- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Человек и его микробиом. Отрывок из книги

Джон Тёрни. Я — суперорганизмТёр­ни Дж. Я — супер­ор­га­низм! Чело­век и его мик­ро­биом (Jon Turney. I, Superorganism: Learning to Love Your Inner Ecosystem). — М.: Лабо­ра­то­рия зна­ний, 2016 (www.pilotlz.ru). Пере­вод с англий­ско­го Алек­сея Капа­над­зе. Кни­га вышла в серии Universum (вед. редак­тор — Ири­на Опи­мах).

В каж­дом из нас живет мно­же­ство бак­те­рий и виру­сов — во рту, на коже, в кишеч­ни­ке. Они помо­га­ют пере­ва­ри­вать пищу и усва­и­вать лекар­ства, вли­я­ют на нашу гор­мо­наль­ную и иммун­ную систе­мы и более того — даже на мозг! Всё это сооб­ще­ство мик­ро­ор­га­низ­мов уче­ные назва­ли мик­ро­био­мом. Джон Тёр­ни рас­ска­зы­ва­ет о самых послед­них иссле­до­ва­ни­ях мик­ро­био­ма, о его воз­ник­но­ве­нии, росте и роли в раз­ви­тии самых раз­ных болез­ней (аллер­гии, диа­бе­та, желу­доч­но-кишеч­ных рас­стройств, рака и шизо­фре­нии).

Маленький — не значит простой

Джон Тёрни

Джон Тёр­ни

Чем так уж важ­ны бак­те­рии? Нач­нем с того, что это мик­ро­бы, то есть суще­ства очень-очень малень­кие. Дли­на типич­ной бак­те­рии по самой длин­ной оси — от одной до несколь­ких тысяч­ных мил­ли­мет­ра. А зна­чит, их лег­ко не заме­тить. Почти всё вре­мя наше­го соб­ствен­но­го (срав­ни­тель­но крат­ко­го) пре­бы­ва­ния на пла­не­те мы поня­тия не име­ли, что они вооб­ще суще­ству­ют. Судя по вполне досто­вер­ным оцен­кам, на Зем­ле сей­час оби­та­ет око­ло 1030 (мил­ли­о­на трил­ли­о­нов трил­ли­о­нов) бак­те­рий. Одна­ко сре­ди них есть круп­ные груп­пы, о кото­рых мы почти ниче­го не зна­ем. Воз­мож­но, мы нико­гда не уста­но­вим не толь­ко общее коли­че­ство мик­ро­ор­га­низ­мов на Зем­ле, но даже общее коли­че­ство их видов.

С дру­гой сто­ро­ны, раз уж нам извест­но об их суще­ство­ва­нии, неболь­шие раз­ме­ры и быст­рый рост этих существ дела­ют неко­то­рых из них под­хо­дя­щи­ми объ­ек­та­ми для иссле­до­ва­ния — по одно­му виду в один при­ем. Поэто­му при срав­ни­тель­но скуд­ных све­де­ни­ях о гло­баль­ной бак­те­риосфе­ре уче­ные успе­ли в неве­ро­ят­ных подроб­но­стях изу­чить неко­то­рые мик­ро­ор­га­низ­мы, осо­бен­но все­об­щую лабо­ра­тор­ную люби­ми­цу — E. coli.

Бактерия Escherichia coli («Википедия»)

Бак­те­рия Escherichia coli («Вики­пе­дия»)

Доста­точ­но хотя бы немно­го позна­ко­мить­ся с ней, и вы, пусть и не узнав всех бак­те­рий на све­те, про­ник­не­тесь нема­лым ува­же­ни­ем к тому, на что бак­те­рии спо­соб­ны. Ну да, они могут рас­ти и раз­мно­жать­ся, это и дела­ет их живы­ми. У них име­ет­ся пол­ный набор кро­шеч­ных нано­устройств для созда­ния копий соб­ствен­ной ДНК, счи­ты­ва­ния инфор­ма­ции, кото­рую та в себе хра­нит, и для пере­да­чи ее бел­ко­вым моле­ку­лам. Они уме­ют пере­ва­ри­вать моле­ку­лы пищи, извле­кать энер­гию при их рас­щеп­ле­нии и исполь­зо­вать полу­чен­ные фраг­мен­ты моле­кул для созда­ния новых.

Основ­ную часть того, что нам извест­но об этих про­цес­сах — от подроб­но­стей гене­ти­че­ско­го кода (одно­го и того же у всех орга­низ­мов на Зем­ле) до сети хими­че­ских транс­фор­ма­ций, слу­жа­щих осно­вой мета­бо­лиз­ма, — мы узна­ли из экс­пе­ри­мен­тов над бес­чис­лен­ны­ми коло­ни­я­ми E. coli в лабо­ра­тор­ных чаш­ках. Но вклад дан­но­го мик­ро­ор­га­низ­ма в нау­ку этим дале­ко не огра­ни­чи­ва­ет­ся. Даль­ней­шие опы­ты, зача­стую про­во­ди­мые в усло­ви­ях, более при­бли­жен­ных к жиз­ни в при­ро­де, неже­ли к суще­ство­ва­нию в лабо­ра­тор­ной чаш­ке, и не име­ю­щих в этой чаш­ке кон­ку­рен­тов, пока­за­ли, что бак­те­рии спо­соб­ны на еще очень мно­гое.

213-0067На моле­ку­ляр­ном уровне у них име­ют­ся сво­е­го рода орга­ны чувств. Нет, они не уме­ют видеть или слы­шать, одна­ко E. coli и дру­гие мик­ро­бы уме­ют обна­ру­жи­вать изме­не­ние кон­цен­тра­ции зна­чи­мых моле­кул вокруг себя. Они могут само­сто­я­тель­но пере­ме­щать­ся, исполь­зуя актив­но вра­ща­ю­щий­ся мини­а­тюр­ный жгу­тик, как сво­е­го рода сверх­по­движ­ный хвост. Они меня­ют курс, что­бы при­бли­зить­ся к моле­ку­лам, кото­рые им нра­вят­ся (то есть к пище), или что­бы отда­лить­ся от моле­кул, кото­рые им не нра­вят­ся. Они адап­ти­ру­ют­ся к сре­де, заме­чая ее изме­не­ния (ска­жем, тем­пе­ра­тур­ные пере­па­ды или уро­вень доступ­но­сти опре­де­лен­ных пита­тель­ных веществ). Реак­ция на меня­ю­щи­е­ся усло­вия при­во­дит к вклю­че­нию (или выклю­че­нию) опре­де­лен­ных генов, при­чем такое вклю­че­ние (выклю­че­ние) орга­ни­зо­ва­но при помо­щи слож­ных био­хи­ми­че­ских цепо­чек, где свя­зы­ва­ют­ся друг с дру­гом моле­ку­лы, выстро­ен­ные осо­бым обра­зом. Одно­кле­точ­ные реа­ги­ру­ют на при­сут­ствие дру­гих кле­ток бла­го­да­ря так назы­ва­е­мо­му «чув­ству кво­ру­ма», кото­рое про­яв­ля­ет­ся в том, что опре­де­лен­ные функ­ции акти­ви­ру­ют­ся, лишь когда плот­ность кле­точ­но­го насе­ле­ния дости­га­ет задан­но­го поро­го­во­го зна­че­ния.

Одни бак­те­рии ведут хими­че­ские вой­ны с дру­ги­ми или же нала­жи­ва­ют с ними тес­ные мета­бо­ли­че­ские отно­ше­ния, при кото­рых один вид пожи­ра­ет моле­ку­ляр­ную пищу, уже частич­но обра­бо­тан­ную дру­гим в про­цес­се потреб­ле­ния. Зача­стую они объ­еди­ня­ют­ся в огром­ные кле­точ­ные ансам­бли. Это еще не мно­го­кле­точ­ная жизнь, но что-то очень похо­жее на нее по функ­ци­ям. Бак­те­рии выра­ба­ты­ва­ют клей­кие моле­ку­лы, созда­ю­щие еди­ную сли­зи­стую «биоплен­ку», кото­рая удер­жи­ва­ет ансамбль вме­сте. Подоб­ные плен­ки часто покры­ва­ют поверх­но­сти, пред­став­ля­ю­щие собой при­год­ную для оби­та­ния эко­ло­ги­че­скую нишу (ска­жем, ваши зубы), и под­дер­жи­ва­ют суще­ство­ва­ние дол­го­веч­ной бак­те­ри­аль­ной систе­мы с изощ­рен­ным меха­низ­мом раз­де­ле­ния био­хи­ми­че­ско­го тру­да.

Более того; как пока­зал Джо­шуа Ледер­берг в рабо­тах 1940-х годов, при­нес­ших ему Нобе­лев­скую пре­мию, они зани­ма­ют­ся сек­сом. Вооб­ще-то, чест­но гово­ря, E. coli и дру­гие бак­те­рии пре­от­лич­но уме­ют раз­мно­жать­ся без помо­щи чего-либо, даже отда­лен­но напо­ми­на­ю­ще­го секс: они могут созда­вать кло­ны гене­ти­че­ски иден­тич­ных кле­ток (прав­да, изред­ка при этом слу­ча­ют­ся мута­ции). Но бак­те­рии не отме­та­ют и дру­гие вари­ан­ты. Вре­мя от вре­ме­ни две бак­те­ри­аль­ные клет­ки соеди­ня­ют­ся, и ДНК пере­да­ет­ся от одной к дру­гой. Бла­го­да­ря тако­му обме­ну гена­ми мик­роб­ный мир выгля­дит совер­шен­но иным по срав­не­нию с миром мно­го­кле­точ­ных эука­ри­о­ти­че­ских орга­низ­мов с их чет­ким раз­гра­ни­че­ни­ем на виды. В мире мик­ро­бов посто­ян­но про­ис­хо­дит обмен гене­ти­че­ски­ми фраг­мен­та­ми посред­ством пере­но­са кус­ков бак­те­ри­аль­ной хро­мо­со­мы или дви­же­ния неболь­ших колец ДНК (плаз­мид), име­ю­щих­ся у боль­шин­ства бак­те­рий, либо при помо­щи бак­те­ри­аль­ных виру­сов. Если ниче­го тако­го не про­ис­хо­дит, бак­те­рия может даже захва­тить сво­бод­ную ДНК из окру­жа­ю­ще­го про­стран­ства и вклю­чить какую-то ее частьв состав сво­ей хро­мо­со­мы (этот про­цесс име­ну­ет­ся транс­фор­ма­ци­ей).

Кро­ме того, при мута­ции бак­те­ри­аль­ная ДНК обыч­но меня­ет­ся быст­рее, чем ДНК в хро­мо­со­мах дру­гих орга­низ­мов, и не толь­ко из-за высо­кой ско­ро­сти раз­мно­же­ния. Мик­ро­бы в стрес­со­вых ситу­а­ци­ях (напри­мер, когда мало пищи) копи­ру­ют ДНК менее точ­но и чинят ее хуже. Что это — про­сто побоч­ное след­ствие стрес­са или же хит­ро­ум­ный эво­лю­ци­он­ный трюк, поз­во­ля­ю­щий быст­ро дать мно­же­ство все­воз­мож­ных отве­тов на воз­ник­шую про­бле­му? Био­ло­ги про­дол­жа­ют об этом спо­рить, но в любом слу­чае такая гипер­му­та­ция поз­во­ля­ет осу­ществ­лять стре­ми­тель­ные изме­не­ния.

Человекоподобные бактерии, бактериеподобные люди

Итак, бак­те­рии слож­нее, чем кажут­ся на пер­вый взгляд. Они обла­да­ют при­спо­соб­ля­е­мо­стью и изоб­ре­та­тель­но­стью, как и подо­ба­ет фор­ме жиз­ни, кото­рой как-то уда­ет­ся уце­леть на про­тя­же­нии трех-четы­рех мил­ли­ар­дов лет. Жизнь и эво­лю­ци­он­ная исто­рия этих наших пред­ков (а ныне — и совре­мен­ни­ков) пере­пле­те­ны с нашей соб­ствен­ной жиз­нью и эво­лю­ци­он­ной исто­ри­ей, соеди­не­ны с ними бес­чис­лен­ны­ми свя­зя­ми, раз­би­рать­ся в кото­рых мы нача­ли толь­ко недав­но.

Взять хотя бы неудоб­ный для кого-то факт, побу­див­ший меня напи­сать эту кни­гу: они живут внут­ри нас. И тут Escherichia coli не исклю­че­ние. Пер­вые образ­цы дан­ной бак­те­рии выде­ле­ны еще в 1885 году Тео­до­ром Эше­ри­хом — из пер­вых испраж­не­ний ново­рож­ден­ных мла­ден­цев. Эти бак­те­рии ока­за­лось лег­че изо­ли­ро­вать, чем боль­шин­ство дру­гих кишеч­ных бак­те­рий, посколь­ку они живут как в при­сут­ствии, так и в отсут­ствие кис­ло­ро­да. Целый ряд невин­ней­ших штам­мов E. coli оби­та­ет в нашей тол­стой киш­ке. Они пре­крас­но при­спо­со­би­лись к жиз­ни в кишеч­ни­ке теп­ло­кров­ных существ. С дру­гой сто­ро­ны, суще­ству­ет такой же раз­но­об­раз­ный набор штам­мов E. coli, вызы­ва­ю­щих непри­ят­ные симп­то­мы — пище­во­го отрав­ле­ния или чего-нибудь поху­же.

Есть и куда более стран­ная фор­ма сов­мест­но­го про­жи­ва­ния, в кото­рую уче­ные мно­го лет отка­зы­ва­лись верить. Мы зна­ем, что осно­ва всей био­сфе­ры — одно­кле­точ­ные про­ка­ри­о­ты. И более слож­ные фор­мы жиз­ни вро­де нас с вами, со все­ми «добав­ле­ни­я­ми», при­шед­ши­ми с появ­ле­ни­ем эу-кари­о­ти­че­ской клет­ки, наде­лен­ной ядром, несут в себе потом­ков древ­них бак­те­рий.

Наши высо­ко­ор­га­ни­зо­ван­ные, круп­ные по объ­е­му эука­ри­о­ти­че­ские клет­ки обла­да­ют зна­чи­тель­но боль­шей энер­ге­ти­че­ской под­пит­кой по срав­не­нию с про­ка­ри­о­та­ми, даже если пере­счи­тать энер­гию на их раз­ме­ры. Кар­ди­наль­но новый взгляд на эво­лю­цию кле­ток помо­га­ет понять, как такое мог­ло полу­чить­ся1. Эука­ри­о­ты полу­ча­ют энер­гию от внут­ри­кле­точ­ных «элек­тро­стан­ций» — мито­хон­дрий. Мито­хон­дрии чем-то похо­жи на бак­те­рии. Поче­му? Пото­му что это и есть бак­те­рии. Точ­нее, когда-то они были бак­те­ри­я­ми. Они дав­но утра­ти­ли спо­соб­ность к неза­ви­си­мо­му суще­ство­ва­нию, но по-преж­не­му обла­да­ют неболь­шим соб­ствен­ным гено­мом, коди­ру­ю­щим (поми­мо все­го про­че­го) копи­ро­ва­ние ДНК и аппа­рат чте­ния инфор­ма­ции; это боль­ше напо­ми­на­ет бак­те­ри­аль­ные меха­низ­мы, а не те силь­но отли­ча­ю­щи­е­ся от них мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ные чуде­са, кото­рые выпол­ня­ют ту же рабо­ту в кле­точ­ном ядре.

Объ­яс­не­ние пред­ло­жи­ла выда­ю­щий­ся аме­ри­кан­ский био­лог Линн Мар­гу­лис (1938–2011) еще в 1960-е годы. По ее мне­нию, некий бак­те­ри­аль­ный флирт мил­ли­ар­ды лет назад при­вел к сим­би­о­зу, при кото­ром одна бак­те­рия ста­ла жить внут­ри дру­гой. Внут­рен­ний коло­нист затем адап­ти­ро­вал­ся к новым усло­ви­ям: полу­ча­ет всё необ­хо­ди­мое для жиз­ни из окру­жа­ю­щей его клет­ки в обмен на ту энер­гию, кото­рую он высво­бож­дал, хими­че­ски рас­щеп­ляя саха­ра с помо­щью кис­ло­ро­да. Резуль­та­том ста­ло появ­ле­ние спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ной орга­нел­лы («очень малень­ко­го орга­на») в самой насто­я­щей, вполне пол­но­цен­ной эука­ри­о­ти­че­ской клет­ке. Эта орга­нел­ла — мито­хон­дрия — дей­ство­ва­ла как сво­е­го рода мини­а­тюр­ная элек­тро­стан­ция. То, что когда-то было бак­те­ри­ей, спер­ва ста­ло внут­ри­кле­точ­ным пара­зи­том, а затем — более про­стым по струк­ту­ре мешоч­ком склад­ча­тых мем­бран, пред­на­зна­чен­ным для выра­бот­ки энер­гии.

Мар­гу­лис рас­смат­ри­ва­ла эту необ­ра­ти­мую коопе­ра­цию (эндо­сим­би­оз) как один из клю­че­вых эво­лю­ци­он­ных меха­низ­мов и пола­га­ла, что неко­то­рые дру­гие части эука­ри­о­ти­че­ских кле­ток име­ют такое же про­ис­хож­де­ние. Гипо­те­за по-преж­не­му счи­та­ет­ся про­ти­во­ре­чи­вой, но сей­час уже мало кто спо­рит с тем, что и мито­хон­дрии, и хло­ро­пла­сты (выпол­ня­ю­щие сход­ные зада­чи у рас­те­ний) воз­ник­ли имен­но так. Стран­но думать, что все наши клет­ки содер­жат эти древ­ние остан­ки. Иной раз чис­ло таких релик­тов дохо­дит до тысяч. Они до сих пор делят­ся и раз­мно­жа­ют­ся неза­ви­си­мо. Все мы до сих пор живы бла­го­да­ря этой колос­саль­ной кол­лек­ции дегра­ди­ро­вав­ших бак­те­рий.

Нако­нец, есть бак­те­ри­аль­ные остан­ки, выпол­ня­ю­щие дру­гую важ­ную рабо­ту во всех про­чих раз­но­вид­но­стях кле­ток. В сущ­но­сти это про­сто след­ствие хода исто­рии жиз­ни и эво­лю­ции по нис­хо­дя­щей. Все дар­ви­нов­ские «бес­ко­неч­ные пре­крас­ней­шие фор­мы жиз­ни» име­ют обще­го пред­ка; он, веро­ят­но, весь­ма похо­дил на неко­то­рые бак­те­рии, суще­ству­ю­щие и поныне. Этот наш древ­ний пра­ро­ди­тель уже успел при­об­ре­сти мно­гие необ­хо­ди­мые гены и мно­гие важ­ные функ­ции, кото­рые бел­ки выпол­ня­ют в клет­ках; это гово­рит, что бел­ки, а зна­чит, и гены, где хра­нит­ся инфор­ма­ция для их син­те­за, очень мало меня­ют­ся в ходе эво­лю­ции. Когда бел­ки уже дей­ству­ют, любые изме­не­ния, про­ис­хо­дя­щие посред­ством мута­ций ДНК, име­ют тен­ден­цию ухуд­шать их рабо­ту, так что это изме­не­ние исче­за­ет в ходе есте­ствен­но­го отбо­ра, неустан­но отсе­и­ва­ю­ще­го непод­хо­дя­щие новые идеи.

В прин­ци­пе-то мы всё это зна­ли, но недав­ние подви­ги ген­ных рас­шиф­ров­щи­ков, дав­шие нам воз­мож­ность иссле­до­вать целые гено­мы круп­ных и малых орга­низ­мов, пока­за­ли, сколь важ­ны эти фак­то­ры и как тес­но вза­и­мо­свя­за­ны все оби­та­те­ли нашей пла­не­ты. Срав­ни­те гене­ти­че­ские цепоч­ки — и вы обна­ру­жи­те, что 37% генов чело­ве­ка очень похо­жи на гены бак­те­рий. А зна­чит, эти гены уже появи­лись у наше­го обще­го пред­ка боль­ше двух мил­ли­ар­дов лет назад. Меж­ду тем мы делим с дру­ги­ми эука­ри­о­та­ми 28% генов, с дру­ги­ми живот­ны­ми — 16% генов, а с дру­ги­ми при­ма­та­ми (у нас тоже есть соот­вет­ству­ю­щий общий пре­док) — все­го 6%2. Так что какой бы вклад сожи­тель­ству­ю­щие с нами бак­те­рии ни вно­си­ли в нашу жизнь сего­дня, в эво­лю­ци­он­ном смыс­ле более тре­ти наших генов (в чис­ле про­чих даров) предо­став­ле­ны нам бак­те­ри­я­ми.

Джон Тёр­ни


1 Види­мо, само появ­ле­ние слож­ных кле­ток — собы­тие в выс­шей сте­пе­ни мало­ве­ро­ят­ное, раз уж в тече­ние двух мил­ли­ар­дов лет един­ствен­ны­ми живы­ми орга­низ­ма­ми на Зем­ле оста­ва­лись бак­те­рии. Поче­му хими­че­ские и физи­че­ские про­цес­сы, сфор­ми­ро­вав­шие энер­ге­ти­ку кле­точ­ной эво­лю­ции, сде­ла­ли столь мало­ве­ро­ят­ным воз­ник­но­ве­ние эука­ри­о­ти­че­ской слож­но­сти? Этот вопрос объ­яс­ня­ет­ся в заме­ча­тель­но аргу­мен­ти­ро­ван­ной кни­ге Ника Лей­на «Жиз­нен­но важ­ный вопрос» (Nick Lane, The Vital Question. — New York: WW Norton & Company, 2015).

2 McFall-Ngai и др., 2013.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи