Как микробы управляют нами. Тайные властители жизни на Земле
Мы проходим мимо колонии сурикатов – некоторые, почуяв чужаков, встают на задние лапы, остальные продолжают играть. Найту нужно снять мазок у самки, но единственная подходящая для этого самка – матриарх колонии – уже стара, и у нее больное сердце. У сурикатов это часто встречается. Иногда они нападают на детенышей других сурикатов или покидают собственных. Когда такое случается, работники зоопарка вмешиваются и вскармливают детенышей вручную. Они выживают, но смотритель говорит, что в старости у них начинаются проблемы с сердцем по неизвестным причинам. «Интересно, – говорит Найт. – А вы что-нибудь знаете о молоке сурикатов?» Он спрашивает потому, что молоко млекопитающих содержит специальные сахара – младенцы не могут их переварить, а некоторые микробы могут. Когда женщина вскармливает ребенка грудью, она его не только кормит, но и заботится о том, чтобы в его кишечнике поселились «правильные» микробы. Найт задается вопросом: а у сурикатов так же? Возможно, брошенные детеныши начинают жить не с теми микробами в кишечнике из-за того, что не имеют возможности питаться молоком матери? Влияет ли этот недостаток на их здоровье в будущем?
Найт работает и над другими проектами, направленными на улучшение здоровья обитателей зоопарка. Мы проходим мимо вольера гривистых тонкотелов – это такие симпатичные мартышки с отливающей оловом шерстью и торчащим во все стороны пушком на морде, – и он рассказывает, что пытается выяснить, почему одни виды обезьян в неволе часто заболевают колитом (воспалением толстой кишки), а другие – нет. Есть все основания полагать, что тут замешаны микробы. В кишечнике человека при воспалительном заболевании, как правило, возникает избыток провоцирующих иммунную систему бактерий, а вот тех, что ее усмиряют, как раз не хватает. Подобное проявляется и при других заболеваниях, таких как ожирение, диабет, астма, аллергия и рак толстой кишки. Считается, что эти заболевания имеют экологический характер – по отдельности микробы ни при чем, дело во всем сообществе сразу. Это значит, что в симбиозе что-то пошло не так. И если причиной заболеваний действительно становятся нарушения в микробиоме, грамотное управление сообществом микробов поможет их вылечить. Даже если изменения в микробных сообществах – результат болезни, а не причина, благодаря им можно будет поставить диагноз до проявления видимых симптомов заболевания. Потому Найт и исследует обезьян, сравнивая здоровых и болеющих колитом представителей разных видов, – он хочет выяснить, существуют ли признаки, по которым смотрители зоопарка смогут определить, что не проявляющее никаких симптомов животное заболело. Подобные исследования могут помочь нам понять, что меняется в микробиоме людей – или собак – с воспалительными заболеваниями кишечника.
И вот наконец мы заходим в скрытое от посторонних глаз помещение, куда временно поместили нескольких животных. В одном вольере мы видим огромный силуэт покрытого черным мехом существа длиной около метра – по очертаниям что-то вроде ласки, только выражение морды как у медведя. Это бинтуронг – один из самых крупных и лохматых представителей семейства виверровых. Джеральд Даррелл описал его как «небрежно сотканный коврик». По словам смотрителя, снять мазки с морды и лап нам не составит труда, но нас-то интересует кое-что подальше. У бинтуронгов с обеих сторон анального отверстия находятся пахучие железы – запах, которые они выделяют, чем-то напоминает попкорн. Скорее всего, такой аромат получается именно благодаря бактериям. Ученые уже описали микробные запахи, выделяемые пахучими железами барсуков, слонов, сурикатов и гиен. Бинтуронг, ты следующий!
«А мазок с заднего прохода можно будет снять?» – интересуюсь я.
Смотритель медленно переводит взгляд на устрашающего зверя в вольере, а затем обратно на нас. «Н-не думаю…»
Если взглянуть на животный мир, учитывая при этом микроорганизмы, даже самые привычные сферы жизни становятся удивительными. Там, где гиена трется об траву пахучими железами, микробы записывают ее автобиографию, которую смогут прочесть другие гиены. Мама-сурикатиха, выкармливая детенышей молоком, строит в их кишечниках целые миры. Броненосец, набивая брюхо муравьями, кормит триллионы бактерий, которые, в свою очередь, обеспечивают его организм энергией. Когда мартышка или человек заболевают, их организмы становятся схожи с затянутым тиной озером или заросшим сорняками полем – в экосистеме что-то пошло не так. Наши жизни находятся под контролем внешних сил, которые на самом деле у нас внутри. Они зависят от миллиардов существ, которые живут сами по себе и в то же время являются частью нас. Запахи, здоровье, пищеварение, рост и развитие, а также десятки других вещей, которые обычно приписывают отдельным особям, – это на самом деле результат сложной совместной работы организма-хозяина и микробов.
Какое же определение мы дадим слову «особь», зная все это[31]? Если дать определение с анатомической точки зрения и сказать, что особь – это обладатель определенного тела, придется вспомнить, что микробы живут в том же теле, что и мы. Можно попробовать подойти к этому вопросу с точки зрения развития плода, тогда особь – это существо, выросшее из одной оплодотворенной яйцеклетки. Но это тоже не подойдет: организмы некоторых животных, среди которых мыши и рыбки данио-рерио, строятся по инструкциям, заложенным как в их генах, так и в их микробах. Они не смогут нормально развиваться в стерильной среде. Можно прибегнуть к определению с точки зрения физиологии – особь состоит из частей (органов и тканей), которые взаимодействуют на благо всему организму. Но как же насекомые, получающие необходимые питательные вещества благодаря совместной работе как собственных ферментов, так и бактериальных? Микробы – это часть целого, причем неотъемлемая. Генетическое определение, по которому особь состоит из клеток с одинаковым геномом, сталкивается с той же проблемой.
В любом животном есть как его собственный геном, так и множество микробных, которые влияют на его жизнь и развитие. Иногда гены микробов внедряются в геномы хозяев и так там и остаются. Имеет ли смысл рассматривать их как разные сущности? Вариантов остается все меньше – может, попробовать свалить все на иммунную систему? Ведь считается, что она существует именно для того, чтобы отличать клетки нашего организма от чужеродных, не путать себя и не себя. Только вот и это не совсем так: живущие в нас микробы, как мы увидим позже, участвуют в построении иммунной системы, а она взамен учится их не обижать. Как бы мы к этому вопросу ни подходили, ясно одно: микробы переворачивают само понятие индивидуальности с ног на голову. Они же ее и формируют. В целом ваш геном почти такой же, как мой, а вот микробиомы у нас могут быть совершенно разными (а виромы – тем более). Можно сказать, что я не вмещаю множества – я и есть множества.
Подобные мысли могут запросто сбить с толку. Независимость, самосознание и свобода воли играют в нашей жизни важнейшую роль. Как однажды заметил первопроходец мира микробиомов Дэвид Релман, «потеря чувства самосознания, связанные с ним иллюзии и ощущение контроля со стороны» являются потенциальными признаками психического расстройства[32]. «Неудивительно, что последние исследования симбиотических отношений породили значительный интерес к этой теме, – писал он, но также добавлял: – [Подобные исследования] подчеркивают всю прелесть биологии. Мы, будучи существами социальными, пытаемся понять, как мы связаны с другими существами. Симбиоз – это непревзойденный пример того, как сотрудничество приводит к успеху и какие преимущества нам дают близкие отношения».
И я с ним согласен. Симбиоз указывает нам на ниточки, которыми соединено все живое на Земле. Каким образом у таких разных организмов, как люди и бактерии, получается сосуществовать и сотрудничать друг с другом? Все дело в том, что мы происходим от одних предков. Мы все храним информацию о себе в ДНК и пользуемся одним и тем же кодом, а в качестве энергетической валюты у нас у всех аденозинтрифосфат. Представьте себе обычный сэндвич: каждый ингредиент – от помидоров и листьев салата до свинки, предоставившей для сэндвича бекон, от дрожжей, на которых испекли булочку, до микробов, которые наверняка на ней сидят, – говорит на одном и том же молекулярном языке. Как сказал Алберт Ян Клюйвер, нидерландский биолог: «Что слон, что маслянокислая бактерия – все одно!»
Стоит лишь понять, насколько мы похожи и как сильно между собой связаны, – и наше восприятие мира станет во много раз ярче. Мое, например, уже стало. Я с детства обожаю природу. Дома у меня полно документальных фильмов и книг, из которых так и просятся наружу сурикаты, пауки, хамелеоны, медузы и динозавры. Однако о микробах и их влиянии на жизнь хозяев там ни слова, а значит, они несовершенны – как картины без рам, торты без вишенок или Леннон без Маккартни. Теперь я знаю, что жизни всех описанных там созданий во многом зависят от невидимых существ, с которыми они сосуществуют, сами того не подозревая, которым они частично или полностью обязаны своими способностями и которые обитают на нашей планете гораздо дольше их самих. Ошеломляющая перемена взгляда на мир, и какая важная!
Когда меня впервые взяли в зоопарк, я был слишком мал, чтобы что-нибудь запомнить (и чтобы знать, что в вольер к слоновым черепахам лучше не лазить). Сейчас я нахожусь в зоопарке Сан-Диего с Найтом (и Бабой), и теперь все иначе. Здесь царит буйство красок и шума, но я понимаю, что большую часть живого здесь нельзя увидеть и услышать. Здесь одни сосуды с микробами платят за то, чтобы взглянуть на другие сосуды с микробами, обитающие в вольерах и клетках. По птичникам, спрятавшись в оперенные посудины, летают триллионы микробов. Еще триллионы раскачиваются на ветвях деревьев и шныряют по вырытым в земле тоннелям. Кучка бактерий, живущая в небрежно сотканном черном коврике, наполняет воздух вокруг себя стойким ароматом попкорна. Именно так и выглядит окружающий нас мир, и, хоть невооруженным глазом его не разглядеть, я его наконец-то вижу.
Глава 2
Те, что решили взглянуть
Бактерии повсюду – хотя с точки зрения наших глаз их вообще нигде нет. Исключения, конечно, есть, но их крайне мало: бактерия Epulopiscium fishelsoni, обитающая только в пищеварительном тракте коричневого хирурга (это такая рыба), бывает размером вот с эту точку. Остальных невооруженным глазом не разглядеть, а значит, очень долго бактерии оставались невидимками. Обратившись к нашему воображаемому календарю, сжавшему историю Земли до одного года, мы увидим, что бактерии появились на планете в середине марта. На протяжении всей эпохи правления микроорганизмов об их существовании никто даже не подозревал. Из безвестности они вышли лишь за несколько секунд до конца года, когда один любознательный натуралист из Нидерландов зачем-то решил рассмотреть каплю воды через самодельные линзы непревзойденного на тот момент качества.
Антони ван Левенгук родился в 1632 году в суетливом городке Делфте, центре международной торговли, насквозь пронизанном каналами, аллеями и каменными мостовыми[33]. Днем он управлял небольшой галантерейной лавкой, а ночью делал линзы. Место и время были как раз подходящими: совсем недавно голландцы изобрели телескоп и составной микроскоп. Благодаря небольшим стеклянным кружочкам ученые получили возможность разглядывать то, что из-за расстояния или размера нельзя было увидеть невооруженным глазом. Одним из этих ученых был Роберт Гук, энциклопедист из Англии. Что он только не рассмотрел – и блох, и вшей, и острия игл, и павлиньи перья, и семена мака. В 1665 году результаты его наблюдений были опубликованы в книге под названием «Микрография», куда Гук также включил множество великолепных, подробных иллюстраций. В Британии книга сразу стала хитом продаж. Штучки маленькие – популярность огромная.
Левенгук, в отличие от Гука, не получал высшего образования, не был квалифицированным ученым, не знал латыни и говорил только на нидерландском языке. Это не помешало ему методом проб и ошибок научиться делать линзы, равных которым не было нигде. Точный процесс создания линз неизвестен, но выглядело это приблизительно так. Сначала он шлифовал стеклянный шарик до такой степени, что тот превращался в гладкую, идеально симметричную линзу диаметром меньше двух миллиметров. Ее он вставлял между двумя латунными прямоугольными брусками. Затем с помощью крошечной булавки он прикреплял перед линзой то, что хотел рассмотреть, и закреплял это парой винтиков. Полученный в результате микроскоп напоминал скорее витиеватую дверную петлю, да и вообще мало чем отличался от обычной настраиваемой лупы. Левенгуку приходилось держать его так, что тот почти касался его лица, и вглядываться в крохотную линзу при ярком свете солнца. Для глаз эти модели с одной линзой были утомительнее, чем оптические микроскопы с несколькими линзами, которые изготавливал Гук. Зато они давали более четкое изображение при большем увеличении. Приборы Гука увеличивали предметы в 20–50 раз, а линзы Левенгука – до 270 раз. В те времена его микроскопы однозначно были лучшими на Земле.
Однако, как замечает Алма Смит Пэйн в биографии Левенгука, «он не только отлично делал микроскопы, но еще и прекрасно умел ими пользоваться». Он фиксировал все в подробностях, проводил повторные наблюдения и методические опыты. Хоть он и не был профессионалом, научный метод таился у него внутри, словно инстинкт, – как, кстати, и безграничное любопытство настоящего ученого. С помощью своих линз он рассматривал шерсть самых разных животных, мушиные головы, древесину, семена, мышцы кита, частички кожи и бычьи глаза. Он увидел множество чудес, а затем показал их друзьям, родственникам и делфтским ученым.
Один из этих ученых, врач Ренье де Грааф, был членом Королевского научного общества – высоко почитаемого союза ученых, недавно основанного в Лондоне. Он посоветовал своим коллегам связаться с Левенгуком, чьи микроскопы «во много раз превосходят те, что мы до сей поры видели». Генри Ольденбург, секретарь общества и редактор выпускаемого им журнала, последовал его совету и через некоторое время перевел и опубликовал несколько писем Левенгука. Написаны они были неформальным языком и обезоруживали своей беспорядочностью, зато автор с непревзойденной точностью и старанием описал красные кровяные тельца, ткани растений и пищеварительную систему вшей.
А затем Левенгук решил рассмотреть воду из озера Беркельсе Мер в окрестностях Делфта. Собрав стеклянной пипеткой немного мутной жидкости, он капнул ее под линзу микроскопа и увидел, что там кишмя кишат живые существа – «маленькие зеленые облачка» водорослей наряду с тысячами крошечных танцующих созданий[34]. «Микроскопические зверушки[35] двигались в воде так шустро, туда-сюда, вперед и взад – просто чудо расчудесное! – писал он. – И по-моему, некоторые из них были больше чем в тысячу раз мельче самых маленьких из тех, что я видел на корке сыра»[36]. Это были организмы из группы простейших, которая включает в себя амеб и других одноклеточных эукариот. Левенгук стал первым человеком, увидевшим их[37].
В 1675 году Левенгук решил взглянуть на воду, скопившуюся в горшке после дождя, и его взору снова открылся удивительный зверинец. На этот раз он увидел мельчайших созданий, извивающихся, словно змеи, а также овалы «с разными крохотными лапками» – это тоже были простейшие. Он увидел и еще более мелких существ, в тысячу раз меньше, чем глаз блохи, которые «вертелись с быстротой невероятной, будто юла». Да это же бактерии! Позже он рассмотрел воду, собранную в его кабинете, на крыше дома, в каналах Делфта, в море неподалеку и в колодце его сада – «анималькули» были везде. Жизнь, как выяснилось, существовала в немыслимых количествах за пределами восприятия – увидеть ее мог лишь один человек, и все благодаря превосходным линзам. Как позже писал историк Дуглас Андерсон, «никто прежде не видел почти ничего из того, что видел он». Кстати, а с чего он вообще решил посмотреть на воду в микроскоп? Что заставило его разглядывать капли дождя, скопившиеся в горшке? То же самое можно спросить о многих людях из истории микробиологии: они были теми, кто решил взглянуть.
В октябре 1676 года Левенгук поведал Королевскому обществу о своих открытиях[38]. Меньше всего его письма напоминали научные доклады академических журналов. В них было полно сплетен и жалоб на здоровье. Как заметил Андерсон, «человеку не помешал бы блог». В октябрьском письме, например, он рассказал о погоде в Делфте тем летом. Но и «анималькулей» он в нем описал на удивление подробно. Они были «невероятно мелкие, нет, настолько мелкие, что, по-моему, если сотню этих крошек выложить в ряд, они и до размера крупной песчинки не дотянут, а если это правда, то десять сотен тысяч этих созданий едва ли будут равны этой самой песчинке». (Позже он заметил, что песчинка в диаметре составляет около 1/80 дюйма, а значит, «эти крошки» в длину были около 3 микрометров. В среднем бактерии как раз такого размера. Этот человек был потрясающе точен в расчетах.)
Представьте, что кто-то заявил об открытии чудных, невидимых созданий, которых никто никогда прежде не видел. Вы ему поверите? Вот и Ольденбург засомневался, однако письмо Левенгука в 1677 году все же опубликовал. Ник Лейн назвал эту публикацию «выдающимся памятником непредвзятому научному скептицизму». Тем не менее Ольденбург приписал, что Общество хотело бы узнать детали работы Левенгука, чтобы его неожиданные наблюдения могли быть подтверждены и другими. Левенгук не пошел ему навстречу – его методы создания линз держались в тайне. Вместо того чтобы эту тайну раскрывать, он показал «анималькулей» местным нотариусу, адвокату, доктору и другим авторитетным господам, а те в свою очередь убедили Королевское общество, что Левенгук и вправду мог все это видеть. Другие мастера тем временем пытались повторить проделанную Левенгуком работу, но безуспешно. Даже великий Гук поначалу ничего не добился. Успеха он достиг лишь тогда, когда обратился к ненавистным ему микроскопам с одной линзой. Этот успех подтвердил слова Левенгука и закрепил его репутацию в научных кругах. В 1680 году торговец без высшего образования был избран членом Королевского общества. А так как латыни и английского он все еще не знал, свидетельство о членстве согласились написать на нидерландском.
Будучи первым человеком, увидевшим микробов как таковых, вскоре Левенгук стал еще и первым, кто увидел своих личных микробов. В 1683 году он заметил, что между зубов у него скопился плотный белый налет, и, разумеется, решил рассмотреть его через линзы. Он увидел еще больше существ, которые «весьма изящно шевелятся!». Там были и длинные палочки в форме торпеды, стремительно перемещающиеся по воде «щуке подобно», и существа поменьше, вращающиеся как заведенные. «Во всех Объединенных Нидерландах людей меньше, чем этих существ сегодня у меня во рту!» – писал он. Этих микробов он срисовал, и набросок, который у него получился, стал «Моной Лизой» микробиологии. Он изучил микроорганизмы и во рту других жителей Делфта – двух женщин, восьмилетнего ребенка и старика, который, по слухам, ни разу в жизни не чистил зубы. Как-то раз он капнул на налет с собственных зубов виноградным уксусом и увидел, что «анималькули» затихли. Это было первое свидетельство обеззараживания.
Умер Левенгук в 1723 году в возрасте 90 лет. К тому времени он стал одним из самых известных членов Королевского общества. Им он завещал черный лакированный шкафчик с выдвижными ящиками, в котором хранились 26 созданных им изумительных микроскопов с образцами. Каким-то невероятным образом шкафчик исчез, его так и не нашли. Эта пропажа тем более прискорбна, что Левенгук так никому и не объяснил, как создавал инструменты. В одном из своих писем он жаловался, что учеников интересует не столько «открытие невидимых глазу вещей», сколько деньги и слава. «Среди тысячи людей сложно найти одного, кто мог бы проводить такие исследования, ведь на них тратится столько времени и денег! – сокрушался он. – Но самое-то главное – большинству даже не интересно, а некоторые и прямо говорят: да какая разница, знаем мы об этом или нет?»[39]
Его отношение к своим наработкам чуть их не погубило. Другие, глядя в микроскопы, уступающие по качеству линзам Левенгука, ничего не видели и прибегали к выдумкам. Интерес к этой теме пошел на спад. Карл Линней при классификации живых организмов отнес микробов к одному роду, назвав его Chaos, что означает «бесформенный», и к классу Vermes, что означает «черви». Между открытием мира микробов и надлежащим его исследованием пройдет полтора века.
Микробов сейчас так тесно связывают с болезнями и грязью, что, если показать человеку населяющие его рот множества, он, вероятнее всего, с отвращением шарахнется. Левенгук такой неприязни к микробам не испытывал. Тысячи мельчайших существ? В питьевой воде? У него во рту? У всех во рту? Вот здорово! Если он и подозревал, что микробы могут становиться причиной заболеваний, в своих письмах он не сказал об этом ни слова. Его письма вообще были замечательны тем, что в них не было спекулятивных рассуждений. Другие ученые этим похвастаться не могли. В 1762 году венский врач Маркус Пленчич заявил, что размножение микроскопических существ в организме и распространение их по воздуху могло становиться причиной болезней. «За каждой болезнью стоит свой организм», – утверждал он. Эти слова были провидческими, но, увы, они не были подкреплены доказательствами, а значит, он не мог убедить остальных в том, что эти незначительные организмы, оказывается, очень даже значительны. «Я не буду тратить время на опровержение столь абсурдных гипотез», – писал один из критиков[40].
В середине XIX века ситуация начала меняться – все благодаря химику Луи Пастеру, дерзкому и самодовольному французу[41]. Он показал, что жидкость под влиянием бактерий скисает, а сырое мясо разлагается. И если бактерии приводят к брожению и разложению, стать причиной заболеваний они тоже вполне могут, заключил Пастер. Эту так называемую микробную теорию поддерживали Пленчич и многие другие, но менее противоречивой она от этого не становилась. В те времена считалось, что болезни вызывал исходящий от гнилого мяса дурной воздух, так называемые миазмы. Пастер опроверг это мнение в 1865 году, выяснив, что обе болезни, поразившие шелкопрядов во Франции, были вызваны микробами. Изолировав зараженные яйца от здоровых, он предотвратил распространение недуга и спас шелковую промышленность от упадка.
Тем временем Роберт Кох, немецкий микробиолог и врач, пытался положить конец падежу скота на фермах из-за эпидемии сибирской язвы. В тканях умерших животных другие ученые тогда уже нашли бактерию Bacillus anthracis. В 1876 году Кох ввел ее мыши – та скончалась. Он извлек бациллу из тела и ввел ее другой мыши – та тоже скончалась. Ученый неумолимо продолжал вводить эту бактерию грызунам на протяжении двадцати с лишним поколений, но результат оставался неизменным. Так Кох окончательно доказал, что возбудителем сибирской язвы является Bacillus anthracis. Микробная теория болезней оказалась верна.
О микробах снова вспомнили, но теперь в худшем свете. Их начали считать вредителями, патогенами, разносчиками заразы – в общем, воплощением смерти. За следующие два десятилетия Кох и другие ученые выяснили, что появлением лепры, гонореи, брюшного тифа, туберкулеза, холеры, дифтерии, столбняка и чумы мы также обязаны бактериям. Здесь, как и в истории с Левенгуком, особую важность приобрели новые инструменты и методы – линзы лучшего качества, выращивание чистых микробных культур в чашках с агаром и новые красители, с помощью которых было проще замечать бактерий и определять их тип. От определения, как правило, сразу переходили к уничтожению. Британский хирург Джозеф Листер, вдохновившись примером Пастера, начал применять в своей практике дезинфекцию – он заставлял подчиненных обрабатывать руки, инструменты и операционные столы антисептическими веществами и тем самым спас бессчетное число пациентов от инфекционных заболеваний. Другие ученые тем временем занялись поисками новых препятствий для бактерий, чтобы лечить болезни, повысить уровень санитарии и дольше хранить еду. Бактериология стала прикладной наукой, изучающей микробов для того, чтобы их отпугивать и уничтожать.
Как раз перед этими открытиями – в 1859 году – некий Чарльз Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов», что явно не пошло на пользу репутации микробов. «Так сложилось, что развитие микробной теории болезней пришлось на эпоху беспощадного дарвинизма, во время которой любые взаимодействия между живыми организмами расценивались как борьба за выживание и все вокруг считались либо союзниками, либо врагами – третьего просто не было дано, – писал микробиолог Рене Дюбо[42]. – Все последующие попытки взять инфекционные заболевания под контроль были сформированы именно этой позицией. Это и привело к началу жестокой борьбы с микробами, целью которой было уничтожение их как в организме больного, так и в мире в целом».