Я – суперорганизм! Человек и его микробиом - Джон Тёрни

Макфол-Нгаи любит объединять чрезвычайно детальные исследования тонкостей устройства и функционирования одного организма с широкомасштабными рассуждениями об эволюции. В частности, она утверждает, что мы можем объединить ключевые стадии эволюции бактериально-эукариотических взаимоотношений, получив правдоподобный непрерывный сюжет этого важнейшего процесса.

Сюжет этот можно изложить так. Родословная всех сложных организмов начинается в океанах, где их предков окружали растворенные в воде органические вещества и постоянно присутствующая популяция бактерий – от сотни тысяч до миллиона бактерий на каждый миллилитр морской воды. Губка показывает, каким будет наиболее вероятный результат подобного сосуществования многоклеточного организма без тканей. Оно просто превратится в нечто кишащее бактериями.

Но как только многоклеточные превзошли по уровню организации губку, они обзавелись оболочкой. Если они живут в океане, для них вполне естественно стремиться к тому, чтобы втягивать в себя питательные вещества через своего рода живую стенку (прообраз нашей кожи), которая постепенно начинает всё больше походить на абсорбирующий клеточный слой, имеющийся у нас в кишечном эпителии, а также в других таких же местах. Другая функция оболочки – барьерная: такая преграда мешает бактериям пользоваться питательными веществами, которые наше новое многоклеточное старательно извлекает из морской воды и концентрирует для собственных нужд. Как заметила Макфол-Нгаи в одной беседе, «у них один и тот же фонд питательных веществ, но при этом они пытаются помешать этим мелким организмам распространяться по всему своему телу».

Несколько более высокоразвитое (по сравнению с губкой) существо – пресноводный полип Hydra, родич коралла, медузы и актинии. По своему устройству гидра довольно проста: это трубка с ртом на одном конце и «ногой»-якорем на другом. Трубка окружена двумя клеточными слоями. Внешний слой эпидермальный, а внутренний – своего рода кишечный эпителий. В нескольких миллиметрах тела гидры размещается желудок, а важное дело по абсорбированию питательных веществ теперь (по меньшей мере 500 миллионов лет назад) перенесено внутрь. Это создание представляет собой одну из первых моделей кишечника. У гидры уже имеется простенький микробиом. Более того, Томас Бош из Кильского университета и его коллеги показали, что различные виды современных гидр имеют существенно отличающиеся микробные популяции. Иными словами, полип сам выбирает, с каким бактериями ему жить. В ходе эволюции у него возникли мощные системы защиты против бактерий, которые ему не нравятся. Так, гидра способна вырабатывать антимикробные пептиды и ингибиторы ферментов. А микробы, к которым она относится терпимо (или даже поощряет их появление), оказываются с давних пор глубоко вплетены в жизнь этого миниатюрного создания. Гидры знамениты своей способностью к бесполому размножению – почкованию. Но если они не содержат обычную для себя микробиоту, эта способность пропадает. Введите в безмикробную гидру культуру из пищеварительной системы нормального экземпляра, и почкование снова станет возможным[79].

Выйдя на сушу, животные не имели другого выбора, кроме как перенять это устройство, сделанное по схеме «снаружи внутрь», когда ткани, поглощающие питательные вещества, располагаются внутри тела. Далее появилось множество вариантов пищеварительной системы, а у позвоночных – более сложный микробиом кишечника. Бросается в глаза разница между многоклеточными с относительно простыми личными микробиомами (взять хотя бы насекомых) и многоклеточными, которые обычно, подобно нам с вами, обладают гораздо более сложными микробными сообществами. Все позвоночные второй группы, начиная с рыб, обладают адаптивной иммунной системой в придачу к системе врожденного иммунитета, более простой и возникшей раньше. Как предполагает Макфол-Нгаи, адаптивная система с ее комплексом антител и многообразных лимфоцитов могла появиться для того, чтобы помогать организму нормально существовать со сложным микробиомом. Опять-таки здесь содержится указание на то, что иммунная система может стать ключом к пониманию того, как работает наш суперорганизм.

Между тем в ходе эволюции происходили и другие, менее сложные изменения, которые тоже могут являться частью коэволюции хозяина и его микробов. Стенка кишечника отделилась от тела. Это позволило кишкам свернуться внутри полости тела и стать длиннее. Травоядные благодаря этому получили возможность заглатывать больше пищи: на ее обработку уходит больше времени, но процесс удалось разбить на стадии, каждая из которых протекает в своем участке пищеварительной системы, где происходят свои химические процессы. Может быть, бактерии способствовали формированию такого пищеварения, воздействуя на трудноусвояемые молекулы пищи при их медленном прохождении от рта к анальному отверстию? Не исключено[80].

Еще один любопытный факт из этого манифеста: большинство бактерий, которые населяют кишечник птиц и млекопитающих, лучше развиваются при температуре примерно 40 °C. Возможно, так происходит потому, что эти теплокровные (так уж сложилось) живут и действуют при такой температуре и оказались гостеприимными хозяевами для бактерий, которым нравится жить при такой же. Впрочем, может статься, что все обстоит наоборот. Приспосабливая бактерий для того, чтобы помогать усваивать сложные углеводы, организм получал энергетические преимущества, а бактерии лучше выполняют такую работу, если их держать в тепле. Может быть, нам следует поблагодарить наши кишечные бактерии за то, что мы теплокровные!

Пока же давайте перескочим на несколько сотен миллионов лет вперед, к подобным нам существам, уже имеющим сложные кишечные микробиомы. Что бы там ни случилось на заре эволюции, мы видим: сложный микробиом кишечника роднит нас с другими приматами.

Ученые уже давно исследуют бактерии из образцов кала некоторых приматов – шимпанзе и горилл, бабуинов, колобусов (толстотелов, гверец), ревунов и других, содержащихся в неволе и живущих в дикой природе. Полученные результаты указывают на то, что они, подобно нам, во взрослом состоянии имеют видоспецифичные стабильные микробиомы. Возможно, это связано с их рационом (большинство из них потребляет много листьев, но преобладающие в рационе растения зачастую различны для разных обезьян) и с внешними факторами. Однако микробный отбор остается довольно специфичным для каждого вида: по составу микрофлоры можно идентифицировать, с каким видом приматов мы имеем дело. Так, у черных ревунов более разнообразная кишечная микрофлора, если они живут в тропическом влажном лесу, а не в менее богатом растительностью лиственном лесу умеренного пояса[81].

Человек произошел от той же эволюционной ветви, что и предки нынешних обезьян (человекообразных и других), но мы могли бы ожидать, что их кишечные микробиомы будут заметно отличаться от наших. Мы всеядны, мы уже примерно миллион лет используем огонь. Приготовление пиши с помощью высокой температуры позволяет начать обработку еды еще до того, как она попала вам в рот. Разработаны целые теории эволюции человека, в основе которых лежит представление о том, что приготовление пищи способствовало развитию у человека более крупного мозга, эффективно обеспечивая его высокоэнергетическим белком, а кроме того, сокращая время, которое требовалось представителям цивилизации охотников и собирателей для пережевывания своего обеда. Оставим эту интригующую гипотезу[82] в сторонке: так или иначе, уже само по себе приготовление пищи с помощью огня могло привести к тому, что у Homo erectus и всех его эволюционных последователей сложился иной микробиом кишечника.

Насколько иной? Мы не можем дотянуться до Homo erectus – нашего прямоходящего предка-проточеловека, жившего 800 тысяч лет назад, но одно уникальное ДНК-исследование позволило изучить микробный состав сохранившихся до наших дней копролитов – окаменелых остатков кала древнего человека.

Об анализе этих материалов сообщает в своей статье 2012 года Сесил Льюис из Оклахомского университета. Образцы получены с трех различных участков. Старейший образец взят из пещеры на юге США, где человек жил 8 тысяч лет назад. Другие имеют возраст от одной до двух тысяч лет. Откровенно говоря, двум из них оказалось трудно дать интерпретацию (не удивительно для столь старого материала). Но один из более молодых образцов, полученный с участка на севере Мексики, оказался по своему составу ближе к пробам кишечного биоматериала, взятым у деревенских детей современной Африки, чем к пробам американских горожан, предоставившим образцы для проекта «Микробиом человека»[83].

Такого рода сведения указывают на то, что микробиом человеческого кишечника менялся после появления Homo sapiens. Исследования развиваются по нескольким направлениям. Существует множество гипотез о том, как эти отступления от микробиома наших предков (первых людей) могли бы на нас влиять. Один из примеров – уже рассказанная мною история о том, как из большинства младенческих желудков исчезла C. difficile (впрочем, тогда я не назвал эту бактерию по имени). Высказывается и масса других, зачастую более спекулятивных идей о связях между измененными человеческими микробиомами и здоровьем. Но о какого рода изменениях идет речь?