Какова роль бактерий в эволюции?
На протяжении всех этапов развития жизни – от микробов до появления вида Homo sapiens – на Земле всегда присутствовали бактерии. За миллиарды, миллионы, тысячи и сотни лет бактерии стали частью всех других форм жизни.
Другими словами, издавна все виды живых существ плотно взаимодействовали с бактериями, сливались с ними для образования новых форм жизни. То же относится и к людям. Мы в процессе эволюции сблизились с бактериями до такой степени, что они стали ощутимо присутствовать в наших телах и даже в наших клетках. Если проникнуть в клетку (или органеллу клетки) любого животного или растения, то там мы повстречаем бактерии.
По словам микробиолога доктора Марии Домингез Белло из университета Нью-Йорка, «наши собственные клетки действительно представляют собой объединение бактерий и других предшествующих клеток. В наших клетках присутствуют бактериальные компоненты, а именно митохондрии – это бывшие бактерии, которые проникли в другие клетки».
Получается, что митохондрии (элементы каждой клетки человека) – это потомки бактерий. Каждую митохондрию можно назвать прапраправнучкой отдельно существующей бактерии. Когда-то одна из таких свободно живущих бактерий слилась или была поглощена другой клеткой. Такая клетка получила преимущество, так как самостоятельная бактерия стала митохондрией, органеллой, производящей столь необходимую энергию. Митохондрия также извлекла пользу из нового положения, оказавшись в защищенном, богатом питательными веществами доме. Однако бактерии живут не только в заточении человеческих клеток. Триллионы бактерий живут вне клеток, заполняя, покрывая и окружая все наше тело.
То есть наши тела состоят не только из человеческих клеток. Они также полны бактерий. Фактически тело человека – это сложная экосистема, где клетки и микроорганизмы сосуществуют рядом друг с другом. Можно сказать, мы все частично люди, а частично – бактерии. Как говорит доктор Домингез Белло, «когда мы приходим к этому пониманию, каждый индивид начинает восприниматься нами как составная композиция. Мы по большому счету – ходячая экосистема».
Что представляет собой микробиом человека?
Будучи директором программы «Микробиом человека» в университете Нью-Йорка и автором книги «Плохие бактерии, хорошие бактерии» (Missing Microbes), доктор Мартин Блейзер является одним из основных специалистов по микробиому человека в мире. Он описывает микробиом как «все организмы, живущие в теле человека: бактерии, грибы, вирусы и так далее. Это организмы, живущие внутри и на поверхности нашего организма, для них он является домом».
До недавнего времени считалось, что в теле человека живет около ста триллионов бактерий, а клеток человеческого тела десять триллионов. То есть соотношение между микробами и клетками составляет 10:1; ученые говорили, что человек на 90 % состоит из микробов и лишь на 1 % – из человеческих клеток. Общую массу всех бактерий оценивали всего в один килограмм, что примерно равнозначно весу мозга.
Недавно ученые пересмотрели расчеты. Стало известно, что усредненные цифры не работают, так как соотношение бактерий и клеток зависит от размера человека и даже, возможно, от того, что человек только что съел [8]. Соотношение может быть и 100:1 (в 100 раз больше микробов, чем клеток), и 1:1 (равное количество бактерий и клеток). Но какой бы ни была точная пропорция, бактерий в теле каждого из нас предостаточно!
На этом история не заканчивается: тысячи различных видов бактерий, живущих снаружи и внутри нас, вместе несут весомую часть генетического материала.
Напомним, что в организме человека содержится от 20 до 25 тысяч генов, совокупность этих генов известна как геном человека, он заключает в себе все программы роста и развития человеческого организма.
В то же время микробы, населяющие нас, также имеют свой геном. Исследователи проекта «Микробиом человека» посчитали, что «микробный геном состоит примерно из восьми миллионов уникальных кодирующих белки генов, или, другими словами, в нас в 360 раз больше бактериальных, чем человеческих генов» [9]. Если этот расчет верен, то наши бактерии несут в себе в несколько сот раз больше генетического материала, чем наши гены.
Лесли Пейдж, на момент написания книги избранная президентом Королевского колледжа акушерок, так описывает свои чувства относительно того, что мы больше бактериальные, нежели человеческие существа: «Как будто мы обнаружили новый неизведанный ранее мир, и теперь я смотрю на себя по-другому. Я и раньше знала, что на моей коже, в кишечнике живут микроорганизмы, но осознание того, что они несут в себе больше генетического материала, чем мои собственные гены, теперь больше сближает меня с Вселенной».
Где в наших телах находятся бактерии?
Бактерии обитают на тех частях тела, которые контактируют с внешним миром. Снаружи это кожа, внутри – рот, горло, дыхательные пути и легкие, куда некоторое количество микробов попадает при дыхании. Подсчитано, что с каждым вдохом человек вдыхает около 50 бактерий: это 600 в минуту, 36 000 в час и более 860 000 вдыхаемых микроорганизмов в день [10].
Бактерии живут в наших глазах, ушах и носу – во всех тех «окнах», через которые микробы попадают в организм человека и колонизируют его. Исторически считалось, что в норме моча стерильна. Однако последние достижения в секвенировании генов показали, что в моче здорового человека в ограниченном количестве присутствуют микроорганизмы [11]. В почках бактерий быть не должно, но при воспалении мочевого пузыря или мочевыводящих путей микробы поднимаются наверх по мочеиспускательному каналу, попадают в мочевой пузырь и далее могут инфицировать почки. Что касается других органов и тканей, таких как кровь, сердце, печень, поджелудочная железа и яичники, то в этой области все еще продолжаются исследования с целью выяснить, являются ли они в норме стерильными или нет.
Мозг всегда считался стерильным органом, но и здесь в последнее время появляются новые данные. Ученые, изучавшие вопрос, является ли мозг людей с ВИЧ (СПИД) более подверженным инфекциям, обнаружили, что бактерии находились в образце каждого мозга, который они изучали, независимо от ВИЧ-статуса [12]. Никто пока с уверенностью не может описать процесс, как бактерии преодолевают гематоэнцефалический барьер, но их популяции точно есть в мозге.
Возвратимся к перечислению мест обитания бактерий в нашем организме: у женщин во влагалище живет множество бактериальных колоний. Этот влагалищный микробиом чрезвычайно важен, так как он представляет собой резервуар микробов для будущих поколений. Во время беременности плацента также становится местом обитания небольших колоний. Подробнее микробные колонии, представленные во влагалище и плаценте, мы рассмотрим в следующей главе.
Очень важно, что микробы также заселяют каждый сантиметр желудочно-кишечного тракта (или кишечника) человека, все девять метров в длину [13]. (Заметим, что общая площадь поверхностей органов пищеварения составляет площадь футбольного поля.) Желудочно-кишечный тракт человека включает в себя органы, начиная с ротовой полости и расположенные ниже: желудок, тонкий кишечник, толстый кишечник и анус. По сути, это полая трубка, по которой пища перемещается сверху вниз. Внутреннюю поверхность трубки покрывает тонкая слизистая оболочка, состоящая из эпителия (слой эпителиальных клеток), соединенного с рыхлой соединительной тканью (собственная пластинка подслизистой оболочки кишечника), под которой располагается гладкомышечный слой, который помогает пищевому комку перемещаться по кишечнику. Вместе эти слои образуют барьер, отделяющий содержимое кишечника от остальных частей тела [14].
