. Как именно это делается, мы узнаем чуть позже, а пока будем иметь в виду, что микробиом человека отличается от микробиома шимпанзе, который отличается от микробиома гориллы, – примерно как леса Борнео с орангутанами, карликовыми слонами и гиббонами не похожи на леса Мадагаскара с лемурами, фоссами и хамелеонами, а те, в свою очередь, на леса Новой Гвинеи с райскими птицами, валлаби и казуарами. Мы знаем об этом благодаря ученым, которые прошлись ватной палочкой по всему животному миру. Они описали микробиомы панд, валлаби, комодских варанов, дельфинов, лори, дождевых червей, пиявок, шмелей, цикад, погонофор, тлей, белых медведей, дюгоней, питонов, аллигаторов, мух цеце, пингвинов, попугаев какапо, устриц, капибар, летучих мышей, морских игуан, кукушек, индеек, грифов-индеек, павианов, палочников и многих других животных. Они секвенировали микробиомы новорожденных, недоношенных, детей постарше, взрослых, пожилых, беременных женщин, близнецов, жителей крупных городов США и Китая, деревенских жителей из Буркина-Фасо и Малави, охотников и собирателей из Камеруна и Танзании, никогда прежде не контактировавших с цивилизованным миром представителей амазонских племен, стройных и полных людей, а также здоровых и больных.