Вселенная внутри нас. Как микробы обогащают наш взгляд на жизнь - Эд Йонг

Еще она собирала фекалии медведей (гималайских, белых и очковых), слонов (африканских и индийских), носорогов (индийских и черных), лемуров (черных, мангустовых и кошачьих) и панд (больших и малых). За четыре года посещений зоопарка она собрала кал 106 особей, принадлежащих к 60 видам. Она высушивала каждый образец в микроволновке, перетирала в блендере и толкла в ступке. Амбре получалось незабываемое. Наградой стала ДНК, позволившая Лей описать микробов, живущих в кишечнике автора образца.

Лей выяснила, что кишечные микробы у всех млекопитающих индивидуальны и при этом делятся на определенные группы в зависимости от происхождения их владельца и, что особенно важно, его питания[288]. У травоядных было больше всего разновидностей бактерий, а у хищников – меньше всего. Всеядные со всем своим разнообразием пищи оказались посередине. Были и исключения: так, кишечные микробы малых и больших панд больше напоминали микробов их хищных родичей – медведей, кошек и собак, – чем травоядных, коими они, собственно, являются[289]. Однако в целом все совпадало. Объяснение тому было простым, а значение – крайне важным.

Для начала разберем объяснение. Растения – самый распространенный источник пищи на суше, но для того, чтобы их переварить, требуется больше ферментов. В растительных тканях по сравнению с мясом животных содержится больше сложных углеводов, таких как клетчатка, гемицеллюлоза, лигнин и резистентный крахмал. У позвоночных нет молекулярных приборов, чтобы их расщепить, а у бактерий есть. У широко распространенной кишечной бактерии B-theta нужных ферментов более 250, а у нас и сотни нет, и это притом, что наш геном в 500 раз больше. Раскалывая растительные углеводы на части своими инструментами, B-theta и другие микробы высвобождают вещества, что питают наши клетки напрямую. Вместе они производят 10 % потребляемой нами энергии и аж 70 % энергии коровы или овцы. Чтобы питаться растительной пищей, животному необходимо множество микробов, причем самых разных[290].

Теперь о значении. Первые млекопитающие были хищниками – крошечными суетливыми поедателями насекомыми. Переход с мяса на растительную пищу стал для нас настоящим прорывом. Благодаря изобилию и разнообразию растений травоядные начали развиваться гораздо быстрее своих плотоядных сородичей и вскоре заняли экологические ниши, оставленные после себя крупными динозаврами. Большая часть ныне живущих млекопитающих едят растительную пищу, да и почти во всех отрядах есть хотя бы несколько травоядных видов. Даже в отряде хищных, куда входят кошки, собаки, медведи и гиены, есть также и панды, которые питаются бамбуком. Получается, что успех млекопитающих основан на вегетарианстве, а вегетарианство – на микробах. Разные группы млекопитающих снова и снова получали с пищей из среды микробов, способных расщеплять растительные ткани, и с помощью их ферментов расправлялись с листьями, стеблями и ветвями.

Просто завести у себя нужных микробов недостаточно. Им для работы требуется пространство и время. Травоядные млекопитающие предоставили им и то и другое. Они увеличили участки пищеварительного тракта, превратив их в отсеки для ферментации, чтобы поселить там своих помощников и замедлить ход пищи, благодаря чему те успевали ее переработать. У слонов, лошадей, носорогов, кроликов, горилл, свиней и некоторых грызунов эти отсеки находятся в нижней части пищеварительного тракта – в кишечнике. Они сначала получают из пищи как можно больше питательных веществ с помощью своих собственных ферментов, а потом уже отдают ее на растерзание микробам. У других млекопитающих – коров, оленей, овец, кенгуру, жирафов, бегемотов и верблюдов – ферментация пищи происходит в верхней части тракта: осуществляющие ее микробы обитают или в отделах, предшествующих желудку, или в первых же его камерах. Часть питательных веществ эти животные тратят на бактерий, зато потом сами же их переваривают. «Вот зачем помещать эти отсеки сверху – так можно и самих бактерий съесть, – объясняет Лей. – Это ведь логично. Можно спокойно жевать солому и все равно получать все необходимые питательные вещества». Некоторые из них – например, крупный рогатый скот – дают микробам дополнительное время с помощью руминации – это довольно неприятный, но эффективный цикл, во время которого пища отрыгивается, пережевывается и снова проглатывается.

В зависимости от расположения отсеков для ферментации пищи в них появляются разные микробы. Лей выяснила, что микробы животных, расщепляющих пищу в верхней части пищеварительного тракта, больше похожи друг на друга, чем на микробов млекопитающих, поселивших их в нижней части, и наоборот. Эти сходства выходят за границы, установленные общими предками. У кенгуру, прыгающего сумчатого из Австралии, и окапи, африканского родича жирафов в полосатых штанишках, микробиомы во многом схожи. У животных с отсеками для ферментации, расположенными в нижней части тракта, сходства такие же[291].

Другими словами, микробы повлияли на развитие пищеварительной системы млекопитающих, а пищеварительная система млекопитающих – на эволюцию микробов[292].

Во время следующего эксперимента Лей это стало еще заметнее. Они с Робом Найтом сравнили результаты секвенирования микробов животных из зоопарка и других животных из самых разных сред – почвы, морской воды, горячих источников и озер. Они обнаружили, что в желудочно-кишечных трактах позвоночных микробиом куда разнообразнее, чем где бы то ни было. Он отличается от микробиомов обитателей озер, источников и всего остального даже сильнее, чем эти места друг от друга. Существует, как решили ученые, «дихотомия ЖКТ и остального организма»[293]. «Довольно неожиданно, – говорит Найт. – Когда этот анализ провели впервые, я подумал, что они просто ошиблись». Причина такого противопоставления пока неясна, но Найт отмечает, что пищеварительный тракт – уникальная среда для микробов: темно, кислорода нет, жидкости полно, иммунными клетками охраняется, а питательных веществ – хоть лопни. Здесь способны выжить не все бактерии, но те, что выживают, оказываются перед множеством экологических возможностей, которыми сразу пользуются. Один представитель вида попадает в кишечник и, одурев от радости, дает начало новым родственным штаммам и видам. В итоге получается семейное древо с высоким и прочным стволом, но редкими и небольшими ветвями, смахивающее скорее на пальму, чем на дуб.

На островах дело обстоит примерно так же. Вот животное-первопроходец оказывается на суше – его сюда принес мощный ураган, или привезло упавшее в воду бревно, или доставила лодка… Оно вылетает, выбегает или выползает на берег, а его потомство начнет понемногу заселять различные местообитания на острове, формируя новые виды. Так появились гавайские цветочницы, галапагосские вьюрки, змеи Французской Полинезии, карибские анолисы… и, возможно, наши кишечные микробы.

Научная группа обнаружила, что желудочно-кишечные микробиомы растительноядных позвоночных