Kitobni o'qish: «Как микробы влияют на нашу жизнь. Новое и удивительное о многогранных соседях»

Original title: Zu Risiken und Nebenwirkungen fragen Sie Ihre Türklinke by Susanne Thiele.

Illustrations based on motives by Isabel Klett.

© 2019 by Wilhelm Heyne Verlag a division of Verlagsgruppe Random House GmbH, München, Germany

© Перевод, оформление, издание на русском языке. ООО «Попурри», 2021

Мы формируем наши дома, а затем наши дома формируют нас.

Уинстон Черчилль¹

Мы поколение прикосновений. Мы делимся поверхностями более, чем когда-либо в истории.

Чарльз Герба, микробиолог²

Предисловие

Любите ли вы микробов? Или мысль об этих крошечных формах жизни заставляет вас взять в руки дезинфицирующее средство? Бактерии, грибы, вирусы… У этой группы микроорганизмов ужасно плохой имидж. Новости об эпидемиях и отвратительных болезнях являются причиной наших страхов, герои которых – возбудители заболеваний. Дети вырастают на рассказах о вредных зубных троллях Кариусе и Бактериусе. Целые полчища охотников за микробами вступили в борьбу с ними. Роберт Кох, Луи Пастер и Рудольф Вирхов смогли добиться важных этапных побед в состязании с нашими опасными соседями. Тем не менее страх перед микробами все еще очень глубок, пусть даже чума и холера давно оставили Европу в покое.

Большинство из нас сегодня очень хорошо осведомлены об опасности и свойствах болезнетворных микробов. Гигиена в наши дни возведена в культ. В целях домашнего использования люди вооружаются специальными средствами бытовой химии, у многих дома так же чисто, как в операционной. Современные боеприпасы хозяек, приобретаемые в целях дезинфекции, такие, например, как спрей для ванны, призваны убить все, что движется. Многие убеждены, что «хороший микроб – мертвый микроб». Слово «антибактериальный» приобрело исключительно положительный смысл. Мы с удовольствием пользуемся мылом, средствами для ухода за кожей, чистящими и моющими, которые в рекламе фигурируют как «антибактериальные». В большинстве домов более вероятны проблемы с молью, чем с микробами.

Между тем микробы обладают прекрасными свойствами. Это самые маленькие и наиболее успешные живые организмы на земле, они населяют даже самые негостеприимные места. Нормализуют пищеварение в нашем кишечнике и благотворно влияют на окружающую среду, разлагая органические вещества и очищая сточные воды. Только благодаря бактериям и грибам еда обретает вкус и может храниться долгое время. Йогурт, сыр или пиво не существовали бы без наших микроскопических помощников. Вы все еще думаете, что ванная комната, кухня, холодильник и раковина всегда должны содержаться в идеальной чистоте?

Наше отношение к микробам изменилось только в последнее десятилетие. С тех пор как ученые начали исследовать человеческий микробиом, особенно микрофлору кишечника, на первый план вышло позитивное взаимодействие между нами и нашими крошечными сожителями. И интерес к сосуществованию человека и микроорганизмов продолжает расти. В 2014 году в Амстердаме появился первый микробный зоопарк «Микропия», где взрослые и маленькие посетители могут поближе познакомиться с захватывающим микрокосмом. Еще не так давно это невозможно было себе представить. В мае 2017 года у меня была возможность изучить «Микропию» со своей семьей, если можно так сказать, сделать полевое исследование. Я нашла один из источников вдохновения для этой книги в светящейся панели размером в рост человека, которая сплошь была покрыта пробирками разных цветов с микроорганизмами из нашей повседневной жизни: бактериями, что сидят на наших зубных щетках, приветствуют нас на дверных ручках или живут в пылесосе; с плесневыми грибами, которые вместе с нами принимают душ или укладываются спать. Пестрое видовое разнообразие наших повседневных спутников невероятно. К настоящему моменту исследователям известна лишь малая часть микроорганизмов, обитающих вокруг нас, и часто они не знают точно, как эти крошечные существа функционируют в своей экосистеме.

Микробы вездесущи в нашей жизни. В нормальных условиях абсолютной стерильности не существует. Да она и не нужна. Могу успокоить вас уже сейчас: лишь немногие из наших маленьких соседей, что встречаются в домашнем хозяйстве, вызывают болезни. Конечно, есть среди них парочка паршивых овец. Но только 0,1 процента видов микробов на Земле могут быть возбудителями заболеваний у людей. Большинство бесчисленных микроорганизмов в нашей среде не причиняют нам вреда. Эти крошки даже обогащают вашу жизнь.

Взгляните вместе со мной в этой книге, словно под микроскопом, на невидимую вселенную в вашем доме. В первой части я познакомлю вас с миром микробов, он полон вздымающихся жгутиков и пузырьковых газов, а некоторые микроорганизмы явно идут на рекорд. Мы докопаемся до нашего исторически обоснованного страха перед микроорганизмами и поймем, почему они так важны для нас. Узнаем, кто в ходе истории поселился вместе с нами у нас дома, а с кем мы и сейчас прекрасно сосуществуем.

Взяв эти знания на вооружение, мы во второй части отправимся в экспедицию по домашнему микробному зоопарку: стартуем в коридоре, затем обойдем кухню, ванную комнату, гостиную и спальню и завершим путешествие в детской комнате. Обратим внимание и на четвероногих членов семьи – собак и кошек, а также их микроскопических «постояльцев». Гуляя по дому, вы ближе познакомитесь со своими маленькими сожителями и узнаете много нового о том, как жить вместе с ними и оставаться здоровыми.

Добро пожаловать в занимательное путешествие по вашему дому и по царству самых маленьких и в то же время столь могущественных существ. Шагните в этот невидимый мир и побывайте в фантастических историях, где главная роль отведена мини-героям. Вас ждут увлекательные факты и даже сюрпризы. Давайте начнем прямо с вашего дивана!

Часть первая
Невидимые миры

1. Планета микробов

Мы живем в мире микробов, маленьких невидимых существ, находящихся за пределами нашего воображения. И считаем их чужими, не уделяем им должного внимания. Но можем чувствовать их запах и вкус, ведь они обитают в нашем организме и вокруг нас. Почти все в мире вращается вокруг этих крошек. Они были здесь задолго до появления человека, и без них не обходится практически ни один процесс на этой планете.

Прежде чем рассказать несколько историй о микробах в вашем доме, я хотела бы немного подготовить вас к экспедиции в этот микрокосм посредством небольшого экспресс-курса «Что вы всегда хотели знать о микробах». Поверьте, это намного интереснее, чем может показаться на первый взгляд.

Кто такие микробы?

Начнем с вопроса: что такое микроб? С научной точки зрения это неточное понятие, потому что мы используем его для определения любого маленького существа, которое не можем увидеть невооруженным глазом. К микробам относят множество очень разных организмов, в числе которых бактерии (группа, о которой мы чаще всего думаем, когда слышим слово «болезнетворные микробы»), археи (внешне напоминают бактерии, но на самом деле совершенно другие), низшие грибы (например, дрожжи) и протисты (примитивные водоросли, амебы, слизистые грибы и простейшие). К микробам также часто причисляют и вирусы.

Микробы – это одноклеточные организмы, в отличие от людей или блох, которые состоят из клеток разных типов, работающих вместе и необходимых друг другу для выживания: отдельно взятые клетки мозга, печени или сердца бесполезны. А вот единственная клетка микроба – это независимое живое существо, которое может выживать и размножаться без помощи других клеток³. Поскольку термин «микроорганизмы», который вы, вероятно, уже слышали, в узком смысле подразумевает только бактерии, мы будем по большей части использовать более общее понятие «микроб» независимо от того, идет ли речь о бактериях, вирусах или грибах.

Некоторые бактерии невероятно ленивы и не сдвинутся с места, другие передвигаются по воде или жидкой питательной среде с фантастической скоростью с помощью небольшого встроенного «моторчика» из нитевидных жгутиков.

И, конечно, бактерии представлены в разных формах: есть среди них шарики, палочки и спирали, встречаются даже квадратные бактерии, такие, например, как галофильная (любящая соленую среду) бактерия haloquadratum walsbyi. Ее размер составляет 40 микрометров, она плоская, как почтовая марка, и благодаря встроенным пузырькам газа может удобно дрейфовать на поверхности рассола.

Для многих видов деятельности бактерии и другие микробы должны общаться друг с другом, но только иначе, чем мы. Они производят крошечные сигнальные молекулы, чтобы их могли распознать соседи по среде. Этот способ общения бактерий называется «определение кворума» (в напоминание о «кворуме» в Древнем Риме – определенном количестве голосов, необходимом для легитимности решения): нужно, чтобы в собрании приняло участие определенное количество микробов для принятия решения. Благодаря такому типу коммуникации бактерии даже способны действовать коллективно, например для формирования биопленок. В этом удивительном мире существует множество «языков», даже «молекул эсперанто», понимаемых многими бактериями. Процесс определения кворума был обнаружен у осьминога, у которого есть светящийся орган, заполненный симбиотическими бактериями, так называемый вибрионом Фишера. Когда бактерий достаточно, среди микробов пробегает сигнал, тогда орган начинает светиться, словно фонарик.

Маленький, маленький мир: невидимая вселенная

Большинство микробов невидимы невооруженным глазом. Если клетки в организме животных или человека имеют размер до 30 микрометров, то бактериальные клетки во много раз меньше. На кончике иглы смогут уместиться миллионы таких клеток. Единственный вид бактерий, который виден без всяких приспособлений, – это намибийская серная жемчужина (Thiomargarita namibiensis), которая была обнаружена в Намибии в 1990-х годах. Она достигает в размере до полумиллиметра. Клетка кишечной палочки в среднем всего около двух микрометров в длину, таким образом, чтобы обернуть цепочку вокруг мизинца из таких клеток, их понадобится около 50 тысяч⁴. В миллилитре содержимого кишечника живет больше бактерий, чем людей на земле.

Нашими знаниями о мире крошечных существ мы обязаны изобретению микроскопа и очень умному человеку – Антони ван Левенгуку. До 1676 года бактерии оставались незамеченными. Но затем этот торговец тканями, который даже не был биологом, стал каждую свободную минуту заглядывать в свой самодельный увеличительный прибор и вы-следил их. Самоучка смастерил конструкцию из линз, чтобы лучше оценивать качество тканей. Из любопытства рассматривал также другие вещи: воду из пруда или налет на своих зубах. Лучшая отшлифованная им линза давала увеличение в 500 раз. Так он открыл «анималькул» – массу животных и растительных одноклеточных, а также крупных бактерий.

Нам открылся новый, ранее невидимый мир. Большинство бактерий имеют диаметр от 0,6 до 1,0 микрометра (мкм), и их можно увидеть в обычный световой микроскоп. Вирусы еще в десять раз меньше. В головке портновской булавки вместится 500 клеток вируса, вызвавшего обычный насморк, их можно увидеть только под электронным микроскопом. Вирусы всегда требуют к себе особого отношения. Обычно их даже не причисляют к живым существам, потому что у них нет ни какой-либо формы самоорганизации, ни питания. Вообще отсутствует обмен веществ. Вирусы устроены намного проще, чем бактерии. Это крохотные капсулы с некоторым количеством генетической информации. Бесспорно, что для своего размножения они невероятно агрессивно захватывают клетку, как пираты – корабль, и перестраивают все ее процессы, так что в конечном итоге она производит только небольшие вирусы. Они очень сообразительные ребята.

Микроорганизмы невероятно малы, зато их ужасно много. Число бактерий на нашей планете оценивается в нониллион – единица с 30 нулями, и это больше, чем звезд в галактике. Вирусов еще на два порядка больше. Невероятный факт: по количеству все эти невидимые микроорганизмы перевешивают видимую жизнь на Земле в 100 миллионов раз. Вместе они тяжелее всех растений и животных, которые мы можем видеть. Только в морях обитает невообразимое количество видов: согласно оценкам ученых, это десять в тридцатой степени клеток микробов. Чтобы взвесить массу всех микроорганизмов в морях, нужно было бы поставить на весы 240 африканских слонов⁵.

Латынь для микроорганизмов

На сегодняшний день известно более 12 тысяч видов бактерий. И микробиологи каждый день открывают все новые и новые микробы. Вы, должно быть, уже удивлялись тому, какие порой странные наименования имеют бактерии, грибы или вирусы. В биологии ученые в основном применяют латинскую терминологию, поскольку это универсальный способ отличить виды друг от друга. Так, яблоко носит название malus domestica, собака – canis familis, а человек – homo sapiens. Каждая недавно обнаруженная бактерия также получает латинское наименование. Обычно оно связано с какой-то особенностью метаболизма или местом, где обитает микроб. Например, палочковая бактерия лактобацилла превращает молочный сахар, лактозу, в молочную кислоту – лактат. Иногда в названии увековечивают имя открывателя. Например, кишечная палочка, Escherichia coli (эшерихия коли), названа в честь впервые описавшего ее Теодора Эшериха. Иногда названия немного сказочные, даже странные. Карлик Румпельштильцхен из сказок братьев Гримм дал свое имя микобактериофагу – вирусу, который может отправить бактерии в нокаут. И Сurvibacter delicatus – это не ругательное слово, а всего лишь наименование слегка изогнутой палочковой бактерии из Японии.

Занимаются ли бактерии сексом?

Как микробы проводят день? Прежде всего они запасаются энергией и материей, чтобы снова и снова раздваиваться посредством деления. Продолжение рода – любимое занятие этих крошек: микроорганизмы невероятно плодовиты, и это дает им большие преимущества в завоевании новых мест обитания. Одна клетка кишечной палочки в идеальных условиях в течение 20 минут может стать двумя клетками. Рекордсмены среди микробов дают новое поколение потомства менее чем за десять минут. К ним относится, например, clostridium perfringens – противный возбудитель гангрены, который может разрастись вдвое за девять минут. По словам бельгийского биохимика и нобелевского лауреата Кристиана де Дюва, при достаточном потреблении питательных веществ бактериальная клетка способна производить 280 миллиардов потомков в день⁶. По сравнению с этим клетки человеческого организма просто черепашки: за такое же время наши клетки совершают одно деление.

Но нет в мире совершенства, даже среди бактерий один раз на миллион делений случается брак – так называемый мутант. Часто это бывает, когда клетке просто не везет, ведь эксперименты не всегда заканчиваются хорошо. Но иногда, когда бактерии обладают, так сказать, полезным превосходством, а именно возможностью использовать новое питательное вещество, происходит нечто, что дает им невероятное преимущество в эволюции: они могут обмениваться этой информацией и качествами друг с другом, от клетки к клетке, и такие фрагменты генетической информации передаются даже другим видам.

О том, что бактерии могут также заниматься сексом (если мы имеем в виду секс в широком смысле слова), известно уже около 70 лет. В 2001 году американские исследователи «застали с поличным» клетки бактерии с клетками хомяка: бактерии передавали части своего генома клеткам животных, обмениваясь свойствами через так называемый горизонтальный перенос генов.

У многих бактерий кроме обычных кольцеобразных хромосом имеется еще множество маленьких колец ДНК, так называемых плазмид. На них часто находятся генетические факторы способностей, которые могут дать некоторые преимущества в особых условиях окружающей среды (например, устойчивость к антибиотикам). Чтобы передать эти свойства, бактерии разработали специальную технику: вступая в контакт с другой бактериальной клеткой, они могут раздвоить плазмиду, образовать трубчатый отросток – «половой волосок» – и передать через него плазмидную ДНК. Это так называемая конъюгация – процесс, подобный пневмопочте.

Итак, бактерии могут обмениваться данными, а значит, они плавают в некоем общем генофонде. Каждое генетическое изменение, которое становится востребованным, тут же может распространиться повсеместно. Только представьте себе: вы стоите на берегу большой реки и понимаете, что нужны крылья, дабы пересечь ее. Просите своих дальних родственников помочь, и моментально происходит чудо: вы уже умеете летать, или светиться зеленым, или запускать фотосинтез. То есть, с точки зрения генетики, бактерии являются гигантским сообщающимся организмом, состоящим из крошечных членов, очень быстрым и поэтому непобедимым.

Надеюсь, вы уже хорошо знакомы с микробиологией, так что можем позволить себе провести небольшой эксперимент. Составьте мне компанию в путешествии во времени к истокам рождения нашей планеты. Без микробов Земля не стала бы нашей, а мы, люди, вообще не появились бы.

С днем рождения, жизнь!

Невообразимо давно, 3,85 миллиарда лет назад, наша планета немного остыла и покрылась твердой коркой, появилась первая жизнь на Земле, и уже тогда микробы были активными участниками всех процессов. Биологи до сих пор не могут найти ответ на один из главных вопросов: как именно случилось, что какие-то парящие химические элементы собрались вместе и вдруг из них появились протеины – строительный материал жизни?

Представьте, что мы могли бы вместе передвигаться на машине времени, чтобы засвидетельствовать этот момент рождения жизни. Вы бы не узнали нашу Землю: неуютная планета, из-за солнца ничего не видно, странный пейзаж с извергающими огонь вулканами, красным небом и медно-красным морем. И начали бы задыхаться, ведь кислорода еще почти не было.

Когда Чарльз Дарвин, отец теории эволюции, размышлял о происхождении жизни, он представлял себе теплую заводь, образованную приливом, на берегу моря под палящим солнцем. По его мнению, в этом «первичном бульоне» все строительные элементы жизни перемешались и встряхнулись, как коктейль, так и образовалась новая жизнь.

Сегодня исследователи считают, что жизнь зарождалась в обстановке кипящего ада – под постоянной бомбардировкой метеоритами, в условиях экстремальных температур, под интенсивным ультрафиолетовым излучением и в разреженной атмосфере, перенасыщенной метаном, аммиаком и другими токсичными для нас газами. Самые вероятные места зарождения жизни – это клокочущие жерла вулканов на морском дне. В этих гейзерах, «черных курильщиках» в Срединно-океаническом хребте, органические структуры и новые клетки были защищены от смертельного ионизирующего солнечного облучения. Эти источники кишат жизнью и сегодня. Населяют их прежде всего первобытные одноклеточные живые организмы, такие, например, как археи – бактерии, составляющие основу пищевой цепи.

С днем рождения! Вы только что в прямом эфире были свидетелем появления жизни, и я могу представить вас вашему предку – LUCA. Это имя не имеет ничего общего с известной песней Сюзанны Веги, данная аббревиатура расшифровывается как last universal common ancestor, что в переводе означает «последний универсальный общий предок», иными словами, первый общий родственник и предок всего живого на нашей планете. Пусть вас не расстраивает тот факт, что этот кроха достаточно невзрачный: маленький комочек жизни, образованный из мембран и белков, которые могут питатьcя, развиваться и производить потомство. LUCA состоит всего-то из некоторого количества РНК (рибонуклеиновой кислоты) как генетической информации, которая содержится в цитоплазме (жидкое основное вещество клетки), и – в лучшем случае – одной тонкой мембраны. У него еще даже не было клеточного ядра. Вот почему эти ранние прабактерии также называют «прокариотами» – от греч. «доядерный». Все другие живые существа (в том числе и мы, люди) состоят из клеток с клеточными ядрами и относятся к эукариотам (от греч. «настоящее» и «клеточное ядро»). Но мы, высшие существа, появимся на сцене намного позже!

Эти простые прабактерии не испытывали никаких проблем с тем, чтобы заселить любую мало-мальски пригодную нишу. Тогда-то они пришли в отличную форму, и поэтому их также называют «экстремофилами». Первые жители Земли живут и выживают по сей день в самых холодных и жарких местах на планете, на суше и на море. Археи являются еще более «экстремальным» подвидом среди них. Они могут сохранять жизнеспособность даже в кислоте, любят едкие газы или кипящую воду и чувствуют себя комфортно на вулканах или на дне болот. Самые ранние следы жизни исследователи обнаружили в древнейшей породе – серпентините Исуа из Гренландии (возраст 3,8 миллиарда лет). Желающие наглядно испытать, в каких экстремальных условиях зародилась жизнь, должны выехать из Германии. Йеллоустоунский национальный парк или гейзерные пейзажи Исландии и Новой Зеландии – самые известные примеры. Но вы найдете такие места и в Италии: в Сассо Пизано в Тоскане или у вулкана Сольфатара недалеко от Неаполя в горячих грязевых и серных источниках, которые воняют тухлыми яйцами, разноцветные, желтые, ржаво-красные и ядовито-зеленые корки – слизистые отложения, образованные микроорганизмами. Микробиолог Томас Д. Брок из Индианского университета в Блумингтоне выделил на них в 1969 году «термофильную» (теплолюбивую) бактерию thermus aquaticus. Кстати, она живет в наших домах: в посудомоечных машинах, водонагревателях и стиральных машинах.

Бактерии везде – от начала до конца

Если представить историю Земли как 24-часовой день, прабактерии были бы самыми ранними пташками. Жизнь на планете началась с них в 4.30 утра, но пока не отличалась разнообразием и стремительностью событий. Первые одноклеточные микроживотные и водоросли появились только после обеда, около 16 часов. С девяти вечера на земном шаре можно было встретить и простых животных. Наши ранние предки, обезьяны, появились всего за 90 минут до полуночи, а мы сами, представители вида homo sapiens, – за две секунды до 24.00.

Таким образом, люди стали свидетелями лишь крошечной части истории Земли. В это трудно поверить, но на протяжении двух миллиардов лет невидимые микроорганизмы были единственными хозяевами на планете, они пользовались ею вдосталь. Создали нашу биосферу и все важные циклы круговорота углерода, кислорода, серы и фосфора. Сформировали почву и гумус. И наконец, создали основу для развития многоклеточной жизни – растений, животных и человека.

В какой-то момент одноклеточные цианобактерии, известные также как сине-зеленые водоросли, научились отцеживать вещество, которым богата наша планета, – водород, в изобилии содержащийся в воде. И выделили кислород – продукт распада. Фотосинтез стал, несомненно, самым важным биохимическим новшеством, и изобрели его не растения, а бактерии. Большая часть атмосферного кислорода поступает из микроорганизмов, включая современные формы цианобактерий. Морские водоросли и микробы выбрасывают в воздух около 150 миллиардов килограммов в год.

Сначала новый кислород не собирался в атмосфере, а связывался с железом и образовывал оксид железа, который опускался на дно первобытных морей. Много миллионов лет планета буквально ржавела.

Но кислород пошел на пользу не всем живым организмам – для некоторых он стал настоящей катастрофой: они не были к нему приспособлены. В анаэробном (то есть бескислородном) мире он действительно был токсичным. Новые существа, которые могли использовать кислород, обладали двумя большими преимуществами. Благодаря кислороду они производили энергию быстрее, в то же время он уничтожил другие конкурирующие организмы. Теперь на Земле были аэробные организмы, которые переносят кислород, и анаэробные, которые боятся кислорода как черт ладана. Эти последние отступили в ил самых глубоких водоемов, а намного позже – в наши органы (например, кишечные бактерии в кишечнике). Но бесчисленные виды не смогли адаптироваться и погибли.

Должно было пройти 40 процентов времени на часах нашей планеты, чтобы кислород в ее атмосфере достиг примерно такого же содержания, как теперь. Но затем неожиданно появился новый тип клеток с ядром и другими маленькими телами, так называемыми органеллами (по-гречески «маленькие инструменты»). Родились эукариоты.

Сегодня считается, что такие органеллы, как митохондрии и хлоропласты, были созданы в результате того, что какая-то шаловливая бактерия подселилась к другой или одна поглотила другую. Такое сожительство оказалось очень разумным, и в выигрыше остались обе. Согласно этой «теории эндосимбиоза», захваченные бактерии превратились в митохондрии и хлоропласты. Первые вырабатывают энергию в клетках животных, вторые – в клетках растений. Без этой изящной уловки эволюции жизнь на планете осталась бы слизью, состоящей из простых микроорганизмов.

И наконец, эукариоты разучили еще один великолепный трюк – научились создавать более сложные живые организмы, состоящие из многих клеток. Только благодаря этому новшеству стало возможным появление больших организмов со сложным строением, заметных невооруженным глазом, таких как вы и я.

Человек – это только капля в море микробов

Ученые полагают, что на Земле около триллиона видов микробов, причем 99,999 процента из них еще не обнаружены. До начала эры космических путешествий о микроорганизмах даже не говорилось в школьных учебниках. Жизнь на планете была красиво разделена на две категории: растения и животные. Долгое время биологи причисляли микроорганизмы к растениям, хотя все знали, что им там не место. В чем была причина?

Многие микробы просто не растут в чашках Петри в лаборатории. Они не размножаются, и исследователи не могут ничего узнать о них. Поэтому большинство микроорганизмов до сих пор не имеют названия, а мы не знаем ничего об их функциях и задачах.

Ситуация изменилась около 1980 года благодаря революционному открытию Карла Вёзе, американского микробиолога и эволюционного биолога, который считал, что в генах бактерий скрыты отношения родства. Поэтому он и его коллеги разработали элегантный молекулярно-генетический метод, с помощью которого удалось разделить бактерии на типы, используя ген так называемой 16S-рибосомальной РНК. Это важный строительный элемент на белковых фабриках клеток – рибосомах. Исследователи могут работать с этими молекулами в кислородсодержащей среде лаборатории так же легко, как и с ДНК. Каждый тип микробов обладает индивидуальной версией этого гена, и с его помощью можно построить целые родословные, причем гораздо лучше, чем при любом микроскопическом анализе.

Карл Вёзе установил, что археи, которых прежде причисляли к бактериям, следует относить к отдельному царству. Они схожи с бактериями, но отличаются от них важными молекулярно-биологическими деталями. Различия между ними состоят в качествах, о которых многие из нас никогда не слышали и которые не настолько интересны, чтобы вызвать любопытство. У них отсутствуют некоторые маленькие липиды и соединение, которое называется пептидоглюкан. Это имеет невероятные практические последствия: между группами бактерий и архей вдруг пролегла пропасть. Они отличаются друг от друга сильнее, чем мы с вами от паука или рака.

Это открытие изменило эволюционную систематику. Неслыханный научный скандал! Пришлось все переписывать, а ведь это 100 лет микробиологической систематики. И результат понравился не всем. Там, где мы еще в 1990-х выделяли пять царств в классификации (животные, растения, одноклеточные, грибы и бактерии), теперь были обозначены 23 основные ветви. Вёзе выделил в своей классификации только три царства: бактерии, археи и эукариоты, к которым относятся и животные, и растения, и мы. Эти категории радикально отличаются друг от друга, особенно в генетическом плане, как если попробовать сравнить человека с осьминогом или сосной.

Такая классификация живых существ выглядела, конечно, весьма необычно. Она состояла почти исключительно из бактерий и прабактерий. Микробы занимают внушительную часть наших предшественников на дереве родословной видов. Говоря о разнообразии видов на планете, нужно иметь в виду не насекомых или растения, как мы привыкли думать, а микроскопически малых существ! Мы окружены темной и загадочной властью микробов.

Люди занимают всего лишь маленькую боковую ветвь в третьем царстве – эукариотов. Кишечная палочка и бактерия клостридиум, вдруг оказалось, совсем с разных планет, зато зернышко пшеницы – наш очень близкий родственник. Это на самом деле сложно уяснить. Мартин Дж. Блейзер, микробиолог из Нью-Йорка, говорит: «Человечество – это всего лишь капелька в огромном мире бактерий. Это факт, к которому нам еще надо привыкнуть!»⁷

Умерший в 2012 году в возрасте 84 лет Карл Вёзе вошел в историю как человек, «переписавший биологическую классификацию». Это имеет такое же значение, как открытия Альберта Эйнштейна в физике.

Микробы подозреваются в рекордах

Микробы просто повсюду! На самом деле дух захватывает от того, где могут поселиться эти малыши. Они захватчики, первопроходцы и настоящие мастера обмена веществ. В их вселенной есть много рекордов.

Микроорганизмы были найдены даже в самых глубоких шахтах земли. Они могут добывать золото, эти маленькие шахтеры-лилипуты. То и дело золото бывает связано с определенными минералами. Микробы подвергают эти минералы в несколько заходов окислению, превращают их в отделяемые ионы и между делом высвобождают золото, даже не взмахнув молотком. И без использования тяжелой техники.

К примеру, псевдомонады Pseudomonas stutzeri умеют окислять плавающие в воде ионы золота и превращать их в твердое золото. Но вы не сможете стать богатым, как Скрудж Макдак, поскольку для этого золота слишком мало. Микроорганизмы могут даже спасти из беды. Часто после катастроф в окружающей среде микробы первыми начинают устранять вред. После того как в апреле 2010 года взорвалась и вызвала крупнейший в истории США разлив нефти платформа Deepwater Horizon, там появился доселе неизвестный вид микробов (родственный виду oleispirea antarctica), который был на удивление хорошо приспособлен к условиям 1100-метровой глубины в Мексиканском заливе и с огромной скоростью расщепил облако нефти.

Есть даже бактерии, которые взяли на себя нашу проблему с пластиком в морях. Каждый год в океан выбрасывается более восьми миллионов тонн пластикового мусора. Каждому кусочку пластика нужно около 450 лет, чтобы разложиться. Поэтому многие отмели завалены горами полиэтилентерефталата, искусственного вещества, используемого в производстве большинства пластиковых бутылок. Бактерия, которая особенно любит и усваивает это вещество, называется Ideonella sakiensis. Но ей для этого понадобится 70 лет.

Хлеб насущный других бактерий тоже очень необычный. Любящая кислоту бактерия Thiobacillus concretivorans, например, обожает серную кислоту – в такой концентрации, что проедает дырки в штанах и разъедает металл. Micrococcus radiophilus больше всего любит сточные цистерны атомных реакторов и питается плутонием и другими металлами. Радиоактивный уран тоже желанное кушанье. На него налетают маленькие палочкообразные бактерии Geobacter metallireducens. Они так разлагают уран, что от него остается только неопасная нерастворимая форма, которую можно просто собрать вместе с бактериями. Даже небу и воздуху не уберечься от микробов. Некоторые микроорганизмы живут даже на высоте 60 километров и помогают в образовании облаков, снега или дождя.

Да, микробы могут выживать в космосе. Они тоже путешествуют на космических кораблях и населяют международные космические станции. Ученые подвергли земные микроорганизмы воздействию космоса, и те выжили в этом эксперименте. Никаких скафандров в течение 553 дней! Некоторых наших маленьких соседей практически невозможно убить. Среди них, например, Deinococcus radiodurans, известая как бактерия Конан. Она весьма резистентна к радиоактивности. Если ее ДНК подвергнется излучению, ее кусочки тут же собираются снова и чинят сами себя, как движущиеся конечности живого мертвеца.

Но заслуживающие особого внимания чудеса живучести на сегодняшний день продемонстрировали стрептококки. Компания из примерно 100 туристов-бактерий с Земли в герметичной камере пробыла на Луне более двух лет. По-видимому, одноклеточные организмы попали туда в 1967 году безбилетниками в корпусе камеры на борту американского зонда Surveyor 3. Возможно, техник на мгновение замешкался, когда собирал камеру. Стрептококк также встречается в нашей полости рта. Эти крохотные организмы пережили невредимыми вакуум, сильную космическую радиацию, температуру минус 250 градусов и полное отсутствие пищи. Со времени этого открытия исследователи задаются вопросом, могут ли другие бактерии выживать в условиях космоса.

Все дело в сотрудничестве

В мире свой собственный микробиом есть везде: в почве, в воздухе, в воде, в лесах, на промышленных предприятиях или в домах. У животных, у нас и наших детей. Он уникален, как отпечаток пальца. Его мы получаем от матери при рождении, и он остается с нами на всю жизнь. Таким образом, каждая субстанция на планете обладает индивидуальной коллекцией полезных микробов.

Детеныши комодского варана носят в ротовой полости и на коже микрофлору, аналогичную их окружающей среде. В осьминогах полезные бактерии заводятся уже через несколько часов после оплодотворения. Термиты могут переваривать древесину только потому, что в их желудке есть особые бактерии, которые расщепляют неперевариваемую целлюлозу. Коровы получают питательные вещества из травы благодаря микробам, которые живут в каждом из четырех коровьих желудков.

На этих примерах видно, насколько важно в природе сотрудничество, а не враждебное разделение. Большим многоклеточным организмам, таким как мы, гораздо легче объединиться с бактериями, обладающими определенными свойствами, чем развивать эти качества самим с большими усилиями.

У нас, людей, также есть микробиом с несколькими тысячами видов микроорганизмов. Если бы мы исследовали свое тело с помощью микроскопа, нам открылся бы восхитительный мир микробов. Каждый день мы берем с собой на работу или в школу целый зоопарк – пеструю компанию бактерий, вирусов, червей, грибов и клещей. По современным оценкам, в каждом из нас живет 39 триллионов бактериальных клеток против 30 триллионов человеческих клеток нашего организма. Это соответствует соотношению 1,3 микроба на одну клетку человеческого организма. Индивидуальные различия, такие как размер или вес тела, могут несколько изменить пропорцию. Но теперь вы понимаете, что мы огромный суперорганизм! В нас и на нас обитает 10 тысяч видов микробов, которые вместе весят около двух-трех килограммов – примерно столько же, сколько наш мозг.

Микробы выполняют разнообразные задачи. Они поселяются в совершенно разных средах нашего организма – в ушах, носу, подмышках или кишечнике (во всех его отделах), и их функции настроены именно на конкретный орган.

В исследовательском институте INRA в Париже несколько лет назад составили карту вселенной кишечника во всем его разнообразии. Ученые смогли доказать, что обычно в человеческом кишечнике можно найти большое количество примерно тысячи видов бактерий, при этом каждый из нас носит с собой по меньшей мере 170 видов. Большинство этих видов у всех людей идентичны⁸. Здесь у микроорганизмов различные задачи – от переваривания углеводов в пище до производства витаминов в кишечнике. Соответственно наш микробиом интенсивно сотрудничает с иммунной системой. Одни микробы передают сигналы, другие вносят вклад в обеспечение энергией, третьи обучают иммунную систему и делают ее более толерантной.

Без своего микробиома мы не смогли бы даже съесть утренние мюсли или булочку. Мы бы от них заболели или умерли, потому что не сумели бы выделить из них необходимые для жизни витамины. Представим себе, что Библия права в том, что Бог создал человека, но тогда он, прежде чем создать Адама, в любом случае должен был подумать о создании бактерий. Потому что без хорошо работающей флоры кишечника ни Адам, ни Ева не смогли бы переварить яблоко.

Большинство из нас склонны к тому, чтобы в своем представлении оттеснять микробов куда-то на обочину бытия. Ведь мы, такие большие и умные, создали города, лекарства и антибиотики и связали в сеть информационные технологии. Этого бактерии и вирусы не умеют. Они не обладают нашими коммуникативными способностями. На первый взгляд они кажутся нам примитивнее нас самих. Но в этом их большое преимущество: они останутся здесь, когда Солнце взорвется. Если мыслить глобально, то это их планета, а мы живем здесь только потому, что они это нам позволили. Они прекрасно обходились здесь без нас миллиарды лет. Помимо кислорода, микроорганизмы снабжают нас еще и азотом, который они берут из воздуха. Иначе растения не смогли бы воспользоваться газообразным азотом, содержащимся в воздухе. Это отличная работа, благодаря которой микробы превращают азот из воздуха в полезные аминокислоты и нуклеотиды – для нас и других живых организмов. Для этого же процесса в промышленном производстве удобрений используют высокие температуры (около 500 °C) и давление (200 атмосфер). А бактерии делают это играючи, к нашему счастью. Потому что ни одно живое существо на нашей планете не смогло бы существовать без переработанного микробами азота.

К тому же нельзя забывать, что микробы заняты на нашей планете очень важным делом – уборкой. Без них ничего бы не разлагалось, горы мусора возвышались бы повсюду. И нас они тоже съедают, когда мы умираем, как и других животных и растения в круговороте жизни. И так и должно быть!

2. Добрые микробы, злые микробы

Когда мы задумываемся о бактериях, чаще всего нам приходят в голову мысли о противных возбудителях болезней. Это вирусы, которые заставляют нас чихать и кашлять, или бактерии вроде сальмонеллы (когда после съеденного мороженого появляется урчание в животе).

При этом все микробы, живущие внутри нас или вокруг нас, выполняют как минимум одну из трех сложных задач, важных для состояния нашего здоровья. Они могут быть друзьями, иногда – врагами, а порой – просто нейтральными комменсалами. Это слово из латыни обозначает товарища по застолью, сотрапезника.

Дружественные нам микробы образуют с нами симбиоз – отношения взаимообмена, полезные обеим сторонам. Многие из этих маленьких симбионтов сотрудничают ради нас с нашим телом: в иммунной системе, пищеварении или даже в работе души. При этом нельзя сказать, что милые микроорганизмы решили посвятить свою жизнь улучшению нашего существования и самочувствия. Просто за миллионы лет человеческой жизни они приспособились к нам, а мы – к ним.

Вопреки категорически негативному имиджу возбудителей болезней, так называемых патогенов, на самом деле очень малая часть микробов – наши враги. Менее 0,1 процента видов микроорганизмов вообще могут вызвать у человека воспаление. Но и они не всегда приводят к заболеванию. И уж тем более не делают это из принципа. Однако они в состоянии спровоцировать серьезные проблемы, появившись в нужное время в нужном месте. Самые часто встречающиеся микробы – это комменсалы, образно говоря, безобидные сотрапезники или зрители. Они живут в окружающем нас мире и попадают в организм, в кишечник, с едой или воздухом. Чаще всего их можно встретить на коже, слизистых оболочках и в дыхательных путях. Возможно, они просто занимают лучшие места, чтобы не дать поселиться там болезнетворным микробам. Изучением этого сейчас занимаются многие исследователи.

Эти бактерии – наши самые верные спутники. Единицей эволюции нужно считать не homo sapiens, а homo sapiens плюс микробы. Только в последние 10–15 лет ученые осознали, насколько сложной экосистемой является человеческое тело. Это целое жизненное пространство, «холобионт», «социальная сеть» с триллионами бактерий и других микроорганизмов. Наш микробиом, сообщество разнообразных микроорганизмов со всеми их генами, оказывает помощь в поддержании здорового состояния всех процессов в теле человека – от пищеварения до иммунной защиты. Ученые постепенно обнаруживают положительное воздействие на нас этих микробов. Не так уж мы и автономны, не так уж независимы.

Каждый человек носит в своем теле этот сложный микробиом (пусть даже не с самого рождения). Своих очень личных комменсалов мы подбираем из окружающей среды. Поскольку здоровая матка почти стерильна, плод поначалу живет в одиночестве. Раннее детство – это самое важное время в жизни. Свою микрофлору мы получаем от матери в процессе естественных родов, а затем через грудное молоко. Природа устроила так, чтобы на первое время вооружить новорожденного подходящим коктейлем из микробов. Со временем спектр микроорганизмов у ребенка расширяется – через контакт с родителями, братьями и сестрами, бабушкой и дедушкой, друзьями и даже предметами быта, такими как простыни, одеяла или домашние животные.

С рождения до трех лет микробиом еще очень сильно меняется, особенно в кишечнике. Он ежедневно накапливает все новые микробы, какие только может. У маленьких детей баланс микробной системы весьма чувствительный, и вредное воздействие тут же приводит к негативным последствиям. Предметы гигиены, косметические средства или лекарства – все это оказывает огромное влияние на микробную среду.

К трехлетнему возрасту микробиом малыша достигает почти такого же состояния, как у взрослого. Он более стабилен и лучше реагирует на изменения. Все действующие микробы на месте и взяли под свой контроль влажные и сухие ниши тела ребенка. К концу детства наш организм поддерживает одну из самых сложных микробных экосистем на Земле.

Во взрослом возрасте микробиом также реагирует на внешние воздействия. Пища, которую мы едим, благоприятна для определенных бактерий, и их количество в кишечнике увеличивается. Со временем кишечная флора вегетарианцев становится другой, отличной от микрофлоры употребляющих мясо. Но есть и обратная закономерность: наши микробы сообщают нам через нейромедиаторы в нервных клетках, чего бы им хотелось, а мозг воспринимает это как аппетит или непреодолимое желание какого-то блюда.

Наш микробиом – это геном, который мы можем изменить в любой день, в то время как человеческий геном дается один раз на всю жизнь. Гены нашего микробиома изменяются в ответ на пищу, гигиену, медикаменты, которые мы принимаем, соответственно меняется и наше здоровье. Мы и наши микробы образуем друг с другом сообщающиеся сосуды.

Как и в любой другой экосистеме на планете, среда является здоровой только в том случае, если содержит больше дружественных видов, чем врагов. Чем больше дружественных симбионтов в окружении человека, тем лучше для его здоровья. Если количество патогенных возбудителей увеличивается, возможны проблемы. Как это всегда бывает в биологии, здесь не все только черное или белое, хорошее или плохое. Потому что наши друзья иногда тоже могут стать врагами, ведь у них свои собственные цели. Обычно они довольны нами и как квартиранты не создают никаких проблем, но в трудные времена становятся немного вредными и могут даже создать больше неприятностей, чем наши естественные враги. Поэтому лучший вариант – это не огромное количество друзей, а здоровая популяция мирных комменсалов. Они не приносят пользы, но хотя бы не закатывают скандал. Просто занимают места, где в противном случае могли бы поселиться микробы, которые не были бы такими беспроблемными.

Ловцы микробов: наш страх перед микроорганизмами

У нас, немцев, кажется, есть пунктик на уборке: мы драим, чистим и натираем до блеска, пока не придет доктор. Нас считают перфекционистами, это касается в том числе гигиены и чистоты жилищ. В Германии ежегодно продается около 1,3 миллиона тонн моющих и чистящих средств, как показывают данные Баварского земельного управления защиты окружающей среды.

Боязнь микробов сидит у нас глубоко внутри. Еще несколько лет назад даже врачи и биологи видели в этих крошках агрессивных врагов: микрометровые убийцы, которые могут отправить на тот свет двухметровых мужиков. Откуда взялись этот страх перед бактериями и вирусами и мания безупречной чистоты? Взгляд в прошлое способен многое объяснить: нашу фобию можно считать исторически оправданной.

Старая Европа была в XIX и XX веках Европой трущоб. Люди жили среди мусора и грязи в условиях, какие сегодня мы можем наблюдать только в Азии, Латинской Америке и Африке. Детская смертность была очень высокой: только трое из пяти детей доживали до школьного возраста⁹. Чаще всего люди и животные ютились вместе под одной крышей, а отходы просто выбрасывали на улицу. Выгребная яма и ночной горшок были единственными санитарными сооружениями, и вонючие сточные воды свободно текли по улицам.

Массовые кварталы рабочих и поденщиков в промышленных районах способствовали распространению болезней. Диарея и брюшной тиф были обычным явлением. Болезни вроде пневмонии и туберкулеза, а также эпидемии холеры прокатывались волной из Индии по всей Европе и Азии. Только те, у кого была хорошая иммунная система, выживали после визитов непрошеных гостей. На этом фоне очень медленно созревало понимание возникновения болезней.

Первыми исследователями, которые связали болезнь с возбудителями, были Луи Пастер, сам параноидально боявшийся микробов, и немец Роберт Кох¹⁰. Правда, этот прусский сельский врач больше интересовался своим микроскопом, чем пациентами. Тем не менее именно благодаря его увлечению микроскопией и фотографией была открыта бацилла сибирской язвы – заразы, уносившей жизни не только овец и коров, но и людей. Кох заложил краеугольный камень современной бактериологии, когда продемонстрировал, что микробы как патогены передают заболевания живым существам. Впервые наши маленькие соседи были официально признаны виновными! Таким образом, Кох стал суперзвездой немецкой науки, родилась «теория возбудителя» – одно из величайших открытий в области микробиологии.

Первопроходцам гигиены – Максу Петтенкоферу из Мюнхена и Рудольфу Вирхову из Берлина – мы обязаны масштабными гигиеническими мерами и инновациями, такими как центральные бойни, новая канализационная система и более организованная утилизация отходов. Благодаря Петтенкоферу Мюнхен утратил свою прежнюю репутацию «чумной столицы Европы». Вирхов, с другой стороны, был активным врачом-гигиенистом у микроскопа, он впервые провел параллель между условиями жизни людей и их болезнями.

Когда в 1882 году Роберт Кох выделил возбудителя туберкулеза, он неожиданно стал самым известным немецким исследователем. Его открытие оказалось достаточной причиной для того, чтобы высшие слои общества начали вести чистый образ жизни, дабы защитить себя от болезней. Гигиена вошла в моду! Уже тогда Вирхов, Петтенкофер и другие ранние гигиенисты скептически относились к предположению, что в здоровом организме совсем не содержится микробов. Не каждая туберкулезная бактерия вызывает туберкулез, потому что только небольшая доля инфицированных действительно заболевает.

И все же весь XX век прошел под влиянием травмы охотников за бактериями, таких как Кох и Пастер, которые считали, что опасные бациллы спят и видят, как бы напасть на нас и заразить. Они полагали, что мы должны вооружиться для контратаки. Так началась общая мобилизация в борьбе со злым врагом – микробами. Триумфальный марш гигиены продолжается и по сей день и постепенно значительно сократил наш контакт с микроорганизмами путем хлорирования питьевой воды и пастеризации молока. Чума и холера были остановлены благодаря внедрению канализации и водопровода. Туберкулез исчез из наших домов вместе с улучшением стандартов жилья.

Медицине (а уж они-то должны были знать!) потребовалось больше всего времени, чтобы остановить распространение микробов. До первой половины XIX века в больницах царили отвратительные условия. Хирурги в грязных халатах работали с кровавыми тампонами и губками, которые не менялись. Мытье рук не было обычным ритуалом, их мыли разве что перед обедом.

Перелом произвел только венгерский врач Игнац Земмельвейс, в 1840-х годах бывший помощником врача в родильной клинике в Вене¹¹. Он заметил, что больше смертей от послеродовой лихорадки случается в отделениях, где работали студенты-медики, которые еще и препарировали трупы, чем в отделении студенток-акушерок. Микробы передавались через нечистые скальпели, которые вызывали заражение крови и послеродовую лихорадку. Земмельвейс смог значительно снизить уровень смертности, введя правило дезинфекции рук после вскрытия трупов.

По сравнению с XIX веком мы сейчас живем в практически стерильном мире. Прививки, правила гигиены и большое количество лекарств защищают нас от вирусов и бактериальных заболеваний. Открытие антибиотиков, казалось, стало началом победного шествия против инфекционных болезней. Наконец появилось чудодейственное оружие, которое разрушает микробы в организме, не отравляя его при этом. Но ведь антибиотики убивают не только опасных бактерий, но и полезных. Так что успехи медицины и гигиены имеют и свою теневую сторону.

Обучающиеся иммунные клетки

Нас постоянно окружают миллиарды микробов. Почему эти бактерии, грибки и вирусы не делают нас больными и не убивают сразу? Каким-то образом наш организм нашел способ сосуществовать с тысячами различных видов крошечных сожителей. Секрет кроется в настоящем чуде природы – нашей иммунологической резистентности. За последние 200 тысяч лет между микробиомом и иммунными клетками сложился точно скоординированный баланс.

Что бы произошло, если бы мы жили без работающей иммунной системы? Такова была судьба Дэвида Веттера, родившегося в Техасе в 1971 году именно с этим редким генетическим нарушением¹². У его матери был измененный ген на одной из Х-хромосом, она уже потеряла одного ребенка. Любой контакт с нормальным миром, полным микроорганизмов, привел бы к смерти Дэвида. Поэтому он появился на свет путем кесарева сечения и был немедленно перемещен в стерильную пластиковую палатку. В этом искусственном пузыре он вырос в больнице, получив из-за этого имя Bubble Boy – «мальчик в пузыре». Дэвида часто лечили антибиотиками, чтобы предотвратить любые инфекции. Поскольку у него не было кишечных бактерий с их полезным действием, его держали на специальной диете с жизненно необходимыми витаминами К и В, которые обычно производятся кишечными бактериями.

Умер мальчик в возрасте двенадцати лет, через несколько месяцев после того, как врачи и родители решили провести трансплантацию костного мозга его сестры. К сожалению, вместе с этим органом он также получил и вирус гепатита, который оказался для него смертельным. Трагическая история Дэвида показывает, что невозможно жить в мире, полном микробов, без защиты иммунной системы; одновременно это свидетельство нашей зависимости от веществ, которые производят для нас микроорганизмы.

Решение о том, будут ли микробы приняты или отклонены в нашей среде, принимает хорошо обученная иммунная система. Когда появляется чужеродная бактерия, вирус, грибок или другие виды наших маленьких соседей, иммунная система быстро оценивает, друг это, враг или безобидный зритель. Если решено, что пришелец несет угрозу, в тот же миг поднимается защитная гвардия, чтобы перехватить и уничтожить противника сразу же за первой преградой. В случае обнаружения безвредного комменсала или друга иммунные клетки позволяют дальнейший проход. Это похоже на защиту государства. Только поле боя, человеческое тело, намного меньше и в разы менее обозримое, оно сложнее и непонятнее, чем любое поле военного сражения.

Своей защитой люди обязаны врожденному и адаптивному, обучающемуся иммунитету. Мы рождаемся с физическими барьерами, такими как кожа и слизистые оболочки легких. В носу, легких или кишечнике клетки-фагоциты поджидают чужаков. В крови содержатся белки плазмы, которые активируют защитные клетки и отправляют их в место инфекции, а также сами могут атаковать чужеродные клетки.

Наш первый филигранный защитный барьер из антител присутствует уже при рождении, но все еще пропускает агрессоров. Эти антитела еще в плаценте передаются ребенку из системы материнского кровообращения. Когда ребенок появляется на свет, еще больше антител поступает в его организм через грудное молоко.

И только после рождения образуются клетки адаптивной, самообучающейся иммунной системы – во взаимодействии с окружающим миром. Так что бактерии – важные спарринг-партнеры нашей иммунной защиты. Иммунные клетки, B- и T-лимфоциты, сначала должны как следует присмотреться к возбудителям и обменяться между собой информацией. Так называемые клетки памяти при повторном инфицировании быстро создают антитела или активируют клетки-киллеры. Полноценную защиту от инфекционных болезней эта система обороны формирует к периоду позднего детства и раннего взрослого возраста. Со временем иммунитет ослабевает, реакции на нападения постепенно становятся более вялыми, соответственно тело более уязвимо для инфекций.

Здоровая гвардия обороны нашего организма всегда готова к бою. Его состояние постоянно патрулируют иммунные клетки через кровеносные сосуды и лимфу. Они обладают уникальным свойством: могут перемещаться из сосудов в ткани и обратно. Через один-единственный лимфоузел за секунду в поисках вредителей пролетает примерно 14 тысяч клеток. Если нейромедиаторы сообщают об имеющихся ранах или инфекциях, то на месте атаки тут же сосредоточиваются иммунные клетки. Если мы чувствуем себя хорошо, иммунная система мирно работает себе в нашем организме. Как только появляется сигнал тревоги, она фокусируется на оказании помощи и делает все для сохранения здоровья.

Важную роль играет в этом сотрудничество Т-лимфоцитов: они распознают и устраняют вредных микробов. Потом они становятся причиной типичного отека, покраснения или повышения температуры, которые сопутствуют воспалительной реакции на возбудителя болезни. Но, как только организм поднял по тревоге Т-лимфоциты, запустившие воспалительный процесс, он тут же подключает для регулирования другие Т-клетки, которые противодействуют первым. Это особенно важная функция.

Однако опасность для здоровья может возникнуть и при отсутствии вредных возбудителей. Наша иммунная система и без того не всегда полностью заслуживает доверия, а иногда она и вовсе отправляет свою армию на неконтролируемую агрессию против предполагаемых врагов или даже против клеток собственного организма, в худшем случае это может повредить жизненно важные органы, такие как печень или поджелудочная железа.

К счастью, регуляторные Т-лимфоциты образуют белок, который несколько сдерживает усердие готовых к борьбе Т-лимфоцитов. Этот белок гасит воспалительную реакцию и предотвращает атаку иммунной системы на собственные ткани. Регуляторные клетки успокаивают оборонительную борьбу и затем ищут новый очаг конфликта в организме. Пока отношения между агрессивными Т-лимфоцитами и миротворцами сбалансированы, организм остается здоровым.

Для регуляторных клеток особенно важна их функция памяти. Если они кого-то признали другом, эта информация сохраняется на всю нашу жизнь, в течение которой количество одобряемых иммунной системой микробов, естественно, прибывает. Иммунные клетки просто привыкают к этим соседям. Но это не значит, что так будет всегда и что ситуация не может измениться. Чтобы сдать экзамен, эти микроорганизмы должны быть узнаваемы. Но микробы преображаются – могут изменить как внешний вид, так и свою деятельность. Тогда мы теряем толерантность к ним и проверяем своих друзей или комменсалов заново, а может быть, даже уничтожаем их.

Крепкая иммунологическая толерантность и хорошо обученный иммунитет формируются тогда, когда мы регулярно контактируем с большим разнообразием микробов. Только так возможно подготовить иммунную систему ко всевозможным ситуациям. Если же нам не хватает этих спарринг-партнеров – микробов, то иммунитет начинает нападать на все без разбора и атакует безобидные вещества или собственный организм. Этот баланс очень точно отрегулирован, он сформировался в ходе эволюции человека.

Утрата друзей: как беднеет наш микробиом

Микробы на нас и внутри нас развивались вместе с нами как ближайшие партнеры. Будучи охотниками и собирателями, наши предки кочевали с места на место со всеми своими пожитками. Первые люди ели любую сезонную пищу в регионе: мясо, корни, клубни и фрукты. Этот образ жизни сохранялся в течение более 2,5 миллиона лет где-то до конца последнего ледникового периода¹³.

Безопасная жизнь наступила только тогда, когда мы научились контролировать огонь и готовить пищу. Нагревание над огнем убивало возбудителей, которые обитают на разлагающейся плоти. К тому же эту еду было легче переваривать, она давала много энергии. Такие изменения в образе жизни и рационе питания не обошлись без последствий: кишечник у людей сократился, а мозг увеличился. Сегодня, зная о тесной связи между микробами и развитием мозга, мы предполагаем, что и тогда внезапный рост мозга не обошелся без микроорганизмов. Это улучшило нашу способность охотиться и общаться друг с другом. Иными словами, приготовление пищи и микробы сделали нас умнее и человечнее. «Мировая революция в истории человечества» произошла около 11 тысяч лет назад: люди стали вести оседлый образ жизни и научились выращивать зерно. Только благодаря этому из маленьких племен образовались деревни, много позже – города и такие приметы цивилизации, как торговля, письменность или математика. Cельское хозяйство оказалось успешной моделью: вскоре на смену собирателям и охотникам пришли крестьяне, вместе с этим постепенно изменилось питание, а следовательно, и население кишечника. Благодаря регулярным урожаям зерновых пища стала менее разнообразной, что повлекло за собой уменьшение разнообразия населяющих нас микроорганизмов.

Фастфуд, чистые туалеты и посуда, частое мытье рук… повседневность сегодняшнего американца или европейца разительно отличается от жизни древних людей. Наш стиль жизни уже очевидно изменил состав человеческого микробиома. Теперь в общежитии в кишечнике живет намного меньше микробов, чем было у наших предков, если взглянуть на микробиом индейцев, привыкших жить изолированно на протяжении тысячелетий. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science Advances, ученые из США и Венесуэлы нашли самое богатое разнообразие бактерий, когда-либо задокументированное у человека, в микробиоме индейцев яномама, живущих изолированно¹⁴. Это поселение открыли только в 2008 году. Прежде у этих людей в изоляции тропического леса в Венесуэле не было контакта с внешним миром. Яномама тысячелетиями вели полукочевую жизнь собирателей и охотников.

Данное исследование показало, что американцы в настоящее время имеют на 40 процентов меньше бактерий. И для нас, немцев, картина будет похожей. В отличие от индейцев, у которых не было выявлено доминирующей группы бактерий, у американцев непропорционально много кожных бактерий – стафилококков и пропионий.

Итак, мы постепенно теряем своих важных «старых друзей», и с утратой бактерий их потенциальная польза для здоровья также уменьшается. С одной стороны, очевидно, существует связь между более низким биологическим разнообразием микробов, промышленным питанием и современными антибиотиками. С другой стороны, именно эти факторы западного образа жизни связаны с ростом иммунологических заболеваний и болезней обмена веществ, таких как ожирение, аллергия и диабет, как объяснила автор Домингес-Белло в своем исследовании¹⁵. Ведь что-то благоприятствовало этим болезням в последние годы. Очевидно, измененный микробиом, как полагают исследователи.

До сегодняшнего дня не выяснено, каким образом сообщество микробов изменилось под воздействием западного стерильного стиля жизни и способа питания, а прежде всего – какие это имеет последствия. Какую роль играло богатое разнообразие видов в микробиоме наших предков для здоровья человека?

Остро назрела необходимость исследовать эти сложные взаимосвязи и роль бактерий в нашем микробиоме. Наглядный пример – желудочная бактерия helicobacter. Она одна из тех редких бактерий, что вообще выживают в кислой среде желудка. В 1980-х годах австралийские врачи Барри Маршалл и Робин Уоррен определили ее как причину язвы желудка. После этого они начали лечение обычными антибиотиками, что, к счастью, наполовину снизило заболеваемость язвой желудка, которую вызывает хеликобактер пилори.

Однако в то время ученые не знали, какие сложные задачи выполняет хеликобактер в нашем микробиоме. Открыть это удалось Мартину Блейзеру, профессору внутренней медицины и микробиологии в Нью-Йоркском университете¹⁶. После 25 лет исследований он сделал вывод, что хеликобактер – это не патоген, а совсем безопасная бактерия-комменсал. Помогает людям регулировать уровень кислотности в желудке и самостоятельно создает среду, которая идет на пользу и ей самой, и организму хозяина. Если кислоты образуется слишком много, бактерии образуют белок cagA, так что желудок прекращает выработку кислоты. Однако у восприимчивых людей этот белок может иметь неприятный побочный эффект и способствовать язве желудка. Спустя десятилетия Блейзер установил еще одну важную функцию этой бактерии – контроль над аппетитом.

Если хеликобактер работает, то после еды в пищеварительном тракте сокращается количество гормона грелина, сигнализирующего о голоде, и мы просто перестаем есть, поскольку теряем аппетит. Но если бактерия убита антибиотиками, то этот регулирующий эффект пропадает. В результате появляется лишний вес, потому что люди дольше голодны и едят слишком много.

Два-три поколения назад более 80 процентов граждан США имели эту бактерию. Сегодня тест дает положительный результат менее чем у шести процентов американских детей. Целое поколение вырастает без хеликобактера, но с риском избыточного веса. Согласно исследованию, проведенному нью-йоркскими учеными в 1992 году среди 11 детей, у тех из них, кто получал антибиотики в течение первых шести месяцев жизни, было на 20 процентов больше шансов к трехлетнему возрасту получить избыточный вес¹⁷. В Германии маленьких детей тоже часто лечат антибиотиками. Согласно исследованию Фонда Бертельсманна, в 2009 году каждый второй ребенок в возрасте от трех до шести лет получал такие лекарства¹⁸. Это значит, что быстрое исчезновение хеликобактера пилори и других видов бактерий из микробиома человека вместе с доступными калорийными продуктами и низкой физической активностью может вызвать всемирную эпидемию ожирения. Блейзер говорит: «Мы до сих пор не знаем, в какой степени ожирение можно объяснить изменением микробного сообщества. Но я убежден, что ролью микробов нельзя пренебрегать»¹⁹.

Лечение антибиотиками – это не единственная причина беспрецедентного переворота в нашем микробиоме, который происходит в настоящее время. Подумайте только о тенденции рожать с помощью кесарева сечения. Такие роды препятствуют прохождению через родовые каналы важных бактерий-комменсалов, например лактобактерий из влагалища матери, которые помогают ребенку переваривать грудное молоко. В Соединенных Штатах и Германии в настоящее время 30 процентов детей рождаются в результате кесарева сечения. В отличие от естественной колонизации материнскими бактериями во время родов, эти новорожденные получают случайный набор микробов из воздуха в родильном зале. Даже спустя годы микрофлора детей, появившихся на свет посредством кесарева сечения, имеет отклонения, что влечет за собой последствия: они чаще страдают ожирением в детском и подростковом возрасте²⁰.

К тому же много где в мире детей тоже становится меньше. Если у ребенка мало или вовсе нет братьев или сестер, то он лишается важных источников обмена микроорганизмами. Даже наша чистая вода, спасая ежегодно от инфекций миллионы жителей планеты, уменьшает в то же время разнообразие полезных бактерий, которые призваны с нами взаимодействовать. Таким образом, людей, которые живут в бедной микробной среде, становится все больше. И мы за это расплачиваемся.

Стерильное поколение: изобретение аллергии

Присмотримся к нашему быту повнимательнее. У многих необходимость использования в процессе уборки специальных гелей, растворов и порошков не вызывает сомнений. Этому способствует навязчивая реклама дезинфицирующих моющих средств, антибактериального мыла или пакетов для мусора. Мы с вами позиционируем себя как современные охотники за микробами, ведем непрерывный поиск следующей липкой биопленки, которую нужно убить из дозатора дезинфектора. Если первые в истории меры гигиены, бесспорно, стали важными вехами в борьбе с заразой и эпидемиями, то сегодня индустрия гигиенических средств стала отраслью экономики с миллиардными оборотами. А тот, кто недостаточно убивает микробов, чувствует себя почти виноватым!

Понимание того, что излишние меры гигиены могут вредить человеку, приходит очень медленно. Исходным пунктом для этого вывода стали «гипотеза о гигиене» и наблюдаемая в последние 50 лет чрезмерная защитная реакция иммунитета на определенные вещества из окружающей среды, обычно не представляющие опасности, такие, например, как пыльца растений. Проще говоря, поскольку защитной системе организма не хватает опасных противников-бактерий, как в прошлом, она поднимается по тревоге из-за безобидной пыльцы или продуктов питания.

Астма, аллергический ринит и пищевая аллергия – типичные заболевания нашего времени. Глаза слезятся, вас мучает насморк и раздражающий кашель? Согласно этой популярной гипотезе, тенденция роста проявлений аллергии обусловлена тем, что в первые годы жизни из-за чрезмерной гигиены и чистоты иммунитет не может как следует обучиться. 40 процентов людей в промышленно развитых странах в настоящее время признаны страдающими аллергией, а у 300 миллионов человек аллергия в дыхательных путях даже переросла в особенно тяжелую астму.

Гипотеза о гигиене была выдвинута в 1989 году молодым лондонским эпидемиологом Дэвидом Стрэчаном из Лондонской школы гигиены. Он опубликовал в Британском медицинском журнале исследование, где писал о более чем 17 тысячах детей, которые родились на одной и той же неделе в марте 1958 года²¹. В своей знаменитой работе он сделал вывод, что причиной возникновения аллергий становятся не инфекции, а их нехватка. Ученый проанализировал все возможные данные об условиях жизни детей: доход, образование, количество братьев и сестер, семейное положение, место жительства в сельской местности или в городе и многое другое. И пришел к неожиданному заключению: чем больше братьев и сестер у участников исследования, тем меньше вероятность того, что они будут страдать поллинозом или нейродермитом.

Исследователь полагает, что решающую роль играют два фактора. Во-первых, это количество детей в семье: у единственного ребенка в семье более чем наполовину повышен риск заболеть аллергией по сравнению с детьми, у которых братьев или сестер как минимум трое. Во-вторых, это очередность появления детей на свет: чем больше у ребенка старших братьев и сестер, тем меньше риск заболеть аллергией. Чем больше ребенок имеет шансов получить от других микробы, которых старшие приносят из сада или школы, тем лучше это влияет на вызревание и стабильность иммунитета. При отсутствии инфекций иммунная система начинает скучать и шалить из озорства, нападая на безобидных прохожих. Если мы сосредоточимся только на инфекциях, то не сможем объяснить феномен аллергий. Исследователи долго бродили в потемках, потому что генетическая предрасположенность в семьях тоже играет определенную роль. В своей детективной работе ученые все больше и больше обращают внимание на анализ образа жизни. В этой связи стали очень известны «Исследования в фермерском хозяйстве» врача Эрики фон Мутиус, которую навела на правильный след случайная подсказка школьного доктора: он сказал, что еще ни разу не видел ребенка из фермерской семьи, который страдал бы астмой²².

Пришлось переключить поиски с факторов риска на гораздо более существенные вещи – защитные факторы, которые мы потеряли. Внезапно были сделаны впечатляющие выводы. Среди детей, которые в первый год жизни контактировали с коровами и пили натуральное сырое молоко, уровень астмы и аллергии оказался на 75 процентов ниже. Если во время беременности матери к тому же каждый день бывали в коровнике, свинарнике или конюшне, вероятность аллергии у ребятишек снижалась еще больше. У детей, рожденных такой женщиной, иммунитет вооружен уже совсем по-другому. «Доза» также имела значение. Постоянно живущие в фермерских хозяйствах дети были защищены лучше, чем те, в чьих семьях это было дополнительным занятием. Свежее молоко, не подвергающееся пастеризации, видимо, лучше всего переносит микробов. Чем более традиционный способ ведения хозяйства практиковался на ферме в Европе, тем более сильный защитный эффект отмечали ученые. Однако пока не удавалось выяснить, какие именно микроорганизмы обладают таким защитным воздействием. Вероятно, здесь задействован целый комплекс факторов (а не одна бактерия), коктейль из хороших защитных веществ²³. Исследователи сходятся во мнении, что речь не идет о «чем больше, тем лучше». Важны разнообразие и различные воздействия: чем богаче микробная среда, тем ниже риск развития астмы и аллергии.

Благодаря опытам на мышах в университете Марбурга даже доказали, что защитное действие пыли из хлева с микробами передавалось в течение нескольких поколений²⁴. Бактерии из коровника сделали иммунитет мыши более толерантным и менее агрессивным. Это означает, что эти бактерии – старые друзья иммунной системы, необходимые для ее здорового развития. Нам нужны эти природные соратники. Поэтому самый главный вопрос: кто они и какие из них лучшие?

Ученые находят все больше доказательств того, что наш здоровый, зрелый иммунитет нуждается в постоянном участии полезных бактерий. Идея о том, что микробы могут оптимизировать функцию иммунной защиты человека, пока еще противоречит господствующей догме. Но все более очевидным становится тот факт, что безвредные комменсалы также играют весьма значимую роль в функционировании нашей иммунной системы.

В 2012 году с помощью экспериментов на животных удалось выявить клеточные процессы, лежащие в основе гигиенической гипотезы. Ученые из Гарвардской медицинской школы в Бостоне и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана доказали, что кишечные бактерии, полученные мышами из окружающей среды в первые недели жизни, вступают во взаимодействие с иммунными клетками и таким образом противостоят аутоиммунным заболеваниям²⁵. И напротив, мыши, выращенные в стерильной обстановке, чаще заболевают астмой и колитом (воспалением толстой кишки). Безусловно, людей, живущих стерильно, не существует, однако исследователи исходят из того, что к этим данным, полученным в ходе опытов над животными, стоит относиться серьезно.

Бактерия Bacteroides fragilis (бактероид хрупкий), которая населяет около 70–80 процентов людей, также помогает нашей иммунной системе сохранять равновесие, усиливая ее противовоспалительные механизмы²⁶. Этот же эффект ученые наблюдали, изучая мышей, выращенных в условиях асептики, иммунная защита которых имела бреши, прежде всего была нарушена деятельность регуляторных Т-лимфоцитов. Когда мышам ввели Bacteroides fragilis, вызывающие воспаление, и противовоспалительные Т-лимфоциты пришли в равновесие, иммунная система грызунов снова начала функционировать нормально.

Что именно произошло? Из клеточной массы этих бактерий выделяются различные молекулы сахара, благодаря которым иммунная система распознает бактерии. Так она может тренироваться и взрослеть. В некотором смысле микроб берет на себя контроль качества нашего иммунитета, чтобы тот работал лучше.

Другие микроорганизмы, похоже, воздействуют на иммунную систему аналогичным образом. Пока это только первый открытый и подтвержденный пример. Но хрупкие бактероиды, как и хеликобактер пилори, также исчезают из нашего микробиома.²⁷ Стараясь насколько возможно изгнать патогенных микробов из нашей среды, мы затронули также и полезных крохотных сожителей. Благие намерения, но платить за них приходится слишком высокую цену. В случае хрупких бактероидов ценой может быть увеличение числа аутоиммунных заболеваний, таких как болезнь Крона, сахарный диабет первого типа и рассеянный склероз.

Причины этих болезней сложны и включают в себя генетические факторы и влияние окружающей среды. Но очень большую роль играет изменившийся микробиом. У людей с соответствующей генетической предрасположенностью эти изменения могут привести к аутоиммунным заболеваниям и другим нарушениям здоровья – такова актуальная гипотеза ученых.

3. Последний островок дикой природы в нашем доме

Если вы думаете, что в вашем жилище обитает только ваша семья, возможно, плюс еще кот или собака, такие мысли могут показаться заслуживающими внимания. Но ведь тысячелетия назад мы заселились в свои дома не одни. Крохотные сожители – насекомые и микробы – сопровождают нас с незапамятных времен. Многие из них не смогли бы жить в природе без нас и наших домов. Например, рыжий таракан. Если он хочет жить хорошо, то привязан к человеческому жилью. Похоже дело обстоит с серебристыми рыбками, которые боятся света, бытовыми клещами и сотнями тысяч микробов.

Сегодня наши жилища являются одними из немногих экосистем в мире, численность которых растет. Каждый день закладываются новые фундаменты, возводятся стены и прокладываются улицы жилых кварталов. Люди начали строить дома всего около 20 тысяч лет назад, вот почему природная среда наших жилищ все еще молода с точки зрения эволюции. Но она продолжает расти, даже в этих ограниченных стенами пространствах эволюция продолжается. В настоящее время площадь застройки оценивается в 0,5 процента поверхности планеты, не покрытой льдом, а это около 650 тысяч квадратных километров. Площадь Франции занимает примерно столько же места. И экосистемы внутри зданий продолжают разрастаться. В одном только Манхэттене площадь квартир почти в три раза превышает площадь самого острова.

Люди в западных промышленно развитых странах проводят около 22 часов в день в закрытых помещениях и зданиях. Тем не менее наши секретные соседи в офисе, гостиной и спальне до сих пор почти не изучены. Самая личная и интимная среда человека – это одно из последних неисследованных белых пятен, скрывающее неизвестное биологическое разнообразие в наших четырех стенах.

Несколько лет назад исследовательница насекомых Мишель Траутвайн из Калифорнийской академии наук вместе со своей командой занялась изучением бурной жизни пятидесяти частных домов в Северной Каролине²⁸. Только там они собрали более 10 тысяч особей 750 видов насекомых. Но еще более многочисленны микробы, которые живут просто повсюду в наших домах. Если бы мы могли их пометить разными цветами, то все, что нас окружает и до чего мы дотрагиваемся, было бы покрыто многими слоями всех цветов радуги – бактериями, грибами и другими микроорганизмами. Населена ими даже свежевымытая кухня или туалет, потому что бактерии встречаются и в моющих средствах тоже. До сих пор никто точно не знает, что кишит вокруг нас. Ведь мы не задумываемся о том, что дом может быть местом для совершения открытий биологами.

Как и в природе за пределами жилища, дикое природное многообразие в наших домах полно чудесных и привлекательных экологических ниш для микробов. Это волокна в ковре или одежде, трещины в кухонных досках или удобные поры в губках. Крохотных квартирантов привлекают влажные комнаты с климатом тропических лесов или сухие пустыни. В домах мы создаем среду обитания, которой нет в окружающей среде. Так что всегда найдется микроорганизм, который любит такие условия и захочет в них поселиться. Поэтому домашние микробные сообщества выглядят совсем по-другому, чем если бы они существовали в естественной среде.

Какие виды микроорганизмов живут с нами в домах? Что мы там выращиваем? Что это значит для нас и как мы можем обращать эти невидимые мини-народы на пользу себе?

Большое копошение: кому принадлежит власть в нашей квартире?

В каждом доме есть своего рода джунгли с огромным количеством видов – неожиданный островок видового разнообразия на ограниченной территории. До сих пор исследователи интересовались прежде всего вредителями в квартирах. Но сообщества живых организмов необходимо рассматривать в совокупности.

Самое большое разнообразие видов мы обнаруживаем, как и стоило ожидать, среди бактерий, вирусов и других микробов²⁹. В сорока домах в Северной Каролине ученые открыли более восьми тысяч видов микробов. Другая группа исследователей обнаружила сотни видов грибов, и они исследовали всего одиннадцать домов в Калифорнии.

Для науки важно не только то, какие микроорганизмы обитают вместе с нами, но и то, как они развиваются в домах. Здесь живут и борются за ограниченные пищевые ресурсы изолированные от природы популяции. Вражеские пылесосы и тапки угрожают их жизни. Выживают только самые приспособленные. Специализированные микробы часто заселяют места с экстремальными переменами микроклимата. В душевых лейках, где вода то горячая, то холодная, то совсем никакой, а также в бойлерах часто встречается бактерия Thermus aquaticus, о которой некоторые ученые думают, что ее предки могли происходить из термальных источников.

В проекте «Дикая жизнь наших домов» Роб Данн и его команда из университета штата Северная Каролина внимательно изучили под микроскопом разнообразие бактерий в девяти избранных местах в домах³⁰. Для этого охотники за микробами заглянули под кровати, развинтили душевые лейки, поскребли холодильники. Население решительно поддержало этот проект. Привлечение на общественных началах граждан-ученых, которым доставляет удовольствие участие в исследовании, называется «народная наука». К примеру, люди собрали и прислали в университет огромное количество образцов пыли с краев дверных коробок внутри и снаружи почти 1200 квартир в Соединенных Штатах, в разных климатических зонах и условиях проживания. Ученые проанализировали эти образцы на наличие микроорганизмов и связали их с географическими факторами, такими как климат и плотность населения, и условиями домохозяйства (количество комнат, домашних животных и пол жильцов). На природе мы проводим меньше времени, многие из нас живут в домах с центральной системой вентиляции, хорошо закрытыми окнами и чистыми полированными поверхностями и всегда имеют под рукой антибактериальную губку. Тысячи бактерий и грибков, с которыми мы ежедневно контактируем дома, могут повлиять на наше здоровье и благополучие. В идеале в будущем исследователи хотят минимизировать опасные виды и увеличить разнообразие полезных бактерий. Но сначала нужно выяснить, кто где живет и почему. Архитектура и физические свойства наших жилищ естественным образом влияют на то, какие микробы чувствуют себя здесь комфортно. Строительные материалы, напольные покрытия, системы вентиляции, отопления или кондиционирования – все эти условия характеризуют «экосистему дома». Если ученые смогут установить закономерности в населении микробами, это позволит в будущем разработать рекомендации относительно того, как лучше проектировать дома и что в них можно перестроить.

То, в каком климате и ландшафте мы живем, также влияет на состав микроорганизмов, что заселятся вместе с нами в жилище. Исследователи в своем анализе используют данные о климатических условиях, плотности населения, месторасположении квартир в городе или сельской местности и о вегетации. Каждый из этих факторов в той или иной мере определяет, кто из маленьких созданий делит с вами жилплощадь.

Значительное влияние на микробную фауну в наших домах оказывают их крупные жители – так называемые макровиды, то есть люди, домашние животные и растения. Решающим является не только количество жителей, но и их возраст и пол. Удивительно, но разнообразие грибов и бактерий внутри дома на 50 процентов выше, чем снаружи. В сходных климатических условиях в жилищах обитают сходные грибные сообщества. Исследователи полагают, что это, вероятно, потому, что грибковые споры переносятся из окружающей среды в квартиры и, следовательно, оказывают значительное влияние на сообщества грибов в доме. У бактерий нет прямой связи между миром внутри и снаружи. Вместо этого бактериальное разнообразие своего дома определяют сами жители – и люди, и животные.

Есть также разница, связанная с половой принадлежностью жильцов: в квартирах, где больше женщин, исследователи нашли другие бактерии, отличные от найденных в домах хозяев-мужчин³¹. Так, например, группа лактобацилл из микробиома в вагинальной области чаще встречается в квартирах, где по большей части обитают женщины. Занимательный факт: они попадают даже в домашнюю пыль, и это показывает, насколько интенсивно мы распространяем бактерии. То же можно сказать и о наших четвероногих друзьях: в жилищах с котами и собаками в пыли содержатся бактерии из их слюны и фекалий.

Биолог Роб Данн надеется, что открытие видового многообразия в наших домах не только удовлетворит научное любопытство. Новое знание в будущем может даже улучшить нашу жизнь. Поэтому важно узнать, какие виды создают для нас позитивную и здоровую среду. Мы в любом случае не сможем полностью избавиться от сожителей в наших домах. Согласно Данну, «эволюция, происходящая там, тесно сплетена с нашей судьбой»³².

Но, если все же кто-то захочет изменить состав микробов в своей квартире, кое-что ему под силу. Ученые только начинают понимать влияние многих факторов. Вы можете сменить фильтры в кондиционере, изменить разбивку квартиры на комнаты или снять ковровое покрытие, говорит Ноа Фирер, руководитель проекта «Дикая жизнь наших домов»³³. Но самое простое изменение – это, безусловно, завести кота или собаку либо, наоборот, избавиться от них.

Практические рекомендации дают ученые в исследовании в профессиональном журнале Proceedings Британского королевского общества: «Тому, кто желает изменить виды грибов, с которыми он встречается дома, лучше всего уехать куда-нибудь далеко. А тот, кто хочет изменить состав бактерий вокруг себя, должен всего лишь найти другого спутника жизни»³⁴. Так что у вас есть выбор.

Вы не одиноки: ваше личное микробное облако

Мы иногда чувствуем себя одинокими, но на самом деле никогда не бываем одни. Наши тела сверху донизу, изнутри и снаружи усеяны микроорганизмами. Если в этот момент вы критично бросите взгляд на свой дом и рука потянется за дезинфектором, то я должна сказать вам, к сожалению, что вы никогда не сделаете стерильной свою среду. Просто потому, что основным источником микробов в доме являемся мы сами. Единственный способ предотвратить это – носить днем и ночью защитный костюм, но это непрактично и неудобно.

Давно известно, что бактериальная флора каждого человека уникальна и поэтому может использоваться для идентификации, как отпечаток пальца или анализ ДНК. Но почему микробный коктейль людей различается, даже если это идентичные близнецы? Есть несколько причин. Во-первых, в природе существует огромное разнообразие микроорганизмов, каждый ребенок вступает в контакт с уникальным набором микробов. Во-вторых, иммунная система человека индивидуальна, она пропускает одних микробов и не пропускает других. Уникально и облако, полное микроорганизмов, которое каждый из нас выпускает в окружающее пространство. Существование так называемого микробного облака было доказано в исследовании в 2015 году. Куда бы человек ни шел, где бы ни стоял, он оставляет невидимые микробные следы, причем не только на предметах, но и в воздухе³⁵.

Мы окружены мельтешащим облаком микроорганизмов, они роятся вокруг нас, напоминая облако пыли вокруг Пиг Пэна – героя комикса «Орешки». Этот мальчик притягивал к себе грязь, как магнит. Даже если мы просто очень тихо сидим за столом и не двигаемся, то выделяем в окружающую среду приблизительно 15–30 миллионов микробов³⁶. Они отделяются вместе с частичками нашей кожи или выпадают из волос. Мы вдыхаем их, распыленных вокруг как биоаэрозоль, вместе с воздухом и выделяем их вместе с потом в окружающий воздух. Они падают с нашего лица, мы выдыхаем их через рот или нос. Ни перчатки, ни одежда не останавливают микробов. Когда вы садитесь куда-то, то переносите их на эту поверхность. Одежда не препятствие! Их можно найти до тех пор, пока сюда же не сядет следующий человек.

Наши соседи по жилью делятся с нами и своими микроорганизмами, а это тысячи различных типов бактерий. Собаки, кошки, птицы – все оставляют свой типичный микробиологический «отпечаток пальца»³⁷. Джеймс Мидоу и его коллеги из Орегонского университета изучали в лаборатории, сколько микроорганизмов выделяет в окружающую среду человек, спокойно сидящий на одном месте от двух до четырех часов. Участникам эксперимента запрещалось принимать антибиотики четыре месяца до его начала. Из проб воздуха или пророщенных в чашках Петри микробов ученые через 16s-рибосомную РНК, своеобразный штрихкод микробов, определили много тысяч типов бактерий, прежде всего тех, что живут на теле человека, таких, например, как стрептококки изо рта либо пропионии или коринебактерии с кожи.

Удивительно, но участников эксперимента можно было отличить друг от друга по микробному облаку. Если в облаке одного ученые находили особенно много бактерии по имени Dolosigranulum pigrum (долосигранулум пигрум), живущей в верхних дыхательных путях, то облако другого отличалось большим содержанием стафилококка, характерного для наших слизистых оболочек. Облако единственной женщины в эксперименте изобиловало Lactobacillus crispatus (лактобацилла из вагинальной флоры). В период от часа до четырех после взятия каждую из них можно было соотнести с ее хозяином из-за специфических отличий. Личную микробную подпись мы можем также распространить на всю семью. Здесь особенно верна поговорка «все остается в семье». У мамы, папы, дочки и сына микробиом общий, при необходимости он даже переселяется вместе с ними³⁸. Как влияют на наше здоровье живущие рядом с нами микроорганизмы, изучили в ходе работы над «проектом изучения домашнего микробиома» Джек Гилберт и его коллеги в Аргоннской национальной лаборатории³⁹. На протяжении шести недель они внимательно исследовали жизнь шести семей в десяти домах – всего 18 человек, три собаки и кошка. В результате в этих жилищах ученые смогли идентифицировать около 22 тысяч различных микробов.

Их вывод: наши бактерии, видимо, чувствуют себя особенно уютно вокруг нас. Они привязаны к нам и хотят быть с нами. Даже переселяются вместе с нами. К примеру, одна из семей переезжала из гостиницы в дом. И уже через 24 часа все стало так же, как до того в гостинице. С точки зрения микробиологии их новый дом не отличался от прежнего жилья в гостинице. Наши спутники-микробы населяют нашу среду с невероятной скоростью. Они берут в оборот все поверхности, домашнюю пыль, ванную и прочие помещения очень быстро, всего за несколько часов нашего там присутствия.

Вы можете возразить, что тогда, стало быть, в микробном облаке в своем багаже мы перевозим и болезнетворных микроорганизмов. Безусловно, это так. Следовательно, идентификация индивидуального микробного облака человека определенно имеет потенциал для практического применения. Вероятно, исследователи благодаря ему смогут лучше понять, как распространяются патогены. Однако еще не выяснено, передаются ли через наше микробное облако другие, хронические, заболевания кроме насморка или диареи. Просто один раз провести рукой по кухонной столешнице у друзей недостаточно для передачи болезней или изменения собственного микробиома. Он слишком стабилен для этого. В него мы с самого детства собирали бактерии в доме и окружающей среде⁴⁰.

В будущем персональное микробное облако сможет даже использоваться как полезная информация в поиске преступников. Ваш микробный отпечаток действительно может выдать вас, если ваши микробы побывали на месте преступления. Так что наш микробиом представляет огромный интерес и для судмедэкспертов, ведь люди разбрасывают своих микробов направо и налево и таким образом создают настоящий след из микроорганизмов. Современному Шерлоку Холмсу сегодня нужны знания микробиологии, чтобы точно проанализировать микробную подпись там, где в последний раз находился какой-то человек.

Этот метод, конечно, пока еще не доведен до совершенства и не используется повсеместно, признает микробиолог Джеймс Мидоу⁴¹. Особенно с учетом того, что при этом могут быть получены затрагивающие приватность сведения о болезнетворных возбудителях, пока это еще вопрос будущего, когда микробиологический отпечаток начнет применяться буквально в зале суда.

Но даже тогда останется другая проблема: состав нашего микробиома меняется со временем, даже у взрослых. Микробиом может резко измениться с переездом человека в другую страну или в связи с приемом антибиотиков. Идентичен ли сегодняшний микробиом убийцы тому отпечатку, который он оставил на месте преступления несколько лет назад?

Тем не менее микробиологический подход становится все более и более популярным в расследованиях. На конференции, участники которой съехались из Ванкувера, Вашингтона и Калифорнии, исследователи смогли определить по микробиологическим следам почвы на подошвах, кто откуда прибыл⁴².

Если одной клавиатурой пользуются разные люди, их тоже можно отличить по микробиому⁴³. Анализируя микробный состав, ученые также смогли определить, кому принадлежат мобильные телефоны⁴⁴.

И да, человек оставляет микробный след даже на своем партнере. В одном исследовании в 2017 году ученые сравнивали микробный узор у десяти сексуально активных пар, живущих вместе⁴⁵. На основании этих данных они смогли определить пары с точностью до 86 процентов.

Мне кажется, сейчас вы уже достаточно вооружены предварительными знаниями, так что я могу пригласить вас на экскурсию по вашему дому или квартире, чтобы вы смогли поближе познакомиться со своими маленькими соседями и узнать много нового о том, как можно жить вместе с ними и оставаться здоровыми.