Обломки самолета

Представьте себе, что вы видите фото с места крушения самолета. Ничего не зная об авиации, вы вряд ли поймете, как самолет выглядел до катастрофы. С аналогичной проблемой сталкиваются ученые, пытаясь узнать, как работает микрофлора. Значительная часть исследований проводится с участием европейцев, подверженных «болезням цивилизации», или «западным болезням». Сравнивая микрофлору людей с воспалительным заболеванием кишечника и здоровых людей, ученые видят, что по «здоровой» группе нельзя судить о здоровой микрофлоре. Некоторое время микрофлора может «болеть» без симптомов. Так, простуженный человек выглядит больным, если сильно кашляет. Если же у него поднимается температура без кашля, он болен, но это незаметно. Кажется, будто проблема не в жаре, а в кашле. Исследователи пытаются описать здоровую микрофлору, изучая современных европейцев, поэтому вполне возможно, что представление о норме сильно искажено.

Первые люди добывали пищу исключительно охотой и собирательством. Питание древнего человека состояло из кислых, волокнистых диких растений, постного дикого мяса и рыбы. Ситуация изменилась около 12 тысяч лет назад. Зарождение сельского хозяйства радикально преобразило наш рацион. Стали привычными фрукты и овощи иного качества. Селекционная работа сделала их сладкими, с более насыщенной, менее волокнистой мякотью. Одомашненные животные получают специальные корма, в том числе зерно и продукты животного происхождения (молоко). Люди культивируют зерновые: рис, пшеницу и др.

Промышленная революция внесла беспрецедентные изменения. Теперь питание зависит от массового производства. Результат — продуктовые магазины, забитые обработанной, подслащенной, высококалорийной едой, лишенной пищевых волокон и продезинфицированной для продления срока ее годности. Новый рацион совершенно не соответствует тому, чем мы питались на протяжении всей нашей эволюционной истории. Раньше кишечная микрофлора подстраивалась под любые изменения, но теперь она на пути к катастрофе.

Бактерии кишечника размножаются молниеносно, они способны удваивать свою численность каждые 30–40 минут. Виды, процветающие на регулярно употребляемых продуктах, могут за короткое время увеличиться в числе. Однако некоторые виды нуждаются в пище, не входящей в обычный рацион человека. Они вынуждены жить за счет кишечной слизи или столкнутся с угрозой вымирания. Одно из наиболее удивительных свойств микрофлоры — адаптация к изменениям режима питания. В биологии она известна как модификационная изменчивость, и кишечная микрофлора большая мастерица в этом деле. Так, рацион древних охотников-собирателей менялся с временами года, и микрофлора легко подстраивалась, чтобы извлечь максимальную питательную выгоду. Однако эта изменчивость также означает, что когда-то многочисленный вид, приспособленный к древней диете, исчез, столкнувшись с современным рационом. Значительная часть микробов процветает сейчас в современной среде фастфуда. Такая западная микрофлора характерна для большинства из нас, даже тех, кто считает себя здоровым. К сожалению, это, как правило, разбившийся самолет.

Чтобы составить представление о полноценно функционирующей микрофлоре, обратимся к последним уцелевшим охотникам-собирателям племени хадза в Великой рифтовой долине в Танзании. Именно там были найдены самые древние останки наших предков, живших миллионы лет назад. По рациону и составу микрофлоры хадза ближе всего к людям досельскохозяйственной эпохи.

Хадза питаются мясом животных, на которых охотятся, ягодами, плодами и семенами баобаба, медом и клубнями — подземными запасающими органами растений. Клубни настолько волокнисты, что хадза приходится выплевывать самые жесткие волокна. По подсчетам ученых, представители племени употребляют от 100 до 150 граммов пищевых волокон в день. Для сравнения: американцы обычно съедают от 10 до 15 граммов.

Состав микрофлоры хадза намного разнообразнее, чем у западного человека [Schnorr, S. L., et al. “Gut Microbiome of the Hadza Hunter-Gatherers”. Nat Commun 5 (2014): 3654. Print.]. Если представить себе микрофлору в виде банки с драже, где разные вкусы — это разные виды бактерий, то микрофлора охотников-собирателей — это банка, наполненная затейливой смесью множества разных цветов и вкусов, в том числе и очень необычных. А в банке с западной микрофлорой более однородная и простая смесь.

Микрофлора людей, ведущих традиционный образ жизни, схожий с тем, что господствовал в мире десять тысяч лет назад, также содержит богатую коллекцию микробов [Yatsunenko, T., et al. “Human Gut Microbiome Viewed across Age and Geography”. Nature 486.7402 (2012): 222–227. Print.]. Это касается не только взрослых. Микрофлора детей из аграрной деревни в Буркина-Фасо и трущоб Бангладеша также отличается от микрофлоры их европейских или американских сверстников [De Filippo, C., et al. “Impact of Diet in Shaping Gut Microbiota Revealed by a Comparative Study in Children from Europe and Rural Africa”. Proc Natl Acad Sci U S A 107.33 (2010): 14691–14696. Print. Lin, A., et al. “Distinct Distal Gut Microbiome Diversity and Composition in Healthy Children from Bangladesh and the United States”. PLoS One 8.1 (2013): e53838. Print.]. Итак, микрофлора людей, которые употребляют небольшое количество обработанных продуктов питания (или совсем их не употребляют), не пропивают несколько курсов антибиотиков ежегодно и не пользуются антисептиком для рук, более разнообразна.

Разнообразие обеспечивает жизнеспособность системы в целом. Представьте себе экосистему с огромным количеством видов птиц и насекомых. Если одно из насекомых исчезнет, у птиц все еще останется выбор «продуктов питания». Однако если будут исчезать и другие виды насекомых, птицы начнут голодать, и в итоге их гибель приведет к истощению видов внутри экосистемы.

Вынужденное сотрудничество

Люди — продукт эволюции многих поколений организмов, которые постепенно научились соседствовать со своими кишечными микробами. Заселение кишечника микробами было неизбежно, но от сотрудничества выигрывают и люди, и бактерии.

Мы приютили множество дружественных бактерий. Но есть и исключения: некоторые виды, такие как Salmonella, Vibrio cholera и Clostridium difficile, принято называть патогенными. Они выбрали путь враждебного взаимодействия и спровоцировали злоупотребление антибиотиками, что повредило и «благовоспитанным» членам микрофлоры. Относя все кишечные бактерии к захватчикам или просто посчитав их неважными, мы рискуем нанести вред этому сообществу и в результате самим себе.

У каждого вида бактерий есть собственный генетический код, или геном. Гены, закодированные в ваших микробах, — это ваш микробиом, второй геном. Он уникален так же, как и человеческий геном (за исключением однояйцевых близнецов). Микробиом — важный фактор индивидуальности (особенно если у вас есть близнец). Считайте, что ваш микробиом — своего рода внутренний отпечаток пальца. Он может закодировать способность расщеплять определенный тип углеводов. Например, только у японцев встречаются кишечные бактерии, которые питаются водорослями. Поскольку это значительная часть рациона японцев, в результате эволюции их микрофлора приспособилась использовать богатый источник пищи. Будем надеяться, что отличительная черта западной микрофлоры — это не способность поедать хот-доги!

Нам не обойтись без кишечной микрофлоры. У людей не было другого выбора, кроме как смириться с заселением многочисленного собрания бактерий. Мы поступили, как все эволюционно успешные организмы: заключили взаимовыгодный симбиотический союз. Другими словами, заставили микробы работать за пищу и жилье. Симбиоз — это тесное сотрудничество между двумя или более организмами. Некоторые симбиотические отношения паразитические, когда один организм получает выгоду за счет другого, как нежеланный гость, который съедает ваш ужин, наводит беспорядок в доме и не понимает намеков, что ему пора уйти. На микроскопическом уровне прекрасный пример таких нежеланных гостей — глисты. Комменсализм — другой тип симбиотических отношений, который приносит выгоду одному участнику, но очень мало или совсем никак не затрагивает другого (собака, которая ищет в вашем мусоре еду). При мутуализме, третьем виде симбиоза, выгоду получают обе стороны (собака, которая ищет еду у вас в мусоре, также отгоняет крыс, переносящих болезни). Такая «договоренность» аналогична нашим отношениям с кишечной микрофлорой.

Самое ценное, что мы получаем от микрофлоры, — это химические вещества, которые она выделяет (а мы усваиваем) во время реакций ферментации в кишечнике. Эти химические реакции позволяют нам не потерять дополнительные калории. Для наших предков, которым не хватало пищи, это было критично. Сейчас добыча дополнительных калорий менее актуальна, однако продукты ферментации по-прежнему выполняют важные биологические задачи: настраивают иммунную систему, помогают давать отпор болезнетворным бактериям и регулируют метаболизм.

Мы стабильно поставляем еду кишечным микробам. Все, что им нужно делать, — ждать ее появления. То есть мы едим для микробов, а они помогают переработать пищу в нужные молекулы. Но почему человеческий геном не закодирует способность полностью переваривать пищу без микробов-нахлебников? Главным образом потому, что избавиться от них практически невозможно. «Стерильное» существование в мире, полном микробов, потребовало бы титанических усилий и круглосуточной работы иммунной системы. Есть и другая причина: гены микробов функционируют как дополнение к нашему геному. Каждый ген в геноме человека приносит выгоду, но за нее нужно дорого платить (энергетическими ресурсами организма). Каждый раз, когда клетка человека делится, копируется генетический материал всего генома человека, содержащийся в данной клетке (около 25 тысяч генов). Мы получаем выгоду от генов микробов, которые выполняют функции, недоступные нашему геному. Например, позволяют превращать не перевариваемую по-другому пищу в ключевые молекулы, регулирующие очень многое — от уровня воспаления в кишечнике до эффективности запасания калорий. Такое разделение труда, появившееся в ходе совместной эволюции, настолько успешно, что используется организмами многие миллиарды лет.