Микробиом гораздо более изменчив, чем любая из известных нам частей нашего тела. Ваши клетки содержат от 20 до 25 тысяч генов, а клетки микробов в вашем теле – в 500 раз больше^[14]. Благодаря своему генетическому разнообразию вкупе с высокой скоростью развития они способны приспособиться к любым трудностям. Они помогают нам переваривать пищу, высвобождая питательные вещества, к которым у нас иначе не было бы доступа. Они производят витамины и минеральные вещества, не поступающие в организм с пищей. Они расщепляют токсины и опасные химические вещества. Они защищают нас от болезней, вытесняя более опасных микробов или сразу убивая их антибиотиками. Они производят вещества, влияющие на то, как мы ощущаем запахи. Они появляются настолько неизбежно, что мы передали им контроль над подчас неожиданными аспектами нашей жизни. Они руководят развитием нашего тела, вырабатывая сигнальные молекулы, ответственные за рост наших органов. Они учат нашу иммунную систему отличать хороших микробов от плохих. Они непосредственно влияют на развитие нашей нервной системы и, возможно, даже на наше поведение. Их влияние на нашу жизнь огромно, они нашли себе работу в каждом уголке нашего организма. Игнорировать их – значит смотреть на свою жизнь в замочную скважину.

Данная книга призвана эту дверь раскрыть. Мы займемся исследованием невообразимой вселенной, существующей в нашем собственном теле. Мы узнаем, откуда берет начало наш союз с микроорганизмами, как они придают форму нашему телу и нашей жизни и каким образом мы не позволяем им выходить за рамки дозволенного и поддерживаем с ними мир. Мы взглянем со стороны на то, как, сами того не осознавая, разрушаем этот мир и тем самым подвергаем свое здоровье опасности. Мы узнаем, как подойти к этим проблемам с другой стороны и использовать микробиом в собственных интересах. А еще мы услышим рассказы веселых ученых-энтузиастов с отличным воображением, посвятивших свою жизнь тому, чтобы разобраться в микроскопическом мире, несмотря на частые насмешки, отказы и неудачи.

Впрочем, нас интересуют не только люди^[15]. Мы узнаем, как микробы поделились с животными необыкновенными способностями, новыми возможностями развития и даже собственными генами. Возьмем удодов, к примеру: эти птички, в профиль смахивающие на кирку, а окрасом напоминающие тигра, смазывают отложенные яйца секретом копчиковой железы, содержащим большое количество бактерий. Эти бактерии вырабатывают антибиотики, которые не позволяют вредным микробам попасть в яйца и причинить птенцам вред. Муравьи-листорезы специально возят на себе микробов, производящих антибиотики, – они обеззараживают грибы, которые муравьи выращивают у себя на подземных плантациях. Иглобрюх с помощью бактерий вырабатывает тетродотоксин – мощнейший яд, способный поразить любого хищника, решившего этой рыбой полакомиться. В слюне всем нам известного колорадского жука содержатся бактерии, подавляющие защитные механизмы растений. Рыбы сифамии из семейства кардиналовых приютили у себя на теле светящихся бактерий, которые привлекают добычу. Муравьиные львы, хищные насекомые с грозными челюстями, парализуют своих жертв токсинами, которые вырабатываются бактериями в их слюне. Некоторые круглые черви умерщвляют насекомых, извергая в их тела рвотные массы с токсичными светящимися бактериями^[16], а другие благодаря украденным у микробов генам пробираются прямо в клетки растений, что приводит к значительным убыткам в сельском хозяйстве.

Союзы с микробами не раз меняли курс эволюции животных и приводили к изменениям в окружающем нас мире. Понять, насколько такие партнерства важны, будет проще всего, если мы узнаем, что случится, если их разрушить. Представьте, что все микробы на Земле взяли и исчезли. С одной стороны, конечно, инфекционные болезни канут в небытие, а многие насекомые-вредители не смогут питаться своей привычной пищей, но на этом хорошие вести заканчиваются. Травоядные млекопитающие – коровы, овцы, антилопы, олени – вымрут от голода, ведь для расщепления грубой клетчатки, содержащейся в растениях, им без микробов не обойтись. Исчезнут стада, обитающие на пастбищах Африки. Термиты при пищеварении тоже полагаются на помощь микробов, так что и они исчезнут – а заодно и животные покрупнее, которые питаются термитами или используют термитники в качестве убежищ. Тли, цикады и другие букашки, питающиеся соком растений, тоже вымрут без бактерий, которые производят питательные вещества, отсутствующие в соке. Многие черви, моллюски и другие животные из тех, что проживают на дне океана, получают энергию именно благодаря бактериям. Без микробов вымрут и они, и тогда будут разрушены пищевые сети темных, неизведанных глубин. В местах, где помельче, ситуация будет обстоять почти так же. Кораллы, полагающиеся на микроскопические водоросли и на множество разнообразных бактерий, ослабнут и станут крайне уязвимы. Богатыри-рифы поблекнут и начнут постепенно разрушаться, отчего пострадает все живое рядом с ними.

А вот люди, как ни странно, переживут. В отличие от других животных, для которых стерильность означает быструю гибель, мы протянем недели, месяцы, даже годы. Наше здоровье в конце концов ухудшится, но поначалу нам будет не до того. Количество отходов начнет быстро расти, ведь разлагают их именно микробы. Вместе с остальными травоядными млекопитающими вымрет домашний скот. Об урожае тоже можно будет забыть: микробы вырабатывают необходимый растениям азот, а без него они исчезнут. (В этой книге будут рассматриваться только животные – примите мои глубочайшие извинения, любители ботаники.) «Думаем, что в течение года общество ждет полный коллапс, ведь пищевая цепочка катастрофически нарушится, – написали микробиологи Джек Гилберт и Джош Нойфельд, тщательно обдумав этот гипотетический сценарий^[17]. – Большая часть видов на Земле вымрет, а численность тех, что выживут, значительно сократится».

Микробы важны. Мы их игнорировали. Мы боялись их и ненавидели. Настало время оценить их по достоинству, ведь, если этого не сделать, мы не сможем понять собственное тело. В этой книге я покажу вам, как на самом деле выглядит царство животных и насколько более удивительным оно начинает казаться, если рассматривать его как мир непрерывного сотрудничества, коим оно в действительности является. Это рассказ об истории природы, который расширит уже имеющиеся знания о ней, полученные от величайших исследователей прошлого.

В марте 1854 года британец Альфред Рассел Уоллес, разменяв четвертый десяток, отправился в грандиозный круиз по островам Малайзии и Индонезии^[18]. За восемь лет он повстречал на своем пути огненно-рыжих орангутанов, кенгуру, скачущих вокруг деревьев, великолепных райских птиц, огромных бабочек-птицекрылок, свиней-бабирусс, чьи бивни прорастают сквозь рыло, и даже лягушку, планирующую от дерева к дереву на лапах-парапланчиках. Все эти потрясающие существа попали в коллекцию Уоллеса, состоящую из более 125 тысяч экспонатов, – там и ракушки, и растения, и тысячи различных насекомых на булавках, а еще шкуры и чучела птиц и млекопитающих. В отличие от других коллекционеров Уоллес присвоил каждому экспонату бирку с указанием, где именно был собран тот или иной образец.

Место поимки было крайне важно. Благодаря этим деталям Уоллес смог выявить закономерности. Он заметил, например, что в определенных местах животные отличаются значительным разнообразием, даже в пределах своего же вида. Выяснил, что на некоторых островах обитают уникальные виды животных. А во время путешествия от Бали до Ломбока – между ними всего 35 километров – он отметил, что животный мир Азии резко сменялся совсем не похожей на него фауной Австралазии, словно эти два острова были разделены невидимым барьером (позже его назовут линией Уоллеса). Нынче Уоллеса вполне заслуженно называют отцом биогеографии – науки о распространении разных видов на нашей планете. Однако, как утверждает Дэвид Куаммен в своей книге «Песнь додо», «биогеография в руках осмотрительных ученых отвечает не только на вопросы, какой это вид и где он обитает, но и почему. И что иногда еще более важно – почему нет»^[19].

Изучение микробиомов начинается точно так же: первым делом нужно перечислить микробиомы разных животных или разных участков тела на одном животном. Где какие виды обитают? Почему? И почему не обитают там, где не обитают? Перед тем как заняться исследованием их влияния на организм, нужно обратиться к их биогеографии. Исследования Уоллеса и его коллекция позволили ему сформулировать самый важный постулат биологии: виды изменчивы. «Возникновение каждого вида совпадает в пространстве и во времени с уже существующим близкородственным видом», – писал он много раз, иногда курсивом^[20]. Животные постоянно соревнуются между собой, а сильнейшие из них выживают и размножаются, передавая свои преимущества своему потомству. Иными словами, они эволюционируют путем естественного отбора. Это стало самым важным озарением за всю историю науки, а ведь началось все с неутомимого желания узнать больше об окружающем мире и исследовать его, а также со склонности подмечать, кто где живет.

Кроме Уоллеса по миру в поисках сокровищ природы скитались и многие другие натуралисты. Чарлз Дарвин совершил кругосветное путешествие на борту корабля «Бигль»: за пять лет он обнаружил окаменевшие кости гигантских ленивцев и броненосцев в Аргентине, встретил гигантских черепах, морских игуан и разнообразных пересмешников с Галапагосских островов. Его приключения и коллекции заронили интеллектуальные семена той же идеи, что дала ростки и в мыслях Уоллеса, – теории эволюции, которая позднее станет неразрывно связана с именем Дарвина. Томас Генри Гексли, которого окрестили «бульдогом Дарвина» за активную пропаганду идеи естественного отбора, побывал в Австралии и Новой Гвинее, где изучал морских беспозвоночных. Ботаник Джозеф Хукер добрался аж до Антарктиды, по пути собирая образцы растений. А уже совсем недавно Эдвард Осборн Уилсон, закончив изучать муравьев Меланезии, написал учебное пособие по биогеографии.

Многие считают, что эти знаменитые ученые обращали внимание лишь на видимый мир животных и растений, игнорируя скрытый мир микробов. Это не совсем так. Дарвин, несомненно, пополнил свою коллекцию микробами, попавшими на палубу «Бигля», – он их называл инфузориями^[21]. Также он вел переписку с ведущими микробиологами^[22]. С оборудованием того времени у него попросту не было возможности углубиться в эту тему.

А вот современные ученые способны собирать образцы микроорганизмов, разделять их на части, извлекать ДНК и распознавать их путем секвенирования генов. Таким образом, они делают все то же самое, что и Дарвин с Уоллесом в свое время. Они собирают образцы в разных местах, опознают и задают главный вопрос: что где живет? Они тоже занимаются биогеографией, только в другом масштабе. На смену размахиванию сачком для бабочек приходят аккуратные мазки ватной палочкой. Прочесть данные генома – все равно что пролистать определитель. А день, проведенный в зоопарке, можно сравнить с путешествием на «Бигле» – он шел от острова к острову, а микробиологи переходят от вольера к вольеру.

Дарвин, Уоллес и их коллеги относились к островам с особым любопытством. Оно и понятно – ведь самые причудливые и прекрасные формы жизни встречаются именно там. Благодаря изоляции островов от окружающей природы и их ограниченным размерам эволюция там может разгуляться на всю катушку. Принципы, по которым работает биология, там проявляются куда четче, чем на обширном материке по соседству. Но остров – это не только окруженный водой участок суши. Для микробов любой организм-хозяин является островом – целым миром, вокруг которого пустота. Рука, которой я глажу Бабу в зоопарке Сан-Диего, – это плот, на котором микроскопические обитатели острова-человека переезжают на остров-панголин. Взрослый человек, слегший с холерой, – словно остров Гуам, захваченный завезенными туда змеями. Человек – не остров? А вот и неправда: для бактерий мы все – острова^[23].

Каждый из нас обладает своим собственным уникальным микробиомом. Его формируют унаследованные нами гены, принятые лекарства, рукопожатия, возраст, а также то, где мы жили и что мы ели. В плане микробов мы очень похожи, но при этом такие разные. Когда микробиологи только занялись составлением полного списка человеческих микробов, они планировали открыть некую основу микробиома – группу видов, обитающих в организме каждого. Сейчас сам факт существования такой основы является спорным^[24]. Некоторые виды встречаются часто, но не везде. Если основа и есть, то на уровне функций, а не организмов. Есть определенные задачи, например, переварить некие питательные вещества или исполнить какой-нибудь особый метаболический трюк, и выполняют их всегда микробы – вот только не одни и те же. Эту же тенденцию можно наблюдать и в мире животных. Птицы киви в Новой Зеландии роются в мусоре в поисках червей, а в Англии этим занимаются барсуки. Тигры и дымчатые леопарды – гроза лесов на Суматре, тем временем на Мадагаскаре, где кошачьи не водятся, ту же роль выполняют фоссы, млекопитающие из семейства мадагаскарских виверр, а на Комодо главным хищником в пищевой цепочке является огромный варан. Одни и те же задачи выполняются разными видами на разных островах. Острова эти могут представлять из себя как участки суши, так и разных людей.

На самом деле человек скорее напоминает архипелаг – цепочку островов. На каждом отдельном острове Галапагосов обитают свои разновидности вьюрков и черепах, а на каждой части нашего тела – своя микробная фауна. На коже микробиом по большей части состоит из бактерий Propionibacterium, Corynebacterium и Staphylococcus; Bacteroides правят в кишечнике, Lactobacillus – во влагалище, а Streptococcus – в полости рта. В самих органах бактерии тоже неоднородны. Микроорганизмы, обитающие в начале тонкой кишки, отличаются от тех, что проживают в прямой кишке. Над десневым краем и под ним живут разные микробы. Жирные участки на лице и груди заселили одни микробы, жаркие и влажные заросли в области паха и под мышками – другие, а третьи захватили сухие пустыни на предплечьях и ладонях. Кстати, о ладонях: население вашей правой ладони всего на одну шестую совпадает с населением левой^[25]. Разница между частями тела в этом плане во много раз превосходит разницу между людьми. Проще говоря, бактерии у вас на предплечье больше напоминают бактерий на моем предплечье, чем у вас же во рту.

Микробиом меняется не только территориально, но и со временем. Когда ребенок при рождении покидает идеально чистый мир маминого живота, его тело сразу заселяют вагинальные микробы матери. Почти три четверти штаммов микроорганизмов новорожденного совпадают с материнскими. Затем начинается экспансия. Ребенок получает новые виды бактерий от родителей и окружающего мира, и микробиом его кишечника постепенно становится все разнообразнее^[26]. Главенствующие в кишечнике виды сменяют друг друга, ведь рацион младенца меняется: на смену Bifidobacterium, специализирующимся на переваривании молочных продуктов, приходят Bacteroides, любители углеводов. Вместе с микробами меняется и их поведение. Они начинают производить разнообразные витамины и подготавливают кишечник к перевариванию взрослой пищи.

Это очень бурный период, но его этапы вполне предсказуемы. Представьте, что будет происходить в лесу после пожара или на новорожденном острове, только что высунувшемся из океана на поверхность. И там, и там вскоре появятся самые незамысловатые обитатели – мхи и лишайники. За ними подтянутся трава и мелкие кустарники, а потом и деревья. Экологи называют этот процесс сукцессией, или сменой сообществ, и к микробам данное понятие тоже применимо. Микробиому новорожденного требуется от одного до трех лет, чтобы достичь зрелого состояния, а потом наступает стабильность. Да, микробиом меняется изо дня в день, от рассвета до заката, даже от обеда к ужину, но эти изменения ничтожны по сравнению с теми, что произошли в первые годы жизни. Микробиом взрослого человека динамичен, но лишь на фоне общей стабильности^[27].

У разных животных смена микробных сообществ происходит по-разному, потому что мы – довольно привередливые хозяева. Колонизировать нас дано не любым микробам, а тем, что дано, мы можем сами подбирать товарищей. Как именно это делается, мы узнаем чуть позже, а пока будем иметь в виду, что микробиом человека отличается от микробиома шимпанзе, который отличается от микробиома гориллы, – примерно как леса Борнео с орангутанами, карликовыми слонами и гиббонами не похожи на леса Мадагаскара с лемурами, фоссами и хамелеонами, а те, в свою очередь, на леса Новой Гвинеи с райскими птицами, валлаби и казуарами. Мы знаем об этом благодаря ученым, которые прошлись ватной палочкой по всему животному миру. Они описали микробиомы панд, валлаби, комодских варанов, дельфинов, лори, дождевых червей, пиявок, шмелей, цикад, погонофор, тлей, белых медведей, дюгоней, питонов, аллигаторов, мух цеце, пингвинов, попугаев какапо, устриц, капибар, летучих мышей, морских игуан, кукушек, индеек, грифов-индеек, павианов, палочников и многих других животных. Они секвенировали микробиомы новорожденных, недоношенных, детей постарше, взрослых, пожилых, беременных женщин, близнецов, жителей крупных городов США и Китая, деревенских жителей из Буркина-Фасо и Малави, охотников и собирателей из Камеруна и Танзании, никогда прежде не контактировавших с цивилизованным миром представителей амазонских племен, стройных и полных людей, а также здоровых и больных.

Подобные исследования сейчас набирают обороты. Микробиология существует уже не один век, но в последние несколько десятилетий она кардинально ускорила шаг благодаря развитию технологий и осознанию того, что микробы, оказывается, имеют значение – особенно в плане здоровья. Ведь именно они отвечают за то, как наш организм воспринимает прививки, сколько энергии дети получают из пищи и в какой степени рак у больных поддается лечению. Многие болезни, в том числе ожирение, астма, рак толстой кишки, диабет и аутизм, сопровождаются изменениями в микробиоме, а значит, можно предположить, что эти микробы как минимум служат признаком болезни, а как максимум – ее причиной. Если причиной, то, возможно, нам удастся существенно укрепить здоровье, внеся определенные изменения в свои сообщества микроорганизмов – можно добавлять и уничтожать различные виды, пересаживать целые сообщества из организма одного человека в организм другого и даже создавать искусственные микроорганизмы. Можно даже управлять микробиомами других животных – разрушать партнерства, позволяющие червям-паразитам заражать нас жуткими тропическими болезнями, и создавать новые симбиозы, позволяющие кровососущим насекомым самим бороться с вирусом, вызывающим лихорадку денге.