Как микробы управляют нами. Тайные властители жизни на Земле

Этим червям нужны не просто какие-нибудь там микробы. Из всех обитающих в гавайских водах микробов Хэдфилд выделил лишь несколько бактерий, способных вызывать метаморфоз, причем выраженно это делала лишь одна. Язык сломаешь, пока произнесешь ее название – Pseudoalteromonas luteoviolacea. Хэдфилд, к счастью, называет ее просто P-luteo. В умении превращать личинок полихет во взрослых особей у P-luteo среди микробов равных нет. Без бактерий эти черви так и не смогли бы достичь зрелости [97] .

97

Хэдфилду понадобилось почти десять лет, чтобы выяснить, как именно бактерии вызывают изменения в организме червя. Ответ, как выяснилось, на удивление жестокий. Хэдфилд вместе с Ником Сикума в Калифорнийском технологическом институте выяснил, что P-luteo вырабатывает белки под названием бактериоцины, с помощью которых воюет с другими микробами (Shikuma et al., 2014). Эти белки протыкают оболочки других клеток, что приводит к их гибели. Вместе они объединяются в крупное куполообразное скопление, выставляя наружу опасные острия. У P-luteo такими скоплениями вся биопленка усеяна, будто минами. Хэдфилд полагает, что при прикосновении личинки червя к такой «мине» одна из клеток организма – бац! – продырявливается насквозь. Возможно, этого оказывается достаточно, чтобы вызвать нервный сигнал, говорящий личинке, что пора бы уже вырасти.

И не только они. Личинки некоторых губок тоже оседают на поверхности и видоизменяются, повстречав бактерий. Как и мидии, морские желуди, асцидии и кораллы. И даже – прости, Аристотель – устрицы. Гидрактиния, родственница медуз и актиний, достигает зрелости, соприкоснувшись с бактериями, обитающими на раковинах раков-отшельников. В океанах полно детенышей животных, чей биологический цикл будет завершен лишь при контакте с бактериями – нередко именно с P-luteo [98] .

98

Hadfield, 2011; Sneed et al., 2014; Wahl et al., 2012.

А что произойдет, если эти микробы вдруг исчезнут? Вымрут ли вышеупомянутые животные, потеряв возможность достигать зрелости и размножаться? Перестанут ли появляться коралловые рифы – самые богатые экосистемы океанов, – если разведчики-бактерии больше не будут выбирать для них подходящие места? «Я вроде никогда раньше не заявлял ничего настолько грандиозного», – с присущей ученым осторожностью говорит Хэдфилд. И, к моему удивлению, добавляет: «Но ведь так и есть. Разумеется, не всем личинкам в океане нужен стимул в виде бактерии, да и большинство личинок мы еще не проверили. Но полихеты, кораллы, актинии, морские желуди, мшанки, губки… Можно продолжать сколько угодно. Во всех этих группах есть виды, для которых бактерии – это основа».

Опять же, зачем полагаться на бактерий? Возможно, микробы позволяют личинкам прочнее закрепиться на месте или производят молекулы, отпугивающие болезнетворных бактерий. Но Хэдфилд считает, что все гораздо проще. Наличие биопленки предоставляет личинкам важную информацию о том, что тут (1) твердая поверхность, (2) которая уже давно здесь находится, (3) не слишком токсична и (4) с достаточным количеством питательных веществ для микробов. Чем не поводы там поселиться! Логично будет спросить: а почему бы не полагаться на бактерий? А еще логичнее: кто вас вообще спрашивает? «Когда личинки первых морских животных были готовы оседать, чистых мест нигде не было, – вторит Хэдфилд Ролзу и Кинг. – Все вокруг было покрыто бактериями. Неудивительно, что различия в тех сообществах бактерий и стали первым ключом к заселению».

Хоанофлагелляты Кинг и полихеты Хэдфилда не только тонко настроены на присутствие микробов, но и кардинально ими изменены. Без бактерий дружелюбные хоаны навсегда остались бы одиночками, а личинки червей навсегда остались бы недоразвитыми. Эти примеры прекрасно показывают, насколько сильно микробы могут изменить тела животных или их родственников. И все же симбиозом в привычном нам значении эти отношения не являются. Полихеты не дают P-luteo поселиться у себя в организме и, насколько мы знаем, во взрослой форме никак с ними не взаимодействуют. Их отношения мимолетны. Они как туристы, что спрашивают прохожих, как куда-то пройти, и идут дальше. А вот другие животные формируют с микробами отношения более длительные и взаимозависимые.

Одним из таких существ является плоский червь Paracatenula. Это крошечное создание, обитающее по всему миру в донных осадках теплых океанских вод, доводит симбиоз до крайности. Половина его тела длиной в один сантиметр состоит из бактерий-симбионтов. Они ютятся в полости под названием трофосома, которая занимает до 90 % самого червя. Практически все, что находится за мозгом, – это или микробы, или их жилплощадь. Биолог Харальд Грубер-Фодика, изучающий плоских червей, описывает бактерий как двигатель и аккумулятор одновременно: они вырабатывают для червей энергию и запасают ее в виде жиров и соединений серы. Эти запасы и придают червю ярко-белый цвет. Они же питают самую необычную способность червя: Paracatenula – мастер регенерации [99] . Разрежьте его надвое – и обе половинки превратятся в полностью жизнеспособных животных. Задняя половинка даже отрастит себе голову и мозг. «Если их нарезать, получится десять червяков, – говорит Грубер-Фодика. – То же, наверное, происходит и в природных условиях. Они вырастают все длиннее и длиннее, один конец отделяется, и червей становится двое». Это умение полностью зависит от трофосомы, населяющих ее бактерий и запасенной ими энергии. Покуда в куске плоского червя достаточно симбионтов, из него может вырасти целое животное. Если симбионтов слишком мало, кусок погибнет. Это значит, что, вопреки очевидному, единственный неспособный к регенерации фрагмент плоского червя – это его голова, в которой нет бактерий. Хвост отрастит себе мозг, но мозг сам по себе не сможет заново вырастить хвост.

99

Gruber-Vodicka et al., 2011; результаты исследования регенерации еще не опубликованы.

Партнерство Paracatenula с микробами типично для всего царства животных, включая нас с вами. Хоть у нас и отсутствуют чудесные способности плоских червей к исцелению, мы все же предоставляем микробам жилье в собственном теле и взаимодействуем с ними на протяжении всей жизни. В отличие от трубочных полихет Хэдфилда, чьи тела благодаря бактериям в окружающей среде перевоплощаются лишь однажды, наши тела непрерывно строятся и меняются обитающими в нас бактериями. Наши с ними отношения – это не разовая интрижка, а непрерывные разговоры по душам.

Мы уже знаем, что микробы влияют на развитие кишечника и других органов, однако, закончив с этим, они не станут отдыхать. Чтобы организм животного функционировал, нужно поработать. По словам Оливера Сакса, «нет ничего более важного для выживания и независимости организмов, будь то слоны или простейшие, чем поддержание неизменной внутренней среды» [100] . А для поддержания как раз и необходимы микробы. Они воздействуют на отложение жира. Они помогают восполнять слои кожи и стенок кишечника, заменяя поврежденные и отмирающие клетки новыми. Они обеспечивают неприкосновенность гематоэнцефалического барьера – сети плотно прилегающих друг к другу клеток, пропускающих из крови в мозг питательные вещества и мелкие молекулы, но закрывающих туда доступ более крупным частицам и живым клеткам. Они даже влияют на беспрестанную реконструкцию скелета, во время которой появляется новая кость, а старая рассасывается [101] .

100

Sacks, 2015.

101

В нескольких исследованиях показано, что микробы влияют на жировые отложения (B"ackhed et al., 2004), гематоэнцефалический барьер (Braniste et al., 2014) и костную ткань (Sj"ogren et al., 2012). Другие исследования, относящиеся к этому вопросу, рассмотрели Fraune, Bosch, 2010.

Однако лучше всего их постоянное воздействие заметно в иммунной системе – это клетки и молекулы, работающие вместе, чтобы защитить тело от инфекции и других угроз. Она запутана до неприличия. Представьте себе огромную машину Голдберга, состоящую из кажущегося бесконечным набора составляющих, которые друг друга контролируют, запускают и оповещают. Теперь представьте, что эту машину не доделали: каждая ее часть не закончена, неправильно подключена к другим, или этих частей меньше, чем нужно. Именно так выглядит иммунная система стерильного грызуна. Именно поэтому такие животные, как сказал Теодор Розбери, «крайне подвержены заражению, будучи неподготовленными к опасностям окружающего мира» [102] .

102

Rosebury, 1969, с. 67.

Это говорит о том, что геном животного предоставляет не все, что нужно для развития зрелой иммунной системы. Ей требуется участие микробиома [103] . В сотнях научных статей о самых разных видах животных – о мышах, мухах цеце, рыбках данио-рерио – показано, что микробы определенным образом помогают формировать иммунную систему. Они воздействуют на создание целых классов иммунных клеток и на развитие органов, которые эти клетки производят и накапливают. Особенно они важны на первых этапах жизни, когда только что построенная машина-иммунитет приспосабливается к большому и злому миру. А когда она входит в рабочий ритм, микробы продолжают проверять, как она реагирует на угрозы [104] .

103

И не просто какого-нибудь там микробиома. Деннис Каспер выяснил, что у стерильной мыши разовьется мощная иммунная система, лишь если в ее организм поступят микробы из организма другой здоровой мыши, а вот человеческий микробиом или даже крысиный не подойдут (Chang et al., 2012). Значит, определенные сообщества микробов коэволюционировали вместе с хозяевами, чтобы настроить их иммунитет оптимальным способом. Здесь даже вирусы замешаны. Кен Кэдуэлл заразил стерильных мышей штаммом норовируса, родственного тому, который нередко проклинают пассажиры круизных лайнеров, свешиваясь за борт. Грызуны начали вырабатывать большее количество белых кровяных клеток различных типов. Вирус вел себя словно богатый бактериями микробиом (Kernbauer et al., 2014).

104

О связи иммунитета и микробиома подробно рассказано в этих статьях: Belkaid, Hand, 2014; Hooper et al., 2012; Li, Mazmanian, 2010; Selosse et al., 2014. О важности микробов на раннем этапе жизни: Olszak et al., 2012.

Взять, например, воспаление – это защитная реакция, при которой иммунные клетки устремляются к месту ранения или заражения и приводят к опухлости, покраснению и повышению температуры. Оно необходимо для защиты тела от угроз, без него нас бы изрешетили инфекции. Однако оно становится проблемой, когда разносится по всему телу, слишком долго не проходит или появляется по малейшему поводу: это может привести к астме, артриту и другим воспалительным и аутоиммунным заболеваниям. Поэтому воспаление должно вызываться лишь тогда, когда надо, и при этом тщательно контролироваться. Его подавление столь же важно, как и инициирование. Микробы занимаются и тем и другим. Одни виды стимулируют производство воинственных воспалительных клеток, а другие отвечают за мирные и кроткие противовоспалительные клетки [105] . Работая вместе, они позволяют нам реагировать на угрозы подобающе. Без них баланс исчезает – потому-то стерильные мыши и склонны как к инфекциям, так и к аутоиммунным заболеваниям: они не способны вызвать уместную иммунную реакцию, когда она так необходима, а в более спокойные времена не могут отразить неуместную.

105

Дэн Литтман и Кенья Хонда выяснили, что сегментированные нитчатые бактерии могут спровоцировать реакцию иммунных клеток, участвующих в воспалении (Ivanov et al., 2009). Хонда также показал, что бактерии Clostridia стимулируют противовоспалительные клетки (Atarashi et al., 2011).