Как микробы влияют на нашу жизнь. Новое и удивительное о многогранных соседях

Стерильное поколение: изобретение аллергии

Присмотримся к нашему быту повнимательнее. У многих необходимость использования в процессе уборки специальных гелей, растворов и порошков не вызывает сомнений. Этому способствует навязчивая реклама дезинфицирующих моющих средств, антибактериального мыла или пакетов для мусора. Мы с вами позиционируем себя как современные охотники за микробами, ведем непрерывный поиск следующей липкой биопленки, которую нужно убить из дозатора дезинфектора. Если первые в истории меры гигиены, бесспорно, стали важными вехами в борьбе с заразой и эпидемиями, то сегодня индустрия гигиенических средств стала отраслью экономики с миллиардными оборотами. А тот, кто недостаточно убивает микробов, чувствует себя почти виноватым!

Понимание того, что излишние меры гигиены могут вредить человеку, приходит очень медленно. Исходным пунктом для этого вывода стали «гипотеза о гигиене» и наблюдаемая в последние 50 лет чрезмерная защитная реакция иммунитета на определенные вещества из окружающей среды, обычно не представляющие опасности, такие, например, как пыльца растений. Проще говоря, поскольку защитной системе организма не хватает опасных противников-бактерий, как в прошлом, она поднимается по тревоге из-за безобидной пыльцы или продуктов питания.

Астма, аллергический ринит и пищевая аллергия – типичные заболевания нашего времени. Глаза слезятся, вас мучает насморк и раздражающий кашель? Согласно этой популярной гипотезе, тенденция роста проявлений аллергии обусловлена тем, что в первые годы жизни из-за чрезмерной гигиены и чистоты иммунитет не может как следует обучиться. 40 процентов людей в промышленно развитых странах в настоящее время признаны страдающими аллергией, а у 300 миллионов человек аллергия в дыхательных путях даже переросла в особенно тяжелую астму.

Гипотеза о гигиене была выдвинута в 1989 году молодым лондонским эпидемиологом Дэвидом Стрэчаном из Лондонской школы гигиены. Он опубликовал в Британском медицинском журнале исследование, где писал о более чем 17 тысячах детей, которые родились на одной и той же неделе в марте 1958 года^[21]. В своей знаменитой работе он сделал вывод, что причиной возникновения аллергий становятся не инфекции, а их нехватка. Ученый проанализировал все возможные данные об условиях жизни детей: доход, образование, количество братьев и сестер, семейное положение, место жительства в сельской местности или в городе и многое другое. И пришел к неожиданному заключению: чем больше братьев и сестер у участников исследования, тем меньше вероятность того, что они будут страдать поллинозом или нейродермитом.

Исследователь полагает, что решающую роль играют два фактора. Во-первых, это количество детей в семье: у единственного ребенка в семье более чем наполовину повышен риск заболеть аллергией по сравнению с детьми, у которых братьев или сестер как минимум трое. Во-вторых, это очередность появления детей на свет: чем больше у ребенка старших братьев и сестер, тем меньше риск заболеть аллергией. Чем больше ребенок имеет шансов получить от других микробы, которых старшие приносят из сада или школы, тем лучше это влияет на вызревание и стабильность иммунитета. При отсутствии инфекций иммунная система начинает скучать и шалить из озорства, нападая на безобидных прохожих. Если мы сосредоточимся только на инфекциях, то не сможем объяснить феномен аллергий. Исследователи долго бродили в потемках, потому что генетическая предрасположенность в семьях тоже играет определенную роль. В своей детективной работе ученые все больше и больше обращают внимание на анализ образа жизни. В этой связи стали очень известны «Исследования в фермерском хозяйстве» врача Эрики фон Мутиус, которую навела на правильный след случайная подсказка школьного доктора: он сказал, что еще ни разу не видел ребенка из фермерской семьи, который страдал бы астмой^[22].

Пришлось переключить поиски с факторов риска на гораздо более существенные вещи – защитные факторы, которые мы потеряли. Внезапно были сделаны впечатляющие выводы. Среди детей, которые в первый год жизни контактировали с коровами и пили натуральное сырое молоко, уровень астмы и аллергии оказался на 75 процентов ниже. Если во время беременности матери к тому же каждый день бывали в коровнике, свинарнике или конюшне, вероятность аллергии у ребятишек снижалась еще больше. У детей, рожденных такой женщиной, иммунитет вооружен уже совсем по-другому. «Доза» также имела значение. Постоянно живущие в фермерских хозяйствах дети были защищены лучше, чем те, в чьих семьях это было дополнительным занятием. Свежее молоко, не подвергающееся пастеризации, видимо, лучше всего переносит микробов. Чем более традиционный способ ведения хозяйства практиковался на ферме в Европе, тем более сильный защитный эффект отмечали ученые. Однако пока не удавалось выяснить, какие именно микроорганизмы обладают таким защитным воздействием. Вероятно, здесь задействован целый комплекс факторов (а не одна бактерия), коктейль из хороших защитных веществ^[23]. Исследователи сходятся во мнении, что речь не идет о «чем больше, тем лучше». Важны разнообразие и различные воздействия: чем богаче микробная среда, тем ниже риск развития астмы и аллергии.

Благодаря опытам на мышах в университете Марбурга даже доказали, что защитное действие пыли из хлева с микробами передавалось в течение нескольких поколений^[24]. Бактерии из коровника сделали иммунитет мыши более толерантным и менее агрессивным. Это означает, что эти бактерии – старые друзья иммунной системы, необходимые для ее здорового развития. Нам нужны эти природные соратники. Поэтому самый главный вопрос: кто они и какие из них лучшие?

Ученые находят все больше доказательств того, что наш здоровый, зрелый иммунитет нуждается в постоянном участии полезных бактерий. Идея о том, что микробы могут оптимизировать функцию иммунной защиты человека, пока еще противоречит господствующей догме. Но все более очевидным становится тот факт, что безвредные комменсалы также играют весьма значимую роль в функционировании нашей иммунной системы.

В 2012 году с помощью экспериментов на животных удалось выявить клеточные процессы, лежащие в основе гигиенической гипотезы. Ученые из Гарвардской медицинской школы в Бостоне и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана доказали, что кишечные бактерии, полученные мышами из окружающей среды в первые недели жизни, вступают во взаимодействие с иммунными клетками и таким образом противостоят аутоиммунным заболеваниям^[25]. И напротив, мыши, выращенные в стерильной обстановке, чаще заболевают астмой и колитом (воспалением толстой кишки). Безусловно, людей, живущих стерильно, не существует, однако исследователи исходят из того, что к этим данным, полученным в ходе опытов над животными, стоит относиться серьезно.

Бактерия Bacteroides fragilis (бактероид хрупкий), которая населяет около 70–80 процентов людей, также помогает нашей иммунной системе сохранять равновесие, усиливая ее противовоспалительные механизмы^[26]. Этот же эффект ученые наблюдали, изучая мышей, выращенных в условиях асептики, иммунная защита которых имела бреши, прежде всего была нарушена деятельность регуляторных Т-лимфоцитов. Когда мышам ввели Bacteroides fragilis, вызывающие воспаление, и противовоспалительные Т-лимфоциты пришли в равновесие, иммунная система грызунов снова начала функционировать нормально.

Что именно произошло? Из клеточной массы этих бактерий выделяются различные молекулы сахара, благодаря которым иммунная система распознает бактерии. Так она может тренироваться и взрослеть. В некотором смысле микроб берет на себя контроль качества нашего иммунитета, чтобы тот работал лучше.

Другие микроорганизмы, похоже, воздействуют на иммунную систему аналогичным образом. Пока это только первый открытый и подтвержденный пример. Но хрупкие бактероиды, как и хеликобактер пилори, также исчезают из нашего микробиома.^[27] Стараясь насколько возможно изгнать патогенных микробов из нашей среды, мы затронули также и полезных крохотных сожителей. Благие намерения, но платить за них приходится слишком высокую цену. В случае хрупких бактероидов ценой может быть увеличение числа аутоиммунных заболеваний, таких как болезнь Крона, сахарный диабет первого типа и рассеянный склероз.

Причины этих болезней сложны и включают в себя генетические факторы и влияние окружающей среды. Но очень большую роль играет изменившийся микробиом. У людей с соответствующей генетической предрасположенностью эти изменения могут привести к аутоиммунным заболеваниям и другим нарушениям здоровья – такова актуальная гипотеза ученых.

3. Последний островок дикой природы в нашем доме

Если вы думаете, что в вашем жилище обитает только ваша семья, возможно, плюс еще кот или собака, такие мысли могут показаться заслуживающими внимания. Но ведь тысячелетия назад мы заселились в свои дома не одни. Крохотные сожители – насекомые и микробы – сопровождают нас с незапамятных времен. Многие из них не смогли бы жить в природе без нас и наших домов. Например, рыжий таракан. Если он хочет жить хорошо, то привязан к человеческому жилью. Похоже дело обстоит с серебристыми рыбками, которые боятся света, бытовыми клещами и сотнями тысяч микробов.

Сегодня наши жилища являются одними из немногих экосистем в мире, численность которых растет. Каждый день закладываются новые фундаменты, возводятся стены и прокладываются улицы жилых кварталов. Люди начали строить дома всего около 20 тысяч лет назад, вот почему природная среда наших жилищ все еще молода с точки зрения эволюции. Но она продолжает расти, даже в этих ограниченных стенами пространствах эволюция продолжается. В настоящее время площадь застройки оценивается в 0,5 процента поверхности планеты, не покрытой льдом, а это около 650 тысяч квадратных километров. Площадь Франции занимает примерно столько же места. И экосистемы внутри зданий продолжают разрастаться. В одном только Манхэттене площадь квартир почти в три раза превышает площадь самого острова.

Люди в западных промышленно развитых странах проводят около 22 часов в день в закрытых помещениях и зданиях. Тем не менее наши секретные соседи в офисе, гостиной и спальне до сих пор почти не изучены. Самая личная и интимная среда человека – это одно из последних неисследованных белых пятен, скрывающее неизвестное биологическое разнообразие в наших четырех стенах.

Несколько лет назад исследовательница насекомых Мишель Траутвайн из Калифорнийской академии наук вместе со своей командой занялась изучением бурной жизни пятидесяти частных домов в Северной Каролине^[28]. Только там они собрали более 10 тысяч особей 750 видов насекомых. Но еще более многочисленны микробы, которые живут просто повсюду в наших домах. Если бы мы могли их пометить разными цветами, то все, что нас окружает и до чего мы дотрагиваемся, было бы покрыто многими слоями всех цветов радуги – бактериями, грибами и другими микроорганизмами. Населена ими даже свежевымытая кухня или туалет, потому что бактерии встречаются и в моющих средствах тоже. До сих пор никто точно не знает, что кишит вокруг нас. Ведь мы не задумываемся о том, что дом может быть местом для совершения открытий биологами.

Как и в природе за пределами жилища, дикое природное многообразие в наших домах полно чудесных и привлекательных экологических ниш для микробов. Это волокна в ковре или одежде, трещины в кухонных досках или удобные поры в губках. Крохотных квартирантов привлекают влажные комнаты с климатом тропических лесов или сухие пустыни. В домах мы создаем среду обитания, которой нет в окружающей среде. Так что всегда найдется микроорганизм, который любит такие условия и захочет в них поселиться. Поэтому домашние микробные сообщества выглядят совсем по-другому, чем если бы они существовали в естественной среде.

Какие виды микроорганизмов живут с нами в домах? Что мы там выращиваем? Что это значит для нас и как мы можем обращать эти невидимые мини-народы на пользу себе?

Большое копошение: кому принадлежит власть в нашей квартире?

В каждом доме есть своего рода джунгли с огромным количеством видов – неожиданный островок видового разнообразия на ограниченной территории. До сих пор исследователи интересовались прежде всего вредителями в квартирах. Но сообщества живых организмов необходимо рассматривать в совокупности.

Самое большое разнообразие видов мы обнаруживаем, как и стоило ожидать, среди бактерий, вирусов и других микробов^[29]. В сорока домах в Северной Каролине ученые открыли более восьми тысяч видов микробов. Другая группа исследователей обнаружила сотни видов грибов, и они исследовали всего одиннадцать домов в Калифорнии.

Для науки важно не только то, какие микроорганизмы обитают вместе с нами, но и то, как они развиваются в домах. Здесь живут и борются за ограниченные пищевые ресурсы изолированные от природы популяции. Вражеские пылесосы и тапки угрожают их жизни. Выживают только самые приспособленные. Специализированные микробы часто заселяют места с экстремальными переменами микроклимата. В душевых лейках, где вода то горячая, то холодная, то совсем никакой, а также в бойлерах часто встречается бактерия Thermus aquaticus, о которой некоторые ученые думают, что ее предки могли происходить из термальных источников.

В проекте «Дикая жизнь наших домов» Роб Данн и его команда из университета штата Северная Каролина внимательно изучили под микроскопом разнообразие бактерий в девяти избранных местах в домах^[30]. Для этого охотники за микробами заглянули под кровати, развинтили душевые лейки, поскребли холодильники. Население решительно поддержало этот проект. Привлечение на общественных началах граждан-ученых, которым доставляет удовольствие участие в исследовании, называется «народная наука». К примеру, люди собрали и прислали в университет огромное количество образцов пыли с краев дверных коробок внутри и снаружи почти 1200 квартир в Соединенных Штатах, в разных климатических зонах и условиях проживания. Ученые проанализировали эти образцы на наличие микроорганизмов и связали их с географическими факторами, такими как климат и плотность населения, и условиями домохозяйства (количество комнат, домашних животных и пол жильцов). На природе мы проводим меньше времени, многие из нас живут в домах с центральной системой вентиляции, хорошо закрытыми окнами и чистыми полированными поверхностями и всегда имеют под рукой антибактериальную губку. Тысячи бактерий и грибков, с которыми мы ежедневно контактируем дома, могут повлиять на наше здоровье и благополучие. В идеале в будущем исследователи хотят минимизировать опасные виды и увеличить разнообразие полезных бактерий. Но сначала нужно выяснить, кто где живет и почему. Архитектура и физические свойства наших жилищ естественным образом влияют на то, какие микробы чувствуют себя здесь комфортно. Строительные материалы, напольные покрытия, системы вентиляции, отопления или кондиционирования – все эти условия характеризуют «экосистему дома». Если ученые смогут установить закономерности в населении микробами, это позволит в будущем разработать рекомендации относительно того, как лучше проектировать дома и что в них можно перестроить.

То, в каком климате и ландшафте мы живем, также влияет на состав микроорганизмов, что заселятся вместе с нами в жилище. Исследователи в своем анализе используют данные о климатических условиях, плотности населения, месторасположении квартир в городе или сельской местности и о вегетации. Каждый из этих факторов в той или иной мере определяет, кто из маленьких созданий делит с вами жилплощадь.

Значительное влияние на микробную фауну в наших домах оказывают их крупные жители – так называемые макровиды, то есть люди, домашние животные и растения. Решающим является не только количество жителей, но и их возраст и пол. Удивительно, но разнообразие грибов и бактерий внутри дома на 50 процентов выше, чем снаружи. В сходных климатических условиях в жилищах обитают сходные грибные сообщества. Исследователи полагают, что это, вероятно, потому, что грибковые споры переносятся из окружающей среды в квартиры и, следовательно, оказывают значительное влияние на сообщества грибов в доме. У бактерий нет прямой связи между миром внутри и снаружи. Вместо этого бактериальное разнообразие своего дома определяют сами жители – и люди, и животные.

Есть также разница, связанная с половой принадлежностью жильцов: в квартирах, где больше женщин, исследователи нашли другие бактерии, отличные от найденных в домах хозяев-мужчин^[31]. Так, например, группа лактобацилл из микробиома в вагинальной области чаще встречается в квартирах, где по большей части обитают женщины. Занимательный факт: они попадают даже в домашнюю пыль, и это показывает, насколько интенсивно мы распространяем бактерии. То же можно сказать и о наших четвероногих друзьях: в жилищах с котами и собаками в пыли содержатся бактерии из их слюны и фекалий.

Биолог Роб Данн надеется, что открытие видового многообразия в наших домах не только удовлетворит научное любопытство. Новое знание в будущем может даже улучшить нашу жизнь. Поэтому важно узнать, какие виды создают для нас позитивную и здоровую среду. Мы в любом случае не сможем полностью избавиться от сожителей в наших домах. Согласно Данну, «эволюция, происходящая там, тесно сплетена с нашей судьбой»^[32].

Но, если все же кто-то захочет изменить состав микробов в своей квартире, кое-что ему под силу. Ученые только начинают понимать влияние многих факторов. Вы можете сменить фильтры в кондиционере, изменить разбивку квартиры на комнаты или снять ковровое покрытие, говорит Ноа Фирер, руководитель проекта «Дикая жизнь наших домов»^[33]. Но самое простое изменение – это, безусловно, завести кота или собаку либо, наоборот, избавиться от них.

Практические рекомендации дают ученые в исследовании в профессиональном журнале Proceedings Британского королевского общества: «Тому, кто желает изменить виды грибов, с которыми он встречается дома, лучше всего уехать куда-нибудь далеко. А тот, кто хочет изменить состав бактерий вокруг себя, должен всего лишь найти другого спутника жизни»^[34]. Так что у вас есть выбор.

Вы не одиноки: ваше личное микробное облако

Мы иногда чувствуем себя одинокими, но на самом деле никогда не бываем одни. Наши тела сверху донизу, изнутри и снаружи усеяны микроорганизмами. Если в этот момент вы критично бросите взгляд на свой дом и рука потянется за дезинфектором, то я должна сказать вам, к сожалению, что вы никогда не сделаете стерильной свою среду. Просто потому, что основным источником микробов в доме являемся мы сами. Единственный способ предотвратить это – носить днем и ночью защитный костюм, но это непрактично и неудобно.

Давно известно, что бактериальная флора каждого человека уникальна и поэтому может использоваться для идентификации, как отпечаток пальца или анализ ДНК. Но почему микробный коктейль людей различается, даже если это идентичные близнецы? Есть несколько причин. Во-первых, в природе существует огромное разнообразие микроорганизмов, каждый ребенок вступает в контакт с уникальным набором микробов. Во-вторых, иммунная система человека индивидуальна, она пропускает одних микробов и не пропускает других. Уникально и облако, полное микроорганизмов, которое каждый из нас выпускает в окружающее пространство. Существование так называемого микробного облака было доказано в исследовании в 2015 году. Куда бы человек ни шел, где бы ни стоял, он оставляет невидимые микробные следы, причем не только на предметах, но и в воздухе^[35].

Мы окружены мельтешащим облаком микроорганизмов, они роятся вокруг нас, напоминая облако пыли вокруг Пиг Пэна – героя комикса «Орешки». Этот мальчик притягивал к себе грязь, как магнит. Даже если мы просто очень тихо сидим за столом и не двигаемся, то выделяем в окружающую среду приблизительно 15–30 миллионов микробов^[36]. Они отделяются вместе с частичками нашей кожи или выпадают из волос. Мы вдыхаем их, распыленных вокруг как биоаэрозоль, вместе с воздухом и выделяем их вместе с потом в окружающий воздух. Они падают с нашего лица, мы выдыхаем их через рот или нос. Ни перчатки, ни одежда не останавливают микробов. Когда вы садитесь куда-то, то переносите их на эту поверхность. Одежда не препятствие! Их можно найти до тех пор, пока сюда же не сядет следующий человек.

Наши соседи по жилью делятся с нами и своими микроорганизмами, а это тысячи различных типов бактерий. Собаки, кошки, птицы – все оставляют свой типичный микробиологический «отпечаток пальца»^[37]. Джеймс Мидоу и его коллеги из Орегонского университета изучали в лаборатории, сколько микроорганизмов выделяет в окружающую среду человек, спокойно сидящий на одном месте от двух до четырех часов. Участникам эксперимента запрещалось принимать антибиотики четыре месяца до его начала. Из проб воздуха или пророщенных в чашках Петри микробов ученые через 16s-рибосомную РНК, своеобразный штрихкод микробов, определили много тысяч типов бактерий, прежде всего тех, что живут на теле человека, таких, например, как стрептококки изо рта либо пропионии или коринебактерии с кожи.

Удивительно, но участников эксперимента можно было отличить друг от друга по микробному облаку. Если в облаке одного ученые находили особенно много бактерии по имени Dolosigranulum pigrum (долосигранулум пигрум), живущей в верхних дыхательных путях, то облако другого отличалось большим содержанием стафилококка, характерного для наших слизистых оболочек. Облако единственной женщины в эксперименте изобиловало Lactobacillus crispatus (лактобацилла из вагинальной флоры). В период от часа до четырех после взятия каждую из них можно было соотнести с ее хозяином из-за специфических отличий. Личную микробную подпись мы можем также распространить на всю семью. Здесь особенно верна поговорка «все остается в семье». У мамы, папы, дочки и сына микробиом общий, при необходимости он даже переселяется вместе с ними^[38]. Как влияют на наше здоровье живущие рядом с нами микроорганизмы, изучили в ходе работы над «проектом изучения домашнего микробиома» Джек Гилберт и его коллеги в Аргоннской национальной лаборатории^[39]. На протяжении шести недель они внимательно исследовали жизнь шести семей в десяти домах – всего 18 человек, три собаки и кошка. В результате в этих жилищах ученые смогли идентифицировать около 22 тысяч различных микробов.

Их вывод: наши бактерии, видимо, чувствуют себя особенно уютно вокруг нас. Они привязаны к нам и хотят быть с нами. Даже переселяются вместе с нами. К примеру, одна из семей переезжала из гостиницы в дом. И уже через 24 часа все стало так же, как до того в гостинице. С точки зрения микробиологии их новый дом не отличался от прежнего жилья в гостинице. Наши спутники-микробы населяют нашу среду с невероятной скоростью. Они берут в оборот все поверхности, домашнюю пыль, ванную и прочие помещения очень быстро, всего за несколько часов нашего там присутствия.

Вы можете возразить, что тогда, стало быть, в микробном облаке в своем багаже мы перевозим и болезнетворных микроорганизмов. Безусловно, это так. Следовательно, идентификация индивидуального микробного облака человека определенно имеет потенциал для практического применения. Вероятно, исследователи благодаря ему смогут лучше понять, как распространяются патогены. Однако еще не выяснено, передаются ли через наше микробное облако другие, хронические, заболевания кроме насморка или диареи. Просто один раз провести рукой по кухонной столешнице у друзей недостаточно для передачи болезней или изменения собственного микробиома. Он слишком стабилен для этого. В него мы с самого детства собирали бактерии в доме и окружающей среде^[40].

В будущем персональное микробное облако сможет даже использоваться как полезная информация в поиске преступников. Ваш микробный отпечаток действительно может выдать вас, если ваши микробы побывали на месте преступления. Так что наш микробиом представляет огромный интерес и для судмедэкспертов, ведь люди разбрасывают своих микробов направо и налево и таким образом создают настоящий след из микроорганизмов. Современному Шерлоку Холмсу сегодня нужны знания микробиологии, чтобы точно проанализировать микробную подпись там, где в последний раз находился какой-то человек.

Этот метод, конечно, пока еще не доведен до совершенства и не используется повсеместно, признает микробиолог Джеймс Мидоу^[41]. Особенно с учетом того, что при этом могут быть получены затрагивающие приватность сведения о болезнетворных возбудителях, пока это еще вопрос будущего, когда микробиологический отпечаток начнет применяться буквально в зале суда.

Но даже тогда останется другая проблема: состав нашего микробиома меняется со временем, даже у взрослых. Микробиом может резко измениться с переездом человека в другую страну или в связи с приемом антибиотиков. Идентичен ли сегодняшний микробиом убийцы тому отпечатку, который он оставил на месте преступления несколько лет назад?

Тем не менее микробиологический подход становится все более и более популярным в расследованиях. На конференции, участники которой съехались из Ванкувера, Вашингтона и Калифорнии, исследователи смогли определить по микробиологическим следам почвы на подошвах, кто откуда прибыл^[42].

Если одной клавиатурой пользуются разные люди, их тоже можно отличить по микробиому^[43]. Анализируя микробный состав, ученые также смогли определить, кому принадлежат мобильные телефоны^[44].

И да, человек оставляет микробный след даже на своем партнере. В одном исследовании в 2017 году ученые сравнивали микробный узор у десяти сексуально активных пар, живущих вместе^[45]. На основании этих данных они смогли определить пары с точностью до 86 процентов.

Мне кажется, сейчас вы уже достаточно вооружены предварительными знаниями, так что я могу пригласить вас на экскурсию по вашему дому или квартире, чтобы вы смогли поближе познакомиться со своими маленькими соседями и узнать много нового о том, как можно жить вместе с ними и оставаться здоровыми.