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

Здесь животные обитают в аквариумах, выставленных в ряд в узком коридоре. Места хватает ровно на 24 особи. Как только приезжает новая партия, Бекиэрес, менеджер лаборатории, выбирает букву, и студенты по ней подбирают животным имена. Самку, с которой мы познакомились выше, зовут Йоши. В соседних аквариумах живут Йаху, Изольда, Йардли, Ира, Ив, Иосиф, Йокель и мистер Йук[81]. У самок каждые две недели свидания с самцами. После спаривания их рассаживают по аквариумам с трубами из ПВХ, в которые они откладывают сотни яиц. Через несколько недель из них вылупляются малыши-моллюски. Сейчас на полке у аквариумов стоит пластмассовая чаша, а в ней шевелятся несколько десятков этих малышей, каждый длиной всего несколько миллиметров. Десять самок гавайской эупримны способны произвести на свет до 60 000 детенышей в год – вот первая причина, по которой они отлично подходят для разведения в лаборатории. Вторая заключается в том, что свежевылупившиеся моллюски стерильны. В природных условиях V. fischeri населят их за пару часов, а в лаборатории Макфолл-Най и Руби имеют возможность этот процесс контролировать. Пометив клетки V. fischeri светящимися белками, они могут следить за тем, как бактерии добираются до светящихся органов моллюска. У них есть возможность увидеть, как начинается партнерство.

А начинается оно с физики. Снаружи органы свечения покрыты слизью и пульсирующими ресничками – их еще называют «цилии». Реснички создают завихряющийся поток, в который попадают частицы размером с бактерию, но не крупнее. Микробы, в том числе V. fischeri, вязнут в слизи. Теперь физика сменяется химией. Если одна клетка V. fischeri коснется моллюска, ничего не произойдет. Две клетки – все еще ничего. А вот если в контакт с моллюском вступят пять клеток, они включат целый ряд его генов. Одни из них производят смесь антибактериальных веществ, которые никак не вредят V. fischeri, зато создают враждебную среду для остальных микробов. Другие выделяют ферменты, расщепляющие слизь моллюска, производя тем самым вещество, которое привлекает еще больше V. fischeri. Таким образом, V. fischeri вскоре начинает доминировать в слизистом слое, хотя поначалу другие бактерии численно превосходили ее в тысячу раз. Она и только она способна превращать наружные ткани моллюска в пейзаж, привлекающий сородичей и отталкивающий соперников. Она напоминает главных героев научно-фантастических рассказов, терраформирующих суровые планеты, превращая их в комфортные дома, – только она «терраформирует» животных.

Изменив моллюска снаружи, V. fischeri начинает продвигаться внутрь. Она проскальзывает в одну из нескольких пор, спускается по длинному каналу, протискивается сквозь узкий проход и, наконец, оказывается перед несколькими лакунами, которые заканчиваются тупиками. Прибытие бактерии изменяет моллюска еще сильнее. Лакуны устланы клетками, похожими на колонны, – они увеличиваются в размерах и заключают прибывающих микробов в крепкие объятия. Пока бактерии устраиваются на новом месте, дверь за ними захлопывается. Вход в лакуну сужается. Каналы сокращаются. Реснички вянут. Светящийся орган достигает зрелости. В него заселились нужные бактерии (весь этот путь проделывают только V. fischeri) – и больше в него не сможет заселиться никто.

И, собственно, что? Вряд ли кому-то нужно знать столько интимных деталей жизни какого-то малоизвестного животного. Однако все эти детали подчеркивают один немаловажный факт, на который Макфолл-Най сразу обратила внимание. В 1994 году, завершив первый этап изучения эупримн, она написала: «Результатом этих исследований стали первые экспериментальные данные, показывающие, что определенный бактериальный симбионт может играть в развитии животного ведущую роль».

Другими словами, микробы формируют организмы животных.

Как? В 2004 году научная группа Макфолл-Най выяснила, что в основе трансформирующих способностей V. fischeri лежат две молекулы с ее наружной оболочки – пептидогликан и липополисахарид. Это было неожиданно. Эти молекулы тогда были известны лишь в контексте патологий. Их относили к патоген-ассоциированным молекулярным паттернам (PAMP) – это характерные вещества, оповещающие иммунную систему животного об инфекции. Но ведь V. fischeri – не патоген. Она состоит в родстве с бактерией, вызывающей холеру у людей, но моллюску она не вредит никак. Так что Макфолл-Най заменила в аббревиатуре патогенное «П» на более общее микробное «М» и назвала эти молекулы MAMP – микроб-ассоциированные молекулярные паттерны. Новый термин символичен для науки о микробиоме в целом. Он говорит миру, что эти молекулы – не только признак заболевания. Да, они могут спровоцировать тяжело протекающий воспалительный процесс, но они же могут положить начало восхитительной дружбе животного и бактерии. Без них орган свечения не сможет развиться полностью. Без них моллюск выживет, но так никогда и не достигнет полной зрелости.

Сейчас нам известно, что многие животные, от рыб до мышей, растут под влиянием партнеров-бактерий, причем часто под эгидой тех же MAMP, что формируют светящиеся органы моллюска[82]. Благодаря этим открытиям мы можем взглянуть на развитие – процесс превращения животного из одной клетки во взрослую, приспособленную к жизни особь – в новом свете.

Если осторожно отделить оплодотворенную яйцеклетку – человека, моллюска, да кого угодно – и рассмотреть ее под микроскопом, можно увидеть, как она разделяется на две части, затем четыре, затем восемь. Клеточный шарик растет, деформируется, искажается. Клетки обмениваются молекулярными сигналами, указывающими, какие ткани и органы нужно создавать. Начинают формироваться части тела. Зародыш растет и будет расти, пока ему хватает питательных веществ. Весь процесс кажется автономным – словно очень мощная компьютерная программа выполняется сама собой. Однако гавайская эупримна и другие животные говорят, что развитие – это нечто большее. Оно продвигается по инструкциям генов животного, но также и микробных генов. Оно является результатом непрерывных переговоров между несколькими видами, лишь один из которых в их процессе развивается. Это развертывание целой экосистемы.

Чтобы понять, нуждается ли животное в микробах для нормального развития, проще всего их у него забрать. Одни попросту погибают: комар Aedes aegypti, переносчик лихорадки денге, доживает до стадии личинки, но дальше не развивается[83]. Другие легче переносят стерильность. Гавайская эупримна, например, просто перестает светиться по ночам – в лаборатории Макфолл-Най ей, может, и без разницы, а вот в естественных условиях без маскировки она станет легкой добычей. Ученые вырастили стерильные версии почти всех стандартных лабораторных животных, включая рыбок, мушек и мышек. Животные эти выживают, но все-таки они другие. «Стерильное животное – несчастное создание, ведь ему, по всей видимости, постоянно требуется искусственный заменитель микробов, которых у него нет, – писал Теодор Розбери. – Он – что ребенок, которого держат за стеклом, защищая от всех трудностей внешнего мира»[84].

Лучше всего странности биологии стерильных животных заметны в кишечнике. Правильно функционирующему кишечнику для всасывания питательных веществ требуется большая площадь поверхности, поэтому его стенки покрыты множеством длинных ворсинок, по форме напоминающих палец. Ему нужно непрерывно регенерировать клетки стенок, так как проходящий по нему поток еды отшелушивает и уносит их вместе с собой. Ему необходима обширная сеть прилежащих кровеносных сосудов, чтобы переносить питательные вещества по организму. Еще он должен быть недоступным для чужеродных молекул и микробов – его клетки должны плотно прилегать друг к другу, чтобы в вышеупомянутые сосуды не попало ничего лишнего. Без микробов каждая из этих важнейших характеристик оказывается под угрозой. Если рыбки данио-рерио или мыши будут расти без бактерий, их кишечники не смогут как следует развиться, ворсинки в них окажутся более короткими, а стенки – менее прочными. Сеть кровеносных сосудов будет скорее напоминать редкие тропинки на окраине, чем оживленные городские улицы, а регенерационный цикл перейдет на пониженную передачу. Большинство из этих дефектов можно исправить, просто предоставив животным необходимых микробов или даже отдельные микробные молекулы[85].

Сами по себе бактерии облик кишечника непосредственно не меняют. Напротив, они работают через хозяев. Они не рабочая сила, а скорее руководство. Лора Хупер продемонстрировала это, введя стерильным мышам обычную кишечную бактерию Bacteroides thetaiotaomicron – для друзей просто B-theta[86]. Она выяснила, что микробы активировали множество мышиных генов, отвечающих за всасывание питательных веществ, создание неприступного барьера, расщепление токсинов, формирование кровеносных сосудов и созревание клеток. Другими словами, микробы объяснили мышам, как наладить работу кишечника с помощью своих же генов[87]. Биолог Скотт Гилберт называет этот процесс совместным развитием. Вот какой путь проделала наука. Когда-то считалось (да и сейчас эта живучая идея не сдает позиций), что микробы – это лишь угроза, а оказывается, они помогают нам стать теми, кто мы есть[88].