Начальная школа

Русский язык

Литература

История

Биология

География

Математика

 

В 1924 году Маршалл Гертиг и Симеон фон Вольбах обнаружили внутри комара обыкновенного, Culix pipiens, пойманного неподалеку от Бостона и Миннеаполиса, новый микроорганизм. Внешне он чем-то напоминал бактерию Rickettsia, которая, как прежде установил Вольбах, вызывает пятнистую лихорадку Скалистых гор и сыпной тиф. Однако новый микроб вроде бы ни к каким заболеваниям причастен не был, так что внимания на него обращать не стали. Лишь двадцать лет спустя Гертиг официально назвал его Wolbachia pipientis – в честь друга, его открывшего, и комара, его носящего. И лишь спустя еще много десятилетий биологи наконец осознали, насколько эта бактерия на самом деле особенная.

У многих людей есть любимый фильм или любимая группа, а у популяризаторов науки, часто пишущих про микробиологию, нередко появляется любимая бактерия. У меня это вольбахия. Характер ее великолепен, а распространена она потрясающе широко. А еще она является замечательным примером двуличности микробов – партнеров и паразитов.

В 1980-х и 1990-х, после того как Карл Везе открыл миру способ идентифицировать микробов путем секвенирования их генов, биологи начали обнаруживать вольбахию повсюду. Ученые, независимо друг от друга исследующие бактерий, способных управлять половой жизнью своих хозяев, поняли, что все это время работали с одним и тем же микроорганизмом. Ричард Стаутхамер открыл группу асексуальных наездников, все представители которой были самками и размножались клонированием. Этой чертой они оказались обязаны бактерии, а именно вольбахии: когда Стаутхамер накормил их антибиотиками, среди них вдруг снова появились самцы и представители обоих полов начали спариваться. Тьерри Риго обнаружил в мокрицах бактерий, превращающих самцов в самок, препятствуя образованию половых мужских гормонов, – и это тоже были вольбахии. Грег Херст выяснил, что зародышей самцов прекрасной лунной бабочки с Фиджи и Самоа убивала бактерия, в результате чего самки превосходили количеством самцов примерно в сто раз, – снова вольбахия. Все они относились к разным штаммам и представляли из себя разные версии микроба из комара Гертига и Вольбаха.

Вольбахия не просто так «ненавидит» самцов. Она может передаваться следующему поколению только в яйцеклетках – сперматозоиды слишком мелкие, ей в них не поместиться. Ее билет в будущее – это самки, а самцы – эволюционный тупик. Так что в процессе эволюции у нее появилось множество способов от самцов избавиться. Она их убивает – пример тому бабочки Херста. Превращает в самок – пример тому мокрицы Риго. Делает так, что самцы становятся вообще не нужны, давая самкам возможность размножаться вегетативным способом, – пример тому наездники Стаутхамера. На все эти уловки способна не только вольбахия, но лишь она имеет в своем арсенале сразу три.

В тех случаях, когда вольбахия все-таки позволяет самцам выжить, она не перестает ими управлять. Она частенько вносит изменения в их сперму, чтобы они не могли оплодотворять яйцеклетки, если те не заражены тем же штаммом вольбахии. В результате зараженные самки (которые могут спариваться с кем угодно) получают преимущество перед незараженными (которые могут спариваться лишь с незараженными самцами). С каждой сменой поколений зараженных самок становится все больше, как и переносимых ими особей вольбахии. У эффекта и название есть – цитоплазматическая несовместимость. Это самая любимая и успешная стратегия вольбахии – штаммы, которые ей следуют, распространяются по популяции настолько быстро, что, как правило, заражают 100 % потенциальных хозяев.

Вдобавок к своим мужененавистническим приемам вольбахия прекрасно справляется с вторжением в яичники и захватом яйцеклеток, так что за родителями ее «донашивает» потомство. А еще она с необычной ловкостью находит себе новых хозяев, так что, даже если с одним видом ей приходится разойтись, она может поселиться в дюжине новых. «Одну и ту же вольбахию я могу найти в австралийском жуке и европейской мухе», – говорит биолог Джек Уэррен, исследующий эту бактерию. Потому-то вольбахия и стала столь распространенной. В одном недавнем исследовании выяснилось, что она поражает по меньшей мере четыре из десяти видов членистоногих – в эту группу входят насекомые, пауки, скорпионы, клещи, мокрицы и многие другие. Это же абсурдные масштабы! Большинство из примерно 7,8 миллиона живущих сейчас видов животных – это членистоногие. Если вольбахия действительно поразила из них 40 %, то, пожалуй, она является самой успешной бактерией в мире – по крайней мере, на суше. Вольбах, к сожалению, об этом так и не узнал. Он умер в 1954 году, не подозревая, что его именем был назван один из самых пронырливых инфекционных агентов во всей истории жизни.

У многих животных вольбахия поражает половую систему, то есть манипулирует половой жизнью хозяев для достижения своих целей. Хозяевам из-за этого тяжко – одни умирают, другие становятся бесплодными. Тем, до кого бактерия не добралась, тоже нелегко – партнеров для спаривания у них совсем мало. Казалось бы, вольбахия – архетип «злого микроба», однако у нее есть и полезные качества. Она приносит пользу некоторым круглым червям, какую – неизвестно, однако они без нее не могут выжить. Она защищает некоторые виды мух и комаров от вирусов и других патогенов. Наездники Asobara tabida без нее не способны создавать яйца. Для постельных клопов вольбахия – питательная добавка: она производит витамины группы B, а в крови, которой клопы питаются, их почти нет. Без вольбахии клопы задерживаются в развитии и не могут производить потомство.

Но о самом поразительном свойстве вольбахии вы узнаете, если прогуляетесь осенью по яблоневому саду в Европе. Среди желтых и рыжих листьев вы, возможно, найдете несколько с зелеными островками – они словно защищаются от увядания. Это работа моли-пестрянки Phyllonorycter blancardella, чьи гусеницы обитают в листьях яблони. Практически все они являются носителями вольбахии. В этих насекомых она выделяет гормоны, предотвращающие пожелтение и отмирание листа. Именно с помощью нее гусеницы задерживают приход осени, чтобы дать себе время вырасти. Если избавиться от вольбахии, листья погибнут и опадут, а вместе с ними и гусеницы.

Получается, что вольбахия – создание многоликое. Одни штаммы – самые настоящие паразиты, эгоистичные интриганы, благодаря своему манипуляторскому мастерству распространившиеся по всему миру на крыльях и ножках тысяч хозяев. Они убивают животных, извращают их биологию и ограничивают их в выборе. Другие же – мутуалисты, доброжелатели, незаменимые союзники. А некоторые так вообще все сразу. И вольбахия в своем многообразии не единственная.

Эта мысль довольно необычна для книги, повествующей о том, как важно мирно сосуществовать с микробами, но в то же время крайне важна: микробов вообще нельзя разделить на хороших и плохих. Для детских сказок такие обобщения еще подойдут, но уж точно не для описания беспорядочных, капризных, неоднозначных связей в живой природе.

В действительности бактерии могут вести себя по-разному и быть как «плохими» паразитами, так и «хорошими» мутуалистами. Некоторые микробы, например вольбахия, запросто меняют роли в зависимости от штамма и организма-хозяина. Однако многие являются одновременно и патогенами, и мутуалистами: желудочные бактерии Helicobacter pylori вызывают язву и рак желудка, зато те же штаммы защищают нас от рака пищевода. Некоторые способны надевать разные маски в зависимости от обстоятельств, находясь в одном и том же хозяине. Вполне можно сказать, что названия «мутуалист», «комменсал», «патоген» и «паразит» – не отличительные знаки, а скорее различные варианты состояния (наподобие «голодный», «заспанный», «живой») или типы поведения («сотрудничающий», «враждебный»). Они больше напоминают прилагательные и причастия, чем существительные, так как служат для описания отношений двух партнеров в определенный момент и в определенных условиях.

Николь Бродерик обнаружила отличный пример того, как меняются отношения между микробом и хозяином, во время изучения почвенной бактерии Bacillus thuringiensis, или Bt. Бацилла производит токсины, которые пронзают пищеварительный тракт гусеницы и тем самым ее убивают. Фермеры, кстати, с 1920-х годов охотно используют ее в качестве живого пестицида, даже на органических фермах. Об эффективности такого метода никто не спорит, но на протяжении аж нескольких десятилетий ученые ошибочно думали, что насекомые попросту умирали от голода, так как повреждения от токсинов были слишком серьезными. В этом объяснении явно чего-то не хватало: исследования показали, что гусенице для голодной смерти требовалась неделя, а Bt могла ее убить дня за три.

Что у них там происходило на самом деле, Бродерик выяснила едва ли не случайно. Она подозревала, что в кишках гусениц могли быть микробы, защищающие их от Bt. Поэтому, перед тем как порадовать очередную группу гусениц живым пестицидом, она накормила их антибиотиками. Ожидалось, что в отсутствие микробов-защитников гусеницы умрут еще быстрее. А они взяли и все выжили. Как выяснилось, эти кишечные бактерии не защищают гусениц, а скорее являются орудием их убийства бациллами! В кишках они безвредны, но они могут проникнуть в кровь через повреждения от токсинов Bt. Тогда их замечает иммунная система гусениц – и привет. По организму распространяется воспаление, повреждая органы и препятствуя нормальному кровотоку. Заражение крови – вот от чего насекомые погибают.

Возможно, то же самое ежегодно происходит с миллионами людей. Нас так же заражают патогены, протыкающие нам кишки, а потом наши кишечные микробы отправляются в круиз по кровеносной системе, устраивая нам заражение крови. Как и у гусениц, эти микробы могут помогать нашему организму, находясь в кишечнике, и становиться нашими врагами, попадая в кровоток. Они являются мутуалистами лишь тогда, когда этому способствует их окружающая среда. Те же принципы применимы к живущим в нас «бактериям-оппортунистам»: обычно они безвредны, но в организмах с ослабленным иммунитетом вполне могут вызвать опасную для жизни инфекцию. В общем, все зависит от ситуации. Даже такие давние и надежные симбионты, как митохондрии, источники энергии в животных клетках, могут сильно навредить, оказавшись не в том месте. Если вы, скажем, порежетесь или ударитесь, часть ваших клеток разорвется, а фрагменты митохондрий попадут в кровь. Не стоит забывать о древней бактериальной природе этих фрагментов: когда ваша иммунная система их заметит, ей покажется, что организму угрожает инфекция, и она начнет формировать защиту от нее. Если травма серьезная и в кровь попало достаточно митохондрий, воспаление может разойтись по всему телу и стать причиной синдрома системной воспалительной реакции организма (SIRS). Этот синдром может причинить организму больший ущерб, чем сама травма. Как бы глупо это ни звучало, SIRS возникает лишь оттого, что наше тело перегибает палку при встрече с микробами, мирно живущими у нас в клетках более двух миллиардов лет. Даже красивый цветок с клумбы можно посчитать за сорняк, если он вырастет на грядке с тыквами. Так и с микробами: они могут быть незаменимы в одном органе и опасны в другом, жизненно необходимы внутри наших клеток и смертоносны вне их. «Если у вас немного снизится иммунитет, они вас убьют, а когда вы умрете – сожрут, – стращает Форест Роуэр, специалист по биологии кораллов. – Им до вас нет дела. Это не дружба, это всего лишь биология».

Так что в мире симбиоза наши союзники могут запросто нас предать, а враги – встать на нашу сторону. Для того чтобы разрушить давний союз, порой достаточно пары миллиметров.

Так почему наши с ними отношения столь ненадежны? Почему микробы вот так вот запросто становятся то патогенами, то мутуалистами? На самом деле эти роли противоречат друг другу не так сильно, как кажется на первый взгляд. Что дружелюбному соседушке-микробу нужно сделать в кишечнике, чтобы выжить и установить с организмом хозяина прочные отношения? Правильно – уцепиться за стенки кишечника, чтобы не унесло, и начать взаимодействовать с клетками нового дома. То же самое должны сделать и патогены. Так что и герои, и злодеи часто используют одни и те же молекулы для одних и тех же целей. Каким-то из этих молекул дали имена с негативной коннотацией: например, «факторы вирулентности» – так как открыты они были в контексте болезни, – а ведь на самом деле и они, и использующие их микробы сами по себе нейтральны. Они – всего лишь инструменты, как компьютер, шариковая ручка и нож: с их помощью можно как творить чудеса, так и устраивать пакости.

Даже микробы, которых мы считаем полезными, могут нам косвенно вредить, создавая уязвимости, облегчающие работу паразитам и патогенам. Иногда эти уязвимости появляются просто из-за самого их присутствия. Микробы, живущие в организме тли и необходимые для ее жизнедеятельности, например, производят летучие молекулы, привлекающие муху-журчалку. Для тли эта черно-желтая мушка, внешне напоминающая осу, – верная смерть. Ее личинки, пока не окуклятся, пожирают тлей сотнями, так что для того, чтобы прокормить потомство, взрослые особи вынюхивают «Микробиом № 5» – отличительный аромат тли, которым она не может не пахнуть. В природе таких непреднамеренных приманок не счесть – вы, кстати, их тоже выделяете прямо сейчас. Некоторые бактерии превращают хозяев в ходячий шведский стол для малярийных комаров, а другие, наоборот, их отпугивают. Никогда не видели, как из двух людей, вместе бродивших по лесу, один с ног до головы покрыт укусами мошек, а второй идет себе и улыбается лучезарно? Частично за это отвечают наши собственные микробы.

Еще патогены могут использовать наших микробов для вторжения в организм – как, например, вирус полиомиелита. Он хватается за молекулы на оболочке кишечных бактерий, как за поводья, и едет на них к клеткам хозяина. Цепляться за клетки млекопитающих ему удобнее, к тому же благодаря нашей температуре тела его покатушки на микробах становятся гораздо приятнее. Этим микробам, собственно, полиовирус и обязан высокой эффективностью своих атак.

Важно понять, что симбиоз с микробами имеет свою цену. Даже помогая своим хозяевам, они создают в их организмах слабые места. К тому же их нужно приютить, накормить и переместить куда надо – то есть потратить на это энергию. И что главное, у них, как и у любого другого организма, есть свои интересы, которые не всегда совпадают с интересами организма хозяина. Wolbachia передается от матери к дочери, так что, убивая самцов, в краткосрочной перспективе она приобретет больше носителей – но в долгосрочной есть вероятность, что носители вымрут. Если некоторые бактерии гавайской эупримны потухнут, они сэкономят энергию, но если их погаснет слишком много, то эупримна утратит защитную подсветку и вся компания станет обедом какого-нибудь внимательного хищника. Если микробы у меня в кишечнике начнут подавлять мою иммунную систему, они улучшат себе условия для роста, а вот я заболею.

Впрочем, любое товарищество в биологии основано именно на этом. Всегда есть те, кто попытается урвать себе лучший кусок. Всегда есть опасность того, что ваш партнер вас подставит. Симбиотические пары могут прекрасно сосуществовать и сотрудничать, но появись у одного партнера возможность получить те же выгоды, прилагая меньше усилий и без какой-либо опасности для себя, – он обязательно ею воспользуется, если за ним не проследить и не наказать. Об этом в 1930 году писал Герберт Джордж Уэллс: «В каждом симбиозе в какой-то степени таится вражда, и состояние взаимовыгоды может поддерживаться лишь надлежащей выверкой и нередко тщательным согласованием. Отношения ради взаимной пользы нелегко сохранить даже между людьми – и это несмотря на то, что мы наделены достаточным умом для того, чтобы понять значение подобных связей. У низших же организмов нет разумения, необходимого для развития таких отношений. Взаимовыгодное партнерство – это адаптация, подхватываемая ими столь же слепо и осуществляемая столь же неосознанно, сколь и все остальные виды симбиоза».

Об этих правилах часто забывают. Нас устраивают рассказы про борьбу добра со злом, где сразу ясно, кто герой, а кто злодей. За последние несколько лет популярный ранее лозунг «Смерть бактериям!» постепенно сменился на «Микроб мне друг, да здравствует микроб!», только вот вторая точка зрения столь же неверна, как и первая. Мы не можем взять и сказать, что вот этот микроб хороший, лишь потому, что он внутри нас живет. Об этом порой забывают даже ученые. Изменилось и значение самого термина «симбиоз»: у нейтрального прежде значения «сожительство» появились чудные позитивные оттенки, напоминающие о содружестве и гармоничном блаженстве. Увы, эволюция так не работает. Она далеко не всегда предпочтет взаимодействие, даже если оно выгодно всем, и нередко обременяет раздором даже самые слаженные отношения.

Эта печальная правда станет еще более явной, если мы ненадолго покинем мир микробов и взглянем на ребят покрупнее – например, на волоклюев. Эти птицы живут в Африке к югу от Сахары – там они находят себе жирафов и антилоп и выклевывают из их шкур клещей и разных кровососов. Но они также могут и открытые раны поклевать – а это замедляет процесс заживления и повышает риск попадания в рану инфекции. Пташки жаждут крови и утоляют эту жажду за счет крупных животных, а вот полезно оно для этих животных или нет – зависит от ситуации. Похожие процессы можно наблюдать у коралловых рифов – мелкая рыбка губан-чистильщик там заведует природным спа-салоном. Крупные рыбы приплывают туда, чтобы почистить чешуйки, и губан вытаскивает паразитов из их челюстей, жабр и других труднодоступных участков тела. Губанам – еда, клиентам – медицинские услуги. Однако иногда губаны мухлюют и начинают поедать кусочки слизи и здоровой ткани. Клиентам такой сервис не нравится, и они уплывают, да и другие губаны не погладят по головке коллег-обманщиков, отпугивающих потенциальных клиентов. Тем временем в Южной Америке муравьи защищают акацию от сорняков, вредителей и животных на выпасе. Акация взамен предоставляет муравьям сахарные вкусняшки и полые вздутия у основания шипов, в которых можно жить. На первый взгляд, у них абсолютно взаимовыгодные отношения. Вот только дерево добавляет в муравьиную пищу особый фермент, из-за которого муравьи теряют способность переваривать сахар, полученный из других источников. Оказывается, муравьи – не свободные вассалы, а эксплуатируемые рабы. Все это традиционные примеры кооперации, их можно найти в учебниках и документальных фильмах о дикой природе. И в каждом из них имеется привкус раздора, манипуляции и обмана.

«Нужно научиться разделять важное и гармоничное. Микробиом очень важен для нас, но это вовсе не значит, что он гармоничен», – утверждает эволюционный биолог Тоби Кирс. Эффективное парт-нерство вполне можно считать использованием друг друга. «Оба партнера могут получать выгоду, но их отношениям все равно присуща некая напряженность. Симбиоз – это конфликт, который невозможно разрешить полностью».

Однако симбиотическими отношениями можно управлять и в какой-то мере их стабилизировать. В конце концов, воды вокруг Гавайев не населяют полчища темных моллюсков. Среди множества видов насекомых, пораженных вольбахией, есть самцы. Иммунная система у меня работает вполне неплохо. У нас получилось построить стабильные отношения с микробами, сделать их верными партнерами, а не предателями. Мы придумали, как выбирать виды бактерий, которые будут в нас жить, и как держать их под контролем, чтобы они вели себя как мутуалисты, а не как патогены. Здесь, как и везде, чтобы добиться наилучших отношений, приходится потрудиться. Во всех важных преобразованиях в истории жизни – от одноклеточных организмов к многоклеточным, от отдельных особей к симбиотическим союзам – нужно было разобраться с одной и той же задачей: как преодолеть корыстные помыслы отдельных особей и создать группу, основанную на сотрудничестве?

Иными словами, как же мне вмещать мои множества?

Содержание наших множеств чем-то напоминает земледелие. Чтобы отметить границы своего огорода, мы ставим заборы и загородки. Чтобы питать растения, мы их удобряем. Мы выдергиваем сорняки и обрабатываем их химикатами. И огород мы устраиваем там, где для того, что мы выращиваем, имеются подходящие климат, почва и уровень освещения. К подобным мерам прибегают и животные, когда диктуют условия договора своим партнерам-микробам. Разберем их по порядку.

На каждой части тела всех видов животных есть свой зоологический терруар – характерная совокупность температуры, кислотности, насыщенности среды кислородом и других факторов, определяющих, какие там могут обитать микробы. Человеческий кишечник, в котором бактерии прямо-таки купаются в пище и жидкости, может показаться микробным раем. Но и сложностей там хватает. Пища по кишечнику проходит быстрым, сметающим все на своем пути потоком, так что микробам нужно или быстро расти, или цепляться за стенки кишечника с помощью соответствующих молекул. В кишечнике темно и страшно, а значит, там не смогут благополучно развиваться микробы, которым для питания нужен солнечный свет. Кислорода там тоже нет, что объясняет, почему абсолютное большинство кишечных микробов – анаэробы, то есть организмы, способные питаться и расти без этого вроде бы необходимого газа. Некоторые из них так зациклены на своей анаэробности, что, почуяв кислород, погибают.

А вот кожа – совсем другое дело. Там и сухие прохладные пустыни, такие как предплечье, и жаркие влажные джунгли, такие как паховая область и подмышки. Солнечного света там предостаточно, но и он может стать проблемой из-за ультрафиолетового излучения. Кислорода тоже хватает, а так как кожа в основном находится на свежем воздухе, аэробам на ней хорошо. Однако скрытые закутки – скажем, потовые железы – создают все условия для роста ненавидящих кислород анаэробов, например Propionibacterium acnes, вызывающих угревую сыпь. Биология наших тел подчиняется законам физики и химии.

А еще животные умеют этими факторами управлять – развешивать пригласительные вывески и, напротив, отгораживать запретные зоны. Наши желудки вырабатывают сильные кислоты, благодаря которым бактерии туда не суются, за исключением устойчивых к кислоте видов – например, H. pylori. У муравьев-древоточцев желудочной кислоты нет, зато есть муравьиная, которую у них выделяет железа на задней части туловища. Как правило, они разбрызгивают ее в защитных целях, но могут и высосать кислоту с собственной попки – так они окисляют свой пищеварительный тракт, чтобы туда не лезли нежелательные микробы.

Эти факторы и обуславливают основные требования к кандидатам на поселение внутри нас. Они – грубые фильтры, которые примерно определяют, какие типы микробов станут нашими сожителями, и отправляют их туда, где им будет комфортно. Но нам также нужны более точные способы настройки наших микробных сообществ и более надежные преграды, чтобы они не вылазили за их пределы. Не забывайте о важности местонахождения микробов: в зависимости от того, где они находятся, из полезных союзников микробы могут запросто превратиться в смертельную угрозу. Поэтому, чтобы оградить свой микробный рассадник, многие животные поставили настоящие, физические преграды. В ходе эволюции у нас появились надежные заборы, чтобы и соседи стали надежными. Гавайская эупримна предоставляет своим светящимся партнерам лакуны. Плоский червь Paracatenula выделяет под микробных сожителей большую часть своего тела. У некоторых клопов посреди пищеварительного тракта находится очень узкий коридор – он останавливает поток пищи и жидкости, превращая заднюю половину кишечного тракта в просторный дом для микробов. И примерно пятая часть от всех видов насекомых содержит симбионтов внутри специальных клеток – бактериоцитов.

Бактериоциты неоднократно появлялись в разных линиях независимо друг от друга. Одни насекомые рассовывают их между остальными клетками, другие создают из них органы, висящие на кишках, как гроздья винограда, – так называемые бактериомы. Откуда бы они ни взялись, функции у них одни и те же: содержать и контролировать симбионтов, не допускать их проникновения в другие ткани и прятать их от иммунной системы. До роскошного жилья бактериоцитам далеко. В одной клетке могут обитать десятки тысяч бактерий – им там так тесно, что по сравнению с ними и бочка с селедкой покажется просторной. Они являются клетками во всех смыслах.

Еще они – инструменты, необходимые для надзора. Несмотря на давние и взаимозависимые отношения между насекомыми и их симбионтами, конфликты возникают не так уж редко. Если вам это кажется странным, вспомните, что каждый год у миллионов людей диагностируют рак. Эта болезнь вызвана клеточным восстанием – клетка нарушает правила собственного тела. Она начинает бесконтрольно расти и делиться – так появляются опухоли, подвергающие жизнь хозяина риску. Уж если на такое способны клетки человека, будучи при этом частью его же тела, легко себе представить, что то же самое может выкинуть и бактерия Blochmannia – отдельный организм в теле муравья. Она может стать чем-то вроде симбиотического рака, который размножается без присмотра, забирает себе необходимую муравью энергию и захватывает клетки, к которым вообще приближаться не должен.

С помощью бактериоцитов насекомые способны это предотвратить. Они могут управлять перемещением питательных веществ по бактериоцитам, лишая пищи симбионтов-мошенников, которые нарушают условия аренды и не приносят пользы, которую должны приносить. Микробов-пленников они могут расстреливать наносящими урон ферментами и антибактериальными веществами, чтобы держать их население под контролем. Долгоносик – жучок, пожирающий рис и другие зерна, – так обращается с бактериями Sodalis, которые живут у него в бактериоцитах и производят вещества, из которых строится защитный панцирь насекомого. Когда долгоносик достигает зрелости и впервые решает обзавестись панцирем, он ослабляет контроль над бактериями, чья численность увеличивается в четыре раза. А вот когда панцирь готов, работники-микробы долгоносику больше не нужны, так что он их убивает. Содержимое бактериоцитов, включая бактерий Sodalis, он перерабатывает в сырье, а сами клетки заставляет самоуничтожиться. В своих клеточных тюрьмах долгоносик может увеличить популяцию прирученных бактерий, когда того требует ситуация, и расправиться с ними, когда партнерство перестает приносить плоды.

Позвоночным животным, таким как мы с вами, содержать бактерий сложнее. Нам приходится держать под контролем микробный консорциум гораздо более крупный, чем у любого насекомого, да еще и без бактериоцитов. Большая часть наших микробов живет среди наших клеток, но не в них самих. Взять хотя бы наш кишечник: это длинная, компактно сложенная трубка – если ее полностью разгладить, она покроет собой футбольное поле. В этой трубке роятся триллионы бактерий. Всего один слой клеток эпителия, которым покрыты и другие органы, не позволяет им проникнуть сквозь стенки кишечника и попасть в кровеносные сосуды, по которым потом можно добраться до любой части тела. Кишечный эпителий – наша главная точка соприкосновения с нашими товарищами-микробами, но при этом и самая главная уязвимость. У простых водных животных, таких как кораллы или губки, дела обстоят еще хуже. Их тело практически полностью состоит из слоев эпителия, погруженных в ванну из микробов, а они все равно умудряются держать своих симбионтов под контролем. Как?

Во-первых, у них есть слизь – та самая вязкая жижа, что закладывает вам нос при простуде. «Слизь везде пригодится, она ведь клевая», – подмигивает Форест Роуэр. Он-то в этом точно разбирается, он ведь много лет собирал образцы слизи у представителей животного царства. Почти у всех животных ткани, подверженные влиянию внешней среды, покрыты слизью. У нас это кишечник, легкие, нос и гениталии. У кораллов это вообще все. В каждом случае слизь представляет собой материальный барьер. Она состоит из огромных молекул под названием муцины, а они, в свою очередь, состоят из центрального белкового остова, к которому прицепились тысячи углеводных молекул. Благодаря углеводам отдельные муцины связываются друг с другом и образуют плотную, практически непробиваемую гущу – Великую Слизистую стену, не позволяющую заплутавшим микробам проникнуть глубже в тело. Вдобавок к этому стену охраняют вирусы – чтобы уж наверняка.

Когда вы вспоминаете о вирусах, вам в голову, наверное, приходят эбола, ВИЧ, грипп – всем известные злодеи, из-за которых мы заболеваем. Однако большинство вирусов на самом деле заражают и убивают микробов. Это бактериофаги – дословно «пожиратели бактерий», можно просто фаги. Их угловатые головки расположены на длинных и тонких ножках, прямо как у аппарата, доставившего Нила Армстронга на Луну. Приземлившись на бактерию, они впрыскивают в нее свою ДНК, тем самым превращая ее в завод по производству новых фагов, которые через некоторое время вырываются из бактерии-хозяина, убивая ее. Животных фаги не заражают, при этом их гораздо больше, чем опасных для животных вирусов. На триллионы микробов у вас в кишечнике могут приходиться миллионы миллиардов фагов.

Несколько лет назад Джереми Барр, член научной группы Роуэра, заметил, что фаги просто обожают слизь. В обычной среде на одну клетку бактерии приходится около 10 фагов. В слизи – все 40. На деснах человека, в кишечнике мыши, в морских червях, актиниях и кораллах их тоже в 4 раза больше. Только представьте, как полчища фагов, засунув голову в слизь, вытягивают ножки в ожидании проходящего мимо микроба, чтобы заключить его в смертельные объятия! Не исключено, что эти любители слизи на самом деле не просто грубое противомикробное оружие. Роуэр подозревает, что, внося изменения в химический состав своей слизи, животные способны привлекать определенных фагов, чтобы те убивали одних бактерий и давали спокойно пройти другим. Возможно, это один из наших способов выбирать себе микробов-партнеров.

Это говорит о многом. Можно предположить, что у фагов – а они, между прочим, вирусы – с животными, в том числе и с нами, взаимовыгодные отношения. Они приглядывают за нашими микробами, а мы взамен помогаем им размножаться в полной бактерий среде. У фагов в слизи шансов поймать жертву в 15 раз больше, чем без нее. Где животные – там и слизь, а где слизь – там и фаги, а значит, скорее всего, наше партнерство началось на заре царства животных. Роуэр даже подозревает, что фаги изначально и составляли иммунную систему, с помощью которой первые животные держали прибывших микробов под контролем. Вирусов в их среде и так уже было предостаточно. Нужно было просто собрать их вместе, предоставив им слой слизи, к которому можно прилипнуть. Из простенького начала стали развиваться другие, более сложные методы контроля.

Рассмотрим, например, кишечник млекопитающего. Его покрывают два слоя слизи: прямо на клетках эпителия – плотный внутренний, а поверх него – зыбкий внешний. Внешний слой кишит фагами, но также на нем оседают и успешно размножаются микробы. Их тут полно. А вот в плотном внутреннем слое их почти нет. Все дело в том, что клетки эпителия не скупятся на антимикробные пептиды (АМП) – крошечные молекулярные пули, способные быстро расправиться с любыми вторгшимися микробами. Благодаря им появляется, как сказала Лора Хупер, зона разоружения – область прямо перед эпителием, на которой микробы не могут поселиться.

А если какой-нибудь микроб все-таки изловчится пройти через плотный слой слизи, пробиться сквозь войска фагов и АМП, а потом пролезть сквозь эпителий, на другой стороне его ждет армия иммунных клеток, готовая проглотить его и уничтожить. Эти клетки там не в потолок плюют – они на удивление предусмотрительны. Некоторые из них заглядывают за эпителий, словно за забор, в поисках микробов на той стороне. Если в зоне разоружения окажутся бактерии, иммунные клетки возьмут их в плен и затащат внутрь. Благодаря захвату пленников иммунная система регулярно собирает данные разведки о широко распространенных в слизи микробах, тем самым получая возможность подготовить антитела и другие надлежащие ответные меры.

Эти ответные меры – слизь, антимикробные пептиды, антитела – также определяют, каким видам микробов можно остаться в кишечнике. Мы об этом знаем, потому что ученые вывели множество линий мутантных мышей, у которых отсутствует один или несколько из этих компонентов. В организме таких мышей нестандартные микробы и, как правило, воспаленный кишечник. Так что иммунная система кишечника – это не барьер, неспособный различать микробов, она не просто берет и разделывается с каждой бактерией, оказавшейся поблизости. Она весьма разборчива. А еще она отзывчива. Многие бактериальные молекулы стимулируют клетки кишечной стенки, чтобы те производили больше слизи: чем больше в кишечнике бактерий, тем мощнее кишечник защищен. А клетки кишечника, получив сигналы от бактерий, вырабатывают соответствующие АМП – они обстреливают зону разоружения не все время, а лишь когда их цели подберутся слишком близко.

Можно сказать, что иммунная система калибрует микробиом: чем больше микробов, тем сильнее она дает им отпор. Или наоборот – что это микробы калибруют иммунную систему, провоцируя ее на реакции, сокращающие количество их конкурентов, но не трогающие их самих. Последнее предположение логично, если учесть, что большая часть наших самых распространенных кишечных микробов адаптировалась для мирного сосуществования с иммунной системой. Вот почему мы постепенно отходим от стандартного взгляда на иммунитет, согласно которому в организме только и происходит, что расправа с угрожающими нашему здоровью микробами. Сейчас, когда я это пишу, «Википедия» дает иммунной системе следующее определение: «система биологических структур и процессов, защищающая организм от заболеваний». Если система приведена в действие, значит, она заметила патоген – угрозу, которую она уничтожает. Однако, как считают многие ученые, истребление патогенов является лишь бонусом. Главная же функция иммунной системы – управление отношениями нашего организма и микробов. Ее основная задача – балансировка и менеджмент, а не защита и разрушение.

У позвоночных животных, таких как мы с вами, иммунная система устроена очень сложно – она способна создавать уникальную длительную защиту от определенных угроз. Именно поэтому мы невосприимчивы к детским инфекциям, например к кори, а также к инфекциям, от которых были привиты. Дело не в том, что мы более уязвимы для инфекций по сравнению с другими животными. Как считает наш эксперт по моллюскам Макфолл-Най, столь замысловатая иммунная система появилась для того, чтобы управлять более сложным микробиомом – позволять позвоночным с большей точностью отбирать микробов для своего организма и поддерживать выверенные отношения на протяжении времени. Вместо того чтобы их ограничивать, иммунная система эволюционировала так, чтобы поддерживать еще больше микробов.

Вспомните предыдущую главу, в которой я сравнивал иммунную систему с командой лесничих, управляющих заповедником. Если микробы преодолевают границы заповедника, то есть слизь, лесничие выталкивают их обратно и укрепляют ограду. Они держат под контролем виды, чьи популяции слишком разрастаются, и расправляются с патогенами, которые вторгаются из внешнего мира. Они поддерживают равновесие в сообществе, неустанно защищая баланс заповедника от угроз – как внешних, так и внутренних.

Отпуск эти лесничие получают лишь в самом начале нашей жизни, когда в плане микробиологии мы представляем собой «чистые доски». Чтобы дать нашим первым микробам возможность поселиться в нашем новорожденном теле, особый класс иммунных клеток подавляет остальную защитную систему организма – поэтому в течение первых шести месяцев жизни младенцы легко поддаются инфекционным заболеваниям. Дело не в том, что их иммунная система еще не достигла зрелого состояния, как считают многие: ее развитие преднамеренно сдерживается, чтобы позволить всем желающим микробам обосноваться. Однако как младенец млекопитающего убедится, что к нему присоединились нужные микробы, если иммунная система не помогает с отбором?

Ему помогает мать. В материнском молоке содержится множество антител, которые контролируют популяцию микробов в организме взрослого, и младенцы усваивают эти антитела при грудном вскармливании. Иммунолог Шарлотта Кэтцель вывела мышей с мутацией, из-за которой они не могли производить одно из этих антител, и обнаружила, что кишечники их детенышей оказались заселены очень странными микробами. Среди них было множество видов бактерий, часто встречающихся у людей с воспалительными заболеваниями кишечника, причем многие из них вдобавок пробрались сквозь стенки кишечника и вызвали воспаление ближайших лимфоузлов. Как мы уже знаем, большинство безобидных бактерий безобидны лишь там, где они находятся. Молоко держит их в узде – и не только. Молоко – это одно из самых поразительных средств контроля над микробами в организме млекопитающего.

В Калифорнийском университете в Дейвисе над большим виноградником и огородом со спелыми овощами возвышаются несколько зданий со стенами цвета обожженной глины. Все вместе напоминает тосканский особняк, который чудом телепортировали на запад США. На самом деле это научно-исследовательский институт, где все просто помешаны на изучении молока. Управляет ими невысокий нервный и энергичный дяденька по имени Брюс Джерман. Если бы существовала награда за самое активное расхваливание молока в мире, Брюс бы ее точно получил. Я захожу в его кабинет, жму ему руку и спрашиваю: «А почему вы интересуетесь молоком?» Полчаса спустя он все еще толкает речь, прыгая на фитболе и теребя в руках истрепанный кусочек пленки с пупырышками.

Молоко – это идеальный источник питательных веществ, рассказывает Брюс, «чудо-пища», действительно достойная такого названия. Так считают немногие. На данный момент научных публикаций, посвященных молоку, совсем немного, если сравнивать со статьями о других телесных жидкостях – крови, слюне и даже моче. В молочной промышленности несметные богатства тратятся на то, чтобы получать от коров больше молока, но практически не выделяется денег на то, чтобы понять суть этой белой жидкости и принципы ее работы. В медицинских фондах посчитали, что это не имеет значения. Как объясняет Джерман, «это никак не относится к болезням белых мужчин среднего возраста». А вот диетологи решили, что молоко – это обычная смесь жиров и сахаров, которую можно с легкостью заменить искусственными аналогами. «Говорят, что это просто кучка химических веществ, – жалуется Джерман. – На самом деле это даже близко не так».

Молоко впервые появилось у млекопитающих. Любая кормящая мать, будь то пантера или панголин, жираф или женщина, для кормления детенышей в прямом смысле растворяет собственное тело, чтобы создать белую жидкость, которую затем выделяет через соски. Состав этой жидкости в течение 200 миллионов лет правился и улучшался, чтобы детеныши могли получать из нее все необходимые питательные вещества. Помимо всего прочего в составе есть сложные сахара – олигосахариды. Их производят все млекопитающие, но человек почему-то решил особенно выделиться: ученые уже нашли более 200 олигосахаридов человеческого молока – это третья по объему его составляющая, сразу после лактозы и жиров. Уж они-то наверняка должны быть отличным источником энергии для подрастающих младенцев!

Только вот младенцы не способны ее переваривать.

Джерман, впервые узнав об олигосахаридах, был просто ошеломлен. Зачем матери тратить столько энергии на производство этих сложнейших веществ, если ее ребенок не сможет их переварить и получить от них хоть какую-то пользу? Почему естественный отбор не положил конец такому расточительству? Вот подсказка: через желудок и тонкую кишку эти сахара проходят целыми, оказываясь в итоге в толстой кишке, где живет большинство наших бактерий. А может, они вообще предназначены не для младенцев? Вдруг они являются пищей для микробов?

Эта теория появилась в начале XX века, когда две разные группы ученых сделали открытия, не зная, что они окажутся тесно между собой связанными. В одной группе педиатры обнаружили, что микробы по имени Bifidobacterium более распространены в стуле младенцев, вскармливаемых грудью, чем искусственно вскармливаемых. Они выдвинули предположение, что человеческое молоко содержит вещество, снабжающее этих бактерий питанием, – его вскоре назовут «бифидус-фактор». А химики тем временем выяснили, что в человеческом молоке содержатся углеводы, которых нет в коровьем, и начали понемногу разбивать эту загадочную смесь на отдельные составляющие, среди которых в итоге нашли и несколько олигосахаридов. Два одиночества встретились в 1954 году, а все благодаря сотрудничеству Ричарда Куна (химика, австрийца и лауреата Нобелевской премии) и Пола Дьердя (педиатра, американца с венгерскими корнями и приверженца грудного вскармливания). Вместе они установили наверняка, что таинственный бифидус-фактор и олигосахариды молока – это одно и то же и что именно они питают кишечных микробов. Нередко для того, чтобы понять партнерство разных царств жизни, требуется партнерство разных отраслей науки.

К 1990-м годам ученые уже знали, что в человеческом молоке содержится более ста олигосахаридов, но подробно описали лишь несколько. Никто не знал, как большинство из них выглядят и каких бактерий кормят. Считалось, что они питают сразу всех бифидобактерий одновременно. Джермана это не устраивало. Он хотел точно знать, кем являются посетители молочной кухни и что они заказывают. Чтобы это выяснить, он вспомнил прошлое и набрал к себе в команду химиков, микробиологов и специалистов по проблемам питания. Вместе они идентифицировали все олигосахариды, вывели их из молока и накормили ими бактерий. К их большому разочарованию, на рост бактерий это не подействовало.

Вскоре выяснилось, в чем дело: оказывается, олигосахариды человеческого молока – это не универсальная еда бифидобактерий. В 2006 году команда обнаружила, что этими сахарами питается лишь один их подвид, Bifidobacterium longum infantis, или B. infantisдля краткости. Покуда у этой бактерии есть доступ к олигосахаридам, она будет превосходить числом всех остальных микробов в кишечнике. Родственный ей подвид – B. longum longum – растет на тех же сахарах довольно вяло. Как бы иронично это ни звучало, B. lactis, на которой основано большинство йогуртов-пробиотиков, не растет на них совсем. Еще у одного популярного компонента пробиотиков, B. bifidum, дела с олигосахаридами обстоят чуть лучше, но, когда дело касается еды, она – большая привереда. Расщепив несколько олигосахаридов, она съедает только те их кусочки, что ей больше всего нравятся. А вот B. infantis, напротив, пожирает все до последней крошки благодаря кластеру из 30 генов – настоящему столовому набору для употребления олигосахаридов. Такого кластера больше нет ни у одной бифидобактерии, только у B. infantis. Человеческое молоко развилось так, чтобы кормить именно эту бактерию, а она, в свою очередь, стала отпетым олигосахаридоедом. Неудивительно, что в кишечниках вскармливаемых грудью младенцев она, как правило, доминирует.

И она заслуживает свое место. Переваривая олигосахариды, B. infantis вырабатывает короткоцепочечные жирные кислоты, которые питают клетки кишечника младенца, – получается, что, пока мать кормит микроба, микроб кормит ее ребенка. Путем прямого соприкосновения B. infantis также побуждает клетки кишечника к выработке адгезивных белков, которые заделывают щели между ними, и противовоспалительных молекул, которые калибруют иммунную систему. Все это происходит, лишь когда B. infantisпитается олигосахаридами, – если же она получает вместо них лактозу, она выживает, но никак не влияет на клетки организма ребенка. Полностью свой потенциал помощника она раскрывает, лишь питаясь грудным молоком. И соответственно, чтобы ребенок мог воспользоваться всеми преимуществами материнского молока, у него в кишечнике должна обитать B. infantis. Поэтому Дэвид Миллз, микробиолог, работающий с Джерманом, рассматривает B. infantis как часть грудного молока, хоть она и вырабатывается не в груди.

Человеческое грудное молоко отличается от молока других млекопитающих: в нем содержится в несколько сотен раз больше олигосахаридов, чем в коровьем молоке, и в пять раз больше их типов. Даже молоко шимпанзе по сравнению с нашим скудное. Никто не знает, откуда эти различия взялись, но Миллз может предложить пару догадок. Одна из них касается нашего головного мозга – для примата нашего размера он очень крупный и в первый год жизни растет на удивление быстро. Для такого быстрого роста он в какой-то мере полагается на сиаловую кислоту – питательное вещество, которое в числе прочих молекул вырабатывается B. infantis, когда она питается олигосахаридами. Не исключено, что если мамы кормят эту бактерию до отвала, то мозг у их детей развивается лучше. Это может объяснить, почему у тех видов приматов, что ведут социальный образ жизни, олигосахаридов в молоке больше и они более разнообразны, чем у тех, что предпочитают уединение. Чем больше группа, тем больше нужно запомнить общественных связей, тем больше у животного приятелей, с которыми нужно поддерживать дружбу, и соперников, на которых нужно влиять. Многие ученые считают, что эта необходимость и привела к развитию интеллекта у приматов, и возможно, что на разнообразие олигосахаридов повлияла тоже она.

Другая догадка касается заболеваний. Патогены запросто переходят от одного хозяина к другому, так что животным, живущим в группах, требуется защита от эпидемий. Олигосахариды могут в этом помочь. Когда патогены заражают наш кишечник, для начала они, как правило, цепляются за гликаны – такие углеводные молекулы – на поверхности клеток кишечника. Однако олигосахариды очень похожи на кишечные гликаны, так что иногда патогены цепляются за них. Олигосахариды действуют как ловушки, которые не дают противнику нанести ущерб клеткам организма ребенка. Они способны помешать целому списку кишечных злодеев: сальмонелле, листерии, холерному вибриону, дизентерийной амебе и многим болезнетворным штаммам кишечной палочки. Возможно, они даже могут препятствовать ВИЧ – это объяснило бы, почему большинство младенцев, питающихся молоком зараженной матери, не заражаются сами, хотя не один месяц сосут молоко, в котором полно вирусов. Всякий раз, как ученые добавляли патогенных микробов в клеточные культуры с олигосахаридами, клетки с улыбкой избегали инфекции. Этим можно объяснить тот факт, что у младенцев на грудном вскармливании кишечных инфекций меньше, чем у младенцев на искусственном вскармливании, а также то, почему в человеческом молоке так много олигосахаридов. «Логично, что они должны быть разнообразными: им ведь нужно справляться с целой кучей разных патогенов, от вирусов до бактерий, – говорит Миллз. – Думаю, именно их удивительное многообразие обеспечивает столь разностороннюю защиту».

У этой научной группы все только начинается. В своем псевдотосканском институте они установили внушительную фабрику по переработке молока, чтобы раскрыть самые неизвестные секреты этой известнейшей жидкости. В главной лаборатории, которой управляют Миллз и специалист по проблемам питания Даниэла Бэрил, стоят две огромные стальные цилиндрические емкости с молоком, пастеризатор, напоминающий кофеварку для капучино, и еще куча оборудования для фильтрации жидкости и ее расщепления на составляющие. На полке рядом стоят сотни пустых белых ведер. «Обычно они полные», – говорит Бэрил.

Полные ведра хранятся в огромной морозильной комнате, охлажденной аж до -32 °C – на нее даже смотреть холодно. Тут же на скамейке стоят выстроенные в ряд резиновые сапоги («молоко при переработке часто проливается на пол», объясняет Бэрил), молоток для обкалывания льда («дверь в морозильник плохо закрывается») и даже нож для нарезки ветчины (не спрашиваю зачем). Мы заглядываем внутрь. На поддонах и полках расставлены белые ведра, а в них почти 2300 литров молока. В основном молоко коровье – его безвозмездно поставляют молочные заводы, однако на удивление приличное количество выделено и из женской груди. «Многие женщины сцеживают молоко про запас, а потом отлучают ребенка от груди и думают: ну и куда это все теперь девать? Затем они узнают о нас, и мы получаем бесплатное молоко, – рассказывает Миллз. – Некто из Стэнфордского университета за два года собрал порядка 80 литров человеческого молока, пришел к нам и спросил: вам надо?» Ну конечно, надо. Чем больше у них молока, тем лучше.

Они планируют изучать ингредиенты молока – олигосахариды и все остальное. В молоке и жиры, и белки, к которым прилепились гликаны: какое влияние они оказывают на B. infantis и других бифидобактерий? А еще есть фаги, и их много. Джерман начал работать с Джереми Барром, чтобы выяснить, используется ли материнское молоко для того, чтобы обеспечить ребенка начальным набором симбиотических вирусов. Они уже обнаружили кое-что крайне странное: фаги и так прекрасно прилипают к слизи, но, если рядом есть грудное молоко, они начинают прилипать в десять раз лучше. В молоке есть что-то, что помогает им укрепиться на одном месте. Похоже, все дело в крохотных шариках жира, которые заключены в белки, напоминающие те, что содержатся в слизи. Если оставить стакан молока в комнате, на поверхности образуется слой жира, и в нем таких глобул полно. Они обеспечивают ребенка энергией, но не исключено, что, помимо этого, они позволяют первым вирусам младенца осесть у него в кишечнике.

Я от рассказов Барра просто в шоке. Ведь это означает, что наши способы формирования и управления микробиомом – фаги, слизь, иммунная система, ингредиенты молока – связаны между собой. Я рассказывал о них как об отдельных инструментах, но на самом деле они – часть огромной взаимосвязанной системы регулирования наших отношений с микробами. В этой реальности, противоречащей здравому смыслу, вирусы могут быть нашими союзниками, иммунная система может содействовать микробам, а кормящая мать не просто кормит ребенка – она обустраивает внутри него целый мир. А что насчет грудного молока? Джерман прав: это не просто кучка химических веществ. Оно кормит как младенца, так и микробов. Оно, словно первичная иммунная система, отпугивает болезнетворных бактерий. Оно дает матери убедиться, что у ее ребенка с первых дней жизни будут нужные и верные партнеры. Оно готовит ребенка ко взрослой жизни.

Как только нас отлучают от груди, нам приходится самим кормить своих микробов. В какой-то мере мы питаем их тем, что едим сами: вместо олигосахаридов человеческого молока наша пища в обилии поставляет им гликаны. Но мы и сами создаем гликаны – их у нас полно в слизистой оболочке кишечника, получаются этакие пастбища для кишечных микробов. Выбирая правильную пищу, мы кормим бактерий, которые с большей вероятностью принесут нам пользу, и морим голодом тех, что более опасны. Наш долг кормить своих микробов столь для нас важен, что мы продолжаем это делать, даже когда не едим сами. Когда животное заболевает, у него, как правило, пропадает аппетит – здравая тактика, позволяющая не тратить энергию на поиски пищи, а вместо этого направить ее на выздоровление. Это значит, что у наших микробов начинается временный кризис – они голодают. Больные мыши в таких случаях вырабатывают для них резервный паек – моносахарид фукозу. Кишечные микробы могут понемногу отъедать кусочки от нее, чтобы дожить до той поры, когда хозяин начнет кормить их в прежнем режиме.

Бактерии из группы Bacteroides, обожающие гликаны, вскоре становятся самой распространенной группой микробов во всем кишечнике. Однако следует учесть то, что гликаны настолько разнообразны, что приспособлений, необходимых для того, чтобы съесть их все, нет ни у одного вида бактерий. Это означает, что, употребляя с пищей или производя достаточно гликанов, мы способны поддерживать изобилие разных бактерий. Одни из них едят что придется, словно голуби или еноты, а другие привередничают, как, например, панды или муравьеды. Они образуют пищевые сети, в которых одни микробы расщепляют самые крупные и прочные молекулы на кусочки поменьше, которые затем подъедают другие микробы. Они вступают в соглашения, по условиям которых два вида кормят друг друга, переваривая разную пищу и оставляя огрызки, которые сможет съесть партнер. Они объявляют перемирие и регулируют свои предпочтения в еде так, чтобы не конкурировать с соседями.

Их взаимодействия для нас важны, ведь они способствуют стабильности. Если бы одна бактерия слишком усердно поедала гликаны, возможно, она проела бы в слизистом барьере дыру, через которую могли бы пробраться и другие микробы. А вот сотни соперничающих видов не дают друг другу объесться и присвоить себе все пищевые ресурсы. Предоставляя бактериям питательные вещества в широком ассортименте, мы кормим множество их видов и укрепляем огромные и разнообразные сообщества. А эти сообщества, в свою очередь, мешают патогенам захватить кишечник. Если мы правильно накроем стол, на ужин пожалуют те, кого мы ждем, а незваные гости останутся за дверью. Эту традицию начали наши матери, вскормив нас своим молоком, когда мы родились, а мы продолжаем их правое дело.

У хозяев есть и другой способ свести борьбу со своими микробами на нет, причем весьма радикальный: в результате их зависимость друг от друга может достичь такого уровня, что, по сути, они станут одним организмом. Это происходит, когда бактерии забираются прямо в клетки организма-хозяина и затем добросовестно передаются потомству. Теперь их судьбы накрепко связаны. У них все еще есть собственные интересы, но они настолько схожи, что различия уже не имеют значения.

Такие взаимоотношения наиболее популярны у насекомых, и они заманивают микробов в ловушку примитивизации. В клетках хозяина микробы ограничены маленькими популяциями и лишены общения с другими бактериями. Из-за изоляции в их ДНК накапливаются вредные мутации. Все гены не первой необходимости портятся, становятся бесполезными и в конце концов исчезают. Если засунуть симбионта в клетку насекомого и ускорить время, можно будет увидеть, как его геном искажается, коверкается и сокращается. В конце концов в нем останется минимум генов – в основном лишь те, что необходимы для поддержания жизни. У обычного свободного микроба, например у кишечной палочки, геном состоит примерно из 4,6 миллиона нуклеотидов. У Nasuia, самого мелкого из известных симбионтов, их всего 112 тысяч. Если бы геном кишечной палочки был размером с эту книгу, то, чтобы сделать из него Nasuia, вам пришлось бы вырвать все страницы, оставив лишь пролог. Такие симбионты полностью одомашнены: самостоятельно им не выжить, они навсегда заперты в хоромах тел своих хозяев-насекомых. А те, в свою очередь, начинают полагаться на сморщенных симбионтов, которые предоставляют им питательные вещества и другие плюшки. Именно в результате этого процесса древние бактерии превратились в митохондрии – важнейшие органеллы, без которых нам не выжить.

Такие слияния успешно решают все конфликты хозяев с микробами, но и у них есть побочные эффекты. Джон Маккатчен, высокий лысый биолог в очках и хорошем настроении, понял это при исследовании периодической цикады Magicicada tredecim. У этой букашки черное тельце и красные глаза, а большую часть жизни она проводит в стадии нимфы, проживая под землей и питаясь жидкостью с корней растений. Через тринадцать лет праздного существования все цикады разом выбираются и устраивают всеобщую какофонию. А после нескольких часов бурного секса они все разом умирают, устилая землю разлагающимися трупиками. Раз уж образ жизни у них такой чудной, подумал Маккатчен, то и симбионты у них, наверное, такие же чудные. И он оказался прав – вот только ему и в голову не приходило, насколько чудными они окажутся.

Последовательности ДНК симбионтов цикад продемонстрировали полный бардак. Казалось, что они должны принадлежать одному и тому же геному, только Маккатчену словно выдали вперемешку фрагменты нескольких одинаковых, но неполных наборов паззлов. Окончательно запутавшись, он принялся за изучение другого вида цикад, Tettigades undata из Южной Америки, с меньшей продолжительностью жизни, но более пушистых. И тут он столкнулся с той же проблемой: фрагменты ДНК никак не хотели собираться в один цельный геном. Зато в два – запросто.

Эти два генома принадлежали бактериям, произошедшим от симбионта Hodgkinia. Забравшись в пушистика, бактерия каким-то образом разделилась на два разных «вида» – прямо внутри насекомого. Оба дочерних вида утратили по части исходных генов Hodgkinia, но каждый избавился от тех генов, что остались у другого. Хоть их нынешние геномы и не такие полные, как были раньше, они идеально друг друга дополняют. Они – словно две половинки того, что когда-то было целым: все, что умела первоначальная Hodgkinia, умеют и две ее дочки, когда работают вместе.

Чтобы понять, что же там у них творится, Маккатчену потребовался почти год, зато, когда он наконец разобрался, стала понятнее и путаница в симбиотических ДНК M. tredecim. В организме этой цикады тоже обитает Hodgkinia, вот только вместо того, чтобы разделиться на два вида, она разделилась на неизвестно сколько. Ее ДНК в итоге сложилась по меньшей мере в 17 отдельных колец, а может, и во все 50. Является ли обладатель каждого генома отдельным видом? Или это разные бактериальные линии, чьи геномы распределились по разным кольцам? Никто не знает. Как бы там ни было, научная группа Маккатчена уже исследовала множество других цикад и не раз столкнулась со схожим расщеплением. В одной из чилийских цикад Hodgkiniaразделилась на шесть взаимодополняемых геномов.

Гены, отвечающие за создание необходимых для жизни витаминов, во всех подобных случаях раскиданы по геномам цикад и их обширной компании симбионтов, так что выжить им удается лишь при условии, что каждый член компании находится на своем месте. В течение некоторого времени с ними все будет в порядке, а вот потом может случиться всякое. Если Hodgkinia так и будет делиться на фрагменты, оказывающиеся со временем все меньше по размеру, но все такие же жизненно важные, надежность всего сообщества окажется под угрозой. Потеря одного фрагмента, возможно, обречет их всех на гибель. «Я на них смотрю с тем же чувством, что и на крушение поезда в замедленной съемке, – говорит Маккатчен. – Из-за них я стал совсем по-другому относиться к симбиозу». Прежде он считал его чем-то позитивным – силой, благодаря которой партнеры получают преимущества и новые возможности. Но, как оказалось, он может стать ловушкой, в которой зависимость партнеров друг от друга подвергает их опасности. Нэнси Моран, в прошлом научный руководитель Маккатчена, называет этот феномен «эволюционной кроличьей норой» – эта метафора подразумевает «путешествие в очень странный мир, в котором не работают привычные нам законы, причем, как правило, без возможности вернуться назад». Тем, кто провалился в кроличью нору, выбраться, скорее всего, будет очень сложно. А внизу вместо страны чудес их ожидает вымирание.

Такова цена симбиоза. Даже в тех случаях, когда организм нуждается в микробах в меньшей степени, чем цикада, они все равно оказывают на нас титаническое влияние. А если они вдруг решат проявить нрав, последствия могут быть ужасными. Потому-то животные и изобрели столько решений для того, чтобы свои множества стабилизировать. Мы держим их в узде с помощью химии наших тел. Мы огораживаем их заборами. Мы поощряем их пряником, употребляя в пищу то, что им нравится. А можем и побить кнутом, напустив на них фагов, антитела и других солдат иммунитета. У нас есть масса возможностей загладить конфликты со своими микробами, равно как и заключить с ними договоры.

Увы, мы с вами, сами того не желая, создали столь же много возможностей эти договоры разорвать.

Поиск

Блок "Поделиться"

Физика

Химия

Методсовет