У микробов нет морали

Мы продолжаем публикацию фрагментов дебютной книги научного журналиста Эда Йонга – «Я вмещаю множества: микробы внутри нас и грандиозный взгляд на жизнь». На этот раз речь пойдет о «хороших» и «плохих» микробах. Точнее, о том, насколько сложно в реальной биологии разделить микроорганизмы по этим «нравственным» категориям. Любая самая дружелюбная бактерия может встать на скользкую дорожку и гадко напакостить, а отпетая злодейка вдруг неожиданно протянет жгутик помощи.

Ed Yong Multitudes

В 1870-х годах немецкий микробиолог и врач Роберт Кох пытался положить конец падежу скота на фермах из-за эпидемии сибирской язвы. В тканях умерших животных другие ученые тогда уже нашли бактерию Bacillus anthracis. Кох ввел ее мыши – та скончалась. Он извлек бациллу из тела и ввел ее другой мыши – та тоже скончалась. Ученый неумолимо продолжал вводить эту бактерию грызунам на протяжении двадцати с лишним поколений, но результат оставался неизменным. Так Кох окончательно доказал, что возбудителем сибирской язвы является Bacillus anthracis.

Этот эксперимент – наряду с опытами современников Коха, например, Луи Пастера – подтвердил, что микроорганизмы могут стать причиной кучи разных болезней. До этого на микробов несколько веков никто вообще внимания не обращал, но теперь их начали считать вредителями, патогенами, разносчиками заразы – в общем, воплощением смерти. За следующие два десятилетия Кох и другие ученые выяснили, что появлением лепры, гонореи, брюшного тифа, туберкулеза, холеры, дифтерии, столбняка и чумы мы также обязаны бактериям. Микробы стали ассоциироваться с болезнями и грязью. Мы начали считать их своими врагами, от которых нужно поголовно избавляться.

Теперь мы знаем, что были неправы. Нет, разумеется, некоторые бактерии действительно являются болезнетворными, но они в меньшинстве. По большей части бактерии безвредны, а многие еще и полезны. Оказывается, триллионы микробов, проживающие в наших телах, – так называемый микробиом – неотъемлемая часть наших жизней. Они не только нас не заражают, но и защищают от болезней, помогают переваривать пищу, укрепляют иммунную систему, а может, даже оказывают непосредственное влияние на поведение. Благодаря этим открытиям наше отношение к микробам в корне изменилось. Теперь многие считают, что бактерии – наши верные союзники, в журналах появляются предупреждения о том, что антибиотики и антисептики уничтожают нашу микроскопическую систему поддержки и тем самым вредят здоровью. В общем, популярный ранее лозунг «Смерть бактериям!» постепенно сменился на «Микроб мне друг, да здравствует микроб!».

Проблема заключается в том, что 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 тихо живет. На самом деле 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. Если они нам вредят, мы зовем их паразитами или патогенами, если нам от них ни холодно ни жарко – комменсалами, а если они приносят нам пользу – мутуалистами. Однако эти категории непостоянны: микробы запросто меняют роли в зависимости от штамма и организма-хозяина. Так, бактерию Wolbachia нашли примерно в 40% насекомых, причем у одних видов она является репродуктивным паразитом и убивает или подчиняет себе самцов, а у других ведет себя как живая пищевая добавка и снабжает организм хозяина недостающими витаминами.

Некоторые микробы одновременно являются и патогенами, и мутуалистами. Желудочные бактерии Helicobacter pylori известны тем, что вызывают язву и рак желудка. Зато мало кто знает, что те же штаммы защищают нас от рака пищевода. Получается, что H. pylori – «плохой» микроб и в то же время «хороший». Двуличный.

Helicobacter pylori в растровом электронном микроскопе. Фото: Juergen Berger/Science Photo Library.

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, молекулярный и клеточный биолог из Коннетикутского университета, обнаружила отличный пример того, как меняются отношения между микробом и хозяином, во время изучения почвенной бактерии Bacillus thuringiensis. Бацилла производит токсины, которые пронзают кишечный 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 бацилла могла ее убить дня за три.

Что у них там происходило на самом деле, Бродерик выяснила едва ли не случайно. Она подозревала, что в кишечниках гусениц могли быть микробы, защищающие их от бацилл. Поэтому, перед тем как порадовать очередную группу гусениц живым пестицидом, она накормила их антибиотиками. Ожидалось, что в отсутствие микробов-защитников гусеницы умрут еще быстрее. Но они взяли и все выжили. Как выяснилось, эти кишечные бактерии не защищают гусениц, а скорее являются орудием их убийства бациллами! В кишечнике они безвредны, но они могут проникнуть в кровь через повреждения от бацилловых токсинов. Тогда их замечает иммунная система гусениц – и привет. По гусеничному 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 самые давние и надежные друзья-микробы в определенных условиях могут наделать дел. Митохондрии – источники энергии в животных клетках – по сути являются прирученными бактериями, встроенными в клетки хозяев. Этот симбиоз считается одним из самых эффективных за всю историю биологии, но даже митохондрии, оказавшись не в том месте, могут сильно навредить. 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.

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 Роувер, специалист по биологии кораллов из Государственного университета Сан-Диего. – Им до вас нет дела. Это не дружба, это всего лишь биология». 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.

hoverfly eating aphids
Муха-журчалка Episyrphus balteatus поедает тлей, и все из-за микробов. Фото: Nigel Cattlin.

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 присутствия «недомутуалистов». 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, тоже их 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 полиомелита. 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 наша температура тела делает его покатушки на микробах гораздо приятнее. Благодаря этим микробам, собственно, атаки полиовируса и являются такими эффективными.

poliovirus rides ecoli
Веселый полиовирус катается на кишечной палочке-предательнице.

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 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, если у одного партнера появится возможность получить те же плюшки, прилагая меньше усилий и без какой-либо опасности для себя, он обязательно ею воспользуется, если за ним не проследить и не наказать.

Об этом писал Герберт Джордж Уэллс в «Науке жизни» в 1930 году: «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. 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.

Буйволовый скворец, или волоклюй (Buphagus erythrorhynchus), не может никак решить, добро он или зло. Фото: Sabi Sabi.

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, где 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 – но мало кто их замечает. «Нужно научиться разделять важное и гармоничное. Микробиом очень важен для нас, но это вовсе не значит, что он гармоничен», – утверждает Тоби Кирс, эволюционный биолог из Амстердамского свободного университета в Нидерландах. Эффективное партнерство 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 нашей внутренней биологии отсутствует понятие о «хороших» и «плохих» микробах. Мы уже разработали множество приемов, позволяющих улучшить наши вечно натянутые отношения с микроорганизмами, и множество способов заставить их на нас работать. Мы можем выделить для них определенную часть нашего тела и запретить ее покидать – как с помощью физических «загонов», так и с помощью химических препаратов. Мы можем выбрать пряник, питая нужные нам виды микробов определенной пищей, а можем поддать им кнутом, используя наш иммунитет. Мы придумали способы, 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.

Эти способы отражают главный урок, который дал нам микробиом: природа сама по себе не гармонична и не идет на взаимодействие, поэтому, чтобы добиться наилучших отношений, нам придется потрудиться.


Перевод: Полина Иноземцева. Редактор: Виктор Ковылин

Этот эксклюзивный русскоязычный текст появился на нашем сайте благодаря финансовой поддержке 1 читателя (спасибо, Алексей!) и надежде на то, что другие тоже не останутся в стороне. Если, конечно, наша работа представляется вам важной и полезной. И если вы хотите еще микробов Эда Йонга.

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Пожалуйста, не копируйте его в соцсети целиком. Если хотите поделиться информацией с вашими подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью. С уважением, Батрахоспермум.

Первая статья проекта: Как чудодейные микробы помогают нам эволюционировать

sgbiusjo3yy

Вас также могут заинтересовать статьи:
Десятикратное превосходство микробов в человеке развеяно
Способна ли нейробиология понять Донки Конга?
Жука Си Цзиньпина подвергли цензуре в Китае