Родни Дитерт - Человеческий суперорганизм
Многие взаимоотношения между нашим телом и микробами носят не комменсальный, а мутуалистический характер (мутуализм — второе ключевое понятие экологии, означающее взаимовыгодные связи между видами). Возьмем, к примеру, некоторых бактерий, переваривающих сахара, которые присутствуют в материнском молоке и не могут перевариваться нашим организмом. Это бактериальное пищеварение и образование разнообразных пищевых метаболитов обеспечивают грудного ребенка необходимыми для его развития питательными веществами, получить которые иным путем он не может. Но пищу при этом получают и сами бактерии. Таким образом, выгоду из сложившихся партнерских отношений извлекают и клетки растущего тела млекопитающего, и живущие в нем бактерии.
Мы, как «хозяева» микробов, получаем от них огромную пользу: они способствуют созреванию наших физиологических систем. До тех пор, пока тело новорожденного малыша не заселят определенные микроорганизмы и не помогут его развитию, его организм остается «недоукомплектованным», то есть биологически неполноценным (отсюда и гипотеза биологически полноценного человека). И такая экологическая ситуация должна сохраняться на протяжении всей человеческой жизни.
Вплоть до недавнего времени иммунологи полагали, что организм новорожденного ребенка снабжен всем необходимым для нормального функционирования иммунной системы. Этому учили и меня на лекциях по иммуногенетике в университете. А возникло такое представление потому, что иммунологи, подсчитывая и маркируя клетки, воочию видели, что при рождении ребенка в его организме, казалось бы, присутствуют все клетки иммунной системы. Ошибочность этого вывода основывалась на допущении, что все эти клетки были полностью созревшими, нормально функционировали и присутствовали в крови в надлежащих соотношениях.
Но в действительности доступные методы подсчета и маркировки клеток не давали ученым сколько-нибудь ценной информации о событиях, происходящих в тех случаях, когда иммунная система подвергается серьезным испытаниям — как, например, при инфекциях. Здесь-то и заблуждались иммунологи, воспитанные в традициях «старой» биологии. Если иммунные клетки не «подрастают» в организме ребенка бок о бок со своими партнерами-микробами, когда-нибудь впоследствии его иммунная система будет отвечать на такие воздействия неадекватными реакциями. Если наш организм не содержит полного комплекта микробных партнеров, мы обречены на расстройства и заболевания, основанные на иммунных дисфункциях. Вот как все просто!
В качестве моделей для разработки действенных подходов к пониманию экологии человеческого организма полезно рассмотреть две хорошо изученные экологические системы нашей планеты. Это тропические дождевые леса, произрастающие в экваториальных регионах Земли, и коралловые рифы у морского побережья некоторых континентов. Эти примеры не дадут нам заново изобретать велосипед, когда мы будем разбираться в нашей собственной экологии, включающей микробиом.
Дождевые леса
В документальном фильме про микробиом, вышедшем в 2014 г. под названием «Микророждение» (Microbirth), для описания партнерских отношений между микробами и развивающимся организмом малыша я прибег к аналогии с пышным, богатым жизнью тропическим дождевым лесом. Подобно участкам нашего тела, заселенным разнообразными микробами, здоровый дождевой лес изобилует живыми существами — их великое множество. По мнению ученых, дождевые леса занимают всего 2 % общей площади земной суши, но при этом в них обитает более 50 % всех живущих на Земле видов растений и животных. Эти леса имеют огромное значение для благосостояния человечества и планеты в целом, а также представляют собой отличную модель для изучения видов при изменении условий окружающей среды.
Недавно большая группа ученых провела перепись видов живых существ на трех участках амазонского дождевого леса. Они обнаружили, что в общей сложности здесь произрастает примерно 16 000 видов деревьев. Но в разных участках леса эти виды представлены неодинаково. По данным Комитета по охране природы, на участке тропического дождевого леса площадью около 10 кв. км может обитать до 700 видов деревьев, 400 видов птиц и 150 видов бабочек. Но эти цифры не отражают вклад в эту экосистему редких видов живых существ. А в нашем организме редкие виды микробов могут отвечать за жизненно важные физиологические функции.
Дождевые леса богаты не только изумительной красоты птицами и бабочками — здесь живет и множество лекарственных растений. Этнофармакология — область медицины, изучающая использование лекарственных растений в аборигенных культурах — сегодня превратилась в самостоятельную науку, приверженцы которой выпускают несколько научных журналов и объединены в научные сообщества. Препараты, получаемые из лекарственных растений, применяются для лечения самых разных болезней и включают самые разные средства — от противораковых лекарств до природных противомикробных снадобий. Вот лишь два примера: противомалярийное средство хинин, выделенное из коры хинного дерева, и антилейкемические препараты, полученные из катарантуса (розового барвинка).
В 1990-х гг. мне посчастливилось работать бок о бок с Томасом Айснером: в те времена мы оба были научными сотрудниками Корнеллского центра по охране окружающей среды. Основатель химической экологии, Айснер был активным и деятельным сторонником проведения в дождевых лесах широкомасштабной «химической разведки»: по его мнению, это могло бы обеспечить человечество новыми лекарственными препаратами и одновременно способствовало бы сохранению биологического разнообразия тропических дождевых экосистем. Он не только пропагандировал этот род деятельности, но и активно сотрудничал с фармакологическими компаниями и природоохранными организациями с целью ее практической реализации. Всякий раз, когда речь заходит об экологической безопасности людей, я невольно ощущаю, какое большое влияние на меня оказали идеи Айснера.
Дождевой лес можно условно разделить на несколько «этажей» — ярусов. Над лесным пологом возвышаются деревья в несколько десятков метров: их кроны получают самое большое количество солнечного света и атмосферных осадков. Кроме того, они очень эффективно осуществляют фотосинтез. На верхних ярусах полога живут многочисленные животные — обезьяны, ленивцы, попугаи и другие пернатые, бабочки и т. д. В здоровом дождевом лесу низкорослые деревья получают лишь рассеянный солнечный свет и гораздо меньшее количество осадков. Кроме того, здесь не бывает сильных порывов ветра.
Растения, образующие подлесок, обычно существуют в условиях повышенной влажности и более низких температур — ведь они постоянно находятся в тени. Этот ярус леса отличается высокой сыростью. Филодендроны и многие другие зеленые обитатели подлеска превратились в популярные комнатные растения. Животные представлены здесь древесными змеями, амфибиями, носухами и крыланами.
К числу обитателей самого нижнего яруса дождевого леса — лесной подстилки — относятся муравьеды и другие крупные звери, а также термиты, муравьи, скорпионы и гигантские дождевые черви. Именно здесь происходит важнейший процесс в жизни леса — разложение растительного материала. Живущие в лесной подстилке бактерии и грибы разрушают мертвые ткани и высвобождают питательные вещества в почву для их повторного использования растениями и животными.
Девственные дождевые леса поражают красотой и разнообразием. Но в наши дни они интенсивно уничтожаются. Вырубка деревьев на древесину, под строительство дорог и поселений приводит к дроблению лесных массивов на все более мелкие участки и превращение лесных угодий в сельскохозяйственные. Череду событий, сопровождающих утрату лесом биоразнообразия, и общие последствия вырубки лесов можно использовать в качестве удобных моделей для прогнозирования событий, которые могут произойти в результате сокращения биоразнообразия нашего собственного суперорганизма.
Слишком интенсивная вырубка деревьев-великанов, возвышающихся над пологом дождевого леса, оборачивается печальными последствиями не только для живущих на них существ, но и для животных и растений, населяющих нижние ярусы. Катастрофические изменения лесной экологии вызывает расчистка леса под сельскохозяйственные угодья, когда за считаные дни исчезают обширные участки джунглей. Менее очевидные изменения вызывает сооружение лесных дорог. В результате их прокладки увеличивается число деревьев, вынужденных расти на границе леса, где сильно изменяются характер ветров, уровень освещенности и влажности, а эти факторы могут оказывать сильное влияние на рост и устойчивость некоторых древесных пород. Животные, использующие такие деревья в качестве источников пищи и/или укрытий, будут вынуждены покинуть их. И если они не найдут им равноценной замены, это может привести к изменению численности и динамики популяций.
