Читать книгу Мікроби гарні та не дуже. Здоров’я і виживання у світі бактерій - Джессика Снайдер Сакс - Страница 6

Тіло як екосистема

Екологія як наука залишалась доволі туманним та маловивченим напрямом аж до початку 1960-х років, коли загрозливі наслідки руйнування довкілля почали описувати такі біологи, як Рейчел Карсон. Своїм бестселером 1962 року «Мовчазна весна» вона майже одноосібно ввела слово «екологія» до повсякденного лексикону людей. Того ж року бактеріолог із Вашингтонського університету Теодор Роузбері опублікував трактат про екосистему, що була ще ближчою, однак значно менш знайомою нам, аніж позбавлені пташиного співу поля й ліси Карсон. У своїх «Мікроорганізмах, природних для людини» Роузбері підбив підсумки всього, що було відомо на той час про бактеріальні життєві форми, які населяють простори людського тіла, та їхні взаємодії з їхнім «навколишнім середовищем», як корисні, так і шкідливі. При цьому він дав науці перший докладний перепис представників людської «мікрофлори», разом з усіма небагатьма даними, наявними тоді, про їхню діяльність.

Хоча Роузбері написав свою працю якнайсухішою науковою мовою, цей викладач із цапиною борідкою та вічним пихканням люльки мав у кампусі дивну репутацію через схильність бентежити студентів на лекціях і семінарах яскравими описами мікроскопічного ландшафту тіла – описами, що виходили за межі просто відразливого, створюючи враження якоїсь химерної краси. Одна з його улюблених оповідок подавала погляд очима мікробів на вакхічну сцену в епізоді оскароносного фільму 1963 року «Том Джонс», яку часто називають найсексуальнішим споживанням їжі, будь-коли показаним у кіно:

Додавши у своїй уяві до кольорової камери [Тоні] Річардсона мікроскоп, я зумів подумки збільшити дрібні м’ясисті розщелини навколо зубів Тома і Дженні, коли вони їли, і побачити там круговерть мікробного життя, шалений рух спірохет, ковзання туди й назад товстіших закручених спірил і вібріонів, більш мляві й неповороткі ланцюжки, скупчення й колонії бацил та коків, що вештаються навколо чи вирують поміж відсталими лусочками епітелію, волокнами й залишками клітин та часточок їжі. Як і великі красиві тварини, у роті яких вони живуть, це теж організми, живі істоти; і я зумів уявити, як вони, абсолютно подібно до Тома і Дженні, насолоджуються несподівано багатою трапезою після довгого голодування.

Роузбері був радий, що ідея про людське тіло як мікробну екосистему припала до смаку студентам коледжів 1960-х років. «Відкидаючи багато з наших цінностей, у тому числі саму ідею охайності, вони вважають чистоту частиною ошуканства лицемірного світу, – зазначав він. – Міф про те, що мікроби та бруд завжди є нашими ворогами, просто шкідливий і дорого нам обходиться. Його треба позбутись». Тісно згуртована спільнота резидентних «мікробів» тіла, на думку Роузбері, є також найпотужнішим бастіоном людства проти навали їхніх не так добре пристосованих хвороботворних родичів. Якщо коротко, бактерії є невід’ємною частиною екосистеми здорової людини.

Роузбері також описав народження людини як появу нового мікробного помешкання, заселення якого передбачає злиття двох дуже різних царств живого. Якщо все йде добре в перші кілька годин, днів, місяців та років життя, результатом стає формування захисних мікробних сил. Ця «гвардія» розгортається по всій шкірі та слизових оболонках дитини, від її блискучої маківки до тунелів дихальних і травних шляхів і нижче, до пітних проміжків між пальцями ніг. А є великі шанси, підкреслював Роузбері, що все якраз пройде добре. Ця дитинка буде чудово почуватись у світі, повному мікробного життя, а інстинкти спонукатимуть її хапати руками та ротом усі обсиджені бактеріями поверхні в межах досяжності. Аналогічне ж інстинктивне розчулення, як вважає Роузбері, підштовхує батьків, братів та сестер і домашніх улюбленців додавати до цього їхні мікробні поцілунки, обійми та облизування.

Приготування до союзу людини і мікробів починаються ще до народження. Посеред вагітності гормони командують клітинам, що вистеляють піхву жінки, почати накопичувати цукристий глікоген – улюблену їжу товстих, схожих на сосиски бактерій під назвою лактобацили. Зброджуючи цукор у молочну кислоту, ці бактерії знижують кислотно-лужний баланс піхви до рівня, що перешкоджає росту потенційно небезпечних агресорів. До такого роду загроз належать окремі кишкові бактерії, що можуть випадково потрапити до піхви з анусу, а потім розплодитися й поширитися в матку, викликаючи небезпечну для вагітності інфекцію. Крім того, лактобацили, що виділяють кислоту, забезпечують частковий захист від бактерій, що передаються статевим шляхом (Neisseria gonorrhoeae та Chlamydia trachomatis), здатних викликати сліпоту в новонароджених, інфікованих під час проходження через пологові шляхи.

Деякі вагінальні лактобацили також виробляють перекис водню – по суті, той самий шипучий дезінфекційний засіб, який матері ллють дітлахам на подряпані колінця. Ці надзвичайно агресивні лактобацили особливо ефективні в боротьбі з розростанням Streptococcus agalactiae (стрептококів групи B). Доволі поширені в піхвах жінок, де відсутні лактобацили, що виробляють перекис водню, стрептококи групи B залишаються основною причиною дитячої смертності. Щороку в Сполучених Штатах вони викликають тисячі небезпечних для життя випадків пневмонії, менінгіту й зараження крові переважно в дітей у віці до місяця. Оскільки природний захист лактобацил далеко не ідеальний, західні акушери в плановому порядку призначають породіллям із позитивним тестом на стрептококи групи B антибіотики. За іронією долі, попередні курси антибіотиків (прописані з інших причин) часто якраз і звинувачуються насамперед у дозволі стрептококам групи B потрапити в пологові шляхи, бо ці препарати мають тенденцію підривати лактобацильний захист жінок.

До вуст немовляти

Протягом життя багатогранний Роузбері вивчав усе – від породжуваного бактеріями «фекального запаху тіла» (запаху кишкових газів) до загрози бактерій як біологічної зброї. Однак посада викладача, яку він обіймав на стоматологічному факультеті Вашингтонського університету, передбачала зосередження основної уваги на мікробній екосистемі людського рота. Його глибокі знання в цій сфері дали нам перший докладний опис заселення й дозрівання мікробної спільноти, виявленої за губами здорової людини.

Зазвичай найперше занесення бактерій у рот немовляти містить чималу порцію лактобацил, присутніх у пологових шляхах матері. З першим ковтком грудного молока до цих лактобацил долучаються мільйони біфідобактерій – спорідненої групи кислототвірних мікробів. Ці присадкуваті, роздвоєні мікроби загадковим чином виникають усередині й навколо сосків набухлих грудей жінки на восьмому місяці вагітності. Там біфідобактерії виділяють потужну комбінацію кислот і антибіотиків для відлякування таких потенційно небезпечних мікробів, як Staphylococcus aureus (з його бридкою звичкою заражати навіть дрібні ранки від прищиків у немовлят). Їхня раптова поява на грудях під кінець вагітності спантеличила Роузбері, бо ці бактерії анаеробні, тобто їм шкодить кисень, вони не здатні вижити на відкритому повітрі. Виявилося, що вони ростуть глибоко у вільних від кисню камерах молочних протоків і витікають назовні з першими невидимими краплями молозива, або «первинного молока». Хоча самі біфідобактерії гинуть на відкритому повітрі, вони залишають по собі кислоти, що годинами затримуються на грудях та в роті немовляти. Вони долучаються до лактобацил, допомагаючи відібрати перших постійних мешканців ротової порожнини. Сюди входить стійкий до кислот Streptococcus salivarius – схожі на намистинки бактерії, що виникають на язику немовляти впродовж першого ж дня життя. За допомогою сильних адгезинів (біохімічних абордажних гачків) ці «хороші» стрептококи закріплюють ланцюжки своїх колоній на шорсткій поверхні язика й залишаються там як одні з основних видів мікробів здорової ротової порожнини. Декілька інших стрептококів, такі як Streptococcus oralis та Streptococcus mitis, оселяються в роті після першого тижня життя. Так само роблять і деякі види нейсерій – бактерій, що виникають як парні кульки, розкидані яснами, піднебінням та внутрішньою поверхнею щік. Якщо новонародженому пощастить, то популяція його нейсерій матиме в собі пухнасті бурі круглячки Neisseria lactamica, що чудово почуваються на лактозі (молочному цукрі). Раннє заселення ротової порожнини цим видом мікробів виробляє міцний імунітет проти його злочинного родича Neisseria meningitidis, найпоширенішого збудника бактеріального менінгіту – потенційно смертоносного запалення оболонок, що вкривають головний та спинний мозок.

Звідки ж беруться всі ці перші поселенці? Визначивши специфічні підтипи бактерій у ротових порожнинах дітей, дослідники виявили, що переважна більшість із них прослідковується безпосередньо до ротів їхніх матерів – завжди в межах легкої досяжності крихітних пальчиків немовляти. Додатково сприяти росту мікробів, які вони сприймають як «власні», можуть материнські антитіла, що все ще циркулюють у крові новонародженого (передані під час вагітності). Друге місце серед джерел заселення немовляти бактеріями посідають старші діти в родині, особливо старші брати – мабуть, через їхню неідеальну власну гігієну.

У міру встановлення схеми годування дитини (грудьми чи сумішшю) популяція бактерій усередині її рота помітно збільшується і зменшується залежно від надходження молока. З кожним прийняттям їжі кількість резидентних мікробів зростає, а потім знову падає. Більш стабільним, але менш потужним джерелом харчування для бактерій (водної суміші білків, цукрів та мінералів) є слинні залози рота. Епітеліальні клітини, що вистеляють ізсередини щоки й мигдалини, помалу виділяють муцини – слизовий різновид глікопротеїнів (так званий цукровий білок). Муцини підживлюють резидентні бактерії, але не дають їм безпосередньо кріпитися до ніжного епітелію та ушкоджувати його.

Перша хвиля аеробних бактерій рота споживає достатньо кисню для утворення зони під ними, де можуть чудово почуватись анаеробні бактерії. До того часу як немовляті виповниться два місяці, розгляд його ясен під мікроскопом покаже скупчення та ланцюжки різноманітних бактерій вейлонел і довгих розгалужених клітин кількох видів актиноміцетів. Ці анаеробні бактерії живляться біохімічними відходами своїх мікробних сусідів і тим допомагають стабілізувати їхню екосистему в міру збільшення її скупченості.

Допоки екосистема ротової порожнини не досягне зрілості, немовля залишається чутливим до молочниці – розростання грибка Candida albicans. Маючи вигляд вивищених кремоподібних плям, колонії кандиди випускають гіфи (волокна), що проникають у тканини та запалюють їх, викликаючи появу відкритих ранок. У міру збільшення густоти й різноманіття бактерій ротової порожнини популяція кандид зазвичай зменшується до розсипів окремих клітин. У випадку ж, коли щось порушить екологічний баланс рота, ці розсипи можуть розростися в агресивні колонії. Дуже часто цим «чимось» є курс антибіотиків, прописаних дитині або матері, що її годує.

Ще одна хвиля іммігрантів прибуває, коли в дитини прорізаються зубки. Першим є Streptococcus sanguis – бактерія, неперевершена в здатності прилипати до гладенької поверхні емалі маленьких різців. Прорізування перших кутніх зубів приносить із собою Streptococcus mutans, сумновідомий тим, що він спричиняє карієс. На щастя, Streptococcus mutans зазвичай легко видаляється як антитілами в слині, так і просто механічно, коли людина пережовує тверду їжу або чистить зуби щіткою. Найчастіше він викликає проблеми, коли гніздиться в глибоких тріщинах кутніх зубів або у вузьких місцях, що утворюються, коли зуби ростуть дуже тісно. Є й інші види зубних бактерій, які зазвичай кріпляться поверх налиплих на емаль стрептококів. Разом вони формують шаруваті скупчення (біоплівки), що навіть після добрячої чистки відновлюються за лічені години. До середини дитинства різноманіття бактерій у здоровому роті перевищує сто видів з можливих п’ятисот-семисот, а їхня загальна кількість іноді сягає 10 мільярдів організмів (більше за людське населення світу).

Роузбері також вивчав бактеріальну екосистему носової порожнини, пов’язаної з ротом через верхні дихальні шляхи. З першим же вдихом немовля втягує носом тисячі пилових частинок із бактеріями на борту. Ці бактерії відразу ж стикаються з токсичним варивом біохімічної зброї. Кожна краплинка носового слизу переповнена лізоцимами й дефензинами – молекулами, що пробивають дірки в стінках бактеріальної клітини. Крім того, клейкий слиз носа стає пасткою, яка вловлює вхідні пилові частинки для передачі їх на поле з очисних війок. Ці війки, що нагадують мікроскопічні пасма волосся, є виростами епітеліальних клітин, котрі вистеляють носову порожнину. Їхні зазубрені кінчики постійно рухаються, проштовхуючи густий носовий слиз та просуваючи захоплених мікробів до задньої стінки горла, де немовля може їх або ковтнути, або викашляти через рот.

Попри ці засоби захисту, ніс дитини не залишається стерильним надовго. Не минає і двох днів після народження, як там оселяється ціла група особливо чіпких та завзятих бактерій. У перший місяць життя серед них часто переважає Staphylococcus aureus (золотистий стафілокок), але вже до шести місяців у носовій порожнині зазвичай існує безліч Streptococcus pneumoniae або Haemophilus influenzae. Під кінець першого року з’являється Moraxella catarrhalis. Хоч і нешкідливі в самому носі, ці бактерії можуть викликати вушні, пазушні або легеневі інфекції, якщо раптом заблукають і розростуться там, де не треба. Які саме з цих організмів стануть постійними мешканцями носового слизу немовляти, зазвичай визначають тонкі особливості його протимікробних засобів. Усі чотири види залишаються жити в дуже небагатьох людей.

У 1960-х роках бактеріологи виявили в носових порожнинах деяких немовлят більш незвичайних порушників спокою. Ними стали неймовірно дрібні, багнисті клітини Mycoplasma pneumoniae, одного з найменших організмів. Вони належать до химерної родини бактерій, відомих як молікути. Найбільші з цих молікутів ледь сягають однієї п’ятої розміру більш поширених бактерій, таких як E. coli. Однак ще значнішою їхньою відмінністю є відсутність клітинної стінки. Ця, здавалося б, уразливість, навпаки, робить молікути несприйнятливими до багатьох антибіотиків та хімікатів імунної системи, націлених саме на клітинну стінку. Сьогодні педіатри вже знають, що кількість M. pneumoniae в суспільстві загалом загадковим чином збільшується й зменшується п’ятирічними циклами, викликаючи зимові епідемії болючих вушних інфекцій і так званої ходячої пневмонії, причому ті і другі зазвичай минають самі, без прийняття антибіотиків.

Життя на поверхні

1965 року новозеландський мікробіолог Мері Марплз опублікувала своє доповнення до книжки Роузбері «Мікроорганізми, природні для людини». Безпрецедентна у своїй детальності, її «Екологія людської шкіри» розглядала, яким чином «кліматичні» чинники визначають, що і де росте на шкірі тієї чи іншої особи. Кліматом вона називала не лише такі впливи, як вологість і температура, але й одяг, який носять люди, їхню особисту гігієну та навіть генетично зумовлені властивості, на кшталт об’єму потовиділення. Марплз розглядала людське тіло не як один ландшафт, а як багато – від справжньої пустелі рук і ніг до лісів помірної зони шкіри голови й пишних вологих джунглів під пахвами та в паху.

Як і у випадку з ротом та носом, заселення людської шкіри починається під час народження лактобацилами з пологових шляхів матері. Ці захисні бактерії додають свою молочну кислоту та перекис водню до антибактеріальних ферментів кремоподібної змазки, що вкриває новонароджену дитину. Подібно до біфідобактерій грудного молока, лактобацили не живуть довго на відкритому повітрі. Але кислотний покрив, який вони по собі лишають, допомагає дібрати їм спадкоємців із числа бактерій, що дощем проливаються на новонародженого з частинками пилу та лусочками шкіри інших людей, які переносяться повітрям. Так само бактерії на шкіру дитини переносять руки й видихи батьків та акушерів.

Одними з переможців цього захоплення вільних територій майже завжди стають дебелі, кремового кольору сфери кислотолюбної бактерії Staphylococcus epidermidis (більш дисциплінованого родича Staphylococcus aureus). Уже через дві години після народження, до часу зникнення вагінальних лактобацил матері, стартовий набір Staphylococcus epidermidis немовляти зростає в геометричній прогресії. Якби ви могли дослідити його шкіру під електронним мікроскопом, то помітили б від трьох до шістнадцяти Staphylococcus epidermidis на кожну клітину, схожих на розсипи пухнастих тенісних м’ячиків на корті з грубого цементу.

До кінця першого дня життя новонародженого до Staphylococcus epidermidis долучаються кілька видів коринебактерій (булавоподібних). Найбільш киснезалежні з цієї групи – Corynebacterium jeikeium та C. urealyticum – розповсюджуються поверхнею шкіри. Краще здатні до адаптації C. amycolatum, C. minutissimum та C. striatum селяться у відносно безповітряних глибинах волосяних фолікулів, а жиролюбна C. lipophilicus гніздиться в схожому на віск секреті сальних залоз, що вкриває шкіру голови дитини. Як Staphylococcus epidermidis, так і коринебактерії витримують рівні солі, яких вистачило би, щоб замаринувати більшість мікробів, а тому чудово почуваються за наявності поту. Через добу після народження заселення шкіри дитини заходить іще далі, нараховуючи вже понад тисячу бактерій на квадратний сантиметр. І такий швидкий приріст триває впродовж усього другого дня, через дві доби перевалюючи за десять тисяч на квадратний сантиметр, а до шести тижнів сягаючи вже ста тисяч. За такої скупченості здебільшого аеробні перші поселенці шкіри починають вичерпувати обмежені запаси кисню всередині волосяних фолікулів, залоз та інших заглибин, готуючи їх до другої хвилі поселенців – розгалужених колоній анаеробних пропіонових бактерій. До середини дитинства мікрофлора шкіри здебільшого стабілізується. Хоча рідні та друзі постійно передають дітям якісь мікроби, надовго з цих пізніших гостей затримується дедалі менше. Тісно переплетена між собою спільнота бактерій шкіри, що перебувають у рівновазі з довкіллям, ефективно заповнює всі ніші, лишаючи мало місця для новоприбулих, навіть нешкідливих.

«Хоча патогенні організми постійно сідають на шкіру, вона виявляється для них вельми несприятливим середовищем, – зазначила Марплз у 1969 році. – Здатність шкіри до “самостерилізації”, схоже, не є, як підказує цей термін, властивістю самої лише шкіри. Радше це характеристика, яку демонструють усі добре розвинені екосистеми». Одними з найщільніших популяцій, які вивчала Марплз, були справжні прерії коринебактерій, що ростуть на схильних до вологи ділянках паху, шиї та пальців ніг. Що більше коринебактерій, то менше кандид, мікроспор, трихофітонів та маласезій – винуватців таких грибкових інфекцій шкіри, як попрілості, мікоз, лишай та себорейний дерматит.

З настанням підліткового віку на поверхні тіла починає діяти збудник прищів Propionibacterium acnes: він потрапляє в пастку й розростається всередині надактивних сальних залоз. Приблизно в той самий час коринебактерії пахв знаходять собі зовсім нове джерело їжі: виділення стероїдних гормонів, переважно андростенону в чоловіків та андростенолу в жінок. Продукти їхнього травлення породжують відомий сморід початку дорослого життя. Хоча споживачі щороку витрачають мільйони доларів на товари, що пригнічують цю мікробну дію, бактерії наших пахв, мабуть, виконують роль, яку відіграють пахучі залози в інших тварин: виробляють прегормони (статеві атрактанти) зі стероїдів, що за інших умов запаху не мають. Безумовно, породжуваний бактеріями запах пахв хлопчика-підлітка може бути сильнішим, ніж у дівчинки (або когось іще). Але її запах має цікаву схему посилення й послаблення під час щомісячного менструального циклу, сягаючи піку безпосередньо перед овуляцією, тобто коли вона максимально здатна до народження дитини.

Високі рівні естрогену дівчинки-підлітка також прискорюють ріст вагінальних лактобацил. Хоча на етапі статевого дозрівання їхня популяція не така щільна, як під час вагітності, їхні рівні зазвичай достатньо високі для пригнічення росту кишкових бактерій та грибків, що заносяться до піхви під час статевого акту. Дівчинці не треба бути сексуально активною, щоб випадково занести до своєї піхви невеличку кількість цих надокучливих мікробів – вона може зробити це, наприклад, коли підтирається після випорожнення. Але вони рідко викликають проблеми, поки її популяція лактобацил залишається на місці. Оскільки антибіотики, особливо широкого спектра, мають тенденцію порушувати цей екологічний баланс, вони часто запускають в дію «дріжджові» інфекції (спричинювані грибком Candida albicans), бактеріальний вагіноз (що його викликають кишкові бактерії) або страшенно неприємні цикли, коли одне змінюється іншим.

Як і праці Роузбері, інтимні дослідження людського тіла Марплз громадськість сприйняла з неабияким захопленням. Стаття про її роботу, що вийшла 1969 року в журналі Scientific American, надихнула англійського поета В. Г. Одена написати оду мікрофлорі його власного тіла, яку він опублікував під назвою «Новорічне вітання». Зокрема, там ішлося:

Життя всередині

Якби можна було скачати приблизно 100 мільярдів резидентних бактерій шкіри в одну кульку, усі вони вмістилися б у середнього розміру горошині. Для порівняння, за оцінками Роузбері, 15 трильйонів з лишком клітин бактерій, що вистеляють порожній травний тракт людини, по вінця заповнили б 300-грамову консервну бляшанку. Додайте до цього ще 100 трильйонів бактерій, які зазвичай скупчуються в повному кишечнику, завжди готових звільнити його в момент дефекації.

Але попри цифри, які справді вражають, до того як Роузбері опублікував свій перепис 1962 року, кишковій мікрофлорі не приділяли особливої уваги. Головною новиною, з нею пов’язаною, було виділення в 1885 році німецьким педіатром Теодором Ешеріхом кишкової палички під назвою Bacterium coli з випорожнень новонароджених. Перейменована на честь Ешеріха, Escherichia coli досі лишається найвідомішою з усіх кишкових бактерій, а за часів Роузбері вона вважалась основним видом мікробів, що мешкає в товстому кишечнику. Саме ця бактерія незмінно виявлялася в культурах випорожнень та забрудненій каналізаційними стоками системі водопостачання. Насправді ж E. coli було просто найлегше з усіх кишкових бактерій виростити за межами людського тіла.

Мікробіологи давно підозрювали, що кишечник містить у собі величезну кількість некультивованих та неідентифікованих організмів. Адже коли вони досліджували під мікроскопом розведені зразки випорожнень, то розуміли, що можуть нарахувати значно більше бактеріальних клітин – еквівалент 100 мільярдів на грам, – ніж будь-коли виростало в колоніях вільного культивування в чашках Петрі. Як виявилося, для переважної більшості кишкових бактерій контакт із киснем смертельний. Вони є виключно анаеробними, на відміну від універсальної E. coli – факультативного анаероба, що чудово почувається як за присутності кисню, так і за його відсутності. Схоже також, що харчові вимоги більшості кишкових бактерій відрізняються від звичайної суміші білків та цукрів, що складають меню в стандартному лабораторному поживному середовищі.

Хоч як спокусливо було ігнорувати цю вередливу й малозрозумілу популяцію, кілька мікробіологів усе ж почали визнавати її велику важливість завдяки інформації, отриманій від гнотобіології – вивчення лабораторних тварин, народжених та вирощених за безмікробних умов. Без бактерій кишкові тракти цих тварин залишаються недорозвиненими, з незвично тонкою й чутливою до травм вистилкою в одних місцях та сильно роздутою в інших. Просте підтримування їхнього життя до дорослого віку вимагає спеціальної дієти з вітамінів, необхідних амінокислот та додаткових калорій замість тих, які зазвичай постачають їхні кишкові бактерії. Ці тварини також виявилися незвично чутливими до природних токсинів у їжі, мабуть, через відсутність у них одного чи більше видів бактерій, необхідних для розщеплення цих отрут на нешкідливі речовини. Найдраматичніше з усього, що імунна система безмікробних тварин залишається в якомусь пасивному стані, що робить їх надзвичайно уразливими до смертоносних інфекцій, якщо раптом якийсь заблукалий мікроб прослизне до їхнього стерильного середовища.

Загадка була цікава, але фінансування на виділення та вивчення маловідомих членів екзотичної екосистеми товстого кишечника майже не виділялося. Державні заклади охорони здоров’я просто не фінансували вивчення нешкідливих бактерій. Вони щедро роздавали свої гранти на дослідження хвороботворних агресорів, таких як сальмонела, шигела та інші головні причини так званого харчового отруєння. А потім надійшов запит із NASA.

Мікроби в космосі

Раптовий інтерес космічної агенції до мікроскопічного життя людського організму загалом та анаеробних кишкових бактерій зокрема почався з чудернацької доповіді, представленої перед аудиторією льотчиків-випробувачів і медичного персоналу NASA наприкінці квітня 1964 року. Медичний керівник польотів NASA Чарльз Беррі вже, мабуть, думав, що з нього досить турбот через передбачення (на щастя, спростовані), що за нульової гравітації очні яблука пілотів вибухнуть, а після тривалих періодів невагомості їхні кістки та м’язи перетворяться на кашу. Аж тут якийсь учений заявляє, що найбільшою небезпекою для астронавтів після повернення додому можуть бути поцілунки їхніх дружин, коли ці чоловіки вийдуть зі своєї тривалої ізоляції від мікробної атмосфери Землі. «Мікробний шок» – так назвав це Дон Лакі під час своєї презентації на конференції NASA «Харчування в космосі», що проходила в Університеті Південної Флориди. «Смертельний поцілунок Лакі» – з’явилося в газетних заголовках наступного дня.

Лакі, піонер гнотобіології, уже знав, що буває, коли ти виділяєш невеличкі групи вирощених у спеціальних умовах щурів усередині герметично замкнених камер, а потім годуєш їх стерилізованою їжею й водою – у ситуації, що не надто відрізняється від життя астронавтів на виморожених і висушених продуктах та напоях під час космічного польоту. Після двох місяців такого життя нормальне розмаїття бактерій у кишечнику тварин зменшувалось від майже ста різних видів до лише одного чи двох.

«Зрозуміло, що в нормі наша мікрофлора є не стільки сталою, скільки неперервним потоком нових прибульців», – пояснив Лакі. Без цього припливу багата своїм розмаїттям екосистема вироджується в бік монокультури. Залежно від того, що візьме гору, ця втрата різноманітності може сама по собі виявитися смертельною. Наприклад, Лакі вирощував E. coli. За його словами, пом’якшена присутністю якогось іншого виду кишкових бактерій, вона залишалася нешкідливою, а наодинці ставала смертельно небезпечною. Навіть якщо гору візьме якась зовсім безневинна бактерія, результатом цього може стати «лінива» імунна система. У своїх експериментах Лакі не раз спостерігав, як легко тварини зі збідненим мікробним складом хворіли й помирали, знову потрапляючи до нормальної колонії щурів.

Ось як на сцені з’явився «смертельний поцілунок» Лакі. Запланована експедиція на Місяць мала тривати приблизно два тижні. Додайте до цього місяць післяполітного карантину (аби переконатися, що астронавти не підхопили якийсь небезпечний різновид місячної зарази). Потім ці люди вийдуть зі своєї ізоляції – позбавлені багатьох бактерій, з підірваним імунітетом. Їхні дружини кинуться їх обіймати й цілувати. «Можна практично не сумніватися, що на майбутніх астронавтів чекатиме проблема як мінімум одного мікробного шоку, – дійшов висновку Лакі. – Деякі можуть бути настільки легкими, що становитимуть лише науковий інтерес. Інші ж можуть призвести до тяжкої хвороби та смерті».

Передбачення Лакі перетворило «просто цікаву» мікрофлору людського тіла на питання життя і смерті. Чарльз Беррі з NASA швидко знайшов для Лакі фонди на дослідження мікрофлори приматів, яких упродовж року тримали на дієті зі зневодненого й опроміненого космічного харчування. Він провів раніше заплановане дослідження на шести льотчиках-випробувачах, вивчаючи фізичні та психологічні наслідки 34 днів утримування їх у замкненому приміщенні за майже космічних умов, а також здійснив вичерпний перепис мікробів. Цей перепис включав у себе мазки з горла, рота й шкіри, взяті десять разів під час ізоляції, разом зі щоденними випорожненнями; усі ці зразки передавалися через спеціальний коридор з подвійними дверима, що відділяв льотчиків-випробувачів від мікробіологів Лоррейн Ґалл та Філіс Райлі. Під час дослідження ці дві жінки використали понад 150 тисяч чашок Петрі й пробірок і понад 10 тисяч предметних скелець для мікроскопа. Але їхні дослідження обмежувалися відомими мікробами (тобто придатними для вирощування в лабораторних умовах), до яких налажала низка не дуже перебірливих анаеробів.

Як і очікувалося, мікробіологи виявили, що загальна чисельність бактерій на шкірі астронавтів під час утримування в закритому приміщенні та за обмеженої можливості митися збільшилась, причому домінувати почали декілька потенційно небезпечних видів стафілококів і стрептококів. Жодна з цих змін не призвела до хвороб. Однак помітний зсув у кишковій флорі астронавтів породив більшу проблему в замкненому повітряному просторі дослідницької камери: метеоризм, достатньо неприємний, аби видати термінову директиву дієтологам NASA дослідити вплив раціону на газотвірні кишкові бактерії. Однак усі шестеро астронавтів вийшли з їхньої експериментальної камери здоровими й залишалися такими весь наступний місяць. Це дослідження залишило без відповіді, які більші зміни, якщо такі є, могли б відбутися серед меншої кількості астронавтів, що прожили б у тіснішій камері протягом довших періодів часу.

1966 року NASA підвищила Беррі від «головного лікаря астронавтів» до голови Служби біомедичних досліджень. Окрім захисту астронавтів від мікробного шоку, він також зіткнувся з необхідністю забезпечити, щоб їхні власні бактерії не завадили запланованим пошукам місячного життя. Адже вчені NASA не змогли б відрізнити місячних мікробів (якщо ті існують) від земних, не маючи повного перепису всіх організмів, які «забруднюють» астронавтів, їхні космічні скафандри, спорядження та все, чого вони торкаються. Беррі очолив першу систематичну каталогізацію з підрахунком мікрофлори шкіри та рота, зробленими до і після попередніх двох польотів корабля «Джеміні». Він найняв на роботу мікробіолога Джеральда Тейлора, аби той узяв на себе більш докладну каталогізацію мікрофлори екіпажу для всіх польотів «Аполлонів».

Стосовно небезпечних змін мікрофлори астронавтів Тейлор виявив, що перші польоти «Аполлонів» проходили під знаком Candida, надокучливого дріжджового грибка, що у великій кількості фіксувався в роті та випорожненнях багатьох астронавтів після повернення. Тому, на його думку, за винятком легко виліковного випадку молочниці, нічого надто страшного від довшої ізоляції, яку передбачав майбутній політ на Місяць «Аполлона-11», не буде. Коли астронавти Базз Олдрін, Ніл Армстронг та Майкл Коллінз вийшли зі свого тритижневого карантину після польоту на Місяць у серпні 1969-го, ніхто не забороняв дружинам їх цілувати, хоча Беррі й подбав, аби вони уникли звичайної штовханини репортерів та фотографів, відпустивши їх до рідних пізньої ночі.

Проте мікробіологи й лікарі NASA не забували про можливість мікробного шоку з огляду на те, що вже планувалися польоти «Скайлаб» тривалістю в кілька місяців. Початок розрядки напруженості NASA з космічною програмою СРСР тільки посилив їхні страхи, бо радянська сторона повідомляла про значно різкіші й потенційно проблемні зміни в мікрофлорі їхніх космонавтів, аніж виявлені в дослідженнях NASA. Найзагадковіше, що радянські вчені відзначали практично захоплення кишкового тракту невеликою жменькою резистентних до лікарських засобів і токсинотвірних штамів бактерій.

Беррі активно домагався виділення грошей на проведення повномасштабної 56-денної імітації польоту «Скайлаб» у барокамері Космічного центру Джонсона. Але, щойно місячні перегони було виграно, Конгрес скоротив щедрий щорічний бюджет NASA на сотні мільйонів доларів. Беррі нашкріб для Тейлора гроші, яких вистачило лише для проведення поверхневого огляду мікрофлори екіпажу, після чого залишилося ще трохи, щоб замовити глибше дослідження кишкових бактерій астронавтів іншій організації. Хоч як дивно, цих залишків NASA вистачило, щоб дати поштовх безпрецедентному дослідженню анаеробної темної матерії людського мікрокосму.

Куди не зазирав ще жоден біолог

Пеґ Голдман згадує схвильований вираз на обличчі Еда Мура одного дня наприкінці 1971 року, коли він передав їй приголомшливу пропозицію NASA щодо проведення дослідницького проекту. Сто тисяч доларів. «Для нас це була просто величезна сума грошей і, мабуть, відповідь на наші мрії про манну небесну», – каже Голдман. Довгі роки Голдман з Муром де тільки могли вишукували фонди на вивчення неймовірно примхливих анаеробних бактерій, що домінують на людині (причому на є правильним словом для опису внутрішньої поверхні трубки нашого травного тракту, що відкривається назовні). Вони познайомилися шістьма роками раніше, на конференції Американського товариства мікробіології. У той час Голдман відповідала за вирощування й ідентифікацію анаеробних бактерій, які управління охорони здоров’я штатів присилали до Центру з контролю за епідемічними захворюваннями США (попередника Центрів з контролю та профілактики захворювань, ЦКПЗ). Хоча мало хто з медиків тих днів вважав, що анаеробні бактерії здатні викликати захворювання, деякі все ж прагнули ідентифікувати загадкових мікробів, яких спостерігали в крові і тканинах їхніх пацієнтів, – мікробів, культуру яких їм самим не вдавалося виростити. Голдман любила виклики, але відчувала свою неспроможність зробити щось через брак обладнання та персоналу. У кращому разі її лабораторія могла ідентифікувати лише невелику частину анаеробних бактерій, які їм присилали.

Тим часом Ед Мур, професор Вірджинського політехнічного інституту, мав чималі фонди для вивчення анаеробних мікробів – ось тільки не тих, що живуть усередині людей. Після відкриття в 1930-х роках, що саме анаеробні бактерії живлять виробництво яловичини й молока, дослідження анаеробів щедро фінансувались Міністерством сільського господарства США й тваринницькою галуззю. Зокрема, анаеробні бактерії коров’ячого рубця, свого роду «передпокою» шлунка, розщеплюють не перетравлювані нічим іншим рослинні волокна в кормі, даючи тварині більшу частину калорій, а також велику кількість вітамінів та інших поживних речовин. Розуміючи динаміку цього процесу, Мур та інші дослідники сподівалися збільшити його ефективність – змушуючи худобу виробляти більше молока та м’яса з меншими витратами сіна й зерна. Він уже перейшов на напрочуд ефективну техніку культивування анаеробних бактерій. Вона передбачала вирощування їх на спеціально збагаченому поживному середовищі всередині герметичної пробірки, з якої попередньо було викачано весь кисень. Інтерес Мура до кишкових бактерій людини виник як ніким не фінансований побічний проект: один із його аспірантів засіяв кілька пробірок з анаеробами не звичайною рідиною рубця, а людськими випорожненнями. Під керівництвом Мура цьому аспірантові вдалося культивувати близько 80 % бактерій, помічених у зразках випорожнень, – просто рекордну кількість. Але Мур не мав коштів для фінансування подальшого дослідження. Тому багатство новокультивованих видів залишились неописаними й безіменними.

На мікробіологічній конференції 1965 року Мур розповів про все це Голдман. Обоє мікробіологів підозрювали, що 99 % кишкових бактерій виявляться анаеробними і що ця бактеріальна спільнота має значний вплив на здоров’я людини, як хороший, так і поганий – останній, коли окремі її представники опиняються не в тому місці, наприклад заражаючи рани та хірургічні шви. «Це було немов дві заблукалі душі знайшли одна одну, – згадує мікробіолог із Вірджинської політехніки Роберт Смайберт. – [Ми] просто сиділи там і слухали їхню розмову. Не встигли ми й оком змигнути, як вони вже вирішили, що хочуть працювати з анаеробами. Тож Пеґ залишила свої ЦКПЗ і перейшла до нас на кафедру ветеринарної медицини». За словами Смайберта, це й було початком того, що згодом стане всесвітньовідомою Лабораторією анаеробів Вірджинської політехніки.

Однак пошук грошей на дослідження малозрозумілого світу анаеробних бактерій людського тіла виявився нелегким. Першим великим проривом якраз і став грант на вивчення кишкової мікрофлори астронавтів, отриманий ними наприкінці 1971-го. Не минуло й місяця, як вони виграли ще один, більший грант від Національного інституту раку. Останні дослідження вказували на те, що відхилення кишкової мікрофлори від норми може сприяти розвиткові раку товстої кишки, і це дозволило Голдман та Муру переконати грантодавців, що наука має визначитися з поняттям цієї «норми». Одночасний старт двох масштабних досліджень задав просто божевільний темп роботи новоствореної Лабораторії анаеробів Вірджинської політехніки. Коли Мур не летів до Г’юстона, щоб забрати свіжі випорожнення астронавтів, вони з Голдман їхали до Балтимора, щоб перепочити в дешевому мотелі, чекаючи на дзвінок від судмедексперта. Адже велика частина їхнього дослідження для Інституту раку передбачала підтвердження, що кишкові мікроби, виділені простим способом – зі зразків випорожнень, – такі самі, як ті, що живуть у безпосередньому контакті з товстою кишкою людини. Просити хірурга брати кишкові зіскрібки під час порожнинних операцій не було варіантом, бо передопераційні антибіотики вбивають кишкові бактерії просто мільярдами (причому одні види знищують більше, ніж інші). Їхнім рішенням стало брати зіскрібки нещодавно померлих, але загалом здорових людей із нетрів Балтимора – переважно жертв убивств та дорожньо-транспортних пригод. Як виявилося, усі мікроби, що росли в контакті з кишковою вистилкою, можна було знайти і в людських випорожненнях.

Приблизно в той самий час робота Голдман та Мура для NASA допомогла цій космічній агенції відкинути страхи мікробного шоку, принаймні для навколоземних польотів тривалістю в місяці, а не роки. Їхні дослідження мікрофлори астронавтів дали один цікавий результат. За перші три тижні імітації польоту «Скайлаб» усі троє астронавтів пережили різке збільшення кишкової популяції воднетвірного анаероба Bacteroides thetaiotamicron (B. theta). Чисельність цього мікроба підскочила з нормальних приблизно 2 трильйонів (2 % кишкової флори) аж до 26 трильйонів (понад 25 %). За шість тижнів рівні B. theta в астронавтів Роберта Кріппена та Керол Бобко впали знову до нормальних, але в іншого члена екіпажу Вільяма Торнтона лишилися захмарними. Мур питав себе, чи не сталося за ці перші шість тижнів чогось незвичайного. У відповідь на це лікар екіпажу лише посміявся. У перші шість тижнів троє астронавтів підняли ледь не бунт через обурення постійною плутаниною зі спорядженням та недостатню, на їхню думку, співпрацю з боку Центру управління польотом. Одразу після проходження позначки в три тижні відбулася телеконференція щодо цих питань, із якої Бобко та Кріппен вийшли задоволеними, а от Торнтон залишився в гніві через нерозв’язану суперечку щодо розміру отримуваних ним порцій їжі. Мур та Голдман гадали: чи не могло це емоційне збудження якраз і викликати в нього різке збільшення чисельності B. theta? «Ми б відкинули цю ідею як притягнуту за вуха, якби не те, з чим зіткнулися пізніше», – згадує Голдман. Вони з Муром спостерігали аналогічні різкі збільшення чисельності B.theta у двох інших випадках: уперше під час вивчення раціону, коли в однієї жінки, яка була добровільним об’єктом дослідження, стався конфлікт на роботі, через який її ледь не звільнили, а вдруге в кишковій флорі 19-річної мешканки Балтимора, жертви вбивства, яку після тривалих побоїв та переслідувань застрелив чоловік.

Заінтриговані, Голдман та Мур почали шукати аналогічні зсуви у студентів в умовах стресу (збираючи зразки випорожнень в день їхніх усних іспитів), але не виявили жодних різких змін. «Мабуть, для цього треба бути дуже, дуже, дуже злим чи наляканим, – розмірковує Голдман. – Але наглядова рада нашого дослідження навряд чи дозволила б нам переслідувати студентів із ножами». У будь-якому разі різкі підвищення чисельності B. theta, що спостерігалися в розгніваних астронавтів та офісних працівників під час конфлікту, не спричиняли жодної помітної шкоди.

І в NASA, і в Інституті раку визнали їхню роботу корисною. Ще важливішим для їхніх довгострокових цілей було те, що ці подвійні дослідження дозволили Голдман та Муру виділити від 150 до 200 нових видів кишкових бактерій людини. Вони ідентифікували всі ці бактерії аж до роду, а потім зосередили свій час та гроші на завершенні фізичного й біохімічного опису дюжини найбільш поширених видів. Серед цих бактерій був і зовсім новий рід Coprococcus, представлений мікробами, що розщеплюють токсичні рослинні хімікати під назвою флюрогліцини, а також розмаїття Rumenococcus – групи, раніше невідомої в людей, але знайомої своїм сприянням худобі в перетравленні сіна.

До того часу як Голдман та Мур одружилися 1985 року, їхнє робоче партнерство принесло науці докладний огляд мікробної спільноти товстої кишки людини. За їхніми оптимістичними оцінками, їм вдалося описати понад 90 % членів цієї спільноти, причому всі основні її види. І хоча окремі ролі та взаємодії цих бактерій лишалися загадкою, стало зрозуміло, що загалом ця спільнота функціонує приблизно так, як і всередині коров’ячого рубця. По суті, наповнена бактеріями товста кишка людини є напрочуд ефективним центром біоферментації, де резидентні мікроби екстрагують калорії й поживні речовини з не перетравлюваної нічим іншим рослинної їжі, весь час віддаючи велику порцію цієї поживи своєму господареві.

Внутрішнє коло життя

Хоча двоє мікробіологів і подарували науці майже повний перепис наших кишкових бактерій, розуміння того, яким чином ці мікроби заселяють їхнє середовище існування (і навіть пристосовують це середовище до своїх потреб), усе ще приходить доволі повільно. Як і у випадку з ротовою порожниною та шкірою, заселення травного тракту людини – домівки для 99 % мікрофлори нашого тіла – починається під час народження, з лактобацил, з якими немовля вперше стикається в пологових шляхах. Коли голівка дитини з’являється на світ, вона стискає пряму кишку матері, вичавлюючи невеличку кількість випорожнень. Хоча лікарі й медсестри поспішають стерти сліди цієї неприємності, їхня гидливість може суперечити цілям природи – негайному й безпосередньому щепленню новонародженого власними кишковими бактеріями матері. Якщо так, то первинне розташування голівки новонародженого зазвичай обличчям до прямої кишки матері, а потім збереження цього положення, доки наступні перейми не вивільнять плечі та решту тіла, є не збігом, а радше результатом дії природного добору. Таке розташування гарантує, що з усіх мільярдів мікробів, з якими немовля зустрінеться в перший день свого життя, найпершими будуть ті, до яких імунна система його матері вже виробила захисні антитіла. (Тимчасовий запас цих антитіл уже передано плоду через плаценту.) Другу хвилю – мільйони біфідобактерій – дитині приносить порція грудного молока.

Усі вхідні мікроби, перш ніж вони досягнуть кишечника, мають пройти через передпокій шлунка немовляти. У шлунках старших дітей та дорослих протимікробний бар’єр становить високий рівень соляної кислоти. Але суттєве виділення кислот починається не раніше приблизно тримісячного віку, поступово досягаючи дорослих рівнів за кілька років. Ця затримка лишає привітно відчиненими двері для заселення шлунка та кишкового тракту на початку життя. Наприклад, протягом цього періоду немовля зустрічається зі шлунковим мікробом Helicobacter pylori. Зазвичай у дітей це відбувається через руки або губи когось уже заселеного. Коли її проковтнуть, ця вертка бактерія вгвинчується в шар слизу, що захищатиме шлунок від майбутнього омивання соляною кислотою. У міру дозрівання кислототвірних клітин шлунка деякі штами H. pylori вводять у них білки, що спонукають ці клітини знижувати кислотність до рівнів, які краще переносяться бактерією, але все ще достатньо їдких, аби вбивати більшість інших видів мікробів. У такий спосіб H. pylori утримує практично монопольну владу над людським шлунком уже близько шістдесяти тисяч років. Штам H. pylori, що переноситься конкретною родиною чи популяцією, можна навіть використати, щоб прослідкувати їхнє походження аж до давніх шляхів міграції, яка почалася, коли Homo sapiens уперше вийшли з Африки.

З позитивного боку таке зниження кислотності шлунка захищає від печії та раку стравоходу в дорослому віці. З негативного ж – у незначної меншості інфікованих осіб H. pylori запускає запалення, достатньо серйозне для розвитку в подальшому житті виразок та раку шлунка. Один із цікавих парадоксів сучасної медицини полягає в тому, що H. pylori не викликала виразки аж до початку, а то й середини XIX століття – часу, коли вона почала зникати з людських шлунків завдяки покращенню очистки води та використанню перших антибіотиків, таких як препарати вісмуту. Зокрема, у 1830-х роках раніше здорові молоді європейські жінки почали помирати від виразок настільки страшних, що в стінках шлунка з’являлися справжні дірки. Раптовість і болісність смертей цих жінок чітко вказували на те, що це була якась нова хвороба, а не раніше відома, але погано досліджена. У міру поширення недуги від жінок до чоловіків та з Європи до Північної Америки вона залишалась переважно хворобою міських мешканців, наводячи дослідників на думку, що виразки спричиняються стресами сучасного життя. На початку XX століття фахівці з медицини вважали фермерів та інших сільських жителів здебільшого нечутливими до цієї хвороби завдяки «життю на відкритому повітрі та порівняній свободі від турбот… що дає їм змогу перетравлювати продукти, згубні для шлунка бухгалтера чи його роботодавця».

Лише у 1980-х роках австралійські патологи Робін Воррен та Баррі Маршалл зуміли нарешті переконати скептично налаштований медичний світ, що гнучкохвоста бактерія, яку вони виявили в біопсіях виразок, якось пов’язана з цим ураженням. Однак сьогодні виразки шлунка залишаються практично невідомими в слабкорозвинених районах світу, таких як Африка, де більшість людей заселяються цією бактерією ще в ранньому дитинстві. Можливо, затримка або порушення заселення організму H. pylori через покращення очистки води чи антибіотики якось змінила імунологічне «перемир’я», якого цей мікроб досяг із нашою імунною системою за тисячі, а то й мільйони років спільного життя.

У будь-якому разі H. pylori швидко вимирає в західному світі, можливо, залишаючи шлунок відкритим для заселення якимсь іншим мікробом із не такою довгою історією співіснування з людьми. Сьогодні носіями H. pylori у Північній Америці та Західній Європі є менше ніж 10 % дітей, хоча її можна знайти приблизно у 30 % їхніх батьків та більшості їхніх дідусів і бабусь. Хорошою новиною є те, що цей спад приніс різке зменшення кількості випадків як виразки, так і раку шлунка. Поганою – те, що її зникнення може лежати в основі безпрецедентного збільшення в останні тридцять років кількості випадків гастроезофагеальної рефлюксної хвороби та раку стравоходу, настільки, що останній уже став сьогодні однією з найшвидше поширюваних причин смерті людей у розвиненому світі.

Проходячи передпокій шлунка, мікроби, що вижили, потрапляють до закрученого лабіринту тонкого кишечника, де ліс пальчастих виростів, що звуться ворсинками, максимізує площу поверхні, через яку поживні речовини можуть проникати в кровоплин. Низька кислотність (нейтральний pH) тонкого кишечника виявляється просто ідеальною для росту бактерій. Але надовго в ньому затримується небагато мікробів, бо потужні скорочення стінок створюють стрімкий потік розрідженої їжі, що змиває всіх, крім найчіпкіших.

Саме в тонкому кишечнику вхідні мікроби найбільш безпосередньо стикаються з поки ще приспаною імунною системою дитини. Місцями рухомі ворсинки розступаються, відкриваючи голі схили, поверхня яких вкрита мозаїкою з химерно сплющених та поцяткованих ямками клітин. Названі пеєровими бляшками (на честь швейцарського анатома XVII століття Ганса Конрада Пеєра, який уперше їх описав), ці куполоподібні структури розташовані поверх найважливіших навчальних центрів імунної системи. Ямки на поверхні цих сплющених клітин – то кишені, де постійно затримуються бактерії (живі і мертві). Подібно до обертових дверей, ці кишені зміщуються в бік внутрішньої поверхні клітин, пропускаючи своїх мікробних пасажирів у лімфатичну тканину нижче.

Внутрішня будова пеєрової бляшки нагадує лімфовузли, що дозріватимуть у шиї, паху та пахвах дитини. Але якщо лімфовузли схожі на військові штаби, де імунні клітини готуються атакувати, лімфатична тканина пеєрової бляшки більше схожа на дипломатичний центр, де вхідні мікроби користуються презумпцією невинуватості – вони вважаються «дружніми» чи принаймні «мирними», доки не доведено інше.

Проте сказати, що імунна система вчиться ігнорувати кишкові бактерії, було б неправильно. Замість того щоб викликати протимікробне запалення, взаємодія з пеєровою бляшкою радше запускає масштабне виробництво антитіла, відомого як імуноглобулін A (IgA). Як і всі антитіла, IgA прикріплюється до конкретної мішені, у цьому випадку до певного виду кишкової бактерії. Замість того щоб позначати мікроб для знищення (як це робить більшість антитіл), IgA просто скупчується на його поверхні, не даючи йому прикріплюватися до кишкової стінки, немовби ввічливо спонукаючи просуватися далі. Крім того, зустріч мікробів на нейтральній території пеєрової бляшки приводить до розростання T-клітин та B-клітин, що підуть в атаку проти тих самих бактерій, якщо ті опиняться на забороненій території, такій як кров. А тому незріла ще імунна система дитини вчиться терпіти проковтнуті бактерії, водночас обачно тримаючи їх на безпечній відстані. Щоб оцінити надзвичайно важливу природу цієї дипломатії, уявіть, що трапляється, коли вона дає збій. У випадках хвороби Крона та виразкового коліту імунна система реагує на дотик нешкідливих кишкових мікробів шаленим, убивчим для тканин запаленням, породжуючи болючі кишкові виразки, що можуть переходити в смертельно небезпечні прориви.

Протягом дитинства чисельність пеєрових бляшок, що вистеляють тонкий кишечник, зменшується з кількох сотень до приблизно тридцяти. Ця остання група скупчується вздовж нижнього сегмента тонкого кишечника якраз перед тим місцем, де він відкривається в простóрі камери для утримання бактерій товстого кишечника. У цих залишках сильно поріділий дипломатичний корпус імунних клітин продовжує моніторити щоденне проходження мільйонів мікробів, розпізнаючи переважну більшість як нормальні та гідні толерантного ставлення.

Як тільки вони проходять крізь потужні скорочення та повз клітини-мікробовловлювачів тонкого кишечника, бактерії потрапляють до відстійника товстого кишечника. Хоча від народження той є стерильним, з часом він стає для мікробів справжніми джунглями людського тіла. 1905 року французький мікробіолог Анрі Тісьє став першим, хто дослідив формування цієї екосистеми, орієнтуючись на те, що виходить з іншого боку.

Наприкінці першого дня життя народженої звичайним шляхом дитини розсип бактерій у її випорожненнях відображує мікрофлору піхви та кишкового тракту матері. Натомість у дитини, народженої за допомогою кесаревого розтину, там міститься більш випадковий асортимент мікробів, що потрапили туди з рук акушерів і загальнолікарняного середовища. Та хоч яким є спосіб народження, на третій день немовля на грудному вигодовуванні видає майже монокультуру біфідобактерій, що продовжує домінувати аж до початку харчування твердою їжею. Кишкова ж мікрофлора немовляти на штучному вигодовуванні теж містить біфідобактерії (з невідомого джерела), але в значно менших кількостях і лише як невелику частину нестабільної суміші інших мікробів.

Так само як на шкірі та в роті немовляти, у кишечнику біфідобактерії заважають росту потенційних порушників спокою, таких як стафілококи, і допомагають відібрати перших постійних мешканців. Дослідження також показують, що велика кількість кишкових біфідобактерій сприяє підвищенню рівня захисних антитіл у крові дитини – антитіл, націлених не лише на проблемні бактерії, але й на багато видів діарейних шлунково-кишкових вірусів. Це явище може допомогти пояснити, чому в країнах «третього світу» з поганим санітарним станом води рівень смертності дітей на грудному вигодовуванні аж у шість разів менший, ніж дітей на штучному вигодовуванні. Навіть у Сполучених Штатах, де смерть дитини від діарейної хвороби залишається рідкісним явищем, епідеміологи відзначають на цілих 20 % вищий рівень виживання в дітей на грудному вигодовуванні, порівняно зі штучним, протягом перших шести місяців життя, незалежно від статків чи рівня освіти родини.

Перша хвиля кишкових мікробів також запускає дозрівання вистилки товстого кишечника. Розташовані під нею кровоносні судини підтягуються до поверхні вистилки й формують там щільну сітку крихітних капілярів, необхідних як для підтримування її здоров’я, так і рознесення поживних речовин, вивільнених резидентними бактеріями. Водночас перший дотик бактерій пробуджує мільйони кишкових стовбурових клітин. Одразу після активації ці клітини починають весь час ділитись, і їхнє розмноження постійно оновлює ніжний шар поверхневих клітин кишкової вистилки. Поверхневі ж клітини, у свою чергу, починають відпадати зі швидкістю кілька мільярдів на день. Ця неперервна заміна робить кишковий тракт стійким до уражень, що неминуче відбуваються, коли дитина починає їсти тверду їжу, з її великою кількістю природних токсинів, а також випадковими гострими предметами чи хвороботворними мікробами.

Введення в раціон твердої їжі більш-менш вирівнює кишкову мікрофлору дітей на грудному та штучному вигодовуванні, хоча, зрештою, не буває двох людей з абсолютно однаковим вмістом видів і штамів мікробів. У середньому в кишечнику зазвичай домінують десь із тридцять видів бактерій, а в менших кількостях присутні близько ста. Одними з найчисленніших та найпродуктивніших серед них є анаероби-волокноперетравлювачі, на кшталт паличкоподібних Bacteroides та Eubacteria. Причому Bacteroides, такі як B. theta, B. vulgatus та B. fragilis, складають від 20 до 30 % кишкових бактерій людини, щодня виробляючи близько літра позбавлених запаху вуглекислого газу й водню. Eubacteria заявляють про себе шляхом виробництва більш пахучого сірководню – відомого всьому світові своїм запахом тухлих яєць.

Крім того, рано чи пізно ми стаємо господарями асортименту коків – кулястих анаеробів. До них належать роди Enterococcus, Peptococcus, Streptococcus та Peptostreptococcus, що розкладають низку складних білків та жирів (глікопротеїнів і гліколіпідів) на простіші цукри та жирні кислоти, які організм здатен засвоїти. У процесі цього вони виробляють іще один характерний запах – зіпсованого вершкового масла, яким відгонить масляна кислота.

Разом Bacteroides, Eubacteria та різного роду коки вивільняють аж 30 % калорій, які людина засвоює з їжі, особливо з таких високовуглеводистих продуктів, як каші та макаронні вироби.

Іншими головними представниками кишкової мікрофлори є клостридії, деякі з них виробляють токсини, і всі можуть потім ховатись у резистентних спорах. Найбільш сумновідома Clostridium difficile має підступну звичку викликати діарею та запалення товстого кишечника, після того як курс антибіотиків усуне її конкурентів. Хоч як це дивно, більшість дітей носить у собі C. difficile, не страждаючи від жодних шкідливих впливів. До початку дорослого життя, коли цей мікроб може стали проблемним, нормальна мікрофлора вже тримає його під суворим контролем.

Меншу частину членів кишкової спільноти складають кілька видів лактобацил і розсип факультативних анаеробів, на кшталт E. coli, здатність яких виживати на відкритому повітрі дозволяє їм блукати де не слід й іноді спричиняти проблеми в таких місцях, як жіночі сечовивідні шляхи. Крім того, приблизно кожен п’ятий із нас є носієм помітної кількості метанотвірних кишкових мікробів, таких як Methanobrevibacter smithii та Methanosphaera stadtmanae. Ці метаногени харчуються воднем та вуглекислим газом, що виробляються їхніми сусідами-волокноперетравлювачами. Як і водень, метан не має запаху, але легко займається (з останньої якості ніяк не натішаться хлопчаки всього світу).

Шкіра. Рот. Ніс. Травний тракт. До 1980-х років мікробіологи вже могли похвалитися базовим розумінням того, що і де живе на людському тілі, а також першими уявленнями як про переваги, так і про небезпеки цих мешканців. Однак чого наука не могла пояснити, то це як імунна система терпить їхню присутність – особливо численного населення наших кишок. Не менш загадковим було й те, як саме наші резидентні бактерії запускають глибокі зміни, які їхня присутність явно породжує в клітинах і тканинах. Окрім задоволення наукового інтересу, відповіді на ці питання обіцяли прояснити, яким чином зрив хитромудрих домовленостей між мікробами і людиною може призводити до хвороб.

Хто тут головний?

Гастроентеролог, що став мікробіологом, Джеффрі Ґордон очолює блискучий новий Центр геномних наук Університету Вашингтона в Сент-Луїсі. Простора, освітлена промінням сонця лабораторія розташована над уславленим центром секвенування генів, одним з основних учасників проекту «Геном людини», що 2003 року повністю розшифрував послідовність 20–25 тисяч генів Homo sapiens.

«Настав час подивитися на людський геном ширше, – каже Ґордон, – усвідомлюючи, що мікробних генів наш організм, можливо, містить у сто разів більше, ніж людських». 2005 року Ґордон з колегами зі Стенфордського університету в Каліфорнії та Інституту геномних досліджень у Меріленді зібрали разом багатомільйонні гранти від приватних фондів та урядових установ, аби профінансувати їхню «Ініціативу мікробіому кишок людини» – план виділення, секвенування й аналізу сукупності мікробних генів, що роблять свій внесок у здоров’я та добробут людського тіла, а подекуди й порушення його функцій. Одним з аспектів цього колосального проекту є розробка загального профілю генетичних можливостей кишкової мікрофлори. Іншим є повне розшифрування послідовності геномів сотні основних представників бактеріальної спільноти товстого кишечника людини.

«Другий “Геном людини”» Ґордона став лише одним із понад десятка дослідницьких проектів, що розгортаються в його лабораторії повсякчас, усі з яких націлені на розуміння впливу кишкових мікробів на людське здоров’я та хвороби, і не лише в кишках, але й будь-де в організмі. Персонал його лабораторії складається з молодих та цікавих до науки аспірантів і новоспечених докторів зі знанням широкого спектра дисциплін від бактеріальної екології до рентгеноструктурного аналізу.

Інтерес Ґордона до бактерій товстого кишечника прослідковується ще з років його роботи гастроентерологом у 1970–80-х роках, коли він вивчав людські гени, що контролюють поділ клітин, завдяки якому постійно оновлюється кишкова вистилка. Ця постійна заміна (клітини відпадають, щойно їм виповниться три дні) не лише робить кишкову вистилку стійкою до ушкоджень, але й гарантує, що резидентні бактерії товстого кишечника не поселяться надто глибоко й не розростуться надто рясно. Переважна більшість бактерій видаляється на борту злущених епітеліальних клітин із повсякденним випорожненням кишечника. Ґордон розуміє, що весь цей поділ дорого коштує, адже народження кожної нової клітини несе з собою ризик того, що якась випадкова мутація відключить гальма поділу клітин і призведе до розвитку раку. Як гастроентеролога, його геть не дивує, що рак товстого кишечника посідає друге місце серед основних причин смерті від раку в промислово розвиненому світі (зразу після пов’язаного з курінням раку легень).

Ранні дослідження Ґордона були присвячені тому, яким чином різні гени вмикаються й вимикаються в конкретний час розвитку клітин кишечника, коли ті переміщуються з розщелини до піку вздовж кишкової ворсинки. Він дійшов висновку, що гени отримують для цього чіткі інструкції. Але звідки? Загальноприйняті міркування скерували б Ґордона шукати ці біохімічні сигнали в тканинах та органах, що лежать під кишковою вистилкою. Натомість він зацікавився можливістю того, що клітини отримують свої «маршрутні листи» від бактерій, які обліплюють їхню зовнішню поверхню.

З огляду на сотні різних видів бактерій та інших мікробів, що живуть усередині товстого кишечника в будь-який момент, Ґордон розумів, що для перевірки його теорії потрібна якась спрощена модель. Від мікробіолога з Іллінойського університету Ебіґейл Сельєрс персонал Ґордона навчився вирощувати безмікробних мишей. За їхньою допомогою він пізніше зумів простежити, що відбувається, якщо повертати назад по одному представникові мікрофлори за раз. Як неофіційний керівник лабораторії, Сельєрс також дала Ґордонові стартовий набір B. theta, виділеної з випорожнень здорової людини-добровольця. Вона вже виявила, що B. theta однаково добре росте в кишечнику мишей і людей. Ґордон пішов ще далі, показавши, що цей мікроб є доволі вимогливим кишковим мешканцем.

Наприклад, його команда спіймала B. theta за випрошуванням подачок, коли миша не отримувала своєї звичайної їжі. Сельєрс уже продемонструвала, що B. theta переживає такі голодні часи, харчуючись цукристою речовиною (фукозою), що її виділяють кишкові клітини. Пізніше ж співробітники лабораторії Ґордона виявили, що кишкові клітини виробляють цю поживу лише за наполяганням B. theta. Спочатку вчені продемонстрували, що кишкові клітини безмікробних мишей перестають виробляти фукозу через кілька тижнів після народження. «Було схоже на те, що вони готувалися до прийому гостей, які так і не прибули», – каже Ґордон. Але достатньо впорснути в глотку дорослої безмікробної миші порцію Bacteroides, як цукрове виробництво відразу ж поновлюється. Після цього його співробітники використали три типи мутантів B. theta (знову наданих Сельєрс), аби розшифрувати, що ж саме там відбувається. Одній групі безмікробних мишей вони ввели штам B. theta, що не міг безпосередньо прикріпитися до кишкової клітини. Попри це клітини почали виробляти фукозу. Іншу групу безмікробних мишей вони заселили мутантами B. theta, що не могли споживати фукозу, однак кишкові клітини все одно її виробляли. Постачання цієї їжі не почалося лише в мишей, що були заселені моноколонією штаму B. theta, нездатного виділяти конкретний білок, який, за підозрою дослідників, був біохімічним сигналом із проханням про подачку. Іншими словами, цукрове виробництво клітин виникало не просто у відповідь на дотик бактерій або вичерпування запасів фукози. Ключем було повідомлення «погодуй мене» від B. theta, що вмикало мишачий ген, який інакше поринав би в сон після перших кількох днів життя. Це відкриття стало першим чітким підтвердженням колись дуже дивної ідеї Ґордона, що кишкові бактерії можуть безпосередньо контролювати діяльність кишкових клітин.

У 1990-х роках поява методу ДНК-мікрочипів (генних чипів) дала Ґордонові потужний новий інструмент для досліджень. Генні чипи дозволяють ученим сканувати активність тисяч генів одночасно. Вони використовують тисячі флуоресцентно позначених фрагментів ДНК, розташованих у чітко визначених місцях на решітці завбільшки з предметне скельце мікроскопа. 2002 року співробітники лабораторії Ґордона використали «мишачий чип», що містив десь із двадцять тисяч відомих мишачих генів, задокументувавши вмикання сотень цих генів, коли раніше безмікробна миша отримує свою першу порцію B. theta. Як Ґордон і очікував, ці гени включали в себе багато з тих, що залучені в нормальному дозріванні кишкової вистилки. Введення B. theta також вмикало мишачі гени, залучені у виробництві конкретних транспортних молекул, необхідних кишковим клітинам для всмоктування й використання багатьох поживних речовин, наданих їм B. theta та спорідненими бактеріями. Усе це посилило враження Ґордона, що B. theta відіграє особливо важливу роль у сприянні здоров’ю кишечника.

Команда Ґордона завершила секвенування 4779 білкотвірних генів B. theta в 2003-му, у той самий рік, коли й проект «Геном людини» завершив секвенування Homo sapiens. Було виявлено, що понад 100 з цих генів B. theta призначає для пошуку неперетравлених рослинних цукрів, а ще 170 – для розщеплення їх на компоненти, які миша (або людина) здатна засвоїти. B. theta