Как микробы управляют нами. Тайные властители жизни на Земле - Эд Йонг

Бессчетное количество путей, по которым микробы попадают от одного животного к другому, создано для одной цели: хозяева должны передавать микробов из поколения в поколение. Щитники и коалы, пчелиные волки и бабуины – животные находят способы сделать так, чтобы у следующих поколений партнеры не менялись. Иногда речь идет о строгом вертикальном наследовании от родителя к потомству – тогда одни и те же микробы остаются у хозяев на протяжении многих поколений. А иногда – о более свободном горизонтальном переносе через сожителей или среду обитания: он гарантирует некоторую продолжительность, позволяя при этом животным меняться симбионтами более вольготно и даже получать новых. Но даже тогда животные не перестают быть разборчивыми. Для поиска партнеров у них есть целый мир, и танцевать с кем попало они не станут.

В пруду неподалеку от вашего дома проживает восхитительное и на удивление харизматичное существо, которое вы, возможно, и не видели никогда. Хотя найти его нетрудно: соберите из пруда немного ряски (впрочем, подойдет любое плавающее растение), положите в баночку, налейте туда воды… и ждите. Внимательно разглядев растение, вы, возможно, найдете под листьями или на корнях небольшой зеленый или коричневый шарик размером всего в несколько миллиметров. При достаточном освещении он вскоре превратится в длинный увенчанный щупальцами стебелек. Когда этот стебелек раскрывается полностью, он напоминает тонкую студенистую руку, растопырившую длинные пальцы.

Это гидра – родственница актиний, кораллов и медуз. Назвали ее в честь обитающей в болоте устрашающей многоглавой змеи, той самой, что в греческой мифологии накостыляла Гераклу. Из-за крошечного размера существа такое название кажется до смешного абсурдным, но все же оно на удивление подходящее. Гидра-чудовище своим ядовитым дыханием и не менее ядовитой кровью наводила ужас на деревни, а гидра-животное убивает дафний и прочих мелких ракообразных ядовитыми гарпунами, выстреливающими из стрекательных клеток. У чудовища вместо одной отрубленной головы вырастало две новых, настоящая гидра – тоже мастер регенерации. Ей отрезали конечность? Да не вопрос. Вывернули наизнанку? Она управится.

А особенно гидра нравится биологам, исследующим развитие и рост животных. Ее легко поймать, с уходом и разведением тоже никаких сложностей. А еще она почти полностью прозрачна, так что устройство ее организма можно рассмотреть через оптический микроскоп. До того как специалист по биологии развития Томас Бош наткнулся на нее в 2000 году, ученые исследовали гидру на протяжении веков. Сам Левенгук как-то зарисовал ее в одной из своих записных книжек. Другие выведали, как она из одной клетки превращается во взрослую особь, как она заново отращивает поврежденные части тела. Бош, как только ее увидел, был пленен. «Я никогда не позволяю студентам говорить, что какой-либо организм примитивен, – утверждает он. – Гидра уже 500 миллионов лет ведет изящный и успешный образ жизни».

Но даже Бош задумался: как гидры умудрились столько прожить с таким простым строением тела? Человеческий организм устроен настолько сложно, что большая его часть скрыта от внешнего мира – с ним контактируют только клеточные слои, покрывающие кишечник, легкие и кожу. Это – эпителий. Помимо всего остального он преграждает микробам путь и не дает им пробраться в организм глубже. А вот у гидры никакого «глубже» нет. Она состоит всего из двух клеточных слоев, полость между которыми заполнена студенистым веществом, так что и внешняя, и внутренняя части гидры постоянно контактируют с водой. У нее нет барьера, отделяющего ткани ее организма от внешней среды, – ни кожи, ни раковины, ни какой-либо другой оболочки. Гидра настолько обнажена, насколько только возможно для животного. «Она ж просто кусок склизкого эпителия во враждебной среде», – описывает гидру Бош. Так почему же такое незамысловатое существо не подвержено инфекциям? Как оно умудряется оставаться здоровым?

Чтобы это узнать, Бошу сначала понадобилось выяснить, какие микробы живут в гидре и окружают ее. Себастьян Фрауне, подопечный Боша, для этого перемолол их тела, выделил из получившейся массы бактериальную ДНК и все секвенировал. Проанализировав два родственных вида гидры, он с удивлением обнаружил, что микробиомы у них совершенно разные – будто фауна на разных континентах.

И это было странно, ведь эти гидры более тридцати лет выращивались в одинаковых пластмассовых контейнерах в лабораторных условиях. Не один десяток лет их держали в одной и той же воде с тщательно выверенным составом, кормили одной пищей и поддерживали им одинаковую температуру. Если бы заключенных в тюрьмах содержали в таких же отупляюще одинаковых условиях, они бы через тридцать лет собственного имени не вспомнили. А вот каждая гидра – животное без мозга – каким-то образом набирает себе именно тех микробов, которые подходят ее виду. Это казалось невероятным, так что поначалу Бош в результатах усомнился. Фрауне провел эксперимент заново, но получил такие же результаты. Тогда он секвенировал ДНК других видов гидры и выяснил, что у представителей каждого вида микробиом уникален и при этом полностью совпадает с микробиомом диких особей того же вида, пойманных в озере[258].

«Для меня этот момент был переломным, – восторгается Бош. – Я всегда считал, что ткани защищают организм от плохих ребят, как и принято в микробиологии». Но благодаря его экспериментам было доказано, что разные виды гидры сами формировали свой микробиом.

Среди животных такие тенденции преобладают – мы не просто тащим танцевать первую попавшуюся бактерию. В нашей жизни постоянно появляются новые микробы, но животные сами выбирают себе подходящих партнеров из прорвы желающих. Большинство бактерий в человеческом кишечнике, например, относятся к четырем основным группам, а в природе их сотни. Даже гидры, какими бы они ни были простыми и незащищенными, позволяют обосноваться у себя на оболочке лишь избранным видам бактерий, а остальных прогоняют. Наши тела – большие и маленькие, сложные и простые – создают условия, подходящие лишь для определенных микробов. Со временем, а также благодаря постоянному наследованию микробов хозяева и симбионты приспосабливаются друг к другу, и наша разборчивость достигает нового уровня. Мы те еще привереды[259].

В результате у каждого вида формируется свое специфичное сообщество микробов. Человеческий микробиом можно легко отличить от микробиома мыши или рыбки данио-рерио и даже от микробиома шимпанзе или гориллы. У живущих бок о бок в океанах китов и дельфинов, чья кожа во время плавания и выпрыгивания из воды все время подвергается трению, кожный микробиом остается уникальным – присущим их виду. Пчелиные волки, с которыми мы недавно познакомились, настолько привередливы, что отказываются вырабатывать для потомства белую слизь, если у них в усиках окажутся не те штаммы бактерий, что нужно. Если они чувствуют, что выбрали неподходящих партнеров, они прерывают цепочку наследственности и прекращают вальс[260].

У микробов тоже есть предпочтения в партнерах – многие адаптировались так, чтобы заселять определенных хозяев. Одни штаммы пчелиного симбионта Snodgrassellaприспособились к пчелам, а другие – к шмелям, а заселить кого-то другого не сможет ни один из них. У кишечного микроба Lactobacillus reuteri есть штаммы, подходящие людям, мышам, крысам, свиньям и курицам. Если их смешать и засунуть в мышь, мышиный штамм вскоре затмит остальные. Из таких экспериментов с заменой микробов можно много чего узнать. Самые значимые из них провел Джон Ролз. Он поменял микробиомы двух столпов лабораторной науки – мыши и данио-рерио. Вырастив стерильных мышей и рыбок, Ролз поселил в них микробиомы обычных особей другого вида, желая узнать, примет ли данио-рерио кишечных микробов мыши, а мышь – микробов данио-рерио. Как выяснилось, примет. Однако Ролз обнаружил, что животные не просто смирились с новыми поселенцами. Они переделали обретенные сообщества так, чтобы те походили на стандартные для каждого из двух видов. Мыши сделали микробиом рыбок в какой-то мере мышиным, и наоборот[261].