Вся зоология – это на самом деле экология. Не разобравшись с микробами в наших собственных телах и с нашими симбиотическими отношениями, мы не сможем полностью понять и жизнь животных. А не поняв, как микробы наших собратьев по планете влияют на их жизнь и улучшают ее, мы не сумеем оценить по достоинству и наш микробиом. Нам нужно взглянуть на весь животный мир в целом и разглядеть при этом скрытые экосистемы в каждом животном по отдельности. Мы смотрим на жуков и слонов, на морских ежей и дождевых червей, на родителей и друзей – и видим индивидуумов, состоящих из одного многоклеточного тела, управляемых одним мозгом и обладающих одним геномом. Приятное заблуждение. На самом деле имя нам – легион, каждому из нас. Всегда есть «мы», а не «я». Забудьте Орсона Уэллса, прислушайтесь лучше к Уолту Уитмену: «Я огромен, я вмещаю множества!»
Глава 1
Живые острова
Возраст Земли – 4,54 миллиарда лет. Осмыслить такой огромный промежуток времени просто так не получится, так что мы сейчас попробуем мысленно сжать всю историю существования планеты в один календарный год. Сейчас, когда вы читаете эту книгу, 31 декабря – вот-вот должны пробить куранты (к счастью, 9 секунд назад изобрели фейерверки). Люди существуют уже полчаса, может, чуть меньше. До вечера 26 декабря миром правили динозавры, но все они, кроме птиц, вымерли после столкновения астероида с Землей. Цветы и млекопитающие появились чуть раньше, тоже в декабре. В ноябре планету заполонили растения, а в океанах появились почти все основные группы животных. И растения, и животные состоят из множества клеток – подобные многоклеточные организмы уже точно существовали к началу октября. Возможно, они появились и раньше – по окаменелостям нельзя сказать наверняка, – но тогда они были немногочисленны. В подавляющем большинстве живые организмы до начала октября были одноклеточными. Их невозможно было бы разглядеть невооруженным глазом, если бы тогда вообще существовали глаза. Так все и продолжалось с момента появления жизни на Земле где-то в марте.
Подчеркну, что все известные нам видимые живые организмы – все те, кто приходит на ум, когда мы вспоминаем о «природе», – появились здесь совсем недавно, к эпилогу. На протяжении большей части истории единственными представителями жизни на Земле были микробы. В нашем воображаемом календаре с марта по октябрь планета была в их полном распоряжении.
И за это время они очень круто ее изменили. Бактерии обогащают почву и расщепляют загрязняющие ее вещества. Они поддерживают геохимические циклы углерода, азота, соли и фосфора, преобразуя их в составляющие, которые потребляются животными и растениями, а затем возвращая их в почву путем разложения органических тел. Они стали первыми организмами, способными готовить себе пищу, используя солнечную энергию в процессе фотосинтеза. Их главный продукт жизнедеятельности – кислород, и они выделили его столько, что атмосфера планеты изменилась навсегда. Именно благодаря им мы живем в мире с кислородом. Даже сейчас бактерии-фотосинтетики в океане производят половину кислорода, которым мы дышим, и связывают столько же углекислого газа. Считается, что мы живем в антропоцене – новой геологической эпохе, отличительным признаком которой является огромная степень влияния человека на планету. Однако с тем же успехом можно заявить, что мы все еще живем в микробиоцене – эпохе, которая началась с зарождением жизни на Земле и будет продолжаться до ее исчезновения.
Микроорганизмы и правда вездесущи. Они обитают в воде глубочайших океанских впадин и среди скал на дне. Выживают в непрестанно извергающихся «черных курильщиках», горячих источниках и антарктических льдах. Даже в облаках они есть: помогают дождю и снегу выпасть на землю. На нашей планете они существуют в астрономических количествах. Даже больше, чем в астрономических: в вашем кишечнике микробов больше, чем звезд в нашей галактике.
В таком изобилующем микробами и ими же измененном мире и появились животные. Как заметил палеонтолог Эндрю Нолл, «если животные на эволюционном торте – вишенка, то бактерии – это сам торт». Они всегда были частью экологии нашего мира. Мы развились в тех, кем являемся, посреди них – причем как раз из них мы и развились. Животные относятся к эукариотам – группе, включающей в себя также все растения с водорослями и грибы. Несмотря на все наши очевидные различия, организмы эукариот состоят из клеток с одинаковым базовым строением, что и отличает их от остальных живых организмов. Практически вся ДНК эукариот собрана в центральном ядре клетки, что и послужило основой для их названия: «эукариота» происходит от греческого «истинное ядро». Еще у них есть внутренний «скелет», обеспечивающий опору и перемещающий молекулы с места на место. И конечно, митохондрии – маленькие бобовидные генераторы, которые обеспечивают клетки энергией.
Для всех эукариот эти черты являются общими, так как мы произошли от одного предка около двух миллиардов лет назад. До того жизнь на Земле была разделена на два лагеря, или домена: бактерии, о которых мы уже знаем, и археи, о которых мало кому известно и которые отличаются талантом к колонизации сред с самыми неблагоприятными условиями. Организмы обеих групп – одноклеточные, то есть гораздо менее сложные, чем эукариоты. У них отсутствует внутренний скелет, как и клеточное ядро. Митохондрий, снабжающих их энергией, у них тоже нет – скоро вы поймете почему. К тому же на первый взгляд они похожи внешне, отчего поначалу ученые считали, что археи – тоже бактерии. Но внешность обманчива – биохимически археи отличаются от бактерий примерно так же, как Windows от Mac.
В течение примерно двух с половиной миллиардов лет от зарождения жизни на Земле бактерии и археи эволюционировали раздельно. А затем бактерия каким-то неведомым образом соединилась с археей, потеряв тем самым возможность существовать независимо, и так и осталась заключена в новом организме-хозяине. Именно так, по мнению многих ученых, появились эукариоты. Это повесть о том, как создавались мы с вами, – о слиянии двух доменов жизни в третий, о величайшем симбиозе всех времен. Архея образовала тело клетки-эукариоты, а бактерия со временем превратилась в митохондрию.
Этот судьбоносный союз и дал начало всем эукариотам. Именно поэтому в наших геномах содержится множество генов архейной природы и тех, что больше напоминают гены бактерий. По той же причине митохондрии присутствуют во всех наших клетках. Эти прирученные бактерии изменили все. Эукариотические клетки смогли использовать этот источник энергии для роста, накопления большего количества генов и развития в более сложные организмы. Биохимик Ник Лейн называет все это «черной дырой в сердце биологии». Расстояние между простыми клетками бактерий и более сложными клетками эукариот огромно, и жизнь пересекла его лишь один раз за четыре миллиарда лет. С тех пор бактериям и археям ни разу не удалось снова создать эукариотическую клетку, несмотря на то что развиваются они очень быстро. Как такое возможно? Другие сложные конструкции – глаза, покровы, многоклеточные тела – не раз развивались в ходе эволюции независимо друг от друга, но появление эукариоты – это единичный случай. Как утверждают Лейн и другие ученые, слияние археи и бактерии, создавшее эукариот, было настолько маловероятным, что так и не повторилось, а если и повторилось, то не привело к подобному результату. Своим союзом эти два микроорганизма вопреки всем ожиданиям дали толчок к появлению всех существующих в мире растений, животных, грибов и вообще всего видимого невооруженным глазом. Именно благодаря им я пишу эту книгу, а вы ее читаете. В нашем воображаемом календаре это слияние произошло где-то в середине июля. Эта книга – о том, что произошло после.
После возникновения эукариот некоторые из них вскоре начали взаимодействовать и объединяться. Так появились многоклеточные – к ним относятся и растения с животными. Впервые живые организмы стали крупными, настолько крупными, что у них появилась возможность принимать в собственные тела большие сообщества бактерий и других микроорганизмов. Сосчитать их – задача крайне сложная. Считается, что в среднем в организме человека на каждую человеческую клетку приходится десять микробных, так что можно сказать, что мы – не более чем погрешности в своем собственном теле. Однако отношение 10 к 1, упоминаемое в книгах, журналах, конференциях TED и практически в каждом научном обзоре на эту тему, на самом деле не более чем грубая прикидка, основанная на крайне неточных подсчетах, которую, к сожалению, многие приняли за факт. По последним подсчетам, наших собственных клеток в нашем организме около 30 триллионов, а клеток микробов примерно 39 триллионов – почти поровну. Эти результаты тоже не отличаются точностью, да оно и неважно: мы в любом случае вмещаем множества.
Если мы рассмотрим свою кожу под увеличением, мы увидим их: круглые бусинки, упитанные палочки и хвостатые фасолинки, каждая размером в несколько миллионных метра. Они настолько малы, что, несмотря на их количество, все вместе они весят всего пару килограммов. Дюжина этих ребят или даже больше смогли бы удобно уложиться по ширине человеческого волоса. Миллион смог бы устроить вечеринку на булавочной головке.
У большинства из нас нет доступа к микроскопу, так что мало кому удастся рассмотреть этих крох напрямую. Все, что мы замечаем, – это последствия их деятельности, причем обычно плохие. Мы чувствуем, как болит воспаленный кишечник, и слышим, как кто-то чихает в двух шагах от нас. Увидеть бактерию Mycobacterium tuberculosis невооруженным глазом у нас не получится, а вот кровь в слюне больного туберкулезом – вполне. Yersinia persis, другую бактерию, мы тоже не заметим, но проглядеть вызванную ей эпидемию чумы сложно. Это болезнетворные микробы, так называемые патогены. За всю историю человечества они нанесли нам немало ущерба и, несомненно, оставили свой культурный след. Многие из нас до сих пор считают микробов вредными разносчиками болезней, от которых нужно держаться подальше. В желтой прессе частенько попадаются страшилки, рассказывающие о том, что предметы повседневного пользования, такие как клавиатуры, мобильные телефоны и дверные ручки, оказывается – ужас-то какой! – кишат бактериями. Даже в большей степени, чем сиденье унитаза! Подобные рассказы намекают на то, что микробы – это плохо и что их присутствие указывает на грязь, запущенность и выглядывающие из-за угла болезни. По отношению к микробам это очень несправедливо. Большинство из них патогенами не являются. Они не становятся причиной заболеваний. Существует менее сотни видов болезнетворных бактерий, опасных для человека, вместе с тем в нашем кишечнике живут тысячи видов, и почти все безобидны. В худшем случае они – пассажиры, автостопом путешествующие по организмам, в лучшем же – неотъемлемая часть наших тел, охраняющая их от напастей. Их нельзя увидеть, но они не менее важны, чем желудок или глаза. Это своеобразный орган, состоящий из миллиардов клеток, только они не образуют единое скопление, как принято у нормальных органов, а копошатся отдельно друг от друга.
Микробиом гораздо более изменчив, чем любая из известных нам частей нашего тела. Ваши клетки содержат от 20 до 25 тысяч генов, а клетки микробов в вашем теле – в 500 раз больше. Благодаря своему генетическому разнообразию вкупе с высокой скоростью развития они способны приспособиться к любым трудностям. Они помогают нам переваривать пищу, высвобождая питательные вещества, к которым у нас иначе не было бы доступа. Они производят витамины и минеральные вещества, не поступающие в организм с пищей. Они расщепляют токсины и опасные химические вещества. Они защищают нас от болезней, вытесняя более опасных микробов или сразу убивая их антибиотиками. Они производят вещества, влияющие на то, как мы ощущаем запахи. Они появляются настолько неизбежно, что мы передали им контроль над подчас неожиданными аспектами нашей жизни. Они руководят развитием нашего тела, вырабатывая сигнальные молекулы, ответственные за рост наших органов. Они учат нашу иммунную систему отличать хороших микробов от плохих. Они непосредственно влияют на развитие нашей нервной системы и, возможно, даже на наше поведение. Их влияние на нашу жизнь огромно, они нашли себе работу в каждом уголке нашего организма. Игнорировать их – значит смотреть на свою жизнь в замочную скважину.
Данная книга призвана эту дверь раскрыть. Мы займемся исследованием невообразимой вселенной, существующей в нашем собственном теле. Мы узнаем, откуда берет начало наш союз с микроорганизмами, как они придают форму нашему телу и нашей жизни и каким образом мы не позволяем им выходить за рамки дозволенного и поддерживаем с ними мир. Мы взглянем со стороны на то, как, сами того не осознавая, разрушаем этот мир и тем самым подвергаем свое здоровье опасности. Мы узнаем, как подойти к этим проблемам с другой стороны и использовать микробиом в собственных интересах. А еще мы услышим рассказы веселых ученых-энтузиастов с отличным воображением, посвятивших свою жизнь тому, чтобы разобраться в микроскопическом мире, несмотря на частые насмешки, отказы и неудачи.
Впрочем, нас интересуют не только люди. Мы узнаем, как микробы поделились с животными необыкновенными способностями, новыми возможностями развития и даже собственными генами. Возьмем удодов, к примеру: эти птички, в профиль смахивающие на кирку, а окрасом напоминающие тигра, смазывают отложенные яйца секретом копчиковой железы, содержащим большое количество бактерий. Эти бактерии вырабатывают антибиотики, которые не позволяют вредным микробам попасть в яйца и причинить птенцам вред. Муравьи-листорезы специально возят на себе микробов, производящих антибиотики, – они обеззараживают грибы, которые муравьи выращивают у себя на подземных плантациях. Иглобрюх с помощью бактерий вырабатывает тетродотоксин – мощнейший яд, способный поразить любого хищника, решившего этой рыбой полакомиться. В слюне всем нам известного колорадского жука содержатся бактерии, подавляющие защитные механизмы растений. Рыбы сифамии из семейства кардиналовых приютили у себя на теле светящихся бактерий, которые привлекают добычу. Муравьиные львы, хищные насекомые с грозными челюстями, парализуют своих жертв токсинами, которые вырабатываются бактериями в их слюне. Некоторые круглые черви умерщвляют насекомых, извергая в их тела рвотные массы с токсичными светящимися бактериями, а другие благодаря украденным у микробов генам пробираются прямо в клетки растений, что приводит к значительным убыткам в сельском хозяйстве.
Союзы с микробами не раз меняли курс эволюции животных и приводили к изменениям в окружающем нас мире. Понять, насколько такие партнерства важны, будет проще всего, если мы узнаем, что случится, если их разрушить. Представьте, что все микробы на Земле взяли и исчезли. С одной стороны, конечно, инфекционные болезни канут в небытие, а многие насекомые-вредители не смогут питаться своей привычной пищей, но на этом хорошие вести заканчиваются. Травоядные млекопитающие – коровы, овцы, антилопы, олени – вымрут от голода, ведь для расщепления грубой клетчатки, содержащейся в растениях, им без микробов не обойтись. Исчезнут стада, обитающие на пастбищах Африки. Термиты при пищеварении тоже полагаются на помощь микробов, так что и они исчезнут – а заодно и животные покрупнее, которые питаются термитами или используют термитники в качестве убежищ. Тли, цикады и другие букашки, питающиеся соком растений, тоже вымрут без бактерий, которые производят питательные вещества, отсутствующие в соке. Многие черви, моллюски и другие животные из тех, что проживают на дне океана, получают энергию именно благодаря бактериям. Без микробов вымрут и они, и тогда будут разрушены пищевые сети темных, неизведанных глубин. В местах, где помельче, ситуация будет обстоять почти так же. Кораллы, полагающиеся на микроскопические водоросли и на множество разнообразных бактерий, ослабнут и станут крайне уязвимы. Богатыри-рифы поблекнут и начнут постепенно разрушаться, отчего пострадает все живое рядом с ними.