Микроб гениальности глазами микробиолога и психиатра. Междисциплинарное путешествие

Итак, в атмосфере уже появился свободный кислород, но еще долго единственными жителями нашей планеты были бактерии и вирусы. Если рассматривать время от момента появления жизни и до наших дней, то две трети этого периода они были единственными представителями живого мира. Потом стали появляться более сложно устроенные одноклеточные организмы (эукариоты), а потом и многоклеточные, к которым мы с вами, дорогой читатель, относимся.

Так вот, за это время бактерии уже успели освоить все экологические ниши, и стали вездесущими и полноправными хозяевами Земли (даже сейчас это самая многочисленная группа живых существ на планете, после вирусов конечно). В настоящее время они населяют самые разнообразные, а порой даже экзотические места. Бактерии можно встретить практически везде – в полярных льдах и горячих источниках, в дистиллированной воде и в воде Мертвого моря, на дне глубочайших впадин Тихого океана, даже в земле на глубине 6—7 км и высоко в атмосфере. Некоторые из них прекрасно чувствуют себя в воде, охлаждающей ядерные реакторы и даже космосе. Микроорганизмы играют чрезвычайно важную роль в жизни планеты. Они участвуют в круговороте углерода, азота, серы; увеличивают плодородие почв, фиксируя азот из воздуха и обогащая им почву; поддерживают газовый состав атмосферы; разлагают останки животных, растений.

Существование микромира определяет жизнь макромира на Земле. Выдающийся французский ученый Луи Пастер писал по этому поводу: «Микробы – бесконечно малые существа, играющие в природе бесконечно большую роль».

Когда же появились многоклеточные организмы (не без прямого участия бактерий и вирусов), то для бактерий это означало появление новых экологических ниш, новых «terra incognita», которые они взялись активно осваивать…

Рис. 1.9. Незваная компания

А теперь представьте себе ситуацию: сидите вы дома, чай ароматный попиваете, читаете, быть может, книжку увлекательную или какими-нибудь другими интересными делами занимаетесь. И вдруг дверь ваша под напором трещит и ломается, а к вам вваливается некто, да не один, а с компанией, и они начинают активно поглощать ваши запасы, занимать вашу же жилую площадь и уже хищно так на вас поглядывать. Что вы будете делать в таком случае:

а) продолжите чаепитие;

б) предложите нежданным гостям торт;

в) попытаетесь избавиться от пришельцев и все восстановить.

Что-то нам подсказывает, что читатель выберет ответ (в). Так поступали и древние многоклеточные. В процессе этой бесконечной борьбы у многоклеточных появились факторы и механизмы, позволяющие им эффективно противостоять мощной интервенции. Это то, что сейчас мы называем защитными силами организма или иммунитетом. А что же бактерии? Они вынуждены были разделиться на группы в зависимости от своих возможностей. Некоторые из них не смогли приспособиться к условиям существования в живых организмах и остались свободноживущими.

Другие бактерии смогли «договориться» с многоклеточными, так возникла группа симбионтных8 бактерий. Правда, разные группы бактерий и здесь разделились, и «подписали» разные соглашения со своими (уже партнерами!) многоклеточными. Так, некоторые бактерии, взамен крова и пищи, которые предоставляет хозяин, тоже взяли на себя некоторые обязательства – вырабатывать полезные вещества или выполнять защитную функцию. Союз этот оказался настолько полезным, а услуги оказываемые микробами настолько важными, что закрепились в ходе естественного отбора. Бактерии, «выбравшие» вариант отношений с хозяином, построенный на взаимовыгодных условиях называют мутуалистами. Другие бактерии – комменсалы, находят для себя приемлемыми условия существования в организме более крупных существ и без причинения ущерба хозяину используют то, что ему не нужно. Мутуалисты и комменсалы сформировали особую «касту» бактерий, которая являет собой неотъемлемую часть организма многоклеточных – микробиоту. О ней мы расскажем чуть позже. Среди симбионтных бактерий выделилась еще одна группа – паразиты. Представители этой группы активно используют ресурсы макроорганизма, т.е. питаются и размножаются за его счет, при этом наносят вред – повреждают органы и ткани, тем самым вызывая заболевания.

1.2. Кто в теле хозяин

Итак, на заре эволюции появилась новая экологическая ниша для микробов – многоклеточные организмы. Эту нишу вскоре освоили различные представители микробного мира: бактерии, археи, вирусы, микроскопические грибы и простейшие. Союз многоклеточных и микробов оказался эффективным и полезным для обеих сторон, и закрепился в ходе естественного отбора. В настоящее время, эволюционно сложившуюся совокупность микроорганизмов, максимально адаптированных к жизни в организме многоклеточных, принято называть микробиотой. У нас с вами, дорогой читатель, она тоже имеется. Зачем они нам нужны? Какую пользу приносят? Не лучше ли обойтись без них? Попробуем разобраться в этих вопросах.

Пожалуй, первым, кто обратил внимание на роль микробиоты в организме человека, был Илья Ильич Мечников. Одним из его научных интересов была проблема преждевременного старения человека. В своих работах, посвященных этой проблеме, он выдвинул теорию о том, что причиной старения прежде всего является толстый кишечник человека, а именно токсичные вещества, которые там образуются при расщеплении белковых продуктов гнилостными микробами. Он считал толстый кишечник рудиментарным органом и даже предлагал его удалять. Вместе с тем, Илья Ильич считал, что в кишечнике живут как вредные микробы (гнилостные), так и полезные. К последним он относил «болгарскую палочку» (лактобактерии) и был уверен, что эти благородные бактерии защищают кишечник от вредных и препятствуют старению. Он небезуспешно пропагандировал обязательное употребление кисломолочных продуктов на собственном примере. В аптеках того времени можно было встретить препараты с болгарской палочкой (см. рис. 1.10). Так что, И. И. Мечников был первым, кто впервые обосновано использовал лактобактерии для коррекции микробиоты. Кстати, сейчас такие препараты, содержащие живые симбионтные микроорганизмы (лактобактерии, бифидобактерии, пропионибактерии и др.), называют пробиотиками.

Рис. 1.10. Фотография рекламы из аптеки-музея г. Евпатория (Майа-йогурт Таблетки д-ра Трайнера. Болгарские палочки, рекомендованы медицинскими авторитетами, проф. Мечниковым и др.) при всех острых и катаральных заболеваниях желудочно-кишечного канала, особенно при вздутии живота, при катарах кишок, плохом пищеварении, заболеваниях и воспалениях печени и желчного пузыря, при камнях в печени и при болезнях обмена веществ).

С тех пор представление об сообществе микроорганизмов, населяющих наше тело, значительно изменилось.

Практически все слизистые оболочки (глаз, носоглотки, ротовой полости, желудочно-кишечного тракта, мочеполового тракта) и кожные покровы нашего организма заселены различными представителями микромира. Численность их сопоставима с количеством клеток, из которых мы с вами состоим и к нашему весу они добавляют около 2 кг. Разнообразие же видов может достигать 1000. В нашем теле выделяют участки с однородными условиями обитания, которые принято называть биотопами. Видовое разнообразие и количество микроорганизмов для каждого из них специфично. У всех людей в сравниваемых биотопах всегда определяется общее «ядро», но вместе с тем, имеются и индивидуальные различия. Кроме того, видовой и количественный состав микробиоты зависит от множества факторов (возраст, пол, тип питания, прием лекарственных препаратов, стресс, заболевания, радиация и т.д.). Распределена микробиота в организме крайне неравномерно, что связано с особенными условиями в каждом биотопе (температурой, кислотностью среды, влажностью, доступность питательных веществ, наличием факторов самоочищения). Самым густо заселенным «регионом» нашего организма является кишечный тракт, так как площадь поверхности его слизистой оболочки составляет около 250 кв. м. Неудивительно, что из всех биотопов микробиота кишечника самая многочисленная, разнообразная и наиболее изученная. Поэтому далее речь пойдет именно о ней.

Ученые склонны рассматривать микробиоту не просто как эволюционно сложившуюся совокупность микроорганизмов, максимально адаптированных к жизни в организме многоклеточных, но как своеобразный орган или даже систему.

Действительно, можно провести ряд параллелей между микробиотой и «традиционным органом». Как известно, органы состоят из тканей (клеток, осуществляющих определённые функции) и имеют свою структуру.

Этот своеобразный орган начинает формироваться у нас сразу после рождения, полностью созревая к 1—2 годам и функционирует на протяжении всей жизни. Слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта покрыта слоем слизи, выполняющего защитную роль. В этом то слизистом слое и располагаются представители микробиоты. По сути дела, слизистый слой выступает в качестве остова, а функциональная роль принадлежит микроорганизмам. Кстати, микробиота принимает самое непосредственное участие в формировании этого остова.

Организм хозяина и его микробиота вместе образуют единую экологическую систему. Мы предоставляем микробам благоприятные для них места обитания и пищу. А что же мы получаем взамен? Вот лишь некоторые наиболее важные функции, делающие микробиоту неотъемлемой частью нашего организма (Юдина Ю. В., и др., 2019; Dinan K., Dinan T.G., 2022; Sun P. и др., 2021):

· Защищает от внедрения «пришельцев», в том числе и болезнетворных. Занимая определённый биотоп, представители микробиоты эффективно конкурируют с чужаками за места прикрепления на поверхности слизистых оболочек и кожи, питательные субстраты, факторы роста. Кроме того, они создают неблагоприятные условия для заселения и размножения микробов, проникающих из вне: закисляют среду обитания, продуцируют бактерицидные вещества.

· Участвует в формировании слизистой оболочки, утилизируя компоненты слизи, продуцируемой кишечными клетками.

· Тренирует нашу иммунную систему. Являясь постоянным источником принципиально чужеродных веществ, наши симбионты обучают и стимулируют клетки лимфоидной ткани кишечника. В результате чего на слизистых оболочках появляются так называемые секреторные антитела (иммуноглобулины обеспечивающие местную защиту) и клетки-защитники – фагоциты.

· Обеспечивает полноценное пищеварение. Гены микробов кодируют многие ферменты, необходимые для расщепления растительных волокон и некоторых полисахаридов (целлюлозы, крахмала и др.). При этом образуются короткоцепочечные жирные кислоты, которые являются важным энергетическим субстратом для клеток кишечника. Ферменты, продуцируемые микроорганизмами, участвуют в превращение желчных кислот, необходимых для переваривания жиров. Регулируют газовый состав кишечного содержимого, стимулируют двигательную активность кишечника.

· Участвует в детоксикации. Представители микробиоты превращают токсичные продукты белкового распада, образующиеся в процессе пищеварения, в нетоксичные.

· Синтезирует некоторые витамины и биологически активные вещества, необходимые для регуляции работы внутренних органов и центральной нервной системы.

Но самым интересным, на наш взгляд, является взаимодействие между микробиотой кишечника и центральной нервной системой, которое в научной литературе называют «ось мозг – кишечник». Как же осуществляется это взаимодействие и при чем тут микробиота?

Бактерии в ходе своей жизнедеятельности сами продуцируют сигнальные вещества или стимулируют их образование иммунными и эндокринными клетками, ассоциированными с кишечником. Как правило, эти вещества не попадают прямо в мозг, они должны трансформироваться в понятные для него сигналы. Для этого между кишечником и мозгом существует целый ряд посредников. К таким посредникам относятся кишечная нервная система и блуждающий нерв. Кишечная нервная система – большая и сложная часть периферической нервной системы. Эта система располагается в оболочках желудочно-кишечного тракта, и почти автономно и регулирует его работу. В состав кишечной нервной системы входят особые клетки, назовем их «переводчиками», поскольку они «понимают» язык иммунной и нервной систем, а также язык гормонов. Клетки-переводчики получают сигналы из кишечника, трансформируют их и передают информацию в мозг, а он в свою очередь, регулирует работу кишечника.

Оказалось, что таким образом микробиота способна регулировать аппетит и чувство насыщения и даже определять даже наше психоэмоциональное состояние и когнитивные способности.

Любые изменения в составе микробиоты, особенно той части, которая продуцирует короткоцепочечные жирные кислоты, способны не просто «рассорить» мозг с кишечником, но и серьезно нарушить работу мозга. Тут в пору задуматься, кто же в нашем теле настоящий хозяин?

1.3. Паразит и хозяин: «Давайте жить дружно!»

«Паразит – он и есть паразит!» – скажет просветленный читатель. Все это верно, с позиций антропоцентризма. Попробуем взглянуть на взаимоотношения участников системы «паразит-хозяин» с другого ракурса. Ведь, если рассматривать один и тот же предмет в трех разных плоскостях, то можно увидеть три совершенно разных объекта. Но истинное представление о нем мы получаем только в трехмерном пространстве. И так со многим в жизни.

Чаще всего говоря о болезнетворных микроорганизмах, мы смотрим сквозь «медицинскую призму», которая определяет и безусловную вредность, и опасность для человека. В этом вопросе мы – сторона заинтересованная, и, конечно, теперь, имея глубокие научные знания, имея высокотехнологичные средства, хотим получить сатисфакцию за все поражения, которые человечество несет в вечной борьбе с инфекциями.

С точки зрения «хозяина» паразит представляет собой абсолютное зло, с которым необходимо бороться всевозможными методами. Интересно, а как эта проблема выглядит с точки зрения самого паразита?

Попробуем разобраться и ответить на несколько вопросов:

1. Кто, из участников системы «паразит-хозяин», и в какой ситуации извлекает для себя наибольшую выгоду?

2. Является ли гибель хозяина целью паразита?

3. Могут ли быть инфекции полезными для хозяина?

Как вы помните, при инфекционных заболеваниях исходы бывают разные. Полное изгнание возбудителя из организма, сопровождающееся исчезновением всех признаков заболевания называют выздоровлением. В этой ситуации получение наибольшей выгоды смещается в сторону организм хозяина. Он в ходе заболевания приобретает иммунитет (невосприимчивость) к повторному заражению тем же возбудителем. И, повстречавшись на своем жизненном пути с таким же возбудителем, будет вооружен антителами и клетками лимфоцитами-убийцами.

А что же возбудитель? Он получает шанс размножиться и сменить хозяина, но только при благоприятном стечении обстоятельств. Ведь яркое проявление болезни легче заметить, диагностировать и лечить. В современных условиях больного с яркими симптомами проявления инфекции, как минимум, изолируют от общества и тем самым лишат возбудителя возможности смены хозяина. А еще чего доброго лечить примутся. Принимая во внимание обширный арсенал противомикробных препаратов, лечение чаще всего оказывается достаточно успешным, чтобы прекратить существование конкретного микроба и его потомства в конкретном организме хозяина.

В некоторых случаях инфекция переходит в хроническую форму. При этом возбудитель остается в организме навсегда, а у хозяина наблюдается смена периодов временного выздоровления (ремиссии) и возврата (рецидивов) признаков заболевания. В этом случае хозяин является постоянным или периодическим источником выделения возбудителя в окружающую среду. Казалось бы, возбудитель получает явное преимущество. Но ведь благополучие паразита напрямую зависит от продолжительности жизни хозяина, а она, при хронической инфекции, снижается. Выгода для возбудителя все же имеется.

При носительстве внешние признаки инфекции не определяются, но возбудитель остается в организме хозяина еще некоторое время. Человек при этом выглядит и ощущает себя абсолютно здоровым. Это хорошо для конкретного индивидуума и паразита, но плохо для популяции хозяина. С точки зрения медицины носительство играет важную роль в распространении инфекций, обеспечивая циркуляцию возбудителя в популяции хозяина. Бывают и другие случаи носительства – когда человек становится обителью для микроба, без какого-либо проявления заболевания, такое состояние называют здоровым носительством, длительность которого обычно невелика, но иногда может длиться в течение нескольких месяцев и даже лет.

Выразительным примером здорового носительства является печально известная история «тифозной Мэри». В начале прошлого века в США жила Мэри Маллон, она работала кухаркой в разных семьях. Как только Мэри начинала работать, через некоторое время все, кто ел приготовленную ею пищу, заболевали брюшным тифом. За время своей работы кухаркой эта женщина заразила 47 человек, для некоторых из них все закончилось слишком печально.

Паразит, становясь «незаметным» получает возможность беспрепятственно размножаться, превращая организм хозяина в источник инфекции для окружающих людей. Кто получает выгоду в этой ситуации? Несомненно, возбудитель и его вполне конкретный хозяин. А представьте, что будет, если все представители популяции хозяина окажутся здоровыми носителями? Такая ситуация была бы идеальной для системы «паразит-хозяин».

И наконец, рассмотрим последний вариант исхода инфекционного заболевания – летальный. Гибель хозяина ведет к гибели паразита. Выгоды не получает никто.

Если смотреть «сверху» глазами стороннего наблюдателя, становится очевидным, что самым выгодным вариантом взаимоотношений является тот, при котором обеспечивается сохранение популяций и паразита, и хозяина. Прежде всего, этим требованиям удовлетворяют в полной мере бессимптомные и стертые формы инфекции, а также носительство, а значит, они должны быть самыми распространенными вариантами взаимоотношений между паразитом и хозяином. И этому есть подтверждение. Врачам-инфекционистам хорошо знакомо понятие «феномен айсберга», которое отражает ситуацию с инфекционными заболеваниями: верхушка айсберга – его небольшая часть, находящаяся над водой, символизирует случаи инфекционных заболеваний, которые легко регистрируются, благодаря ярким клиническими проявлениям. Большая часть айсберга, его основная масса скрыта под водой – это те случаи инфекционных заболеваний, которые остаются не распознанными.

В системе «паразит-хозяин» оба участника процесса находятся в состоянии бесконечного противостояния, целью которого является взаимная адаптация. Оба участника этого увлекательного процесса оказывают взаимное влияние друг на друга. Болезнетворные агенты изменяют нас, совершенствуя наш иммунитет, а мы, безусловно, изменяем их. Именно благодаря постоянной борьбе с ними, мы, в процессе эволюции, обзавелись таким полезным приобретением как иммунитет. Его механизмы и факторы обеспечивают нам достаточно хорошую защиту и позволяют противостоять большинству окружающих нас «интервентов».

Вот вам и ответ на третий вопрос. Получается, что паразиты, т.е. возбудители инфекций, не такое уж абсолютное зло. Они совершенствуют наши механизмы защиты, делая нас сильнее. Жаль только, что результаты их положительного влияния конкретные индивидуумы не ощутят, потому что процесс формирования защитных механизмов занимает уж очень долгое время – сотни тысяч лет. Ситуация складывается парадоксальная. Влияние паразита на своего хозяина, в одной и той же системе, значительно отличается. Представим себе временную шкалу эволюции какой-либо системы «паразит-хозяин» и разделим ее на отрезки, сопоставимые с продолжительностью жизни особей хозяина (это скорее будут крошечные точки). В каждой конкретной точке этой шкалы влияние паразита на своего хозяина будет негативным. Ведь инфекции нередко представляют серьезную опасность не только для отдельно взятых особей, но и популяции в целом. И чем ближе эта точка будет находиться к «рождению» симбиотической пары «паразит-хозяин», тем более отрицательным будет влияние паразита. Но, чем длиннее путь, по которому симбиотическая «паразито-хозяинная» пара идет рука об руку, тем лучше они «узнают» друг друга и эффективнее приспосабливаются. Через некоторое время эти отношения могут стать «идеальными» и позволят популяциям паразита и хозяина сохранять стабильность. Паразиты получат возможность беспрепятственно размножаться в организме хозяина, а, последний, обзаведется эффективными способами защиты, которые позволят ему «не замечать» паразита. Инфекционные страдания наших далеких предков, оказались залогом нашего благополучия в настоящем.

Рис. 1.11. Важное объявление на придорожном столбе эволюции

1.4. Верной дорогой идем, товарищи?

Возникает еще один вопрос, всегда ли вектор взаимного влияния в системе «паразит-хозяин» остается неизменным?

До тех пор, пока человечество не представляло себе, что такое микробы и какую роль они играют в развитии инфекций, процесс протекал в направлении обоюдного совершенствования терпимости по отношению друг к другу. В результате диалога, который длится уже на протяжении сотни тысяч лет, возбудителям и их хозяевам удавалось приходить к некоторому взаимопониманию. Паразитам, для того чтобы можно было и дальше использовать организм хозяина в своих целях, приходится кое-чем поступаться. Факторы болезнетворности, благодаря которым можно выжить во внутренней среде организма хозяина, приходится ослаблять. Но и хозяин вынужден учиться принципам «биологической дипломатии». Вступая в контакт с пришельцами, ему необходимо сохранить свою видовую индивидуальность и надежно защитить постоянство внутренней среды, в любой момент быть готовым к смертельной схватке с непрошенными гостями. Но при этом не проявлять при этом слишком бурной реакции на вторжение.

Большая работа, целью которой должны стать идеальные отношения между паразитом и его хозяином совершалась медленно, но верно на протяжении многих тысячелетий, вплоть до эпохи великих изменений.

Началом ее стало открытие, сделанное в 1676 г. Антони ван Левенгуком. С помощью «микроскопий» – двояковыпуклых линз ему удалось разглядеть в различных субстратах (дождевой воде, пище, зубном налете и др.) забавных крошечных «зверушек», названных им анималькулями (от лат. animalculum – зверёк, микроскопическое животное). В одном из своих писем, датированном сентябрем 1683 г. и направленном в Лондонское Королевское общество, Левенгук описал и зарисовал основные группы бактерий. По сути дела это было величайшее открытие, которое еще долгое время оставалось незамеченным. Факт существования анималькулей воспринимался ученым миром как забавный казус. Тем не менее, на протяжении следующих 100—150 лет, некоторые пытливые умы все же проявляли интерес к микроскопическим существам и активно собирали информацию о них, описывая различные виды и связывая между собой отдельные факты с наличием микроорганизмов. Так, например, впервые окраску воды Красного моря объясняли развитием в ней цианобактерий.

Однако начиная со второй половины XIX века, микробиология получила активный толчок для развития. А началось все с того, что несколько ученых, независимо друг от друга наблюдали процесс брожения и связали его с жизнедеятельностью микробов. Даже самым прогрессивным и маститым ученым того времени эти открытия казались невероятными и подвергались ими жесточайшей критике. Затем Игнац Филипп Земмельвейс, обратил внимание на высокий уровень смертности женщин от родильной горячки. Он связал частоту смертности пациенток с отсутствием у врачей элементарных правил гигиены. Его предложение мыть руки хлорной водой перед оказанием медицинской помощи вызывало не просто недоумение у врачей XIX века, но даже ожесточенное сопротивление. По роковому стечению обстоятельств, врач-акушер, всю жизнь боровшийся с причиной сепсиса, сам погиб от заражения крови. Мероприятия, к которым когда-то призывал Земмельвейс, в современной медицине называют антисептикой (от лат. anti – против, septicus – гниение).

Пока венгерский врач-новатор в одиночку спасал матерей от родильной горячки и отважно боролся с инертностью мышления ученых-медиков, другому исследователю – Луи Пастеру удалось доказать, что микроорганизмы осуществляют процессы брожения и гниения. Работы английского ученого-хирурга Джозефа Листера, показали необходимость очищения ран от микроорганизмов и содержания в чистоте госпитальных помещений, особенно операционных, хотя тоже встречали сопротивление и скепсис.

Ну, а после того, как Якоб Генле и Роберт Кох представили на заседании Берлинского физиологического общества свои исторические постулаты, позволяющие установить бактериальную причину заболеваний, уже никто не сомневался в том, какую роль могут играть микробы в жизни людей.