Как делаются дети
Новорожденные – такая прелесть, правда? Эти крошечные пальчики. Этот милый ротик. Эти робкие жесты. А запах!
Микробы тоже так думают. Перед ними открывается целый набор новых «квартир», ожидающих вселения жильцов. Бескрайние просторы совершенно свободной кожи. Новенький кишечник, занятый пищеварением и отлично обустроенный для того, чтобы в нем обосноваться. Для родителей всё это – любимое создание, чудо из чудес. Для микробов – заманчивейшее предложение на рынке недвижимости.
Но, как всегда с такими предложениями, на самом деле тут не всё так просто. Нет, речь не идет о совершенно свободном жилье. Некоторые микробы уже воспользовались инсайдерскими хитростями. Благодаря матери младенца.
Раньше мы полагали, что на протяжении почти всей истории человечества дело происходит так. Эмбрион нового человека вырастает в большеголового ребенка. В конце концов голова его достигает размера, не позволяющего протиснуться через материнский тазовый пояс, чьи связки по такому случаю расслабляются. Интенсивные сокращения мышц толкают его вниз… и выталкивают наружу. По пути младенец вовсю контактирует с вагинальными микробами – еще до того как выбирается в окружающий мир. Поскольку родовые схватки нередко длятся часами, у быстро делящихся бактерий есть масса времени, чтобы начать размножаться на коже ребенка еще до его появления на свет. В последний же момент череп ребенка, еще довольно мягкий, давит на задний проход матери и зачастую выдавливает часть его содержимого; происходит своего рода помазание головы младенца материнскими экскрементами. Еще до того как рискнуть впервые вдохнуть, новорожденный получает щедрую прививку дозой здоровых, вскормленных человеком микробов. А до этого он микробов совершенно лишен.
Впрочем, можем ли мы с уверенностью это утверждать? Ведь многие участки взрослого тела, прежде считавшиеся стерильными, позже продемонстрировали признаки наличия микробной жизни. Так или иначе, эта уверенность держалась долго. Первое испражнение новорожденного (меконий) объявил стерильным сам Эшерих, прославленный открыватель Escherichia coli; он озаботился вопросом о стерильности первого стула в 1895 году. А совсем недавно, в 2012-м, один обзор в авторитетном научном журнале Nature начинался с утверждения: «Каждый из нас появляется на свет без всяких микробов-колонистов благодаря стерильной среде материнской утробы». Это заявление приводилось без всяких ссылок. В научных работах так обычно подаются факты, которые авторы считают общепринятыми[67].
Однако эту гипотезу опровергли еще 5 годами раньше, в 2007 году. Обнаружилось, что меконий мышей уже колонизирован бактериями (год спустя то же самое выяснилось касательно людей). Среди этих микроорганизмов – Lactobacilli и старые добрые E. coli. Первые распространены в вагине, причем во время беременности их количество лишь возрастает. Вторые – бактерии кишечные. Как же они попадают в меконий, который накапливается в кишечнике еще до первого питания и представляет собой остатки того, что младенец еще до родов заглатывал из матки – смесь околоплодных вод, отмерших эпителиальных клеток и прочей дряни? Мыши в первом (испанском) исследовании, оспаривавшем идею о стерильности, явно каким-то образом передавали кишечные бактерии своим отпрыскам. Мыши – будущие матери – пили молоко, содержащее бактерии с определенным генетическим маркером, а затем ученые помогали мышатам появиться на свет посредством кесарева сечения в условиях хирургической чистоты. И что же? При первом же испражнении мышата выводили из своего организма эти же бактерии. Пока не ясно, как бактерии там очутились.
Возможно, некоторые бактерии мышата попросту проглатывали вместе с околоплодными водами. Однако, согласно данным еще одного недавнего исследования, нормальная плацента тоже несет в себе бактериальную нагрузку. Кьерсти Аагаард из техасского Медицинского колледжа Бейлора проанализировала плацентарную ткань, взятую у 320 рожениц после родов, и бодро отрапортовала о небольшом, но разнообразном бактериальном населении в этих образцах[68].
В ее статье сообщается также (и здесь мы должны проявить особую бдительность), что по своему составу эта популяция больше всего напоминала микробиом рта. В прессе запестрели указания на приоритетную роль оральной и зубной гигиены для беременных или тех, кто пытается забеременеть. Впрочем, факты указывают на то, что это слишком поспешный вывод. Простое выявление ДНК-«автографов» определенных бактерий в живой ткани еще ничего не говорит нам о том, как они туда попали. Да, болезни десен и преждевременные роды иногда сопутствуют друг другу, однако… Так что преимущества и невыгоды наличия или отсутствия бактерий в плаценте пока неясны; требуются дальнейшие исследования, весьма тщательные и детальные. (Хотя это по-прежнему хорошая идея – чистить зубы с регулярностью, необходимой для профилактики болезней десен.)
Кроме того, это исследование не смогло выявить и какой-либо связи между плацентарными бактериями и собственными микробиомами новорожденных, так что, по-видимому, оно не помогает разобраться в загадке микробов, содержащихся в меконии. Вероятно, самое убедительное предположение на данный момент – гипотеза о том, что иммунные клетки эпителия материнского кишечника, способные захватывать кишечные бактерии, приносят некоторых из них в кровь, и вместе с кровью они затем попадают в самые разные места, в том числе в плаценту, матку – и в сам плод. Полагаю: сейчас, когда я пишу эти строки, кто-нибудь наверняка ломает голову над тем, как бы спланировать эксперимент для проверки данной идеи. Пока это не сделано, еще одна гипотеза – о том, что эмбриональный микробиом можно «настраивать», давая будущей матери определенную пробиотическую смесь – остается, по-видимому, лишь умозрением. Такие процедуры, мягко говоря, рискованны, пока мы точно не знаем, каким именно путем передаются бактерии от матери к ребенку.
После рождения младенец попадает в мир, кишащий микробами, и, конечно же, начинает обзаводиться собственными благодаря контакту с окружающими людьми, лишь немногие из которых способны удержаться от поглаживанья, тисканья и тетёшканья новорожденного (возможно, эволюция помогла нам полюбить запах младенцев, чтобы поспособствовать именно такой передаче микробов). Столь же очевидно то, что маленький человечек, начиная совать палец в рот, а потом и ползать, собирает образчики микробов почти отовсюду, куда сумеет дотянуться, в том числе с собственного тела, с других людей, с домашних животных и со всех прочих вещей, которые мы обычно запрещаем ребенку трогать, отлично зная, что наше указание скорее всего будет проигнорировано.
Состав популяции вагинальных микробов матери меняется непосредственно перед родами – так младенец получает прививку полезной смеси видов. Однако роженица готовится повлиять на микробиом своего отпрыска и иным путем – вырабатывая молоко. Эту жидкость тоже долгое время считали стерильной (если только мать не больна). Оправданием такой убежденности может служить тот факт, что соответствующие бактерии трудно выращивать в культуре, однако закрадывается подозрение: возможно, сама идея о том, что при грудном вскармливании младенец всасывает бактерии, просто не укладывалась в представления о том, что естественное грудное питание для новорожденного – штука по определению здоровая.
Теперь-то нам известно, что даже у здоровых кормящих матерей в молоке содержатся сотни видов бактерий. Более того, состав этой популяции материнский организм способен менять, чтобы лучше удовлетворять потребностям ребенка. Сразу же после рождения грудная диета включает значительную дозу молочнокислых бактерий, а также Staphylococcus и Streptococcus. Шесть месяцев спустя смесь бактерий больше походит на обычно присутствующую во рту – возможно, потому что к этому времени ребенок, как правило, уже начинает иметь дело с какой-то твердой (ну, кашеобразной) пищей.
А вот еще одно недавнее открытие, ставящее перед нами еще одну загадку переноса микробов. Когда материнское молоко только начинает выделяться, в нем уже есть бактерии; собственно, они есть уже в молозиве – первой пище новорожденного (в идеальном случае). Как же они туда попадают? Мы пока точно не знаем. Материнская грудь обладает собственным микробиомом, и некие его виды наверняка оказываются в молоке. Разумеется, какие-то бактерии находятся на коже вокруг соска. Однако некоторые бактерии, обнаруженные в материнском молоке, обычно присутствуют в кишечнике, а не на коже, так что сейчас ученые ищут внутренний микробный путь[69].
Самый интригующий вариант предполагает участие специальных клеток, называемых дендритными[70]: они как бы берут пробу кишечных бактерий и затем предоставляют характерные для этих бактерий антигены на рассмотрение иммунной системе. Кроме того, они способны мигрировать, внося сами бактерии в ткани (по крайней мере в ближайший лимфатический узел, а возможно, и в селезенку). Не исключено, что эти клетки занимаются целенаправленной транспортировкой микробов в разные участки нашего тела. Как показали эксперименты на мышах, бактерии, находящиеся в лимфоузлах, к поздним стадиям беременности добираются до молочных желез. Другие подробности неизвестны. Однако пока действительно кажется, что при помощи каких-то хитроумных приемов организм матери способен отбирать нужные бактерии, защищать их от системы врожденного иммунитета и переправлять к груди.
Мы больше знаем о двух других компонентах, поставляемых младенцу матерью при грудном вскармливании. Ее молоко содержит много иммуноглобулинов, которые временно заменяют собственную иммунную систему кишечника младенца (пока та не начнет развиваться). Кроме того, молоко матери, по-видимому, снабжает ребенка микробным питанием.
Это еще одно открытие, которое на первый взгляд кажется довольно неожиданным. Тут как раз тот случай, когда индивидуальное и эволюционное развитие нельзя разделить. Лишний раз подтверждается, как тесно наша жизнь сплетена с жизнью наших микробов. Материнское молоко представительниц нашего вида содержит массу легкоусваиваемой пищи, которая должна удовлетворять растущие потребности растущего младенца. Однако содержатся в ней и вещества, которые его организм переварить не в состоянии. Во всяком случае, без помощи микробов.
Набор сложных углеводов, именуемых олигосахаридами грудного молока (иногда их называют гликанами), – третий по общему содержанию компонент этой жидкости. Попав в кишечник, они служат идеальным кормом для Bifidobacterium infantis – бактерии, которая не присутствует в организме младенца при рождении, но вскоре, как правило, становится одной из самых многочисленных обитательниц его микробиома (при грудном вскармливании). Построение молекул олигосахаридов – занятие трудоемкое с метаболической точки зрения, а ведь они производятся в большом количестве, когда биохимия женщины работает на пределе мощи, стремясь как следует накормить ребенка. В сущности, младенец ест не «за двоих», а за миллиарды (бактерий). Брюс Герман из Калифорнийского университета в Дэвисе сформулировал это так: «По сути матери заставляют другую форму жизни нянчить своих детей, используя олигосахариды для того, чтобы управлять деятельностью микробиома»[71].
Все это означает, что внутренности младенца недолго остаются незаселенными. Таким образом, процесс созревания микробиома – это замещение одной микробной популяции другой, а не вторжение микробов на невостребованное и незанятое место. Мы уже неплохо понимаем, что происходит с микробиотой после того, как в ней поселится первая партия колонистов. Подробнее всего удалось исследовать популяции кишечника, поскольку эта наиболее сложная экосистема подвергается в процессе нашей жизни едва ли не самым масштабным изменениям[72].
Похоже, вначале кишечник новорожденного содержит бактерии, способные жить в бескислородной среде, и бактерии, которым необходим кислород. По мере расходования имеющегося в кишечнике небольшого объема кислорода условия меняются в пользу тех, кто может существовать без этого газа. В дальнейшем кишечник населяют лишь анаэробные бактерии.
Итак, недели через две обычно создается первый более или менее долговечный популяционный баланс. В нем обильно представлены Bifidobacteria, Bacteroides и Clostridia. Хотя до недавних пор мы не осознавали, насколько тесными являются отношения некоторых Bifidobacteria с материнским молоком; их общую роль в нем открыли, по микробиологическим меркам, в глубокой древности. Их обнаружили в образцах, полученных у младенцев, которые питались материнским молоком, еще в конце XIX века.
Когда ребенок начинает есть другую пищу (обычно в возрасте нескольких месяцев), его кишечная микрофлора постепенно становится более разнообразной. У искусственно вскармливаемых младенцев на первом этапе более разнообразный видовой состав микрофлоры; это различие (между детьми с двумя типами питания) сохраняется долго: обычно они раньше, чем ровесники, вскармливаемые грудью, приобретают микробный баланс, типичный для взрослых.
А вот при кесаревом сечении заселение бактериями происходит иначе. Первыми колонистами обычно оказываются микробы кожи, передаваемые от матери и от всех остальных, кто занимается ребенком. Вскоре за этими бактериями последуют другие. Однако стерильные роды, перед которыми роженице почти всегда вводят антибиотики, дают меньшее разнообразие кишечного микробиома (как и преждевременные роды).
Начиная исследовать окружающий мир, младенцы заодно исследуют и местную микрофлору. Случайные встречи начинают играть все более существенную роль в том, какие виды решатся попытать счастья, попробовав поселиться в этой многообещающей среде – новом человеческом существе. Образцы кишечного микробиома младенца (большое удобство для анализа: они поставляются даже чаще, чем вам хотелось бы) различаются сильнее, чем у взрослых, как по составу, так и по функциональным генетическим модулям, благодаря которым взрослые больше походят друг на друга, чем результаты анализа их микробиома. По-видимому, существует целый ряд факторов, влияющих на то, как это происходит в отдельных семьях. Один из ключевых факторов – то, что человек может оказаться здесь неединственным суперорганизмом. Роб Найт, специалист по ДНК, руководит одной из лабораторий Колорадского университета. Заголовок статьи 2013 года, написанной сотрудниками лаборатории, сообщает почти всё, что вам нужно знать о соответствующих находках: «Совместно проживающие члены семьи делят микробиоту друг с другом и со своими собаками»[73]. Вероятно, сильнее всего перемешиваются при этом кожные микробы. Так или иначе, исследование, охватившее 60 семейств, 36 из которых держали собак, показало четкие различия между микробиомами любителей собак и микрофлорой всех остальных. Выяснилось, что кошки, при всей своей «ласкабельности», вносят меньший вклад в создание коммунального микробиома (по сравнению с микробиомом индивидуальным).
Среда и обстоятельства наверняка играют роль при формировании младенческого микробиома. Однако активный отбор может оказаться еще более значимым фактором. По данным ученых медицинского факультета Вашингтонского университета, опубликованным в 2014 году, есть основания предполагать, что все микробиомы младенцев, появившихся на свет преждевременно, развиваются во многом похоже. Ученые проследили за развитием 58 таких детей, начавших жизнь в палате интенсивной терапии, где незапланированные встречи с микробами крайне редки. То, как эти младенцы появлялись на свет, и то, как они питались, оказало лишь незначительное влияние на развитие их кишечного микробиома (а то и вовсе никак на него не повлияло), где «с хореографической четкостью сменяли друг друга бактериальные классы». Отмечались различия в скорости изменений, но не в самой их последовательности. К тридцать третьей – тридцать шестой неделе после зачатия все эти младенцы обладали весьма схожим составом микробного населения кишечника[74].
В любом случае, по мере того как ребенок ест больше твердой пищи и ее разнообразие увеличивается, и после того как младенца отнимают от груди (или прекращают искусственное вскармливание), все отличия, ставшие наследием родов или раннего периода кормления, постепенно сглаживаются. Микробиом трехлетних очень похож на микробиом взрослых с таким же рационом, живущих в такой же среде. К трем годам ребенок приобретает большое пестрое микробное население, состоящее преимущественно из Bacteroides и Firmicutes, хотя сохраняются в нем и некоторые Bifidobacteria. Чаще всего экосистема остается такой и в дальнейшем, если только ее не дестабилизирует какое-то из ряда вон выходящее событие.
По мере того как всё новые и новые исследования предоставляют нам «моментальные снимки» микробиома людей, наблюдаемых (поодиночке или коллективно) в течение долгого времени, мы всё лучше понимаем, какими могут быть эти события. Человеческий микробиом дает все возможности для самонаблюдения, требуется лишь упорство и самоотверженность. Особенно детальное исследование провели в лаборатории Эрика Алма (Массачусетский технологический институт). В эксперименте участвовали два человека, ежедневно отбиравших пробы своего стула и слюны. Кроме того, с помощью одного полезного приложения для айфона они прилежно фиксировали все, что в этот день съели и выпили, наряду с массой других значимых сведений – о работе, сне, физической активности, настроении, весе. Идея исследования состояла в том, чтобы, воспользовавшись доступностью процедуры ДНК-секвенирования, в ежедневном режиме отслеживать изменения микробной популяции.
В статье, вышедшей в середине 2014 года, имена этих людей не разглашаются: их называют просто субъектом А и субъектом В (эта сдержанная научная манера здесь очень уместна). «Изучение выборки добровольцев позволило нам остановиться на двух здоровых мужчинах, не связанных между собой родством», – скромно поясняют авторы[75]. На самом деле этими субъектами стали сам Алм и Лоуренс Дэвид (в момент начала исследования он выполнял в лаборатории дипломную работу). Так что эксперимент осуществлялся методом самонаблюдения. Могло получиться иначе, но когда впервые составили план, подразумевавший отбор пробы при каждом посещении туалета в течение года, «как ни странно, никто не вызвался стать участником такого эксперимента», признался Алм.
Результат – потрясающее (с экологической точки зрения) сочетание изменчивости и постоянства. Изучая образцы, вы всегда можете определить, где чей, хотя состав проб день ото дня варьируется. Общая картина – это картина стабильности.
Варьирование по дням связано, в частности, с питанием. Потребление необычно большого количества клетчатки приводило к быстрому увеличению содержания трех бактериальных видов (его можно зафиксировать примерно на следующий день), хотя в общей микробной популяции эти виды составляли сравнительно небольшую долю – приблизительно одну пятую. Потребление цитрусовых приводило к резкому росту содержания иной группы видов.
Благодаря счастливому стечению обстоятельств удалось выявить интересный факт. В середине года Дэвид провел два месяца в Бангкоке. Данные о содержании бактериальных видов четко показывают, что в его кишечнике, едва он прибыл в город, сразу же поселились некоторые бактерии, которых раньше не было. Они исчезли из кишечника ученого, только когда он вернулся в США.
Более драматическое событие отражено в микробной летописи никуда не выезжавшего коллеги Дэвида. Острое пищевое отравление при посещении ресторана стало не очень-то приятной демонстрацией скорости, с которой могут размножаться бактерии. Среднегодовое содержание Enterobacteriacaea (к которым относятся и «микробы пищевого отравления» Salmonella) в кишечнике у Алма равнялось 0,0004 %. Когда он отравился и стал страдать от диареи, эта величина возросла до 10 %, а затем достигла впечатляющего максимума 29 %. В то же время содержание Firmicutes у него резко сократилось. Когда Алм выздоровел, оно снова вернулось к его обычным 40 %, однако популяционная смесь штаммов, обитавших у него в толстой кишке, в этом новом стабильном состоянии отличалась от прежней. Большинство из видов, теперь изобиловавших в ней, в небольших количествах имелось у него до болезни, так что в основе нового состава популяции все-таки не было новоприбывших организмов. Это еще одно указание на то, что индивидуальный микробиом человека предпочитает поддерживать один и тот же состав микробов (хотя их количественное соотношение может меняться). Микробиом способен отлично справляться с видовыми заменами, если эти заменители делают примерно то же самое, что и бактерии, которых они вытеснили, и если под рукой имеются бактериальные ресурсы, способные быстро заполнить истощившуюся нишу в экосистеме.
Таким образом, это небольшое исследование демонстрирует нам картину своего рода эластичности (термин, который все чаще применяют при описании микробиомов здоровых людей). Два изученных индивидуальных микробиома отличались друг от друга, но проявляли стабильность. Удалось получить свидетельства микробной конкуренции в случае обоих наборов видов, причем численность близкородственных штаммов иногда резко и взаимозависимо менялась (у одного возрастала, у другого падала), а значит, есть основания предполагать, что соответствующий штамм получал какие-то конкурентные преимущества. Впрочем, такие незначительные ежедневные подвижки в экологии микробиома не очень влияли на общую картину.
Другие исследования (например, проводившееся лабораторией Джеффри Гордона в 2013 году) подтверждают, что состав кишечного микробиома стремится к относительной стабильности. Гордон и его коллеги изучали пробы, которые отбирались у троих взрослых на протяжении 5 лет. Судя по всему, у многих людей дело обстоит так: сложившись, взрослый кишечный микробиом не меняется (если его носитель здоров). Вероятность нарушения стабильности повышается не только при болезни, но и при старении. Как показывают исследования, пожилые люди, по-видимому, сильнее отличаются друг от друга по кишечному микробиому, чем молодые. У каждого отдельного пожилого человека, возможно, имеется менее разнообразное микробное население, чем то, которое обычно встречается в образцах, взятых у молодых или у людей среднего возраста[76]. Подробности таких изменений ученые продолжают выяснять, пытаясь разобраться во всевозможных особенностях, которые могут влиять на микробную биографию каждого отдельного человека. Так, пожилые люди в развитых странах нередко проживают в домах престарелых, где их диета отличается от той, что была у них прежде, и где они ежедневно принимают смесь различных лекарств. В ответ микробиом меняется вплоть до самой смерти своего носителя. А затем микробы изо всех сил стараются попасть куда-нибудь еще.
Впрочем, сначала они пожирают питательные вещества, которые вытекают из наших умирающих клеток. Это, между прочим, тоже можно изучать. Микробный ансамбль, обитающий на трупе, даже носит подобающее научное название: танатомикробиом. Как полагает Питер Нобл из Алабамского университета, изучение этого микробиома может пригодиться криминалистам – например, для оценки времени смерти[77]. Впрочем, к этому печальному моменту никакого суперорганизма уже не существует, так что самое время перейти к широкомасштабной истории микробиомов.
