Дикий мир нашего тела. Хищники, паразиты и симбионты, которые сделали нас такими, какие мы есть

Термиты питаются тем, что неспособны переварить никакие другие животные (за редким исключением). Питательные вещества, содержащиеся в древесине и листьях, делятся на два больших класса – лигнин и целлюлозу. Эти соединения не расщепляются в кишечнике большинства животных, особенно устойчив в этом отношении лигнин. Долгое время оставалось непонятным, каким образом термитам удается делать их трудную и необходимую работу. И вот в начале ХХ века Джозеф Лейди – человек, которому было суждено стать отцом американской микробиологии, а также отцом палеонтологии динозавров, – вскрыл кишечник термита. Никто не знает, что он ожидал там увидеть – возможно, перемолотую древесину. В действительности Лейди обнаружил, что в кишках термитов кипит разнообразная жизнь. Всевозможные живые существа толклись в кишечнике этих насекомых, как люди, гурьбой покидающие кинозал после окончания сеанса. В этой толпе были бактерии, простейшие, грибы и еще бог знает кто. Обитатели кишечника термитов за сотню миллионов лет эволюции выработали весьма полезные черты, позволявшие им переходить из организмов предыдущих поколений к термитам поколений следующих. Таким образом, все эти микроорганизмы получали неограниченный доступ к древесине и листьям. Со своей стороны, термиты тоже усовершенствовали кишечник, чтобы вся эта масса жильцов могла там вольготно себя чувствовать. В самом деле, подвиды термитов отличаются друг от друга формой и биохимией их кишечника. Термиты, в кишках которых обитают разные виды микроорганизмов, способны питаться разными видами древесины. Одни микробы лучше расщепляют перегной, другие специализируются на листьях, третьи предпочитают древесину. Некоторые термиты за счет обитающих в них микробов умеют извлекать азот из воздуха, то есть в буквальном смысле слова питаются ветками и воздухом.

Так же как в случае с морскими свинками, в отношении термитов тут же возник вопрос: полезны ли для термитов их микробы? Проверить это на насекомых было легче, чем на морских свинках. Термитов можно заморозить, это убьет микробов, но пощадит насекомых. Можно положить термитов в ледник и через некоторое время извлечь их оттуда. Термиты медленно оттаивают, а потом удивленно осматриваются, словно они впервые появились на свет. В каком-то смысле это действительно так и есть – после замораживания термиты утрачивают обоняние и теряют способность узнавать собственную матку. Собственно, вы сами можете провести этот опыт, если живете в местности, где водятся термиты, и у вас есть ледник или морозилка. Когда такой эксперимент был проведен впервые, ученые были поражены его результатом – по крайней мере, в свете работ Рейнирса. Когда с помощью холода убивали кишечную флору термитов, насекомые погибали. По инерции они продолжали питаться привычной пищей, но она проходила сквозь их кишечник, не перевариваясь. Можно сказать, что термиты умирали от жажды, стоя посреди реки. Насекомые гибли от истощения, потому что лишились микробов, которые помогали им переваривать древесину. Ни в одном из опытов, проведенных над позвоночными (крысами, морскими свинками, курами и т. д.), не учитывался результат эксперимента с термитами. Для того чтобы это сделать, ученым, работающим с позвоночными, надо было бы встретиться и поговорить с учеными, изучающими термитов. Но эти исследователи – люди замкнутые. Они неохотно общаются даже со специалистами, занимающимися пчелами и муравьями, так что уж говорить об антропологах? Специалистов по термитам на земле насчитывается всего несколько сотен, и они вполне удовлетворены предметом своих исследований. Правда, следует заметить, что и специалисты по позвоночным не проявляют особого интереса к термитам. Таким образом, обе группы ученых продолжали существовать в параллельных мирах несмотря на то, что пришли к совершенно противоположным выводам на основании практически одних и тех же экспериментов – в одном случае ценой потери железа и десяти лет драгоценного времени, а во втором случае всего лишь ценой ледника.

Разница в результатах экспериментов на морских свинках и термитах имеет чрезвычайную важность для всего человечества. Эта разница объясняет, в чем был неправ Рейнирс при попытках ответить на вопрос Пастера. Нет, я не хочу сказать, что Рейнирс совершил какую-то роковую, безумную или непоправимую ошибку [48] . Но это был промах, типичный для всей современной медицины, – Рейнирс не смог посмотреть на интересовавшую его проблему в более широком смысле, а именно в контексте происхождения человека и его современной жизни. Он хотел сделать полезными для науки морских свинок, очистив их от микробов, и преуспел в этом. Но затем он так построил исследование конкуренции между стерильными и обычными морскими свинками, что сделал гибель первых практически невозможной.

48

Тем не менее Рейнирс впал в некое подобие безумия, поддавшись высокомерию. Из-за этого высокомерия Рейнирса в свое время уволили из Лобунда, и ректор объяснил это увольнение «финансовым мошенничеством». Высокомерие также заставило Рейнирса продолжить производство, пропаганду и продажу металлических стерильных камер, стоивших тысячи долларов, несмотря на то, что Филипп Трекслер сумел разработать и запустить в производство пластмассовые камеры стоимостью в сотни долларов. Металлические камеры приносили доход семейному предприятию Рейнирсов, а пластиковые – нет.

Сейчас вы можете сделать паузу и подумать, чем эксперимент с термитами отличается от эксперимента с морскими свинками. Ответ прост: разница в составе пищи, в болезнях и шансах. История с пищей особенно занимательна – это настоящая история Тайной вечери. Термитам, очищенным от живущих в них микробов, предложили ту же еду, какой они питались и раньше. Но без микробов эта пища оказалась бесполезной. Для того чтобы расщепить целлюлозу и лигнин на усваиваемые питательные вещества, нужны целлюлаза и лигназа соответственно. В кишечнике термитов практически не вырабатываются эти ферменты, и поэтому насекомые могут усваивать только простые сахара, а вся листва и древесина, проглоченная ими, доходила до заднего прохода в неизменном виде и выводилась наружу. В отличие от термитов, морские свинки получали полноценное питание – о такой еде в другой обстановке они могли бы только мечтать. К рациону свинок добавляли все мыслимые полезные добавки, и если какая-то диета оказывалась неподходящей (то есть свинки погибали, что случалось множество раз), то ее заменяли другой. Соревнование стерильных и нестерильных морских свинок проходило в неравных условиях – стерильные свинки пользовались гарантированными преимуществами. Для Рейнирса подопытные животные были машинами, которые следовало заправлять самым лучшим топливом. Они были чем-то вроде автомобиля или парового двигателя, который нуждается в постоянной дозаправке. Но морские свинки, как и мы, не машины. Настоящая конкуренция должна проходить в равных условиях, имитирующих естественный отбор в контексте заболеваний.

При повторении опытов Рейнирса в современных пластиковых стерильных камерах подопытные животные чувствуют себя относительно неплохо. Однако здесь есть одно немаловажное «но». Стерильные свинки нуждаются в дополнительном питании, чтобы поддерживать такой же вес, как свинки – носители разнообразных микробов. Стерильных свинок нужно кормить более питательной и полезной пищей, чем обычных животных. Кишечная микрофлора морских свинок, как и микробы, обитающие в организмах термитов (и, как выяснилось, в наших организмах тоже), вырабатывают ферменты, которые отсутствуют у хозяина. Эти ферменты расщепляют поступающие в кишечник субстанции на питательные и легкоусваиваемые вещества, в частности такие, которые связаны между собой в сложные углеводы растительного происхождения – так называемую клетчатку. Например, бактерия Bacteroides thetaiotaomicron выделяет более 400 ферментов, способных расщеплять растительную клетчатку на простые сахара. Подобных ферментов нет ни в вашем, ни в моем организме. Если еды не хватает, то бактерии отчасти могут восполнить этот дефицит. Благодаря микробам в кишечнике морских свинок (и в нашем тоже), и мы, и они способны извлекать из пищи на тридцать процентов больше калорий, чем если бы у нас не было этих бактерий. Это справедливо в отношении любого вида пищи. Микробы способствуют ее более полному усвоению, извлекая из нее больше питательных веществ и калорий, – нравится нам это или нет.

Вторая причина высокой смертности стерильных морских свинок заключается в дефиците некоторых витаминов, в частности витаминов группы В и витамина К. Без микробов позвоночные (то есть и мы, и морские свинки) неспособны их вырабатывать. Витамин К играет важную роль в системе свертывания крови, и, собственно, называется так по первой букве слова «коагуляция» (во всяком случае, в немецком или русском написании). Взрослея, мы накапливаем в организме запасы витамина К, который получаем из растительной пищи и от наших микробов. На свет мы рождаемся с дефицитом витамина К, так как наш кишечник на тот момент стерилен. Грудное молоко не восполняет этот дефицит, так как оно содержит очень мало витамина К. Исторически сложилось так, что главную роль в накоплении витамина К в детском организме играет быстрая колонизация кишечника микроорганизмами. Если младенцу не удается достаточно быстро заполучить микробов в свой кишечник, возникает риск геморрагической болезни новорожденных. У таких новорожденных кровь не свертывается, что может привести к смертельно опасному кровотечению. Для профилактики этого серьезного заболевания всем новорожденным в США и Великобритании сразу после появления на свет делают инъекцию витамина К. В странах, где такая инъекция не предусмотрена законодательством, геморрагическая болезнь новорожденных распространена больше, особенно среди детей, рожденных с помощью кесарева сечения (так как эти новорожденные не контактируют с микроорганизмами родовых путей матери при появлении на свет). Точно так же, как у детей, у которых микробы еще не колонизовали кишечник, риск дефицита витамина К высок среди детей и взрослых, получающих антибиотики, так как они уничтожают кишечную флору, тем самым угнетая ее способность продуцировать жизненно необходимый витамин [49] .

49

Rukhmi, V.; Bhat, C.; and Deshmukh, T. 2003. A Study of Vitamin K Status in Children on Prolonged Antibiotic Therapy. Indian Pediatrics 40: 36–40.

Теперь мы на время отвлечемся от морских свинок и современных младенцев и вспомним о ранних человекообразных, таких как Арди и ее потомки. Попробуем разобраться, были ли микробы только патогенными (как считал Рейнирс), или в качестве симбионтов могли приносить организму предка человека определенную пользу. Мы уже знаем, что микробы продуцировали витамин К в случае его нехватки в пище, но не менее важно и то, что микробы также помогали организму извлекать из съеденной пищи больше калорий – на целых тридцать процентов. Значительная часть этих дополнительных калорий откладывалась про запас в виде жира – очень, кстати, полезного в те далекие времена. Другими словами, микробы по большей части находились с организмами наших далеких предшественников во взаимовыгодном симбиозе. В голодные годы именно бактерии спасали первых человекообразных от смерти. Например, если для того, чтобы собрать достаточное количество еды без микробов требовалось десять часов, то с микробами рабочий день укорачивался до семи, а то и шести часов. Микробы позволяли нашим предкам более эффективно использовать съеденную пищу. Такой симбиоз характерен не только для приматов, но и для множества других видов, этому виду сосуществования десятки миллионов лет. Но преимущества симбиоза с микробами заключаются не только в этом; они также регулировали заболеваемость инфекционными болезнями. Теперь настало время вспомнить Ниту Зальцман, Эми Кросвелл и их мышей.

Как вы помните, Зальцман и Кросвелл наблюдали мышей, которым давали разные комбинации антибиотиков. Кроме того (об этом я еще не упоминал), ученые вводили некоторым мышам патогенные бактерии, вызывающие сальмонеллез. Цель исследования заключалась в том, чтобы узнать, воспрепятствует ли исходная микрофлора мышиного кишечника заражению сальмонеллами, то есть является ли кишечная флора своего рода защитной системой. У бактерий, изначально живущих в кишках мышей, не меньше причин сопротивляться сальмонеллам, чем у самих животных. Мышиный кишечник – это родной дом бактерий, где для них всегда найдется хлеб с маслом (в данном случае консервированный мышиный корм). Итог опыта: мыши, получавшие антибиотики, заболели после заражения сальмонеллами, а животные, антибиотики не получавшие, – не заболели. На фоне введения антибиотиков сальмонеллам было легче через пищевод и желудок проникнуть в полость кишечника, вероятность воспаления которого в этом случае также была выше. Как только в кишечнике мышей восстанавливалась природная микрофлора, сальмонелла больше не могла проникнуть в организм. Очевидно, что бактерии-симбионты конкурируют с сальмонеллами за место под солнцем и изгоняют их прочь. Другими словами, антибиотики убивают привычную бактериальную флору (будь то в нашем или мышином кишечнике) и облегчают вторжение чуждых микробов. Если внедрившиеся бактерии смертельно опасны, то их жертва (опять-таки неважно, мышь или человек) может погибнуть.

Самая близкая экологическая аналогия тому, что наблюдали Кросвелл и Зальцман, – это применение пестицидов в борьбе с огненными муравьями. Огненные муравьи (Solenopsis invicta) в начале ХХ века были случайно завезены из Аргентины – сначала в США, а затем и в другие страны. Когда эти тропические насекомые распространились в Алабаме, было принято решение обработать пораженные площади огромным количеством пестицидов. Как и ожидалось, пестициды уничтожили огненных муравьев, но не пощадили и местных. В долгосрочной перспективе оказалось, что уничтожение муравьев-эндемиков имело очень неприятные последствия. В тех областях, где применили пестициды, местные муравьи восстанавливали свою популяцию очень медленно, чего нельзя сказать об огненных, которые начали стремительно размножаться. Того же мы можем ожидать от полчищ «чужих» бактерий, которые, дождавшись своего часа, дружно атакуют очищенный антибиотиками кишечник.

Но работа Кросвелл и Зальцман – это еще не конец истории. Помимо сотен тысяч бактерий, населяющих наш кишечник, есть еще и микробы, которые живут у нас на коже, в волосах и полости рта. Мы с ног до головы покрыты живыми организмами. Даже в наших легких живут микроскопические грибы. Эти микроорганизмы пока плохо изучены, но уже ясно, что они (как минимум некоторые из них) помогают нам защищаться от дополнительной инфекции. В наши дни эта проблема стала острее, чем прежде, так как теперь у нас есть антибиотики – оружие, без разбора уничтожающее все бактерии подряд. Множество проведенных за последние годы исследований не выявили каких-то преимуществ от добавления антибиотиков к моющим средствам, мылу и другой бытовой химии. Но зато мы знаем, что применение таких средств имеет множество недостатков. Возможно, тщательно дезинфицируя руки с помощью антибактериальных средств, вы увеличиваете свои шансы заразиться инфекционным заболеванием – уничтожая «хорошие» бактерии, вы оставляете вакуум, который с удовольствием заполнят бактерии «плохие».

Чем же в современном мире все это грозит нашему кишечнику? По злой иронии судьбы, мы теперь больше похожи на морских свинок Рейнирса или на лабораторных крыс, чем на нашего потенциального предка Арди. По крайней мере, в развитых странах мы не испытываем недостатка в пище, а кроме того, мы сделали все возможное и невозможное, чтобы очистить наш мир от микробов и сделать его хотя бы отчасти стерильным. Разница заключается не только в том, что, в отличие от морских свинок, мы по-прежнему покрыты живыми микробами. Но при этом мы не получаем сбалансированное по калорийности и составу питание, какое получали лабораторные грызуны. В развитых странах участие микробов в извлечении дополнительных калорий из еды может стать просто катастрофой. Более того – у тех, кто страдает ожирением, в кишечнике живут более эффективные микроорганизмы. Это касается не только человека, но и мышей, крыс и свиней [50] . В частности, обитающие в их кишечнике микробы способны лучше расщеплять сложные сахара и жиры. В одном эксперименте ученые перенесли микробов из кишечника толстых крыс в кишечник худых крыс, у которых в результате тоже развилось ожирение. Способность микробов эффективно расщеплять углеводы и жиры стала для нас вредной, ибо мы, современные люди, не страдаем от недостатка еды. С другой стороны, в государствах, где подавляющее большинство жителей голодают (а таких стран гораздо больше, чем вы думаете), способность микробов извлекать из пищи дополнительные калории приносит людям ощутимую пользу. Если вам посчастливится заполучить бактерии, умеющие эффективно расщеплять углеводы и жиры, то эти бактерии в случае наступления голода смогут спасти вам жизнь. Если же, получив этих микробов, вы будете ежедневно питаться чипсами, сыром и белым хлебом, то вам почти наверняка грозит нешуточное ожирение. Разница между жизнью современного человека и жизнью наших далеких предков изменила и роль микробов, живущих в наших кишечниках. В прошлом эти микробы делали нас выносливее, а теперь делают нас толще, но при этом, возможно, спасают нас от некоторых инфекционных болезней, вызываемых другими бактериями.

50

Эта новая область исследований хорошо освещена в обзоре Бэкхеда: F. Bckhed. 2009. Addressing the Gut Microbiome and Implication for Obesity. International Dairy Journal 20: 259–261. Да, это на самом деле журнал о молочной продукции.