Жизнь головоногого моллюска Euprymna scolopes омрачают некоторые трудности: у берегов Гавайев при лунном свете он слишком заметен для хищников, проплывающих под и над ним. Вскоре после появления на свет эти моллюски собирают светящиеся бактерии вида Aliivibrio fischeri и позволяют им поселиться в покрытой слизью специальной сумке, которая полностью созревает лишь после взаимодействия с микробами. По ночам микробы светятся так ярко, что оптически их хозяин безопасно сливается с поверхностью. Днем, однако, их нерегулируемая яркость – это фактор риска. В связи с этим моллюск днем выпускает бактерии, оставляя внутри только дежурный отряд, который к ночи снова размножается до полноценной армии микробов.

Такого рода взаимодействие между многоклеточными и микробами встречается часто, однако динамичный морской дуэт, описанный выше, представляет собой особенно удачный пример для изучения. Как правило, многоклеточные хозяева сращиваются с сотнями видов микробов, образуя так называемый холобионт. Иными словами, хозяева образуют тесное единство с живущим внутри микробиомом, который населяет все аутогенные экосистемы высших организмов. Это взаимодействие настолько близкое, что сложно до конца понять, разрешаем ли мы поселиться микробам или это они выбирают для себя многоклеточных.

Долой индивида, слава холобионту! Еще не поставлена точка в вопросе соотношения сил внутри холобионта, однако концепция автономности многоклеточного организма уже считается устаревшей. Понять столь крепкие взаимосвязи в сообществе живых организмов можно только с точки зрения всего микробиома, и в качестве модели здесь напрашивается полип – пресноводная гидра. Дело упрощается тем, что ее уже исследуют в лабораториях, в первую очередь из-за ее выдающихся способностей к регенерации. С помощью нее полипы могут восстановить свое тело полностью из отдельных фрагментов. Гидра в некоторых аспектах похожа на человеческий кишечник. Она может пролить свет на процесс нашего превращения в холобионта.

Равно как и ткань в толстом кишечнике, полип снаружи покрыт многослойным гелем, в котором выделяются два явных слоя. У него рядом с тканью также расположена запретная зона для микробов, однако те все равно находят убежище во внешнем слое. Четкое разделение слизи на разные барьеры и среды обитания можно найти как в кишечнике, так и у полипов, но гидра их применяет по-своему. Вспомним: патогены в кишечнике сталкиваются с двухслойным гелем слизистой оболочки, под которой у стенки кишечника их ждет гликокаликс – плотное гелевое покрытие клеток. У гидр, напротив, есть лишь гликокаликс, крепко связанный с клетками и в одиночку создающий двухслойный барьер.

Иными словами, эволюция вынуждает многоклеточные организмы защищаться от патогенов с помощью слизи, при этом позволяя микробиому находиться рядом, но на определенной дистанции. То, какой именно гель производит слизистый барьер, не так уж важно, хотя он представляет собой самую значимую пограничную поверхность между организмом и окружающей средой. Этот барьер символизирует нашу разборчивость во взаимоотношениях с микробами, которых мы делим на заклятых врагов и старых друзей, хотя и те, и другие при идеальном раскладе должны находиться от нас на безопасном расстоянии. Все это заставляет задуматься о том, какое тесное и строго контролируемое взаимодействие между нами и микробами развилось в ходе эволюции.

Покрытые слизью поверхности свойственны высшим организмам вот уже на протяжении пятисот шестидесяти миллионов лет. Многие ученые считают их появление серьезным рубежом в эволюции настоящей многоклеточности, а может, даже ее предпосылкой. Настоящий многоклеточный организм – это не только совокупность клеток, но и различные органы и ткани. Ранние представители и пионеры обширных слизей – это гребневики (Ctenophora), стрекающие (книдарии – Cnidaria), то есть кораллы, медузы и актинии (морские анемоны) с настоящими тканями. Тогда как у губок отсутствуют слои геля, ткани, органы, а также явная граница с окружающей средой. Клетки губок просто находятся в желеобразном матриксе.

Эволюция губок – предмет спора. Есть основания полагать, что они произошли от морских одноклеточных. Эти предполагаемые предшественники, должно быть, схожи с сегодняшними хоанофлагеллятами или воротничковыми жгутиконосцами, обитающими в море. Тот, кто хочет увидеть связь между губкой и одноклеточным организмом, должен к ним присмотреться. Важнейший вид губок – это хоаноцит, как две капли воды похожий на хоанофлагеллята. Более того, он также вылавливает из воды органические частицы со слизью. Одноклеточные организмы, впрочем, тоже могут присоединиться к команде. Хоанофлагелляты ведут себя характерным образом, когда чувствуют в воде сигнальное вещество нужной им добычи. В таком случае клетка делится, однако дочерние клетки остаются связанными молекулярным клеем внеклеточного матрикса и собственными гелевыми оболочками. Вместе они принимают форму розетки, что позволяет им эффективно охотиться.

Все это может свидетельствовать об общем происхождении, из которого выделились две ветви: одна ведет к одноклеточным хоанофлагеллятам, способным к колониальному существованию, а другая – к многоклеточным губкам, не имеющим возможности стать одноклеточными. Это связано с тем, что их хоаноциты не могут своевольно отделиться от организма губки. И снова мы видим ключевую роль микробов, проявляющуюся как в том, что они способствуют образованию розетки, так и в том, что они составляют вплоть до половины массы у губок. В этом можно найти ответ на вопрос об эволюционном значении обширных слизей.

Хотя губки обладают муциноподобными свойствами, у них отсутствует граница с окружающим миром в виде гидрогеля. Это означает, что с морской водой в их организм беспрепятственно могут попасть микробы. При постоянной угрозе нападения организм не может создать органы и ткани. Более того, ему приходится использовать агрессивные вещества, чтобы обороняться от захватчиков, а этот момент уже давно интересует ученых. Столь же ранние организмы, такие как гребневики и стрекающие, напротив, контролируют контакты их поверхностей с океаном с помощью обширных слизей. Это создает достаточно закрытую среду, что позволяет им впускать микробов в очень ограниченном количестве, а также придирчиво подбирать микробиом самостоятельно.

Итак, слизистому барьеру мы обязаны своим существованием, а если точнее, то наличием кишечника и, что неожиданно, легких. Выступ кишечной трубки превратился в респираторную поверхность для дыхания. Это дало нам возможность жить на земле и создало в процессе эволюции наши легкие. Этому есть свидетели-современники: двоякодышащие – это самые старые ныне живущие предшественники четвероногих позвоночных. Они дышат воздухом и имеют клетки с волосовидными отростками. Это так называемые реснички: они передвигаются все вместе и переносят слизь. У двоякодышащих Protopterus aethiopicus они находятся как в кишечнике, так и в передней части легких, что подчеркивает эволюционное родство этих органов.

Это наследие, которое мы до сих пор храним в себе. Хотя реснички и отсутствуют в человеческом кишечнике, они есть в дыхательных путях, где они помогают избавиться от слизи, наполненной микробами и вредными веществами. Это напоминает зубную пасту на щетке, поскольку сами реснички находятся в специальной антимикробной жидкости, покрытой двухслойным гелем. Нижний слой более проницаем, тогда как вязкая слизь, в которой как в клее застревают патогены и вредные частицы, находится сверху. Реснички должны свободно передвигаться в этой водянистой среде, но при этом им нужно иметь точный доступ к слизи, которую им придется уносить. Если гель слишком сильно давит на реснички, этого не получится.

При многих заболеваниях дыхательных путей и при хронических заболеваниях, таких как муковисцидоз, невозможно избавиться от нездоровой вязкой и клейкой слизи. Следствием этого является воспалительная реакция, при которой высвобождаются молекулы, притягивающие опасных возбудителей, таких как Pseudomonas aeruginosa. Они предпочитают селиться в геле, при этом повреждая ткани. Между тем есть указания на то, что производимая в избытке особо плотная слизь может вести к рубцеванию легкого и частичной потере им своей функции.

Все обширные гидрогелевые оболочки должны препятствовать попаданию патогенов в организм, приманивая и обманывая их. Одновременно они должны давать приют микробиому. Если задачи так похожи, то почему же гидрогели такие разные? Потому что они покрывают различные пограничные поверхности, выполняя помимо защиты еще и другие функции. Гидрогели к этому приспособлены. Гелевая оболочка на внешней поверхности наших глаз, к примеру, тонкая и прозрачная, чтобы не создавать помех зрению. Она в качестве смазывающего средства помогает веку подниматься при моргании и не приклеиваться к влажному глазу. На противоположном конце спектра находится слизистая пробка маточного зева, которая в ходе менструального цикла, в зависимости от фертильных дней, либо уменьшается, либо увеличивается, а также меняет степень пористости.

Полезные микробы непреклонны по отношению к патогенам и благожелательны по отношению к заселившимся соседям, и только при их потере становится очевидно, насколько важные функции они выполняют для человека. Без микробиома полип гидра погибает, как правило, от грибковой инфекции, даже если в него заселяются новые бактерии. Состав микробов должен быть полным, однако какая комбинация подходит? Никакой микробиом не заложен заранее и не статичен. На его состав влияет индивидуальное строение хозяина, его иммунная система, слизистые барьеры, диета, болезни, а также контакты с представителями того же вида. Следовательно, микробиом – явление исключительно индивидуальное и может меняться до пожилого возраста.

Едва ли можно определить идеальный микробиом или состав микробов с наиболее широким спектром действия. Многообразие экосистемы человека делает его более устойчивым к различным угрозам. Подобное многообразие, правда, характерно лишь для доиндустриальных обществ. Сейчас же мы приносим микробное разнообразие в жертву очередной жесткой диете, чрезмерной гигиене и антибиотикам. Также дополнительными разрушающими факторами являются стресс и инфекции. Дисбактериоз – это систематическое отсутствие разнообразия бактерий, имеющее значение при многих заболеваниях, таких как астма и аутизм, а также аутоиммунных заболеваниях и диабете второго типа.

Если в кишечнике нарушается баланс, это может быть на руку таким опасным микроорганизмам, как бактерия Clostridium difficile. Антибиотики – это незаменимые вещества, но их надо употреблять с умом, поскольку они наносят ущерб нашему микробиому. Именно при таких обстоятельствах активизируются патогены, с которыми многие ошибочно пытаются справиться с помощью новых антибиотиков. В противовес этому существует иной, достаточно нестандартный метод – трансплантация фекальной микробиоты. В этом случае пациенту пересаживается фекальный материал здорового родственника, что закладывает основу нового, здорового микробиома. При таких возбудителях, как Clostridium difficile, шансы на успех этого метода очень высоки. Этот способ в будущем должен быть использован и при других видах дисбактериоза.

Развитие микробиома подвержено опасностям с самого начала. Многие матери дают своему потомству первичный запас микробов. Аналогично поступают растения со своими семенами и животные со своими яйцами. Микробное нападение на человеческого детеныша начинается в момент рождения. Кесарево сечение меняет порядок заселения ребенка микробами, потому что он сталкивается с микроорганизмами кожи матери, а не кишечника и влагалища. Насколько это влияет на здоровье ребенка в дальнейшем и влияет ли вообще, остается неясным. По крайней мере, молоко матери снабжает ребенка бактериями кишечника и муцинами для защиты от патогенов. После получения первичной дозы микробов ребенку нужно поддерживать свой микробиом самостоятельно. При этом на состав микробиома человеку можно повлиять лишь в ограниченной степени.

Дежурная группа микробов необходима, в том числе потому, что они выполняют определенные фундаментальные функции. При необходимости на помощь приходят специалисты. В кишечнике такая необходимость определяется прежде всего диетой. Одно исследование показало, что в кишечниках контрольной группы людей из Америки предпочтение отдавалось бактериям, помогающим переваривать продукты как с высоким содержанием жиров, так и протеинов. У группы испытуемых из сельских частей Африки, наоборот, предпочтение было в сторону бактерий, разлагающих углеводы, содержащиеся в бобах и других сортах овощей. Через две недели после зеркальной смены диеты американцы стали показывать «африканские» результаты в микробиоме кишечника, в целом также улучшив показатели по здоровью.

Одновременно представители из Малави благодаря картошке, бургерам и хот-догам впервые показали «американские» характеристики в плане микробов, в том числе слегка повышенные показатели риска диабета и рака толстого кишечника.

Микробиом без устали дежурит на посту у всего организма. Почему же мы сами не выполняем эти задачи? Согласно одной теории, ранние многоклеточные, возможно, были перегружены растущими требованиями своего сложного организма. Следовательно, в пищеварении, например, они переложили часть задач на микробов – отдали, так сказать, на аутсорсинг. Взамен они предложили микробам поверхности своего организма в качестве жизненного пространства, а с ним защиту и пропитание вдобавок. Возникает вопрос, был ли у многоклеточных выбор вовсе. Первые животные появились в мире, в котором к тому моменту уже три миллиарда лет доминировали бактерии. Бактерии были центральной составляющей нашей окружающей среды и использовали новичков как гостеприимную среду обитания. Есть вероятность того, что микробы и вовсе дали первоначальный толчок нашему развитию.