Карта бактерий

Бактерии «оккупируют» наше тело с первой минуты внутриутробной жизни, они объединяются в сложные сообщества, и уже через два-три года в организме малыша формируется его личный коллектив бесчисленных крошечных микробов, которые будут сопровождать его всю оставшуюся жизнь. В организме взрослого человека обитает около 100 миллиардов бактерий. Ученые говорят, что мы носим в себе «три килограмма чужаков». Эта биомасса сопровождает нас до самой смерти, являясь частью нас самих.

Ученые долго игнорировали важную миссию этих незаметных приживал. Их внимание привлекали лишь несколько патогенных микробов, вызывающих смертельные болезни. Миллиарды же их «правильных» сородичей, полезных для здоровья, оставались в тени. Раньше было лишь известно, что они улучшают пищеварение и защищают от инфекций. Понадобились десятилетия, чтобы понять: микробы — не просто бесполезные нахлебники.
Отношения между человеком и населяющими его тело микробами гораздо сложнее, чем казалось раньше. Новейшие научные исследования показывают: бактерии и продукты их обмена веществ оказывают принципиальное влияние на работу организма. В человеческом теле микробы собираются в сообщества, как колонисты, осваивающие новые «земли». И вся колония развивается вместе с освоенной территорией. При этом бактерии передают приобретенные свойства по наследству.

Микробы подстраиваются под «хозяина» — страдают от его болезней, терпят его стиль жизни, меняют свое «меню». Но и человеческий организм тоже приспосабливается к «родным» бактериям. Без плодов их деятельности — витаминов — мы не можем жить. Больше того: наши крохотные сожители, похоже, участвовали… в нашей эволюции.
Это открытие потрясло научный мир. Сегодня ученые говорят о так называемом «микробиоме человека» — всех микроорганизмах, населяющих его. Ученые Национального института здоровья при министерстве здравоохранения США стали инициаторами проекта «Микробном человека». Цель проекта — понять, как влияют на организм населяющие его микроскопические существа.

bakterii bakterii1
Биолог Маргарет Макфолл-Нгаи ждет от проекта ни много ни мало «абсолютно новой интерпретации понятий болезни и здоровья». Потому что совместная жизнь человека и микробов наводит на обескураживающую мысль: «Человек — не самостоятельная личность, а коллектив живых организмов». То есть каждый из нас — это «колхоз» человеческого тела и его микробов.

Вот она, ирония судьбы: веками человечество внушало себе, что «человек разумный» отличается от животных способностью самостоятельно распоряжаться своим телом и принимать решения. И вот теперь, в начале двадцать первого века, пришла пора признать ошеломляющий факт: часть контроля над собой отдан населяющим нас микроорганизмам. И теперь возникает вопрос: так что же мы на самом деле?

Долгое время ответ на этот вопрос биологи искали, копаясь в человеческих генах. Учеными двигала святая вера в то, что лишь спираль ДНК может прояснить суть человеческого бытия. Сегодня же все признают: гены формируют личность, но лишь отчасти. Потому что посторонние биохимические соединения могут запросто заблокировать отдельные гены, к тому же на наши гены влияют окружающая среда и стиль жизни. Какую же власть над нами имеют чужаки-микробы, которые вместе взятые привносят в организм в сотни раз больше генов, чем мы наследуем от родителей?

В начале 2010 года китайские и европейские ученые опубликовали каталог генов всех известных микробов: 3,3 миллиона генов — в 150 раз больше, чем в геноме человека! Так что ничего удивительного, что отдельные ученые заговорили о «человеческом суперорганизме», который генетически гораздо сложнее, чем казалось раньше. Этот «суперорганизм» сравнивают со сложными сообществами людей и миром растений и насекомых, которые живут по правилам взаимного обмена.

Научная теория с далеко идущими последствиями. Из нее следует, что функции организма основаны на взаимодействии между человеческими органами и населяющими их микробами. И что причинами болезней могут быть нарушения в этом взаимодействии. И что в худшем случае этот взаимообмен между партнерами по симбиозу вообще прекращается.

Даже в случае с ожирением дело не обошлось без микробов. Американские исследователи обнаружили, что у толстых и худых мышей разная микрофлора в пищеварительном тракте. И что бактерии у толстых мышей лучше усваивают энергию из пищи. Когда эти бактерии пересадили худым мышам, те быстро набирали вес. С людьми все так же: у однояйцовых и двуяйцовых близнецов с разным весом обнаруживаются совершенно разные сообщества бактерий.

Организм и микробы взаимодействуют при помощи биохимических сигналов. Этот индивидуальный «набор» микробов влияет не только на усвоение пищи, но и на то, насколько запасы энергии накапливаются в виде жировых отложений.

За каждым органом и участком тела «закреплены» определенные виды микробов. Тем не менее практически доказано, что разные микробы посылают свои химические сигналы далеко за пределы «собственной» территории. Например, Джереми Николсон из Имперского колледжа Лондона установил: кровь и моча буквально кишат молекулами веществ, выделяемых кишечными бактериями. Исследователь уверен, что микробы могут влиять и на биохимические процессы в головном мозге.

В молекулярном обмене между микробами и человеческим организмом участвуют и вещества, выделяемые болезнетворными бактериями. Ученые вопрошают: а что, если эти якобы вредные вещества являются участниками нормального обмена между партнерами по симбиозу? Биолог Маргарет Мэкфолл-Нгаи уверена, что разница между безобидными и опасными бактериями не настолько огромна. Она, скорее, похожа на изменение тона диалога: как отличаются между собой спокойный разговор и громкий спор.

Скопления микробов в человеческом организме впервые были обнаружены в 1683 году. Тогда голландский натуралист Антони ван Левенгук прислал в Лондонское королевское научное общество письмо, в котором поведал британским коллегам о своих экспериментах с мощным микроскопом. Голландец посмотрел сквозь мощные линзы на налет с собственных зубов — и увидел «множество копошащихся очень мелких и крайне подвижных живых существ».

То письмо пробудило интерес ученых к бактериям, населяющим человеческий организм. Последовали триста лет экспериментов, в которых исследователи сосредоточились на попытках изолировать микробы от окружающей среды и выращивать их в лабораторных условиях. Это был единственный способ наблюдать и изучать микроорганизмы. Увы, этот метод не принес удовлетворительных результатов и по сей день. Потому что сведения, добытые «из пробирки», отрывочны. С таким же успехом молено изучать поведение людей, заперев подопытных в одиночных камерах, игнорируя большие города и вообще всякие сообщества.

Этот узкий взгляд на мир микробов начал расширяться совсем недавно. Лишь новейшие технологии генетических исследований позволили подробнее рассмотреть микробов — а точнее, их генетическую информацию — без изоляции в лабораторных условиях. Сегодня ученые вылавливают гены бактерий напрямую из проб воды и почвы — и сталкиваются с доселе неведанным генетическим разнообразием. Микрокосмос микробов превосходит по своим масштабам все мыслимое.

В мировой науке появилось новое направление — метагеномика. Новая дисциплина позволяет ученым получить вместо портрета отдельных микробов полные картины сообществ, существующих вместе. Исследователи пробираются в ранее неизведанные территории: спускаются к горячим источникам на дне океанов, проникают в вечную мерзлоту в тундре. Но взгляд науки обращен не только вовне, но и внутрь. Шаг за шагом ученые заново открывают человеческое тело — обнаруживая там бесконечную паутину связей между колониями бактерий на коренных зубах и носовой перегородке, между бактериями на ногтях ног и коже головы, между легкими и кишечником.

Чем глубже проникают исследователи в микробиом человека, тем больше бактерий они находят. Еще недавно ученые надеялись определить микробиом человека, систематизировав конечное число различных видов бактерий. Оказалось, что все гораздо сложнее: хотя в организме действительно уживаются несколько основных групп бактерий, в каждой группе так много видов, причем у каждого человека они разные.

«Чем больше мы погружаемся в тему, тем бесконечнее кажется разнообразие экосистемы человека», — признает Рут Ли, микробиолог из Корнеллского университета в США. В богатом питательными веществами кишечнике сообщества бактерий относительно стабильны; в суровых условиях кожи обитают странствующие бактерии, которые приходят и уходят.

Как и люди, бактерии предпочитают жить в определенных районах — на внутренней стороне локтя живет совершенно другое сообщество микробов, чем на предплечье. Микробы постоянно проникают в организм извне. Например, «коренные обитатели» кишечника сталкиваются с «гастролерами», попадающими в организм с пищей. Поэтому так трудно определить основные группы в составе микробиома. Человек получает порцию индивидуальных бактерий еще в утробе матери ведь для начала нужно отличить «заезжие» бактерии от «местных».

Но в одном можно быть уверенным — часть микробов передается по наследству. В первые годы жизни большинство из нас получают свою порцию материнских бактерий. Остальные микробы вселяются позднее, через стиль жизни «хозяина». И даже от сексуального партнера: исследования показывают, что с годами совместной жизни супругов у их бактерий появляется сходство. И тем не менее часть личного микробиома остается неизменной.

Индивидуальность микробиома открывает перед медициной огромные перспективы. Например, индивидуальный подбор лекарств в соответствии с микрофлорой кишечника, который мог бы стать первым шагом на пути к избавлению от бесконтрольного применения антибиотиков. Ведь мы до сих пор не ведаем, что творят в нашем теле лекарства широкого спектра действия, которые мы глотаем при первых при знаках инфекции.

И это лишь одна из научных крепостей, которая может пасть под напором метагеномических исследований. На сегодня ни один из классических шаблонов науки не подходит для того, чтобы понять и объяснить необъятный микромир бактерий.

Эколог Уильям Карасов из университета Висконсин-Мэдисон (США) уверен: наука о человеке вступает в новую эру. Потому что «отныне надо учитывать, что человек слился с бактериями в одно целое». Многим ученым придется пересмотреть привычные теории.
Так можем ли мы считать себя самостоятельными личностями? Или пришла пора говорить о «коллективном Я»? Микробиолог Дэвид Релман из Стэнфорда уверяет: все зависит от того, готов ли человек воспринимать себя как общий дом и продукт коллективной эволюции.

С этим вряд ли поспоришь. Взять хотя бы строение наших клеток. Они до сих пор хранят в себе отпечатки древнего симбиоза — в виде митохондрий, выполняющих роль энергетических станций клетки. Есть теория, что это — рудиментарные органоиды, а их предки — доисторические бактерии, захваченные примитивными клетками-партнерами. То есть мир микробов —изначальная родина столь привычных «человеческих» компонентов нашего тела.

Бактерии внутри и снаружи нашего тела помогут приблизить решение главного вопроса: откуда взялась жизнь? До Дарвина ответ был простым —все биологические виды даны свыше. Теория эволюции заставила взглянуть на происхождение видов как на процесс.

Новые познания о связи человека и микробов — следующий шаг на пути познания. Они доказывают, что общая история — не единственное, что связывает виды в природе. Сосуществование разных форм жизни — это единый поток эволюции.

В 1977 году ученые обнаружили жизнь в горячих кратерах на дне океана. Находка поставила их в тупик. Как могли эти кольчатые черви погонофоры выжить в кипящей воде, насыщенной ядовитым сероводородом? Ведь до того момента считалось, что все организмы на Земле живут за счет солнечной энергии. Но на такую глубину не проникает ни один солнечный луч! Позднее выяснилось, что черви существуют за счет симбиоза с бактериями, усваивающими сероводород из воды. Бактерии «готовили» из этого газа вполне съедобную пищу для червей.

Это открытие в очередной раз доказывает, что все известные нам формы жизни обязаны своим возникновением микробам. Еще недавно мы просто не замечали ни крошечных соседей в нашем теле, ни жителей посторонних экосистем. И зря! Пора бы уже расстаться с нашим беспечным прошлым — раз и навсегда.