Сначала мы научились опасаться микробов, потом полюбили нашу микрофлору. Однако как в первом, так и во втором случае биологию, по сути, понимают неправильно. В 1870-е годы немецкий врач Роберт Кох пытался остановить эпидемию сибирской язвы, которая скашивала местный рогатый скот.
К тому моменту ученые уже обнаружили в тканях пострадавших животных бактерию Bacillus anthracis. Кох ввел эту бактерию в организм мыши — животное погибло. Он восстановил ее из мертвого грызуна и ввел в другого — тот тоже умер. Ученый настойчиво повторил этот мрачный процесс применительно к более чем 20 генерациям, и каждый раз происходило одно и то же. Кох недвусмысленно показал, что Bacillus anthracis была возбудителем сибирской язвы.
Этот эксперимент Коха и другие исследования его современников, таких как Луи Пастер, подтвердили, что многие заболевания вызываются микроскопическими организмами. Микробы, которым на протяжении нескольких столетий не уделяли особого внимания, мгновенно прослыли носителями смерти. Это были патогены, возбудители и переносчики страшных болезней. В течение двух десятилетий исследований Коха, посвященных сибирской язве, он и многие другие ученые обнаружили, что с бактериями также были связаны проказа, гонорея, тиф, туберкулез, холера, дифтерия, столбняк и чума. Микробы стали синонимом нищеты и болезни. Они стали для нас врагами, которых следовало уничтожать и сторониться.
Сегодня мы знаем, что эти воззрения ложны — что я и пытаюсь объяснить в своей новой книге I Contain Multitudes. Разумеется, некоторые бактерии могут вызывать заболевания, но таких меньшинство. Большинство же безвредны, а многие даже полезны. Теперь мы знаем, что триллионы микробов, которые обитают в наших телах — так называемый микробиом — являются неотъемлемой частью нашей жизни. Мало того, что они не вызывают болезни — эти микробы могут нас от них защитить; они также помогают переваривать пищу, тренируют нашу иммунную систему и, возможно, даже влияют на наше поведение. Эти открытия кардинально изменили нарратив. Многие люди теперь воспринимают микробов как союзников, которых следует защищать. Журналы регулярно предупреждают о том, что антибиотики и антисептики могут быть вредны для здоровья, разрушая нашу микроскопическую систему поддержки. Постепенно на смену представлениям о том, что «все бактерии должны быть уничтожены», приходит идея о том, что «бактерии наши друзья и хотят нам помочь».
Однако проблема в том, что последняя точка зрения настолько же не верна, как и первая. Мы не можем считать тот или иной микроб «хорошим» только потому, что он живет внутри нас. На самом деле нет таких понятий, как «хороший микроб» или «плохой микроб». Этим приблизительным определениям место в детских историях. Для описания сумбурных, беспокойных, обусловленных обстоятельствами отношений естественного мира они приспособлены плохо.
В действительности бактерии существуют в большом разнообразии жизненных вариантов. Если они приносят нам вред, мы называем их паразитами или патогенами. Если они ведут нейтральный образ жизни, они для нас комменсалы. Если же они приносят нам пользу, мы относим их к мутуалистам. Но эти категории едва ли можно назвать фиксированными. Некоторые микробы могут скользить с одного конца этого спектра к другому в зависимости от штамма и организма, где они живут. Например, бактерии Wolbachia заражают около 40 процентов насекомых; у некоторых видов эти микробы паразитируют на особях определенного пола: убивают или воздействуют на мужские особи, в то время как у других они ведут себя как живые биологически активные добавки, обеспечивающие организм хозяина витаминами, отсутствующими в его рационе.
Другие микробы могут быть одновременно патогенами и мутуалистами. Хорошо известно, что желудочная бактерия Helicobacter Pylori является причиной язвы и рака желудка. Однако не многие знают, что она также защищает от рака пищевода — за эти плюсы и минусы отвечают одни и те же штаммы. H. pylori нельзя определить ни как хорошую, ни как плохую; она и то, и другое одновременно.
Все это означает, что такие метки, как мутуалисты, комменсалы, патогены или паразиты в качестве опознавательного знака не работают. Эти термины скорее напоминают состояния бытия, наподобие быть голодным, бодрствующим или живым, или поведение: сотрудничает или борется. Скорее это прилагательные и глаголы, чем существительные. Они описывают отношения между двумя партнерами в определенный момент времени и в определенном месте.
Николь Бродерик (Nichole Broderick), доцент кафедры молекулярной и клеточной биологии Коннектикутского университета, обнаружила яркий пример таких перетекающих отношений, когда занималась исследованием почвенного микроорганизма под названием Bacillus thuringiensis, или Bt. Он вырабатывает токсины, которые способны убивать насекомых, проделывая отверстия у них в кишечнике. Фермеры пользуются этой возможностью с 1920 года, распыляя Bt над сельскохозяйственными культурами в качестве живого пестицида. Так поступают даже фермеры, ведущие хозяйство с применением только органических удобрений. Эффективность бактерии неоспорима, но на протяжении десятилетий представления ученых о том, как она убивает, оставались ложными. Они полагали, что ее токсины наносят такой большой вред насекомым, что жертвы медленно погибают от голода. Но, по-видимому, дело не только в этом. Так, исследования показали, что гусенице, чтобы умереть от голода, требуется больше недели, между тем Bt убивает за половину этого времени.
Бродерик обнаружила, что происходит на самом деле, почти случайно. Она полагала, что в кишечнике гусениц имеются микробы, которые защищают их от Bt, поэтому ввела им антибиотики, а затем подвергла воздействию пестицида. Исследовательница ожидала, что за отсутствием микробов гусеницы погибнут еще быстрее. Вместо этого все они выжили. Оказывается, что кишечные бактерии у гусениц не защищают своих хозяев, но являются средством, благодаря которому Bt способны убивать. Они безвредны, когда остаются в кишечнике, но они могут проникнуть через создаваемые токсинами Bt отверстия и поражать кровеносную систему. Иммунная система гусеницы реагирует на эти перемещения кишечных микробов крайне неадекватно. По организму гусеницы распространяется волна воспаления, повреждая органы и проникая в кровь. Это сепсис, именно он и оказывается причиной столь быстрой гибели насекомого.
То же самое, вероятно, происходит с миллионами людей каждый год. Мы, люди, также подвергаемся воздействию патогенных организмов, которые создают отверстия в нашем кишечнике; и нам также грозит сепсис, если наши обычные кишечные микробы проникают в кровь. Как и у гусениц, одни и те же микробы могут приносить пользу в кишечнике, но представлять собой опасность, оказавшись в крови. Они являются мутуалистами только в силу того, где они живут. Те же принципы применимы и к так называемым «бактериям-оппортунистам», обитающим в нашем организме: как правило они безвредны, но у людей с ослабленной иммунной системой способны вызывать опасные для жизни инфекции. Все зависит от ситуации.
При определенных условиях даже самые давние партнеры среди микроорганизмов могут стать источником проблем. Митохондрии — структуры, обеспечивающие энергией клетки всех животных — являются одомашненными бактериями, которые уже миллиарды лет входят в состав клеток-хозяев. Это один из наиболее удачных во всей биологии примеров симбиоза, и тем не менее даже митохондрии могут нанести ущерб, если окажутся не в том месте. В результате пореза или синяка некоторые из ваших клеток могут разделиться на части и выбросить в кровь фрагменты митохондрий — фрагменты, которые до сих пор хранят некоторые черты своей древней бактериальной природы. Когда ваша иммунная система их распознает, она ошибочно идентифицирует их как распространяющуюся инфекцию и выстраивает мощную защиту. Если речь идет о тяжелой травме и освобождается достаточное количество митохондрий, охватывающее весь организм воспаление может привести к смертоносному состоянию, которое называется синдромом системного воспалительного ответа (SIRS). ССВО может нанести больший вред, чем первоначальная травма. Как это ни парадоксально, но он просто является результатом ошибочной реакции человеческого организма на микробы, которые на протяжении более двух миллиардов лет живут внутри клеток, принося им пользу.
Подобно тому как садовый цветок можно считать сорняком, если он появляется не в том месте, наши микробы могут быть бесценными в одном органе и опасными в другом, или необходимыми внутри наших клеток, но смертоносными за их пределами. «Если у вас немного ослаблен иммунитет, они убьют вас. Когда вы умрете, они вас съедят, — говорит биолог, специалист по кораллам Форест Ровер (Forest Rohwer) из государственного университета Сан-Диего. — Им все равно. Речь идет не о каких-то милых отношениях. Это чистая биология». Таким образом, мир симбиоза есть мир, в котором наши союзники могут нас разочаровать, а враги перейти на нашу сторону. Это мир, где надежды на мутуализм способны рухнуть на расстоянии нескольких миллиметров.
Почему эти отношения настолько непрочные? Почему микробы так легко скользят между ролями патогена и мутуалиста? Для начала, эти роли не столь противоречивы, как можно предположить. Подумайте о том, что необходимо «дружественному» кишечному микробу, чтобы построить стабильные отношения со своим хозяином. Он должен выжить в кишечнике, укрепиться так, чтобы его не унесло, и взаимодействовать с клетками своего хозяина. То же самое должны делать патогенные микроорганизмы. Так что оба персонажа — мутуалисты и патогены, герои и злодеи — часто используют одни и те же молекулы для одних и тех же целей. Некоторым из этих молекул присвоили сугубо негативные определения, например, «факторы вирулентности», поскольку впервые их обнаружили в ходе изучения болезни, но так же, как микробы, которые используют их, они по своей природе нейтральны. Они всего лишь инструменты, как компьютеры, ручки и ножи: их можно использовать, чтобы делать удивительные вещи в такой же степени, как и ужасные.
Даже полезные микробы, выполняющие свою обычную, как будто бы полезную роль, могут косвенно вредить нам, создавая уязвимости, которыми не преминут воспользоваться другие паразиты и болезнетворные микроорганизмы. Само их присутствие создает благоприятную возможность. Микробы тли, хотя и имеют важное значение, выпускают в воздух молекулы, которые привлекают муху-журчалку. Это черно-белое насекомое, похожее на осу, несет тлям смерть. Его личинки в течение всей жизни могут поглощать их сотнями, а взрослые особи находят добычу для своих отпрысков по запаху аромата микробиома — который тли не могут не источать.
Естественный мир полон этих непреднамеренных приманок. Мы сами прямо сейчас испускаем некоторых из них. Иные бактерии превращают своих хозяев в магниты, притягивающие малярийных комаров, в то время как другие маленьких кровопийц отпугивают. Вы никогда не задумывались, почему два человека в лесу могут пройти через облако мошкары совершенно по-разному: у одного окажутся десятки волдырей, а другому хоть бы хны? Ваши личные микробы — частичный ответ на этот вопрос.
Патогены могут также использовать наши микробы для начала своего вторжения, как в случае с вирусом полиомиелита. Он захватывает молекулы на поверхности кишечных бактерий, как вожжи, используя их для того, чтобы на бактерии добраться до клеток хозяина. Вирус лучше прицепляется к клеткам млекопитающих и становится более стабильным при теплых температурах нашего тела после прикосновения с нашими кишечными микробами. Эти микробы непреднамеренно делают полиовирус более эффективным злоумышленником.
Важным моментом здесь является то, что симбиотические микробы даром тоже не работают. Даже помогая своим хозяевам, они создают уязвимости. Их необходимо кормить, обеспечивать им среду обитания и передавать по наследству — на все это требуются затраты энергии. И самое главное, как и у любого другого организма, у них есть свои собственные интересы — которые часто вступают в противоречие с интересами хозяев. Wolbachia наследуется от матери к дочери, так что если она разделается с самцами, в краткосрочной перспективе она получит еще хозяев; в долгосрочной перспективе, однако, она рискует привести в вымиранию этих хостов. Если мои кишечные микробы подавили мою иммунную систему, им будет легче расти, я же заболею.
Так выглядят почти все основные биологические партнерства. Обман — всегдашняя проблема. На горизонте все время маячит предательство. Пары способны работать вместе, но если один партнер может получить те же преимущества, не затрачивая при этом столько же энергии и усилий, он будет делать это, пока не будет наказан или не окажется под контролем. Герберт Уэллс писал об этом в 1930 году в «Науке жизни»:
«В основе любого симбиоза до определенной степени лежит враждебность, и взаимовыгодное положение может поддерживаться только за счет правильного регулирования и часто сложного согласования. Даже в человеческих делах партнерство на основе взаимной выгоды поддерживать не так просто, несмотря на то что я, будучи наделен интеллектом, в состоянии понять смысл таких отношений. Но у низших организмов такого понимания, способствующего сохранению отношений, нет. Взаимовыгодное партнерство является приспособлением, настолько же слепо возникающим и бессознательно функционирующим, как и любые другие».
Эти принципы легко забыть. Нам нравятся наши черно-белые нарративы с четким разделением на героев и злодеев. Сам термин симбиоз оказался настолько искажен, что его первоначальный нейтральный смысл — «сожительство» — приобрел положительную направленность и во многом беспечные коннотации сотрудничества и блаженной гармонии. Но эволюция работает совсем не так. Она не обязательно отдает предпочтение сотрудничеству, даже если это в интересах каждого. И она обременяет конфликтом даже самые гармоничные отношения.
Мы увидим это более ясно, если оставим мир микроорганизмов и взглянем несколько шире. Возьмем волоклюев. Эти коричневые птички живут в странах Африки к югу от Сахары, все время держась на шкуре жирафов и антилоп. Их традиционно воспринимают как чистильщиков, которые выбирают у своих хозяев клещей и кровососущих паразитов. Но они также клюют открытые раны — менее полезная привычка, которая тормозит процесс заживления и увеличивает риск заражения. Эти птицы жаждут крови, и они удовлетворяют эту тягу так, что либо приносят своим хозяевам пользу, либо вред, в зависимости от ситуации.
Аналогичная динамика наблюдается у коралловых рифов, где маленькая рыбка под названием губанчик организует природный оздоровительный центр. Прибывают крупные рыбы, и губанчик выбирает паразитов из их челюстей, жабр и других труднодоступных мест. Чистильщики получают питание, а клиенты — медицинскую помощь. Но первые иногда мухлюют, подхватывая кусочки слизи и здоровой ткани. Клиенты наказывают их тем, что обращаются за услугой в другое место, а сами чистильщики будут бичевать любого из своих коллег, которые раздражают потенциальных клиентов.
Между тем, в Южной Америке акации полагаются на муравьев, чтобы те защищали их от сорняков, вредителей и травоядных. В свою очередь деревья предоставляют своим телохранителям сладкие закуски и полые шипы, в которых можно жить. Отношения кажутся вполне справедливыми, пока вы не осознаете, что дерево подбавляет в пищу фермент, который не дает муравьям переваривать другие источники сахара. Муравьи оказываются не только получателями благ, но и закабаленными работниками.
Все это классические примеры сотрудничества, которые обычно встречаются в учебниках и документальных фильмах о дикой природе. И в каждом из них фигурирует какой-то конфликт, манипуляция и обман, о которых очень часто забывают. «Нам нужно отделять важное от гармоничного. Микробиом невероятно важен, но это не означает, что он гармоничен, — говорит эволюционный биолог Тоби Кирс (Toby Kiers) из Университета Врие в Нидерландах. Хорошо функционирующее партнерство можно легко рассматривать как случай взаимной эксплуатации. — Оба партнера могут извлекать выгоду, но есть некоторое внутреннее напряжение. Симбиоз это конфликт — конфликт, который никогда не может быть полностью разрешен».
Однако управлять подобными отношениями и стабилизировать их можно. Нашей внутренней биологии не свойственна идеология «хороших» и «плохих» микробов. В процессе эволюции мы нашли множество решений для вездесущих конфликтов, которые существуют среди наших микробов, и многочисленные способы контроля за соблюдением наших с ними контрактов. Мы можем ограничить их определенными частями нашего тела, создавая физические загоны или химические запретные зоны. Мы можем отдавать предпочтение моркови, питая нужные нам виды специальными продуктами. Мы можем устроить им нагоняй при помощи нашей иммунной системы, которая не даст им спуску. У нас появилась возможность выбрать виды, которые будут жить с нами, и контролировать их поведение таким образом, что они имеют больше шансов быть мутуалистами, чем патогенами.
Эти средства контроля отражают истинный урок, стоящий за микробиомом: не о том, что природа по своей сути гармонична и кооперативна, но что все лучшие отношения предполагают большую работу.
Эд Йонг (Ed Yong) — удостоенный наград автор научных публикаций, чьи работы выходили в таких изданиях, как The New Yorker, National Geographic, Wired, the New York Times, Nature и New Scientist, среди прочих. В настоящее время штатный сотрудник The Atlantic. Его последняя книга I Contain Multitudes: The Microbes Within Us and a Grander View of Life (2016).
http://inosmi.ru/science/20160918/237876267.html |
