Я – суперорганизм! Человек и его микробиом

В статье, вышедшей в середине 2014 года, имена этих людей не разглашаются: их называют просто субъектом А и субъектом В (эта сдержанная научная манера здесь очень уместна). «Изучение выборки добровольцев позволило нам остановиться на двух здоровых мужчинах, не связанных между собой родством», – скромно поясняют авторы [75]. На самом деле этими субъектами стали сам Алм и Лоуренс Дэвид (в момент начала исследования он выполнял в лаборатории дипломную работу). Так что эксперимент осуществлялся методом самонаблюдения. Могло получиться иначе, но когда впервые составили план, подразумевавший отбор пробы при каждом посещении туалета в течение года, «как ни странно, никто не вызвался стать участником такого эксперимента», признался Алм.
Результат – потрясающее (с экологической точки зрения) сочетание изменчивости и постоянства. Изучая образцы, вы всегда можете определить, где чей, хотя состав проб день ото дня варьируется. Общая картина – это картина стабильности.
Варьирование по дням связано, в частности, с питанием. Потребление необычно большого количества клетчатки приводило к быстрому увеличению содержания трех бактериальных видов (его можно зафиксировать примерно на следующий день), хотя в общей микробной популяции эти виды составляли сравнительно небольшую долю – приблизительно одну пятую. Потребление цитрусовых приводило к резкому росту содержания иной группы видов.
Благодаря счастливому стечению обстоятельств удалось выявить интересный факт. В середине года Дэвид провел два месяца в Бангкоке. Данные о содержании бактериальных видов четко показывают, что в его кишечнике, едва он прибыл в город, сразу же поселились некоторые бактерии, которых раньше не было. Они исчезли из кишечника ученого, только когда он вернулся в США.
Более драматическое событие отражено в микробной летописи никуда не выезжавшего коллеги Дэвида. Острое пищевое отравление при посещении ресторана стало не очень-то приятной демонстрацией скорости, с которой могут размножаться бактерии. Среднегодовое содержание Enterobacteriacaea (к которым относятся и «микробы пищевого отравления» Salmonella) в кишечнике у Алма равнялось 0,0004 %. Когда он отравился и стал страдать от диареи, эта величина возросла до 10 %, а затем достигла впечатляющего максимума 29 %. В то же время содержание Firmicutes у него резко сократилось. Когда Алм выздоровел, оно снова вернулось к его обычным 40 %, однако популяционная смесь штаммов, обитавших у него в толстой кишке, в этом новом стабильном состоянии отличалась от прежней. Большинство из видов, теперь изобиловавших в ней, в небольших количествах имелось у него до болезни, так что в основе нового состава популяции все-таки не было новоприбывших организмов. Это еще одно указание на то, что индивидуальный микробиом человека предпочитает поддерживать один и тот же состав микробов (хотя их количественное соотношение может меняться). Микробиом способен отлично справляться с видовыми заменами, если эти заменители делают примерно то же самое, что и бактерии, которых они вытеснили, и если под рукой имеются бактериальные ресурсы, способные быстро заполнить истощившуюся нишу в экосистеме.
Таким образом, это небольшое исследование демонстрирует нам картину своего рода эластичности (термин, который все чаще применяют при описании микробиомов здоровых людей). Два изученных индивидуальных микробиома отличались друг от друга, но проявляли стабильность. Удалось получить свидетельства микробной конкуренции в случае обоих наборов видов, причем численность близкородственных штаммов иногда резко и взаимозависимо менялась (у одного возрастала, у другого падала), а значит, есть основания предполагать, что соответствующий штамм получал какие-то конкурентные преимущества. Впрочем, такие незначительные ежедневные подвижки в экологии микробиома не очень влияли на общую картину.
Другие исследования (например, проводившееся лабораторией Джеффри Гордона в 2013 году) подтверждают, что состав кишечного микробиома стремится к относительной стабильности. Гордон и его коллеги изучали пробы, которые отбирались у троих взрослых на протяжении 5 лет. Судя по всему, у многих людей дело обстоит так: сложившись, взрослый кишечный микробиом не меняется (если его носитель здоров). Вероятность нарушения стабильности повышается не только при болезни, но и при старении. Как показывают исследования, пожилые люди, по-видимому, сильнее отличаются друг от друга по кишечному микробиому, чем молодые. У каждого отдельного пожилого человека, возможно, имеется менее разнообразное микробное население, чем то, которое обычно встречается в образцах, взятых у молодых или у людей среднего возраста [76]. Подробности таких изменений ученые продолжают выяснять, пытаясь разобраться во всевозможных особенностях, которые могут влиять на микробную биографию каждого отдельного человека. Так, пожилые люди в развитых странах нередко проживают в домах престарелых, где их диета отличается от той, что была у них прежде, и где они ежедневно принимают смесь различных лекарств. В ответ микробиом меняется вплоть до самой смерти своего носителя. А затем микробы изо всех сил стараются попасть куда-нибудь еще.
 
Впрочем, сначала они пожирают питательные вещества, которые вытекают из наших умирающих клеток. Это, между прочим, тоже можно изучать. Микробный ансамбль, обитающий на трупе, даже носит подобающее научное название: танатомикробиом. Как полагает Питер Нобл из Алабамского университета, изучение этого микробиома может пригодиться криминалистам – например, для оценки времени смерти [77]. Впрочем, к этому печальному моменту никакого суперорганизма уже не существует, так что самое время перейти к широкомасштабной истории микробиомов.
  
Эволюционируя вместе
 
За индивидуальной историей о том, что формирует кишечный микробиом каждого из нас, стоит куда более долгая эволюционная история, способная поведать, каким образом человек (как биологический вид) вообще стал уживаться со всеми этими микроскопическими видами. Новые технологии помогают собрать воедино разрозненные части этой головоломки, в частности, путем расщепления микробиомов многих других существ. Назовите человека суперорганизмом, и это звучное имя наполнит человека гордостью. Однако если оглянуться вокруг, тут же выяснится, что почти все прочие создания – тоже суперорганизмы. Всегда ли они являлись такими «суперами»? Может быть, они приобретали это качество постепенно?
Мы знаем, что бактерии появились на Земле примерно за 2 миллиарда лет до всех прочих организмов. Никто не оспаривает этого их эволюционного преимущества. Главный вопрос: как они участвовали в эволюции более сложных существ? Известно, что бактерии сыграли важнейшую роль при возникновении эукариот; не забудем, что бактерии – предки митохондрий. Но что произошло после того, как недавно появившиеся эукариоты стали всё шире распространяться в бактериальном мире?
Вероятно, поначалу эти отношения были просты и незамысловаты. Возьмем для примера часто встречающееся одноклеточное. У его клетки имеется ядро, а значит, это эукариота, как и мы с вами. Она имеет более или менее яйцевидную форму, а на одном конце у нее хвостик, точнее – одиночный подвижный кнутообразный жгутик. Вглядитесь, и вы увидите, что основание жгутика окружено воротничком из нескольких десятков микроворсинок.
С помощью жгутика эта тварь движется в воде, а воротничок жгутиковых захватывает всякие штуки, несомые течением, в том числе и бактерии. Затем клетка их поедает. Это воротничковый жгутиконосец (хоанофлагеллата) – одна из самых простых эукариот. Соответствующих окаменелостей, конечно, не сохранилось, но архив, содержащийся в его геноме, заставляет предположить, что это существо приобрело более или менее современную форму уже 800–900 миллионов лет назад. Данные ДНК указывают: создание, жившее тогда, могло стать общим предком для представителей двух эволюционных ветвей – современных хоанофлагеллат и первых животных.