«Книга слизи. Скользкий след в истории Земли»

Слизь неприятно выглядит и пахнет, а в популярной культуре ассоциируется с болезнями и смертью. Вместе с тем ни одно живое существо не может без нее обойтись, используя слизь для защиты, размножения, охоты и передвижения. В книге «Книга слизи. Скользкий след в истории Земли» (издательство «АСТ», выходит в импринте ЛЁД), переведенной на русский язык Ангелиной Костиковой, научная журналистка Сюзанна Ведлих рассказывает, какое место слизь занимает в нашей жизни и почему она заслуживает не отвращения, а уважения. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным тому, как слизь обеспечивает защиту нашего желудка и кишечника от патогенов.

Гонка вооружений с микробами

Я только что увидел, как великолепная луна зашла за горизонт, и вслед за этим появились ее маленькие отблески — чудесные пиросомы, как будто зажегшие под водой мерцающие белые цилиндры.
Т. Г. ГЕКСЛИ, Путевой дневник на фрегате «Рэттлснейк»

Королевские комнаты обставлены в темном стиле ар-нуво. Черные стены блестят, как рубцовая ткань со слизью, разворачивается металлический вихрь — это Ксеноморф, инопланетянин из фильма «Чужой». Королева занята — она откладывает еще одно скользкое яйцо. Тот, кто видел темную королеву во второй части «Чужого» режиссера Ридли Скотта, не скоро сможет забыть такую картину. Чего стоят ее тощие веретенообразные руки, костлявый хвост и щит на шее... Ее импозантный образ придумал швейцарский иллюстратор Х. Р. Гигер, вдохновляясь при этом схожими персонажами из других работ.

Г. Ф. Лавкрафт, мастер космического ужаса и, как следствие, косвенно духовный отец «Чужого», создал в своих историях вымышленный Некрономикон — мифическую книгу мертвых. Наполненные магическим знанием каракули, своего рода книга волшебства. Мрачные картины Гигера к этим описаниям положили начало образу первого Ксеноморфа. Тем не менее королеву Гигеру пришлось придумать самому. Существуют споры о ее происхождении и о том, где Гигер черпал вдохновение, однако снова и снова говорят о Phronima. Ее, бродящую по просторам бесконечной черноты со своим выводком, едва ли можно назвать хорошей матерью. Паучьи руки, глубоко посаженные глаза под великолепным щитом: вне всякого сомнения, она похожа на королеву ксеноморфов Регину. Тем не менее не до конца известно, послужила ли она вдохновением для Гигера или нет.

Стоит добавить, что Phronima всего несколько сантиметров ростом. Подобно прозрачным сестрам Диогена, она передвигается по открытому темному океану. Ее пристанищем является внешняя оболочка или последнее место обитания разных животных, которых Phronima выбирает в качестве объектов паразитирования. Она превращает эти места в некие пещеры для своего выводка. Сальпы — представители класса оболочников (туникатов), которые, несмотря на простоту облика, нам, позвоночным, очень близки. Во многих ситуациях они помогают лучше понять нашу собственную эволюцию. Многие туникаты выглядят как гелеобразные бочонки и функционируют по простому принципу: морская вода затекает внутрь через одно отверстие, а через другое выходит. Планктон при этом остается внутри, там организм сальпы его фильтрует и переваривает, используя при этом сеть из слизи.

Жизненные циклы большинства туникатов невероятно сложные, поскольку они включают как одиночные, так и колониальные этапы. Во время колониальной фазы тысячи сальп объединяются в цепочки в несколько метров длиной. Другие туникаты объединяются в гелеобразный матрикс и таким образом превращаются в пиросомы, или, как их еще называют, огнетелки. Они могут достигать двадцати метров в длину, сияя при этом невероятно ярким светом. Этот свет голубыми волнами распространяется по площади цилиндра, как отмечал биолог-эволюционист Томас Генри Гексли. Когда этот цилиндр открывается, в него легко может поместиться человек, однако ныряльщикам не рекомендуется проплывать внутри этой трубы, потому что матрикс очень вязкий и неподатливый. В пиросомах уже запутывались рыбы и даже, по слухам, один заблудившийся пингвин.

Элегантные аппендикулярии, или ларвацеи, опять же, выглядят как головастики. Свой слизистый фильтр они носят словно изысканное жабо. Изогнутые хвосты этих существ позволяют морской воде легко протекать в более крупную слизистую полость («дом»), чтобы таким образом собрать питательные частицы в настолько высокой концентрации, насколько это возможно. Туникаты — один из многих морских видов, использующих вязкую слизистую сеть. Она гибка настолько, что может фильтровать улов в зависимости от его величины и формы. Правда, туникатам приходится отказываться от таких бактерий, как Pelagibacter ubique, поскольку они, в силу своей особой внешней поверхности, легко проникают внутрь через слизистую сеть.

Впрочем, эти домики из слизи быстро заполняются, и содержимое поглощается полностью еще до того, как этот организм создаст новое слизистое жилище. Многие аппендикулярии могут создавать вплоть до сорока таких домов в день. Эти комплексы питательных частиц опускаются на дно моря и служат важным источником питания для других видов. Это объясняет, почему пелагические туникаты, живущие в открытом океане, — в частности, сальпы, пиросомы и аппендикулярии — так важны для морских пищевых цепочек. Это очень распространенные организмы, однако в их необъятной среде обитания их сложно обнаружить, а также они слишком хрупки для многих методов анализа. Поэтому исследователи зачастую фокусируются на более крепких туникатах, поскольку их легче разыскать.

К ним относится оседлая и вездесущая Ciona intestinalis, уже давно выбранная учеными для исследования в лаборатории. При этом целью изучения этого представителя оболочников является исследование не только секретов загадочной группы организмов, но и развития нашего собственного пищеварительного тракта. В эволюционном плане наш пищеварительный тракт уникален, поскольку только млекопитающие покрывают свой кишечник одной лишь слизью. Беспозвоночные организмы в качестве барьера используют хитин, тогда как Ciona intestinalis использует и то, и другое. Она покрывает попадающие из морской воды частицы слизью, которая, скручиваясь в веревку, заносит их в кишечник.

Микробы при этом похожи на безбилетных пассажиров, которые, тем не менее, сталкиваются со слоем хитина, который отделяет ткани как физический барьер. Без этого материала туникаты бы погибли. Волокна хитина находятся в слизистом матриксе, основанном, как и гели в нашем кишечнике, на муцине. На этом сходство заканчивается, поскольку наша слизь, в отличие от слизи оболочников, имеет более сложную структуру, что необходимо в борьбе против патогенов. Наша слизь привлекает микробов с помощью специальной молекулярной приманки, схожей с их стыковочными пунктами в тканях, а затем быстро их перерабатывает. Более того, в слизи млекопитающих находятся полезные микробы, так называемый микробиом, не оставляющий места патогенам. Они помогают нашей иммунной системе созреть и работают с ней сообща. К тому же наш пищеварительный тракт, в отличие от тракта Ciona, разделен на специальные секции с урегулированным комплексом питательных веществ и необходимой степенью защиты.

Рот — это обманчиво благоприятная среда для микробов. Муцины в слюне совершенно по-разному обращаются с захватчиками. MUC5B, к примеру, отправляет Streptococcus mutans в сон, как Спящую красавицу, а вот возбудителей кариеса вовсе за угрозу не считает, потому что они в одиночку не могут попасть на зуб. Существует предположение, что такая тактика рассчитана на то, что возбудители, всегда нападающие вместе, будут находиться порознь. Другие муцины, напротив, собирают микробов вместе и избавляются от них с помощью соляных кислот в желудке, представляющих собой некий биологический шредер.

В ней микробы растворяются, да и с самой желудочной тканью произошло бы то же самое, если бы она не была защищена двойным слоем слизи. Внутренний слой — это невероятно плотный и вязкий гель, расположенный под вторым слоем из менее плотного геля. Как было упомянуто, только опытные лазутчики могут преодолеть такой барьер. Бактерия Helicobacter pylori нейтрализует желудочную кислоту вокруг себя, что помогает ей проделывать дыры в слизистом барьере. Таким образом она получает доступ к ткани, а значит, может там поселиться, что является причиной язвы желудка и даже рака.

Следующая остановка — это тонкий кишечник, который должен справляться как с кислой средой желудка, так и с агрессивными пищеварительными выделениями поджелудочной железы. Однако он обходится одним лишь тонким слоем гидрогеля. Если этот барьер прекращает работу, то начинается самопереваривание, которое всего через несколько часов может привести к летальному отказу всех органов. Слизь, впрочем, оснащена для борьбы с микробами, так как она содержит мощные защитные вещества, а также обеспечивает непременную отправку опасного груза дальше. В таком случае возбудители должны поторопиться, чтобы противостоять клейкости геля и плыть по слизи против течения. Vibrio cholerae, к примеру, движется против течения при помощи дополнительного геля и к тому же разрушает препятствия из муцин.

Другие патогены — например, возбудитель диареи Campylobacter jejuni — справляются без применения грубой силы. Если слизь все-таки смывает его своим потоком, он пытает счастья в толстом кишечнике, что говорит о гибкости микробов. На первый взгляд оболочка толстого кишечника схожа с вдвойне «закутанным» желудком. У обоих органов на ткани присутствует слой вязкой слизи, покрытый другим, менее компактным гелем. Почему же возбудитель может атаковать оба отдела кишечника, несмотря на такую защиту? Общность заключается в составе гелей, в обоих случаях основанных на муцине MUC2.

То, насколько эта молекула многогранна, становится очевидно по меньшей мере в толстом кишечнике — органе, которому, как и слепой кишке, долго не придавали значения. В Викторианской Англии толстый кишечник считался банальной трубкой, от которой можно было легко отказаться. Считалось, что он выполнял свою функцию только тогда, когда человеку грозили большие опасности. Согласно этой теории, при появлении угрозы выделения человеческого организма автоматически скапливались в прямой кишке, так как лишь подобным образом можно было избежать беды. Более того, Арбутнот Лейн, в остальном блестящий хирург, высказывал даже гипотезу о том, что ферментированная переваренная еда может отравить организм изнутри, в связи с чем решительно вырезал толстые кишечники.

В одном Арбутнот Лейн был прав: толстый кишечник — это своего рода реактор, в котором микробы собирают и ферментируют непереваренные остатки еды. Это микробиом, пристанище для триллионов бактерий, грибков и других микроорганизмов, населяющих весь наш организм, но проявляющих особую активность в толстом кишечнике. Они помогают нам в защите от патогенов, попросту не оставляя места для колонизации, подобно агрессивным наседкам в романе Найджела Хинтона «В сердце равнины». В любом случае, если уже заняты все хорошие, да и просто доступные места, новичкам не так уж легко обосноваться, будь то молекулярная или ботаническая среда. Более того, старожилы поддерживают друг друга. Подобно птицам в зарослях, предупреждающих друг друга о лисах и котах, разные виды микробов в микробиоме заботятся друг о друге. В связи с этим некоторые бактерии снабжают своих соседей-микробов, а также весь организм в целом важными продуктами обмена веществ — например, витаминами и полными энергии жирными кислотами. В конце концов, микробиом действительно влияет на развитие и благополучие нашего организма. В ответ толстый кишечник дает полезным бактериям пищу и пристанище, покровительствует этому мини-зоопарку и, пользуясь слизями, удерживает контроль.

Логистически это достаточно сложная задача — удерживать патогены на расстоянии и при этом давать ограниченный доступ полезным микробам. Только в одном месте к ним относятся одинаково. Непроницаемый, содержащий антимикробные вещества слизистый слой на стенке кишечника не допускает к ткани всех микробов без исключения. А вот второй — верхний — слой, более пористый, поэтому через него триллионный микробиом легко может просачиваться. Чем выше биоразнообразие в естественных экосистемах, тем эффективнее они, как правило, могут реагировать на различные помехи и вторжения. Это распространяется и на наш организм, разнообразие микробов в котором, правда, ограничено в развитых странах. В то время как не все виды микробов важны и незаменимы, некоторые из них имеют ключевое значение для организма.

Бактерия Akkermansia muciniphila, к примеру, обеспечивает воспроизводство наших гидрогелей, являясь при этом хранителем кишечника и строгим распорядителем происходящих в нем заселений. Этот микроб съедает сахарные цепочки муцин в кишечной слизи, что ведет к созданию нового гидрогеля. Это стабилизирует барьер, равно как и регулярная стрижка укрепляет кусты. «Естественная склонность кустарника — превратиться в лес, — пишет Джон Райт. — Без какого-либо контроля кустарник будет просто расти дальше, с каждым днем больше и больше теряя упорядоченность».

Akkermansia muciniphila в кишечнике в том числе пополняет собственные ресурсы, что позволяет ей распространяться и дальше сражаться с патогенами, в то время как оставшаяся часть микробиома пользуется продуктами ее обмена веществ. Если эта бактерия страдает, то страдает весь микробиом, а вместе с ним и наш организм. В качестве последствий такого нарушения называют лишний вес, хроническое воспаление кишечника и острое воспаление слепой кишки. Итак, значит, многострадальный толстый кишечник — все-таки важный орган? Теперь нужно восстановить репутацию аппендикса — червеобразного отростка, выходящего из слепой кишки. Есть сведения о том, что в нем хранится аварийный запас крайне разнообразного микробиома для повторного заселения кишечника, что необходимо, к примеру, после тяжелой диареи.

Теперь мы знаем ответ и на вопрос о двух структурно разных гелях в толстом кишечнике. Существует лишь одна слизь, проходящая, впрочем, две жизненные фазы. Все начинается с триплетов MUC2. Вне бокаловидных клеток они набухают и превращают воду в настолько плотный гель, что такие паразиты, как Entamoeba histolytica, могут пройти внутрь только с помощью своих энзиматических плоскогубцев. Ими она разрезает муцины и, как следствие, сам барьер, создавая в нем прорехи. Организм сам может утончать этот барьер, однако вместо садовых ножниц он предпочитает использовать скальпель. Наш собственный энзим так аккуратно разрезает поверхность плотной слизи, что сеть из муцинов сохраняется, но приобретает форму более тонкого геля.

Здесь возникает совершенно новая среда обитания: в то время как в верхнем геле может и должен селиться целый микробиом, на нижний слой микробы попадают только в порядке исключения. Карантин работает, пока плотный слой слизи внизу, экипированный антимикробными компонентами, остается нетронутым. Если в оболочке появляются зазоры, то микробы всех видов стремятся к стенке кишечника, на что организм дает сильный иммунный ответ. Если конфликт затягивается, то появляется угроза хронических воспалений кишечника, таких как язвенный колит и болезнь Крона, которые наносят длительный ущерб ткани и повышают риск рака. Столь же разрушительным является излишний иммунный ответ на продукты питания.

Гели этих обширных пограничных областей должны не подпускать патогенов, а также держать наш собственный микробиом на подконтрольной дистанции. В этом деле они получают поддержку, так как входят в состав мукозального иммунитета, той области защитных сил организма, которая ассоциируется исключительно со слизистыми оболочками. Бокаловидные клетки, к примеру, производят муцины, однако также в кишечнике помогают доставить частицы переваренной пищи до тканей. Там, в вязкой базальной мембране внеклеточного матрикса, их ждут иммунокомпетентные клетки. Они проверяют поступивший материал и, в зависимости от потребности, принимают решение активизироваться самим, попросить помощи или увеличить производство слизи.

Возникает вопрос, является ли защитная сила организма беспощадным убийцей или эффективным менеджером. Ответ: и тем, и другим. Дело в том, что мукозальный иммунитет должен не только защищать организм, но и терпеть присутствие дружелюбных врагов в виде микробиома. Это возможно только в том случае, если фундамент заложен с раннего детства. По сути, недоразвитый организм новорожденного созревает лишь в момент поселения в нем микробов, то есть в момент, когда микробиом, ткани и защитные силы организма налаживают сотрудничество. Столь тонкое взаимодействие многоклеточных организмов с микробами все еще недостаточно изучено, однако все свидетельствует о долгой совместной эволюции. Все многоклеточные организмы населены микробиомом. Это накладывает на первых столь сильный отпечаток, что едва ли есть смысл говорить об индивидуальных организмах. Мы с нашими микробами образуем тесное и неразрывное сообщество, в котором на каждую клетку человеческого тела приходится хотя бы один микроб. Мы холобионты.

Подробнее читайте:
Ведлих, С. Книга слизи. Скользкий след в истории Земли / Сюзанна Ведлих ; [перевод с немецкого Ангелины Костиковой]. — Москва : Издательство АСТ, 2023. — 352 с. — (Мир вокруг).