Книга: Микробы хорошие и плохие. Наше здоровье и выживание в мире бактерий

Камера в колесе жизни

Камера в колесе жизни

Хотя трудами двух микробиологов наука и получила почти полный перечень бактерий нашего кишечника, представления о том, как эти микроорганизмы заселяют свою среду обитания – и даже приспосабливают ее под собственные нужды, – еще продолжают постепенно формироваться. Как и заселение ротовой полости и кожи, заселение человеческого пищеварительного тракта – вместилища 99 % микрофлоры нашего организма – начинается во время рождения с лактобактерий, с которыми младенец встречается в родовых путях. Когда голова младенца показывается из родовых путей, она сжимает прямую кишку матери, выдавливая наружу небольшое количество стула. Врачи и медсестры спешат стереть следы этой неприятности, но их щепетильность, возможно, противоречит задачам природы – немедленно и непосредственно передать младенцу кишечных бактерий матери. Если так, то не случайность, а естественный отбор может быть причиной того, что голова новорожденного при ее появлении из родовых путей обычно расположена лицом к прямой кишке матери и остается в таком положении, пока продолжающиеся схватки не выведут на свет плечи и все тело²⁴. Положение головы лицом к заднему проходу служит гарантией того, что первыми из миллиардов бактерий, с которыми младенец столкнется уже в первый день своей жизни, будут как раз те, к которым иммунная система его матери выработала защитные антитела. (Временный запас этих антител уже передан младенцу через плаценту.) Когда младенец запивает этих бактерий материнским молоком, в его организм поступает вторая волна микрофлоры – миллионы бифидобактерий.

Все проникающие внутрь микроорганизмы, прежде чем попасть в кишечник младенца, должны пройти через прихожую его желудка. В желудке детей постарше и взрослых высокие концентрации соляной кислоты создают убийственный для микробов барьер. Но интенсивное выделение этой кислоты по-настоящему начинается лишь в возрасте около трех месяцев, и лишь через несколько лет ее концентрация достигает такого же уровня, как у взрослых. Эта задержка гостеприимно открывает двери для заселения желудка и кишечного тракта в первые годы жизни ребенка. Представим себе, к примеру, как он в течение этого периода сталкивается с желудочной бактерией Helicobacter pylori. Эти бактерии обычно попадают в организм ребенка через руки или губы кого-то, кто ими уже заселен. Будучи проглоченной, верткая бактерия вбуравливается в слизистую оболочку, которой предстоит защищать желудок от той соляной кислоты, что будет в нем плескаться. По ходу созревания выделяющих кислоту клеток желудка некоторые штаммы H. pylori вводят в них белки, заставляющие данные клетки понижать кислотность до уровня, легче переносимого бактерией, но все же достаточно высокого, чтобы убивать большинство других разновидностей микробов. Этот метод позволил H. pylori сохранять что-то вроде монополии на человеческий желудок в течение примерно шестидесяти тысяч лет. Определение штамма H. pylori, свойственного некоторой семье или популяции, можно даже использовать, чтобы отслеживать ее происхождение и пути миграций ее предков вплоть до тех времен, когда представители Homo sapiens впервые расселились за пределы Африки²⁵.

С одной стороны, это понижение кислотности в желудке защищает взрослых людей от изжоги и снижает риск развития рака пищевода. С другой стороны, у некоторых, хотя и немногих зараженных H. pylori вызывает воспаления, достаточно серьезные, чтобы приводить в более позднем возрасте к развитию язвы или рака желудка. Один из давних парадоксов современной медицины состоит в том, что H. pylori начал вызывать язвы только в середине или в конце XIX века, как раз тогда, когда он стал исчезать из человеческих желудков из-за улучшения качества воды и внедрения первых антибиотиков, таких как препараты висмута.

В тридцатые годы XIX века молодые европейские женщины, еще недавно здоровые, начали умирать от тяжелых форм язвы, вызывавших прободение стенки желудка²⁶. Внезапная и мучительная смерть этих женщин ясно свидетельствовала о том, что ее причиной была скорее какая-то новая, чем не выявленная ранее болезнь. Недуг распространился с женщин на мужчин и из Европы в Северную Америку, но оставался преимущественно болезнью городского населения, из чего был сделан вывод, что развитие язвы вызывается стрессами, характерными для современной жизни. На заре XX века медики считали, что фермеры и другие сельские жители в основном не подвержены этому заболеванию благодаря “жизни на свежем воздухе и сравнительной свободе от тревог <…>, что позволяет им успешно переваривать продукты, которые были бы губительны для желудка бухгалтера или его работодателя”²⁷.

Только в восьмидесятых годах XX века австралийским патологам Робину Уоррену и Барри Маршаллу удалось наконец убедить скептиков от медицины, что хвостатая бактерия, обнаруженная ими при биопсии пораженных язвой тканей, как-то связана с самим поражением²⁸. При этом язва желудка остается в наши дни заболеванием, почти неизвестным в развивающихся регионах, например в Африке, где большинство людей приобретают H. pylori еще в младенчестве. Возможно, что задержка или нарушение заселения желудка этой бактерией, связанные с улучшением качества воды или с применением антибиотиков, каким-то образом сказывается на иммунологическом “перемирии”, заключенном между микробом и нашей иммунной системой за тысячи, а возможно, и за миллионы лет.

Так или иначе, H. pylori быстро исчезает на Западе – быть может, освобождая желудки для заселения другими микробами, которые не могут похвастаться такой продолжительной коэволюцией с людьми. Сегодня в Северной

Америке и Западной Европе доля носителей H. pylori среди детей составляет меньше 10 %, хотя эту бактерию можно обнаружить примерно у 30 % их родителей и у большинства их дедушек и бабушек²⁹. Хорошая новость состоит в том, что подобный упадок H. pylori привел к резкому снижению заболеваемости как язвой, так и раком желудка. Но есть и плохая новость: возможно, что именно исчезновение H. pylori и вызвало отмеченный за последние тридцать лет беспрецедентный рост заболеваемости гастроэзофагеальной рефлюксной болезнью и раком пищевода – одной из тех причин смерти, частота которых в развитых странах особенно быстро повышается³⁰.

Пройдя через прихожую желудка, оставшиеся в живых бактерии оказываются в извилистом лабиринте тонкой кишки – ее стенки покрыты густым лесом пальчатых выростов, или кишечных ворсинок, до предела увеличивающих площадь поверхности, через которую питательные вещества могут попадать в кровоток. Низкая кислотность (то есть нейтральный pH) тонкой кишки создает в ней идеальную среду для роста бактерий. Но мало кто из них остается здесь надолго, потому что мощные сокращения стенок создают поток разжиженной пищи, который смывает всех, кроме самых цепких.

Именно в тонкой кишке попадающие в организм микробы особенно непосредственно сталкиваются с еще не проснувшейся иммунной системой младенца. Колышущиеся ворсинки местами расступаются, открывая голые склоны, поверхность которых покрыта мозаикой из странных ямчатых и уплощенных клеток. Это так называемые пейеровы бляшки (названные в честь впервые описавшего их швейцарского анатома XVII века Иоганна Конрада Пейера) – куполообразные структуры, под которыми располагаются важнейшие военные училища иммунной системы. Ямки на поверхности уплощенных клеток представляют собой полости, в которые постоянно ловятся проплывающие мимо бактерии (как живые, так и мертвые). Они, как вращающиеся двери, движутся к внутренней поверхности клеток, препровождая своих пассажиров в расположенную под этими клетками лимфатическую ткань³¹.

Внутреннее строение пейеровых бляшек сходно с внутренним строением лимфатических узлов, которые будут созревать у младенца на шее, в паху и под мышками. Но если лимфатические узлы напоминают полигоны, на которых иммунные клетки учатся, что им атаковать, то лимфатическая ткань пейеровых бляшек напоминает дипломатическое представительство, где входящие микробы пользуются презумпцией невиновности: их по умолчанию считают “дружественными” или, по крайней мере, “мирными”, пока не будет доказано обратное³².

Однако неправильно было бы сказать, что иммунная система учится игнорировать кишечных бактерий. Взаимодействие микробов с пейеровой бляшкой, вместо того чтобы вызывать убивающую их воспалительную реакцию, запускает массовый синтез антитела, которое называют иммуноглобулином A, или IgA. Как и все антитела, IgA прикрепляется к специфическим мишеням, в данном случае – к определенной разновидности кишечных бактерий. Вместо того чтобы помечать бактериальную клетку для уничтожения (как делает большинство антител), IgA просто скапливается островками на ее поверхности, не давая ей прикрепиться к стенке кишечника, то есть как бы вежливо говоря ей: “Проходите! Не задерживайтесь!”³³ Кроме того, встреча, оказываемая микробам на нейтральной территории пейеровой бляшки, вызывает размножение Т-клеток и ?-клеток, которые поведут атаку на тех же микробов, если они вдруг окажутся на запретной территории, например в крови. Так незрелая иммунная система младенца учится терпимо относиться к проглоченным бактериям и в то же время бдительно держать их на безопасном расстоянии. Чтобы по достоинству оценить всю важность этой дипломатии, представьте себе, что происходит, когда в ее работе случается сбой. При болезни Крона и неспецифическом язвенном колите иммунная система реагирует на соприкосновение с безвредными кишечными микроорганизмами бурным, убивающим ткани воспалением, из-за которого возникают вызывающие мучительную боль язвы, в тяжелых случаях приводящие к гибели человека из-за их прободения³⁴.

Число пейеровых бляшек в выстилке тонкой кишки ребенка по мере его взросления постепенно сокращается, от нескольких сотен до примерно тридцати. Последняя оставшаяся группа этих бляшек концентрируется на стенках последнего отдела тонкой кишки, перед самым выходом в толстую кишку, служащую для бактерий обширным пересыльным центром. В оставшихся бляшках сильно сокращенный дипломатический корпус иммунных клеток продолжает следить за ежедневным передвижением миллионов микроорганизмов, узнавая в подавляющем большинстве из них нормальных и заслуживающих терпимого отношения мигрантов.

Пройдя через тонкую кишку с ее мощными сокращениями и отлавливающими микробов клетками, бактерии попадают в отстойник толстой кишки. Хотя в момент рождения она стерильна, впоследствии ей предстоит стать настоящим тропическим лесом для населяющих человеческий организм микробов. В 1905 году французский микробиолог Анри Тиссье первым начал исследовать становление экосистемы этих джунглей, изучая изменения в продукции, которую она дает на выходе.

Под конец первого дня жизни рожденного естественным путем ребенка состав имеющихся в его стуле немногочисленных бактерий отражает микрофлору влагалища и кишечника его матери. У ребенка же, рожденного с помощью кесарева сечения, в стуле обнаруживается менее предсказуемый набор микробов, попавших в организм с рук акушеров и в целом из окружающей среды³⁵. Если ребенка кормят грудью, то на третий день, независимо от способа родов, его стул содержит почти что монокультуру бифидобактерий, которые продолжают доминировать вплоть до начала питания твердой пищей. Кишечная флора ребенка, вскармливаемого искусственно, тоже содержит бифидобактерий (хотя источник их неизвестен), но в гораздо меньшем количестве, в составе неустойчивой смеси с другими микробами.

Бифидобактерии в кишечнике младенца, как и на его коже и в ротовой полости, препятствуют росту микробов, способных вызвать неприятности, таких как стафилококки, и помогают отобрать первых постоянных поселенцев. Кроме того, исследования показывают, что обилие кишечных бифидобактерий способствует повышению уровня защитных антител в крови ребенка – антител, мишенями которых служат не только потенциально опасные бактерии, но и многие разновидности вызывающих понос желудочно-кишечных вирусов³⁶. Этот факт помогает объяснить, почему смертность выкармливаемых грудью младенцев в странах третьего мира с плохим санитарным состоянием воды в целых шесть раз ниже, чем смертность младенцев, растущих на искусственном питании³⁷. Даже в США, где смерть младенца от вызывающей понос инфекции остается редким явлением, эпидемиологи отмечают на 20 % более высокую выживаемость в течение первых шести месяцев жизни у младенцев, вскармливаемых грудью, по сравнению с получающими искусственное питание – независимо от доходов и уровня образования родителей³⁸.

Первая волна кишечных микробов вызывает также созревание выстилки толстой кишки. Расположенные в глубине кровеносные сосуды протягиваются к поверхности кишечной стенки и образуют там густую сеть тонких капилляров, необходимых для поддержания здоровья кишечной стенки, а также для поглощения питательных веществ, высвобождаемых кишечными бактериями³⁹. При этом первое же соприкосновение с бактериями вызывает пробуждение миллионов стволовых клеток кишечника. После активации клетки начинают нескончаемо делиться, и их размножение позволяет постоянно обновлять нежный поверхностный слой выстилки кишечника. Сами эти поверхностные клетки в свою очередь начинают отпадать с частотой несколько миллиардов клеток в день. Непрерывная замена клеток делает кишечный тракт устойчивым к повреждениям, неизбежно возникающим при переходе к питанию твердой пищей, в которой в изобилии содержатся природные токсины, а время от времени попадаются и острые предметы или болезнетворные микробы.

Начало питания твердой пищей более или менее выравнивает различия между бактериальными сообществами младенцев, вскармливаемых грудью и растущих на искусственном питании, хотя в мире и нет двух людей, у которых в кишечниках обитали бы абсолютно одни и те же виды и штаммы бактерий. В среднем около тридцати видов становятся доминантами, а сотня или около того присутствуют в небольшом количестве. К самым многочисленным и продуктивным из них относятся палочковидные представители бактероидесов (Bacteroides) и эубактерий (Eubacteria). Первые, такие как B. theta iotaomicron (B. theta), B. vulgatus и B. fragilis, составляют от 20 до 30 % кишечных бактерий человека и каждый день выделяют около литра лишенных запаха углекислого газа и водорода. Микроорганизмы из рода Eubacteria заявляют о себе, выделяя более пахучий сероводород, имеющий знакомый всему свету запах тухлых яиц.

Кроме того, рано или поздно мы становимся хозяевами определенного набора кокков – шарообразных анаэробных бактерий. К ним относятся представители родов Enterococcus, Peptococcus, Streptococcus и Peptostreptococcus, сбраживающие определенный набор сложных белков и жиров (гликопротеинов и гликолипидов) до более простых сахаров и жирных кислот, которые наш организм способен усваивать. Попутно они выделяют еще одно пахучее вещество – маслянную кислоту с ее характерным запахом испорченного масла.

В совокупности виды из родов Bacteroides и Eubacteria и разнообразные кокки высвобождают до 30 % калорий, потребляемых человеком с пищей, особенно из богатых углеродами продуктов, таких как кукурузные хлопья или макароны⁴⁰.

Еще один важный компонент кишечной микробиоты составляют клостридии. Некоторые из них производят токсины, и все они умеют пережидать неблагоприятные условия в виде спор. Самая печально известная из них, Clostridium difficile, обладает отвратительной склонностью вызывать понос и воспаление толстой кишки после курса антибиотиков, устраняющего конкурентов этой бактерии. Как ни странно, C. difficile живет в кишечниках большинства детей, не вызывая у них никаких неприятных последствий. К зрелому возрасту, когда этот микроб может стать источником неприятностей, нормальная микрофлора обычно держит его под жестким контролем.

К представителям меньшинств в сообществе кишечных бактерий относятся полдюжины разновидностей лактобактерий и небольшое число факультативных анаэробов, таких как кишечная палочка, чья способность выживать на открытом воздухе позволяет ей забредать куда не следует и иногда вызывать неприятности в таких местах, как женские мочевые пути. Кроме того, примерно у каждого пятого из нас в достаточном количестве, чтобы их можно было обнаружить, живут метаногенные кишечные микробы, такие как Methanobrevibacter smithii и Methanosphaera stadmanae. Эти метаногены питаются водородом и углекислым газом, которые выделяются их соседями, переваривающими пищевые волокна. Как и водород, метан не имеет запаха, но легко воспламеняется (последнему свойству этих газов не устают радоваться мальчишки всего мира).

Кожа. Рот. Нос. Пищеварительный тракт. К концу восьмидесятых годов прошлого века микробиологи уже могли похвастаться базовыми представлениями о том, кто где обитает на человеческом теле, а также зачаточными знаниями как о пользе этих обитателей, так и о связанных с ними опасностях. Чего наука пока не могла объяснить, это как иммунная система терпит их присутствие – особенно в случае перенаселенного государства, живущего у нас в кишечнике. Другая, не меньшая, загадка – как именно населяющие наш организм бактерии запускают те глубокие изменения, которые их присутствие явно вызывает в наших клетках и тканях. Ответы на эти вопросы обещали не только удовлетворить чисто научный интерес, но и открыть, каким образом нарушения хитроумной дипломатии, определяющей взаимоотношения микробов и людей, могут приводить к болезням.