Сад нашего тела
Как уже отмечалось в главе 1, микробиом — это совокупность тысяч различных видов бактерий, грибов и вирусов, живущих внутри и на поверхности тела. Эти микробы представляют все три домена жизни — эукариот (Eukaryota), архей (Archaea) и бактерий (Bacteria). Считается, что на нашей коже живет примерно 1000 различных видов бактерий, большинство из которых относится к типу актинобактерий (Actinobacteria).
Микробиом кишечника представлен главным образом бактериями, относящимися к двум типам — Bacteroidetes и фирмикуты (Firmicutes; например, присутствующие в йогурте лактобациллы). Но масса наиболее интересных различий отмечается на уровне отдельных видов бактерий, их генов и метаболических профилей. По мнению ученых, в кишечнике, как и на коже, живет порядка 1000 видов бактерий. Но кишечные бактерии отличаются от кожных не только видовой принадлежностью, но и генетическими характеристиками. Общее количество генов кишечных бактерий во всей человеческой популяции достигает почти 10 млн, но большинству людей свойственна лишь небольшая часть этих генов. Некоторые бактерии представлены множеством штаммов, слегка различающихся числом копий генов и характеристиками. Штаммы некоторых видов кишечных бактерий различаются своими генами аж на 25 %.
Недавно международный консорциум ученых представил 3D-карту микробиоты примерно на 400 различных участках человеческой кожи. Полученные данные еще раз подтвердили преимущества экологического подхода для понимания характера распределения микробов на поверхности человеческого тела. На лице, спине и груди, где находится множество сальных желез, преобладают одни виды бактерий, а в области паха, для которой характерен более теплый «микроклимат» с повышенной влажностью, — другие.
«Топографические» особенности распределения микробов касаются не только кожи, но и всего человеческого тела. Его отдельные участки, по сути дела, представляют собой различные экологические регионы, различающиеся такими характеристиками, как кислотность, содержание кислорода, температура, доступность питательных веществ и влажность. Эти локальные различия влияют на состав микробных «смесей», способных жить в том или ином месте тела. Метафорически говоря, одни микробы предпочитают жить во Флориде, а другие — на Аляске. Хотя рот, желудок, толстый и тонкий кишечник представляют собой отделы одной и той же анатомической структуры — пищеварительного тракта, они сильно различаются профилями населяющих их микробов. Точно так же, как микробная смесь нашего рта сильно отличается от микробной флоры влагалища. Микробы хотят жить там, где они имеют доступ к пище и могут расти и размножаться, а мы хотим, чтобы их местожительство ограничивалось только этими специфическими участками нашего тела.
Попав «не на свое место», обычно дружественные нам микробы могут стать причиной болезни. Так, проникнув в полость тела, кишечные бактерии способны быстро вызвать септический шок — и смерть человека. Так что каждый микроб «правильно» работает только в собственном закрытом сообществе.
Микробы, живущие в различных местах нашего тела, имеют древнюю историю взаимодействия именно с теми клетками, из которых и состоят эти части тела. Сотруднические отношения между ними вырабатывались веками и тысячелетиями. И, как будет показано в последующих главах книги, они даже делятся друг с другом самыми разными продуктами — от короткоцепочечных (летучих) жирных кислот (КЦЖК) до генов.
Чтобы лучше уяснить себе ситуацию, вообразите, что вы выращиваете микробный сад. Каждый «комплект» микробов имеет определенные потребности для своего роста и жизнедеятельности. Одни любят тепло, другие — прохладу. Одни хорошо себя чувствуют в очень кислой среде, другие — в более щелочной. Некоторые микробы любят свет, а другие ненавидят его. Есть микробы, нуждающиеся в кислороде, а есть такие, которые не выносят его присутствия.
Микробы, о которых нам чаще всего приходится слышать, составляют лишь небольшую часть нашего общего микробиома. В дискуссиях по поводу пробиотиков нередко звучат такие названия, как лактобациллы, бифидобактерии, фирмикуты и бактероиды. Но существует и масса других микробов, и многие из них отнюдь не бактерии.
Человек может утратить свою биологическую целостность в результате экологических изменений того же типа, что влияют на состояние тропических дождевых лесов и коралловых рифов. Недавно Донна Билз назвала этот процесс истощением биома. Отсутствие привычных микробных партнеров оказывает пагубное воздействие на наши собственные клетки и ткани. Какой, казалось бы, вред может причинить нашему организму утрата нескольких микробов, если наш микробиом содержит их многие тысячи видов? Как-нибудь переживет! Но экологические исследования свидетельствуют о том, что этого может и не случиться.
Поддержание здоровой жизнедеятельности таких сложных экосистем, как человеческий суперорганизм, имеет два слабых звена. Во-первых, преобладающие в экосистеме виды могут обладать особым комплексом потребностей, от удовлетворения которых зависит их выживание и сохранение главенствующего статуса в экосистеме. Виды, представленные в экосистеме в наибольшем изобилии, потребляют наибольшее количество пищи и, соответственно, производят основную массу метаболитов и шлаков, тем самым влияя на общее состояние среды экосистемы. В известном смысле они определяют объем ресурсов, доступных для остальных видов. Изменение доступности пищи и других условий системы может повлиять и на доминирующий статус самих этих видов, и в результате — на среду обитания большинства других видов.
Ученые провели массу исследований, посвященных таким группам преобладающих видов в самых разных экосистемах, например в тропических лесах и человеческом кишечнике. Но опять же, господствующее положение, которые некоторые виды занимают в экосистеме, далеко не всегда соответствует их значимости в ее жизни. Фактически в экосистемах, отличающихся высоким биоразнообразием — таких, например, как дождевой лес, наш кишечник, кожа, дыхательные пути и репродуктивная система, — критические функции (например, содействие созреванию иммунной системы) выполняют как раз редкие или малочисленные виды. Но когда экосистема подвергается повреждениям, они могут оказаться самыми уязвимыми. Такие виды живых организмов называются ключевыми. В таких экосистемах недостаток резервов, необходимых для поддержания критических функций, которые выполняют редкие виды, может стать главным фактором утраты экосистемой жизнеспособности.
В тропическом дождевом лесу 55 % видов деревьев, участвующих в выполнении критических функций, представлены в репрезентативных выборках единичными экземплярами. Удалите их — и целый участок леса станет нежизнеспособным. А теперь вновь вспомним о нашем кишечнике, коже и дыхательных путях. Разные отделы кишечника заселены сильно различающимися микробными видами, приспособленными к поддержанию специфических физиологических функций этой части пищеварительной системы (сильно различаются, например, микробы толстого и тонкого кишечника). Заботясь о здоровье внутренней экосистемы человека, приоритеты нужно отдавать самым слабым звеньям в каждом из отделов кишечника. Сказанное можно проиллюстрировать примером из жизни лабораторных животных.
На долю сравнительно редкой, узкоспециализированной бактерии аккермансии (Akkermansia) приходится всего 3–5 % всей бактериальной кишечной флоры. Тем не менее эти бактерии играют важную роль во взаимодействиях с клетками кишечного эпителия и регуляции выработки слизи. Слой слизи имеет критическое значение для того, чтобы удерживать другие бактерии на безопасном расстоянии от нашей кишечной выстилки и находящихся в ней иммунных клеток. Если количество аккермансий в кишечнике снизится, что иногда происходит при изменении некоторых условий среды, кишечник утрачивают одну из своих критических функций — поддержание нормального состояния своей слизистой выстилки. Снижение численности аккермансий ученые связывают с одной из форм воспаления, способствующей развитию ожирения.
Неудивительно, что вплоть до недавнего времени бактерии аккермансии оставались малоизученным компонентом кишечной микробиоты: учитывая их малочисленность, у ученых не было достаточных оснований считать их важным компонентом кишечной микрофлоры. А сегодня отсутствие аккермансий рассматривается в качестве одного из главных факторов развития множества воспалительных болезней и состояний. Защита самых уязвимых и наиболее важных звеньев, способствующих поддержанию здорового микробиома и эффективной физиологии человека, становится, похоже, приоритетной задачей медицины.
О том, чем чревато разрушение, повреждение или даже утрата микробиома, наглядно свидетельствуют многочисленные исследования на грызунах и других лабораторных животных. Сценарий этих событий напоминает мне сюжетную линию классического фильма Фрэнка Капры «Эта прекрасная жизнь» (It’s a Wonderful Life). Мы располагаем достаточной информацией, чтобы заглянуть немного вперед и увидеть, что ожидает живое существо с поврежденным микробиомом. Ничего хорошего! И совсем не то, чего можно было бы пожелать себе или своим детям.
Когда мы теряем своих микробных партнеров, нормальное развитие и функционирование организма изменяется — и не в лучшую сторону. Свидетельства этого известны ученым уже довольно давно. Еще в 1971 г. был опубликован исчерпывающий обзор научных данных о том, какие эффекты развиваются у лабораторных животных в отсутствии микробиома; его выводы позволяют точно предсказать, что ожидает человека, когда он как биологический вид остается наедине с самим собой. Без микробных партнеров его жизнь превращается в сплошную череду биологических нарушений и болезней, завершающуюся смертью.
В качестве примера рассмотрим 40–50-летний опыт разведения и изучения двух типов мышей — гнотобиотических (абсолютно стерильных) и лишенных части микробов. Эти мыши содержатся в стерильных условиях, едят стерильную пищу и даже рожают своих детенышей — по крайней мере на первых порах — с помощью кесарева сечения. Мыши-гнотобиоты полностью лишены бактерий, включая и нормальную микробиоту. Чтобы выжить, они должны получать особые пищевые добавки. Это связано с тем, что кишечные бактерии образуют специфические питательные вещества, необходимые животным для здоровой жизни, а клетки млекопитающих их вырабатывать не могут. К числу таких питательных веществ относится, например, жирорастворимый витамин К. Уровень образуемых бактериями витаминов и других метаболитов имеет критическое значение для выживания животных. Так, например, если мыши-гнотобиоты получают в качестве пищи стандартный сухой корм для грызунов, через три дня они заболевают и погибают. Страдают они и дефицитом тимидина, так как им недоступен образуемый бактериями тимидин. Грызуны, полностью лишенные микробиома и не получающие добавок бактериальных метаболитов, обречены на скорую гибель.
Но и это еще не все. На долю одного из отделов кишечника, слепой кишки, у грызунов обычно приходится от 6 до 10 % общей массы тела. При полном отсутствии кишечных бактерий слепая кишка сильно увеличивается в размерах и составляет от 20 до 25 % массы тела; это осложнение может привести к гибели животного. Сердце, напротив, уменьшается в размерах, что сопровождается ослаблением кровотока и снабжения тканей кислородом. Двигательная активность животных также снижается. Отмечается недостаточность иммунной системы и иммунных ответов.
Как же живут мыши, полностью или частично лишенные микробиома? Прежде всего их приходится содержать в стерильных лабораторных условиях. Оказавшись в обычных условиях, они быстро погибают от инфекций. По информации одного из производителей гнотобиотических мышей (компании Taconic), для поддержания их жизнедеятельности в корм необходимо добавлять смеси пробиотиков. В противном случае животные будут страдать от дефицита витамина К, поскольку его вырабатывает микробиом. Интересно отметить, что лечение людей антибиотиками может привести к значительному снижению уровня витамина К, поскольку антибиотики убивают и кишечных бактерий.
Как и в случае тропического дождевого леса и кораллового рифа, повреждение или разрушение «микробиомного сада» человека приводит к самым серьезным последствиям. Чтобы жизнь была здоровой и долгой, наш микробиом должен быть полноценным, а мы сами — иметь доступ к достаточному разнообразию микробных партнеров.
