Alanna Collen - Cicha władza mikrobów - fragment

CICHA WŁADZA

MIKROBÓW

Alanna Collen

CICHA WŁADZA

MIKROBÓW Jak drobnoustroje w ciele człowieka wpływają na zdrowie i szczęście

przełożył Roman Palewicz

TYTUŁ ORYGINAŁU: 10% Human. How Your Body’s Microbes Hold the Key to Health and Happiness Copyright © Nycteris Ltd 2015 All rights reserved. Wszelkie prawa zastrzeżone Copyright © for the Polish edition and translation by Wydawnictwo Bukowy Las Sp. z o.o., 2016 ISBN 978-83-8074-200-0 PROJEKT OKŁADKI: Paweł Cesarz R EDAKCJA: Katarzyna Kondrat KOREKTA: Iwona Gawryś R EDAKCJA TECHNICZNA: Adam Kolenda WYDAWCA: Wydawnictwo Bukowy Las Sp. z o.o. ul. Sokolnicza 5/76, 53-676 Wrocław www.bukowylas.pl, e-mail: biuro@bukowylas.pl WYŁĄCZNY DYSTRYBUTOR: Firma Księgarska Olesiejuk Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością ul. Poznańska 91, 05-850 Ożarów Mazowiecki tel. 22 721 30 11, fax 22 721 30 01 www.olesiejuk.pl, e-mail: fk@olesiejuk.pl DRUK I OPRAWA: DRUK-INTRO S.A.

Benowi i jego mikrobom.

Mojemu ukochanemu superorganizmowi

W sercu nauki leży podstawowa zasada równowagi pomiędzy dwiema pozornie sprzecznymi postawami: otwartością na nowe idee, bez względu na to, jak są dziwaczne lub sprzeczne z intuicją, i najbardziej bezwzględnym sceptycznym analizowaniem wszystkich idei, starych i nowych. Jest to sposób na oddzielenie głębokich prawd od głębokich nonsensów.

CARL SAGAN (przekład Filipa Rybakowskiego)

Prolog

Zapeklowana

Pewnej letniej nocy w 2005 roku wracałam przez las, taszcząc na szyi dwadzieścia nietoperzy w bawełnianych workach.

Otoczona przez chmary najrozmaitszych owadów, zlatujących się do latarki na moim czole, nagle poczułam, że swędzą mnie kostki. Moje spodnie, nasączone środkiem odstraszającym insekty, były wsunięte w przeciwpijawkowe skarpety, pod którymi, na wszelki wypadek, miałam włożoną drugą parę. Wilgoć, zalewający mnie pot, błotniste ścieżki, strach przed tygrysami i komary całkowicie mi wystarczały, kiedy krążyłam w ciemnościach lasu deszczowego, wyciągając nietoperze z pułapek. Ale najwyraźniej coś się przedarło przez barierę tkanin i chemikaliów chroniących moją skórę. Coś swędzącego.

Mając dwadzieścia dwa lata, spędziłam trzy miesiące w sercu rezerwatu Krau, w tej części Malezji, która leży na Półwyspie Malajskim. Jak się okazało, ten okres miał całkowicie zmienić moje życie. Gdy studiowałam biologię, zafascynowały mnie nietoperze, więc kiedy pojawiła się oferta pracy w charakterze asystentki brytyjskiego chiropterologa pracującego w terenie, natychmiast z niej skorzystałam. Możliwość spotkań z langurami, gibonami i niezwykłą rozmaitością nietoperzy sprawiała, że perspektywa spania w hamaku i mycia się w rzece zamieszkiwanej przez warany wcale nie wydawała mi się odstręczająca.

10

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

A jednak, o czym miałam się przekonać, udręki życia w tropikalnym lesie potrafią trwać znacznie dłużej niż samo przebywanie w nim.

Po powrocie do obozu rozłożonego na polanie nad rzeką zdarłam z siebie ochronne warstwy, aby sprawdzić, co jest źródłem moich dolegliwości. Okazało się, że to nie pijawki, tylko kleszcze, około pięćdziesięciu – jedne wbite w skórę, inne pełzające po moich nogach. Strąciłam te, które nie zdążyły się wbić, i powróciłam do nietoperzy, mierząc je i zapisując dane, najszybciej jak potrafiłam. Później, po wypuszczeniu ich w ciemności rozbrzmiewające odgłosami cykad, zapięłam swój hamak, tworząc coś w rodzaju kokonu, i za pomocą pęsetki, w świetle mojej czołówki, usunęłam kleszcze co do jednego.

Kilka miesięcy później, już po tym, jak powróciłam do domu w Londynie, rozwinęła się u mnie tropikalna infekcja, którą zafundowały mi kleszcze. Moje ciało odmawiało posłuszeństwa, a do tego puchły mi palce u stóp. Dziwaczne objawy pojawiały się i znikały, a szpitalni specjaliści poddawali mnie różnorakim badaniom krwi. Niespodziewane ataki bólu, zmęczenia i zamętu umysłowego zatrzymywały moje życie na kilka tygodni lub miesięcy, po czym wszystko wracało do normy jak gdyby nigdy nic. Kiedy kilka lat później zostałam wreszcie zdiagnozowana, infekcja zdążyła się już we mnie zakorzenić.

Przepisano mi więc serię antybiotyków, tak długą i intensywną, że mogłaby wyleczyć stado bydła. W końcu miałam znowu być sobą.

Jednakże, wbrew oczekiwaniom, ta historia nie zakończyła się na tym. Owszem, wyleczono mnie, ale nie tylko z infekcji wywołanej przez kleszcze. Wyglądało na to, że zostałam zapeklowana jak kawałek mięsa. Antybiotyki dokonały swej magii, lecz zaczęłam doznawać nowych objawów, tak samo różnorodnych jak wcześniejsze. Moja skóra była przekrwiona, układ pokarmowy grymasił i łapałam wszelkie infekcje, jakie tylko mo-

Zapeklowana

11

głam. Podejrzewałam, że antybiotyki wypleniły nie tylko bakterie, które mnie nękały, lecz także te, które do mnie należały.

Miałam wrażenie, że stałam się niegościnna wobec mikrobów, i zrozumiałam, że bardzo potrzebuję tych 100 bilionów maleńkich, przyjaznych stworzeń, które do niedawna uznawały moje ciało za dom.

Jesteśmy zaledwie w 10 procentach ludźmi.

Na każdą z komórek tworzących to, co nazywamy swoim ciałem, przypada dziewięć obcych komórek, które się na nas „wożą”. Nie jesteśmy tylko mięśniami, kośćmi, krwią, mózgiem i skórą, lecz także bakteriami i grzybami. Jesteśmy bardziej „nimi” niż „sobą”. Same jelita goszczą ich 100 bilionów! 100 bilionów bakterii przypominających rafę koralową rosnącą na chropowatym dnie, którym są ludzkie wnętrzności. Około 4000 różnych gatunków znajduje własne małe nisze pośród fałdów jelita grubego o długości półtora metra i powierzchni dwuosobowego łóżka. W ciągu swojego życia człowiek jest gospodarzem dla maleńkich żyjątek o łącznej wadze pięciu afrykańskich słoni. Nasza skóra roi się od drobnoustrojów. Na czubku palca jest ich więcej niż ludzi w Wielkiej Brytanii.

Obrzydliwe, prawda? Z pewnością jesteśmy zbyt wyrafinowani, zbyt higieniczni, zbyt w y e w o l u o w a n i, żeby dać się zasiedlać w ten sposób. Czyż nie powinniśmy odrzucić mikrobów, tak jak odrzuciliśmy futra i ogony, kiedy wychodziliśmy z lasów? Czy współczesna medycyna nie ma narzędzi, które pomogłyby nam je eksmitować, abyśmy mogli prowadzić czystsze, zdrowsze, bardziej niezależne życie? Od chwili odkrycia drobnoustrojowego środowiska naszego ciała tolerowaliśmy je, bo wyglądało na to, że nie czyni nam ono żadnej szkody. Lecz, inaczej niż z rafami koralowymi, albo lasami deszczowymi, nie myśleliśmy o tym, żeby je chronić, a tym bardziej pielęgnować.

12

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

Jako biolog ewolucyjny zostałam nauczona tego, by szukać pożytków, z n a c z e n i a w anatomii i zachowaniu dowolnego organizmu. Wiem, że naprawdę szkodliwe cechy oraz interakcje są zazwyczaj zwalczane lub tracone w procesie ewolucji. Doszłam zatem do wniosku, że te 100 bilionów mikrobów nie mogłoby nazywać nas swoim domem, gdyby niczego do naszego życia nie wnosiły. Nasze układy odpornościowe zwalczają zarazki i leczą nas z infekcji, więc dlaczego miałyby tolerować taką inwazję? Po wielomiesięcznej wojnie chemicznej przeciwko moim własnym najeźdźcom, zarówno dobrym, jak i złym, chciałam dowiedzieć się czegoś więcej na temat drugorzędnych spustoszeń, które wywołałam.

Okazało się, że zadaję to pytanie w najwłaściwszym momencie. Po całych dziesięcioleciach ślamazarnych prób poszerzenia naszej wiedzy o tych drobnoustrojach poprzez hodowanie ich na szalkach Petriego technologia naukowa dogoniła wreszcie naszą ciekawość. Większość mikrobów, które w nas żyją, umiera w kontakcie z tlenem, ponieważ są przystosowane do beztlenowej egzystencji w naszych wnętrznościach. Hodowanie ich poza organizmem jest trudne, a eksperymentowanie z nimi jeszcze trudniejsze.

Jednak dzięki projektowi poznania genomu ludzkiego (Human Genome Project – HGP), który umożliwił rozszyfrowanie wszystkich ludzkich genów, pojawiła się możliwość sekwencjonowania ogromnych ilości DNA wyjątkowo szybko i tanio.

Obecnie można identyfikować nawet martwe mikroby usuwane z ludzkiego ciała wraz ze stolcem, ponieważ ich DNA pozostaje nietknięte. Sądziliśmy, że nasze drobnoustroje nie mają znaczenia, ale nauka zaczyna ujawniać całkiem odmienną historię – taką, w której nasze losy są splecione z życiem tych autostopowiczów. Co więcej, okazuje się, że to one zarządzają naszymi ciałami i że bez nich nie da się być zdrowym człowiekiem.

Moje własne kłopoty zdrowotne okazały się czubkiem góry lodowej. Z kolejnych artykułów naukowych dowiedziałam

Zapeklowana

13

się, że zaburzenia drobnoustrojów organizmu są przyczyną dolegliwości żołądkowo-jelitowych, uczuleń, chorób autoimmunologicznych, a nawet otyłości. I tu nie chodzi tylko o zdrowie fizyczne, ale także umysłowe: od lęków i depresji po zaburzenia obsesyjno-kompulsyjne i autyzm. Jak się wydaje, wiele chorób, które uznajemy za normalną kolej rzeczy, nie sprowadza się do wad naszych genów ani tego, że zawodzi nas organizm, tylko wynika z faktu, że nie pielęgnujemy czegoś, co stanowi przedłużenie ludzkich komórek, czyli mikrobów, które nam towarzyszą.

Liczyłam na to, że poprzez swoje poszukiwania dowiem się nie tylko, jakich spustoszeń dokonały antybiotyki w mojej kolonii mikrobów, lecz także co mogę zrobić, aby przywrócić ich równowagę sprzed tamtej przygody z kleszczami, od której minęło już osiem lat. Aby poszerzyć swą wiedzę, postanowiłam poddać się najwyższej formie samopoznania – sekwencjonowaniu DNA. Zamiast jednak rozszyfrowywać własne geny, miałam zamiar zlecić odczytanie sekwencji mojego osobistego zbiorowiska drobnoustrojów, czyli mikrobiomu. Wiedząc, które gatunki i szczepy bakterii posiadam, miałabym punkt wyjścia do naprawy sytuacji. Wykorzystując najnowszy stan wiedzy na temat tego, co p o w i n n o we mnie żyć, mogłabym stwierdzić, jakich szkód dokonałam, i próbować je naprawić. Wykorzystałam obywatelski program naukowy American Gut Project (AGP), prowadzony w laboratorium profesora Roba Knighta na Uniwersytecie Kolorado w Boulder. Jest dostępny dla każdego na całym świecie, w zamian za dotację pieniężną, i polega na sekwencjonowaniu próbek drobnoustrojów z ludzkiego ciała. Celem AGP jest lepsze poznanie gatunków, które nas zamieszkują, oraz ich wpływu na nasze zdrowie. Po wysłaniu próbki stolca, zawierającej mikroby z moich jelit, otrzymałam obraz ekosystemu uznającego moje ciało za swój dom.

14

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

Poczułam ulgę, gdy dowiedziałam się, że po latach zażywania antybiotyków w ogóle żyją we mnie j a k i e ś bakterie. Miło było stwierdzić, że zamieszkujące mnie organizmy przynajmniej z grubsza przypominają mikrobiomy innych uczestników AGP i nie są czymś w rodzaju drobnoustrojowych mutantów błąkających się po toksycznym pustkowiu. Ale, czego zapewne można się było spodziewać, wyglądało na to, że różnorodność moich bakterii doznała uszczerbku. Na najwyższym poziomie hierarchii taksonomicznej to zróżnicowanie było stosunkowo niskie w porównaniu z jelitami innych ludzi – przypominało coś w rodzaju systemu dwupartyjnego. Ponad 97 procent moich bakterii należało do dwóch głównych grup, podczas gdy u przeciętnego uczestnika programu te grupy stanowiły około 90 procent bakterii. Być może antybiotyki, które zażywałam, wybiły część mniej licznych gatunków, pozostawiając tylko największych twardzieli. Byłam ciekawa, czy ta strata mogła mieć wpływ na moje niedawne problemy zdrowotne.

Jednakże podobnie jak porównywanie tropikalnego lasu deszczowego i dębowej kniei opierające się na stosunku liczby drzew do liczby krzewów czy też ptaków do ssaków niewiele mówi o funkcjonowaniu obu ekosystemów, tak samo ustawianie moich bakterii na tak szerokim spektrum nie musiało dostarczyć mi zbyt wielu informacji o zdrowiu tej społeczności. Na drugim końcu hierarchii znajdowały się rodzaje i gatunki, które w sobie miałam. Co mogła mi powiedzieć o moim obecnym stanie tożsamość bakterii, które albo przetrwały leczenie, albo powróciły po jego zakończeniu?

A może bardziej stosowne byłoby pytanie: jakie znaczenie miała dla mnie w tym momencie n i e o b e c n o ś ć gatunków, które padły ofiarą rozpętanej przeze mnie wojny chemicznej?

Przystępując do zdobywania wiedzy o n a s – mnie samej i moich mikrobach – postanowiłam wykorzystać w praktyce to, czego się nauczę. Chciałam ponownie znaleźć się po dobrej stronie i wiedziałam, że muszę dokonać w swoim życiu zmian, aby

Zapeklowana

15

odtworzyć kolonię, która mogłaby harmonijnie współdziałać z moimi ludzkimi komórkami. Jeśli moje najnowsze objawy były wywołane drugorzędnymi spustoszeniami, które nieumyślnie spowodowałam w swoim mikrobiomie, to może zdołałabym to odwrócić i uwolnić się od alergii, problemów skórnych i niemal bezustannych infekcji? Moje obawy dotyczyły nie tylko mnie samej, ale także dzieci, które pragnęłam urodzić w nadchodzących latach. Ponieważ miałam im przekazać nie tylko swoje geny, ale także drobnoustroje, chciałam mieć pewność, że posiadam coś, co warto ofiarować.

Postanowiłam umieścić swoje mikroby na pierwszym miejscu, zmieniając dietę tak, by lepiej odpowiadała ich potrzebom.

Zamierzałam przesłać do sekwencjonowania drugą próbkę, kiedy już zmiany mojego stylu życia będą zauważalne, w nadziei, że moje starania zaowocują zwiększoną różnorodnością i równowagą gatunków, których jestem gospodarzem. A przede wszystkim liczyłam na to, że poczynione przeze mnie inwestycje w te maleńkie stworzonka przyniosą dywidendę w postaci lepszego zdrowia i szczęścia.

Wprowadzenie

Pozostałe 90 procent

W maju 2000 roku, na kilka tygodni przed ogłoszeniem pierwszego szkicu ludzkiego genomu, pośród naukowców siedzących w barze laboratorium Cold Spring Harbor w stanie Nowy Jork zaczął krążyć notes. Narastała ekscytacja związana z następną fazą tego projektu, w ramach której sekwencja DNA miała zostać rozbita na swe funkcjonalne elementy, czyli geny. Ów notes zawierał zakłady, domysły najlepiej poinformowanych ludzi na świecie co do intrygującej kwestii: ile potrzeba genów, żeby zbudować człowieka?

Lee Rowen, badaczka kierująca grupą rozszyfrowującą chromosomy 14 i 15, pociągnęła łyk piwa, zastanawiając się nad tym pytaniem. Geny produkują białka, cegiełki życia, więc sama złożoność ludzi kazała sądzić, że ta liczba będzie raczej wysoka. Z pewnością wyższa niż u myszy, o których było wiadomo, że posiadają 23 000 genów. Prawdopodobnie wyższa także niż u pszenicy, mającej 26 000 genów. A już z pewnością znacznie większa niż u „Robala”, ulubionego gatunku laboratoryjnego biologów rozwoju, wyposażonego w 20 500 genów.

Choć domysły krążyły na ogół wokół 55 000 genów, a ich największa wartość sięgnęła 150 000, doświadczenie pani Rowen skłaniało ją do skromności. W tamtym roku obstawiła 41 440 genów, co rok później skorygowała do zaledwie 25 947 genów.

Pozostałe 90 procent

17

W roku 2003, kiedy prawdziwa liczba genów zaczęła wyłaniać się z prawie już ukończonej sekwencji, Rowen wygrała zakład. Obstawiła najskromniej spośród wszystkich 165 uczestników, a najnowsze obliczenie spadło właśnie poniżej najniższej wartości, jaką przewidział którykolwiek z typujących naukowców.

Ze swoimi 21 000 genów ludzki genom jest niewiele większy niż u „Robala” (C. elegans). Jest o połowę mniejszy niż genom ryżu, prześciga go nawet skromna dafnia, mająca 31 000 genów.

A żaden z tych gatunków nie potrafi mówić, tworzyć ani snuć inteligentnych myśli. Można by sądzić, tak jak naukowcy przystępujący do genowego zakładu, że ludzie będą mieli znacznie więcej genów niż trawy, robaki i rozwielitki. W końcu geny produkują białka, a białka tworzą organizmy. Organizm tak złożony i wyrafinowany jak człowiek z pewnością potrzebuje więcej białek, a tym samym więcej genów niż robak.

Lecz te 21 000 to nie jedyne geny, które sterują naszym ciałem.

Nie jesteśmy sami. Każdy z nas jest superorganizmem, kolektywem gatunków żyjących ramię w ramię i wspólnie sterujących ciałem, które utrzymuje nas wszystkich. Nad naszymi własnymi komórkami, aczkolwiek znacznie większymi i cięższymi, mają dziesięciokrotną przewagę liczebną komórki drobnoustrojów żyjących na nas i w nas. Te 100 bilionów mikrobów – nazywanych mikrobiomem – to głównie bakterie, mikroskopijne żyjątka, z których każde składa się z zaledwie jednej komórki. Oprócz bakterii są też inne istoty: wirusy, grzyby i archeony. Wirusy są tak małe i proste, że podważają nasze poglądy na temat tego, czym jest „życie”. Aby móc się rozmnażać, są całkowicie zależne od komórek innych organizmów. Żyjące na nas grzyby to częstokroć drożdże.

Są bardziej skomplikowane od bakterii, ale nadal stanowią maleńkie, jednokomórkowe organizmy. Archeony to grupa, która wydaje się podobna, ale różni się od nich ewolucyjnie w tym samym stopniu, co bakterie od roślin lub zwierząt. Ogółem mikroby zamieszkujące ludzki organizm zawierają 4,4 m i l i o n a genów – tyle

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

18

Grzyby Rośliny Protisty Zwierzęta

EUKARIONTY

ARCHEONY BAKTERIE

Uproszczone drzewo filogenetyczne ukazujące trzy domeny oraz cztery królestwa domeny eukariotów. wynosi kolektywny genom ludzkiego mikrobiomu. Te wszystkie geny współpracują w sterowaniu naszymi organizmami z 21 000 ludzkich genów. Licząc w ten sposób, jesteśmy ludźmi zaledwie w połowie procenta.

Wiemy dziś, że złożoność ludzkiego genomu wynika nie tylko z liczby genów, które on zawiera, ale także z licznych kombinacji białek, które te geny potrafią tworzyć. Podobnie jak inne zwierzęta, jesteśmy w stanie „wycisnąć” z naszych genomów więcej funkcji, niż na pierwszy rzut oka jest w nich zaszyfrowanych. Jednak geny naszych mikrobów przydają tej mieszaninie jeszcze więcej złożoności, świadcząc ludzkiemu organizmowi usługi, które ewoluują szybciej i są wykonywane łatwiej przez te proste organizmy.

Jeszcze do niedawna badanie tych mikroorganizmów wiązało się z możliwością hodowania ich na szalkach Petriego wypełnionych wywarami z krwi, szpiku kostnego bądź cukrów zawieszonych w żelu. To trudne zadanie. Większość gatunków żyjących w ludzkich jelitach umiera w kontakcie z tlenem, bo

Pozostałe 90 procent

19

ewoluując, po prostu nie nauczyły się go tolerować. Co więcej, hodowanie mikrobów na tych płytkach oznacza, że trzeba zgadywać, jakich składników odżywczych, temperatur i gazów potrzebują, żeby przetrwać, a jeśli nie zdołamy tego dokonać, nie dowiemy się niczego o danym gatunku. Hodowanie drobnoustrojów przypomina sprawdzanie listy obecności na lekcji – jeśli kogoś nie wyczytasz, nie wiesz, czy pojawił się w klasie.

Dzisiejsza technologia – sekwencjonowanie DNA, które stało się tak szybkie i tanie dzięki staraniom naukowców pracujących nad projektem poznania ludzkiego genomu – przypomina raczej sprawdzanie dowodów tożsamości przy wejściu; możesz uwzględniać nawet tych, których się nie spodziewałeś.

Kiedy projekt poznania ludzkiego genomu zbliżał się do końca, oczekiwania były wysokie. Sądzono, że to klucz do naszego człowieczeństwa, największe dzieło Boga i święta biblioteka skrywająca tajemnice chorób. Gdy w czerwcu 2000 roku, na kilka lat przed terminem, był gotowy pierwszy szkic, który pochłonął 2,7 miliarda dolarów, amerykański prezydent Bill Clinton ogłosił: Poznajemy dziś język, w którym Bóg stworzył życie. Ogarnia nas tym samym jeszcze większy podziw dla złożoności, piękna i cudu najświętszego z Bożych darów. Wraz z tą gruntowną, nową wiedzą ludzkość staje na skraju uzyskania nowej mocy uzdrawiania. Poznanie genomu wywrze prawdziwy wpływ na nasze życie – a w jeszcze większym stopniu na życie naszych dzieci. Zrewolucjonizuje diagnozowanie, profilaktykę i leczenie większości, jeśli nie wszystkich ludzkich chorób.

Jednak w następnych latach dziennikarze naukowi z całego świata zaczęli wyrażać rozczarowanie wkładem, jaki znajomość kompletnej sekwencji DNA wniosła w medycynę. Choć rozszyfrowanie naszej „instrukcji użytkowania” jest niezaprzeczalnym

20

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

osiągnięciem, które zmieniło sposób leczenia kilku ważnych chorób, to na temat przyczyn wielu częstych dolegliwości nie dowiedzieliśmy się tyle, ile oczekiwaliśmy. Poszukiwanie genetycznych odmienności, wspólnych dla osób z określoną chorobą, nie ukazało tylu bezpośrednich związków, ilu się spodziewaliśmy. Częstokroć stany chorobowe były słabo powiązane z dziesiątkami lub setkami wariantów genów, a tylko sporadycznie zdarzało się, że posiadanie pewnej odmiany genu prowadziło wprost do danej choroby.

Tym, czego nie zdołaliśmy pojąć na przełomie stuleci, był fakt, że nasze 21 000 genów nie stanowi pełnej historii. Technika sekwencjonowania DNA, wynaleziona podczas projektu poznania ludzkiego genomu, umożliwiła przeprowadzenie innego ważnego, choć mniej nagłaśnianego przez media programu tego typu, a mianowicie projektu poznania mikrobiomu ludzkiego (Human Microbiome Project – HMP). Poświęcono go w całości badaniu genomów drobnoustrojów żyjących w organizmie człowieka – mikrobiomu – aby zidentyfikować obecne w nim gatunki.

Uzależnienie od szalek Petriego oraz nadmiar tlenu nie miały już wstrzymywać badań nad naszymi sublokatorami. HMP, pięcioletni program sekwencjonowania DNA, z budżetem wynoszącym 170 milionów dolarów, miał rozszyfrować tysiące razy więcej informacji niż HGP. Dotyczył drobnoustrojów zamieszkujących 18 różnych siedlisk w ludzkim organizmie. Miało to być znacznie bardziej rozległe badanie genów czyniących z osoby zarówno istotę ludzką, jak i mikrobową. Po zakończeniu pierwszej fazy HMP w 2012 roku żaden ze światowych przywódców nie wygłosił tryumfalnego oświadczenia i tylko garstka czasopism poinformowała o tym fakcie. Ale Human Microbiome Project miał trwać nadal, dostarczając więcej wiedzy o tym, co to znaczy być człowiekiem, niż kiedykolwiek uczynił to nasz własny genom.

Odkąd pojawiło się życie, gatunki wykorzystywały się nawzajem, a drobnoustroje okazały się szczególnie sprawne w za-

Pozostałe 90 procent

21

siedlaniu najdziwniejszych miejsc. Przy ich mikroskopijnych rozmiarach ciało innego organizmu – zwłaszcza dużego kręgowca takiego jak człowiek – daje im nie tylko jedną niszę, ale cały świat, pełen siedlisk, ekosystemów i możliwości. Ludzkie ciało, równie zmienne i dynamiczne jak nasza wirująca planeta, posiada chemiczny klimat z hormonalnymi przypływami i odpływami oraz skomplikowanymi krajobrazami, które zmieniają się z wiekiem. Dla mikrobów to raj.

Ewoluowaliśmy ramię w ramię z drobnoustrojami, jeszcze zanim staliśmy się ludźmi, a nawet zanim nasi przodkowie stali się ssakami. Każde zwierzę, od najmniejszej muszki owocówki po największego walenia, jest kolejnym światem dla mikroorganizmów. Pomimo negatywnych ocen, na które wiele z nich zasługuje, wywołując choroby, rola gospodarza tych maleńkich form życia może być wyjątkowo opłacalna.

Kałamarnica Euprymna scolopes – wielkooka i kolorowa jak postać z filmu wytwórni Pixar – minimalizuje czyhające na nią zagrożenia, zapraszając pewien gatunek bioluminescencyjnej bakterii do życia w specjalnym zagłębieniu swego podbrzusza.

Jest to narząd świetlny, w którym owa bakteria, Aliivibrio fischeri, zamienia pożywienie w światło, dzięki czemu oglądana z dołu kałamarnica się jarzy. Ten blask sprawia, że jej sylwetka zlewa się z oświetloną przez księżyc powierzchnią oceanu, co utrudnia jej dostrzeżenie drapieżnikom nadpływającym z głębin. Kałamarnica zawdzięcza tę ochronę żyjącym w niej bakteriom, a one zawdzięczają jej dom.

Takie utrzymywanie mikrobowego źródła światła może się wydawać bardzo pomysłowe, ale Euprymna scolopes nie jest bynajmniej jedynym zwierzęciem zwiększającym szanse przeżycia dzięki drobnoustrojom w swoim ciele. Strategie przetrwania są liczne i zróżnicowane, a kooperacja z mikroorganizmami była siłą napędową ewolucji, odkąd 1,2 miliarda lat temu na Ziemi po raz pierwszy pojawiły się istoty złożone z więcej niż jednej komórki.

22

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

Im większa liczba komórek składa się na jakiś organizm, tym więcej mikrobów może na nim żyć. Prawdę mówiąc, duże zwierzęta, takie jak krowy, są dobrze znane z gościnności dla bakterii. Krowy jedzą trawę, ale korzystając z własnych genów, mogłyby wydobyć bardzo niewiele składników odżywczych z tej włóknistej diety. Potrzebowałyby do tego specjalistycznych białek zwanych enzymami, które potrafią rozbijać twarde cząsteczki tworzące ściany komórek trawy.

Wytworzenie na drodze ewolucji genów produkujących takie enzymy mogłoby trwać tysiąclecia, bo ewolucja wykorzystuje przypadkowe mutacje kodu DNA, które mogą się przydarzać tylko w kolejnych pokoleniach.

Szybszym sposobem uzyskania dostępu do substancji odżywczych zamkniętych w trawie jest podzlecenie tego zadania specjalistom – mikrobom. Cztery komory krowiego żołądka zawierają liczone w bilionach populacje bakterii rozkładających włókna roślinne. Kłąb tych włókien, wędrując tam i z powrotem, podlega na przemian mieleniu w krowim pysku i rozkładowi chemicznemu przez enzymy, produkty drobnoustrojów żyjących w krowich wnętrznościach. Uzyskanie odpowiednich genów jest dla mikrobów łatwe, bo czas ich życia, a tym samym możliwość wystąpienia mutacji, częstokroć nie przekracza jednego dnia.

Skoro kałamarnice i krowy potrafią czerpać korzyści ze współpracy z mikroorganizmami, to czy my, ludzie, też możemy to robić? Wprawdzie nie jemy trawy i nie posiadamy czterokomorowych żołądków, ale mamy własne specjalizacje.

Nasze żołądki są małe i proste; ich rola polega na wymieszaniu jedzenia, dorzuceniu kilku enzymów trawiennych i dodaniu odrobiny kwasu w celu zabicia niepożądanych zarazków. Lecz wędrując dalej, przez jelito cienkie, w którym pożywienie jest rozkładane przez kolejne enzymy i wchłaniane do krwiobiegu za pośrednictwem kobierca palcowatych wyrostków, nadających mu powierzchnię kortu tenisowego, dociera się do zaułka wiel-

Pozostałe 90 procent

23

kości piłki tenisowej, który wyznacza początek jelita grubego.

Ten kapciuch, położony w prawej dolnej części tułowia, nosi nazwę jelita ślepego i jest centrum społeczności mikrobów ludzkiego organizmu.

Na końcu jelita ślepego dynda narząd uważany wyłącznie za źródło bólu i infekcji – wyrostek. Jego pełna nazwa – wyrostek robaczkowy – wynika z robakowatego wyglądu, choć równie dobrze można by go porównać do czerwia albo węża. Wyrostki miewają różną długość: od skromnych, mierzących 2,5 cm, do zdecydowanie długich, 25-centymetrowych. Zdarza się, choć rzadko, że ktoś ma aż dwa wyrostki albo nie ma żadnego. Jeśli wierzyć popularnej opinii, byłoby nam lepiej bez wyrostka, bo od ponad stu lat uważa się, że ten narząd nie spełnia żadnej funkcji. Karol Darwin, w książce O pochodzeniu człowieka, kontynuacji dzieła O powstawaniu gatunków, zaliczył wyrostek do narządów „pierwotnych”. Porównawszy go z większymi wyrostkami wielu innych zwierząt, uznał, iż jest to szczątek, który bezustannie więdnie od czasu, gdy ludzie zmienili dietę.

Ponieważ niewiele wskazywało na to, żeby miało być inaczej, szczątkowy status wyrostka raczej nie był kwestionowany przez następne sto lat, a pogląd o jego bezużyteczności ugruntowała tendencja tego narządu do sprawiania kłopotów. Medyczny establishment uznał wyrostek za coś tak niepotrzebnego, że do lat 50.

XX wieku jego usunięcie stało się jedną z najczęstszych procedur medycznych przeprowadzanych w krajach rozwiniętych. Często dokonywano tego dodatkowo, przy okazji innych operacji brzusznych. W którymś momencie prawdopodobieństwo usunięcia wyrostka wynosiło jeden do ośmiu u mężczyzn, a u kobiet jeden do czterech. 5–10 procent ludzi miało w którymś momencie życia usuwany wyrostek, zazwyczaj zanim mieli dzieci. Bez leczenia prawie połowę czekałaby śmierć.

I tu powstaje zagadka. Gdyby zapalenia wyrostka były naturalną chorobą, często prowadzącą do śmierci w młodym wieku,

24

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

to szybko zostałyby wyeliminowane przez dobór naturalny. Ci, którzy mieliby wyrostki wystarczająco duże, by doznać infekcji, umieraliby, najczęściej nie doczekawszy się potomstwa, a tym samym nie mogliby przekazać swych genów formujących wyrostki. Z czasem miałoby je coraz mniej ludzi, aż w końcu człowiek utraciłby wyrostek. Dobór naturalny preferowałby tych, którzy go nie mają.

Przypuszczenie Darwina, że wyrostek jest reliktem przeszłości, mogłoby mieć pewien sens, gdyby nie częstokroć śmiertelne skutki jego posiadania. Istnieją dwa wyjaśnienia uporczywości występowania tego narządu, przy czym jedno nie wyklucza drugiego. Pierwsze jest takie, że zapalenie wyrostka jest zjawiskiem nowym, przyniesionym przez jakąś zmianę środowiska.

W ten sposób nawet bezużyteczny narząd mógł w przeszłości przetrwać, przy odrobinie szczęścia. Drugie wytłumaczenie zakłada, że wyrostek nie jest bynajmniej zgubną pozostałością po naszej ewolucyjnej przeszłości, tylko zapewnia pożytki zdrowotne przerastające jego mroczną stronę, zatem posiadanie wyrostka jest korzystne, pomimo ryzyka jego zapalenia. To znaczy, że dobór naturalny preferuje tych, którzy go mają. Pytanie brzmi: dlaczego?

Odpowiedź leży w jego zawartości. Wyrostek robaczkowy, mierzący średnio 8 cm długości i jakiś centymetr średnicy, stanowi rurkę chronioną przed napływem strawionego w większości pożywienia, które mija jego wejście. Zamiast jednak być przywiędłym ogonkiem w naszym ciele, jest napakowany wyspecjalizowanymi komórkami i cząsteczkami odpornościowymi, które nie są bezczynne, tylko stanowią integralną część układu immunologicznego, chroniącą kolektyw mikrobów, pielęgnującą go i komunikującą się z nim. Wewnątrz wyrostka te mikroby tworzą błonę biologiczną – warstwę osobników wspierających się nawzajem i wykluczających bakterie, które mogłyby wyrządzić szkodę. Wygląda na to, że wyrostek nie jest bynaj-

Pozostałe 90 procent

25

mniej pozbawiony funkcji, tylko stanowi kryjówkę, którą ludzki organizm zapewnił swoim drobnoustrojowym mieszkańcom.

Podobnie jak zaskórniak odłożony na czarną godzinę, tak zapas mikrobów przydaje się w ciężkich chwilach. Po zatruciu pokarmowym albo infekcji żołądkowej jelita mogą zostać na nowo zasiedlone swymi normalnymi mieszkańcami czekającymi w wyrostku. Może się wydawać, że jest to nadmiar zabezpieczeń, ale infekcje jelitowe, takie jak dyzenteria, cholera i giardioza, dopiero niedawno zostały prawie całkowicie wyeliminowane w świecie zachodnim. Dzięki trosce o warunki sanitarne, w tym budowę sieci kanalizacyjnych i stacji uzdatniania wody, te choroby zdarzają się rzadko w krajach Zachodu, lecz w skali globalnej jeden na pięć przypadków śmierci dzieci wciąż jest powodowany przez zakaźne biegunki. U tych osób, które nie umrą, wyrostek robaczkowy najprawdopodobniej przyspiesza powrót do zdrowia. Tylko dlatego, że jesteśmy stosunkowo zdrowi, zaczęliśmy uważać, że wyrostek nie jest do niczego potrzebny. W rzeczywistości ujemne skutki jego usunięcia zostały zamaskowane przez nasze dzisiejsze sterylne życie.

Jak się okazuje, zapalenie wyrostka j e s t zjawiskiem nowym. W czasach Darwina było wyjątkowo rzadkie i powodowało bardzo niewiele zgonów, więc chyba możemy wybaczyć uczonemu, że uznał wyrostek robaczkowy za jedną z pozostałości ewolucji, która ani nam nie szkodzi, ani nie pomaga. Ten rodzaj zapalenia stał się powszechny pod koniec XIX wieku.

W jednym z brytyjskich szpitali liczba jego przypadków wystrzeliła w górę od trzech lub czterech rocznie, utrzymujących się przed rokiem 1890, do 113 przypadków rocznie w 1918, a ten wzrost był mniej więcej taki sam w całym uprzemysłowionym świecie. Diagnoza nigdy nie stanowiła problemu – skurczowy ból, a potem, jeśli pacjent nie przeżył, szybka sekcja zwłok, która ujawniała przyczynę śmierci – i to jeszcze zanim zapalenie wyrostka stało się równie częste jak dziś.

26

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

Przedstawiano wiele hipotez mających to wyjaśnić: od zwiększonego spożycia mięsa, masła i cukru po zapchane zatoki i zepsute zęby. Obecnie panuje zgoda co do tego, że do zapalenia wyrostka dochodzi z powodu zbyt małej ilości błonnika w diecie, ale nie brak też innych sugestii, łącznie z taką, że jego główną przyczyną jest lepsze uzdatnianie wody, a co za tym idzie, większa higiena, czyli dokładnie to, co sprawiło, że wyrostek zaczął się wydawać niepotrzebny. Bez względu na prawdziwą przyczynę do drugiej wojny światowej zdążyliśmy zapomnieć o wzroście liczby przypadków zapalenia wyrostka i zaczęliśmy uważać, że choć to przykre, tak po prostu w życiu bywa.

W rzeczywistości nawet w dzisiejszym, rozwiniętym świecie posiadanie wyrostka, przynajmniej do dorosłości, może okazać się dobroczynne, bo chroni nas przed nawracającymi infekcjami żołądkowo-jelitowymi, zaburzeniami układu odpornościowego, rakiem krwi, niektórymi chorobami autoimmunologicznymi, a nawet zawałami serca. W jakiś sposób rola sanktuarium drobnoustrojowego życia, którą pełni wyrostek, przynosi nam te korzyści.

Fakt, że ten narząd nie jest wcale bezużyteczny, mówi nam coś więcej – że mikroby są ważne dla naszych organizmów. Wygląda na to, że nie tylko wożą się na nas, ale też dostarczają nam usług na tyle ważnych, że nasze jelita uformowały azyl mający zapewnić im bezpieczeństwo. Pytanie tylko, kto w nim siedzi i co właściwie dla nas robi?

Chociaż od kilkudziesięciu lat wiemy, że mikroorganizmy w naszych ciałach dają nam kilka korzyści, takich jak syntetyzowanie pewnych ważnych witamin i rozkładanie twardych włókien roślinnych, aż do niedawna nie uświadamialiśmy sobie stopnia interakcji między naszymi i ich komórkami. Dopiero pod koniec lat 90. ubiegłego wieku, korzystając z narzędzi biologii molekularnej, mikrobiolodzy dokonali wielkiego skoku i poszerzyli wiedzę o dziwnej relacji między nami i naszymi drobnoustrojami.

Pozostałe 90 procent

27

Nowe metody sekwencjonowania DNA mogą nam powiedzieć, które mikroby są w nas obecne, a ponadto pozwalają umieścić je na właściwej gałęzi drzewa życia. W miarę jak posuwamy się w dół tej hierarchii: od domeny poprzez królestwo, typ, gromadę bądź klasę, rząd i rodzinę aż po rodzaj, gatunek i szczep, osobniki są ze sobą coraz bardziej spokrewnione. Idąc w przeciwnym kierunku, my, ludzie (rodzaj Homo, gatunek sapiens), jesteśmy wielkimi małpami (rodzina Hominidae), należącymi, obok wielu innych stworzeń, do naczelnych (rząd Primates). Wszystkie naczelne, wraz z innymi włochatymi mlekopijcami, zaliczają się do ssaków (gromada Mammalia), które z kolei wchodzą w skład grupy zwierząt posiadających rdzeń kręgowy – podtyp kręgowce (Vertebrata), typ strunowce (Chordata) – i wreszcie wszystkie stworzenia, zarówno z rdzeniem, jak i bez (chociażby kałamarnica), należą do królestwa zwierząt (Animalia) z domeny eukariontów (Eukarya). Bakterie i inne mikroby (z wyjątkiem wirusów, wymykających się klasyfikacji) zajmują miejsca na innych konarach drzewa życia, nienależących do królestwa zwierząt, tylko do własnych królestw i domen.

Sekwencjonowanie umożliwia rozpoznanie różnych gatunków i lokowanie ich w hierarchii drzewa filogenetycznego. Pewien niezwykle przydatny segment DNA, gen 16S rRNA, stanowi rodzaj kodu paskowego bakterii, po którym szybko można je rozpoznać bez potrzeby sekwencjonowania całego bakteryjnego genomu. Im bardziej podobne są kody genów 16S rRNA, tym bliżej spokrewnione są gatunki i tym więcej dzielą ze sobą gałęzi oraz gałązek drzewa życia.

Jednak sekwencjonowanie DNA nie jest jedynym narzędziem, jakie mamy do dyspozycji, gdy szukamy odpowiedzi na pytania o nasze mikroby, a zwłaszcza o to, co robią. Aby rozwikłać te zagadki, często sięgamy po myszy – szczególnie po myszy germ-free, czyli „bezbakteryjne”, podstawowe zwierzęta laboratoryjne.

Pierwsze pokolenia tych myszy przyszły na świat przez cesarskie

28

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

cięcie, po czym trzymano je w komorach izolacyjnych, dzięki czemu nigdy nie zostały zasiedlone przez mikroby, zarówno dobroczynne, jak i szkodliwe. Od tego momentu większość myszy germ-free rodzi się po prostu w izolacji, z matek nieposiadających zarazków, podtrzymując sterylne linie gryzoni nietkniętych przez drobnoustroje. Nawet ich karma i ściółka są napromieniowywane i pakowane w sterylne pojemniki, aby zapobiec skażeniu ich organizmów. Przenoszenie tych stworzeń między bańkowatymi klatkami też jest sporym wyzwaniem, wymagającym stosowania próżni i chemikaliów zabijających drobnoustroje.

Porównując myszy germ-free z „konwencjonalnymi”, posiadającymi pełen zestaw mikroorganizmów, naukowcy mogą badać skutki posiadania mikrobiomu. Mogą nawet zasiedlać te myszy pojedynczym gatunkiem bakterii albo małą grupą gatunków, aby dokładnie sprawdzić, jak dany szczep wpływa na ich biologię. Badając te „gnotobiotyczne” myszy (czyli takie, których mikroby znamy), zyskujemy pojęcie także o tym, co drobnoustroje robią w nas. Oczywiście nie są to ludzkie mikroby, więc wyniki eksperymentów na myszach różnią się czasem diametralnie od rezultatów uzyskiwanych u ludzi, ale i tak jest to fantastyczne narzędzie badawcze, dostarczające często bardzo istotnych wskazówek. Bez modeli w postaci gryzoni nauki medyczne posuwałyby się milion razy wolniej.

To właśnie dzięki myszom germ-free profesor Jeffrey Gordon z Uniwersytetu Waszyngtona w Saint Louis, w stanie Missouri, szef badań nad mikrobiomem, odkrył, jak zdumiewający wpływ wywierają drobnoustroje na zdrowie organizmu. Porównawszy jelita myszy germ-free i normalnych, stwierdził, że pod wpływem bakterii komórki mysiego nabłonka wydzielają pewną cząsteczkę, która „karmi” mikroby, zachęcając je do zamieszkania.

Obecność mikrobiomu zmienia nie tylko chemię jelita, ale także jego morfologię. Palcowate wyrostki stają się dłuższe, powiększając powierzchnię jelita. Jak oszacowano, szczury musiałyby zjadać o 30 procent więcej karmy, gdyby nie mikroby.

Pozostałe 90 procent

29

Zamieszkiwanie naszego ciała przynosi korzyści nie tylko mikroorganizmom, lecz także nam. Nasza relacja z nimi nie opiera się wyłącznie na ich tolerowaniu, lecz także na wspieraniu. Świadomość tego faktu, w połączeniu z potęgą sekwencjonowania DNA i badaniami na myszach germ-free, zapoczątkowała rewolucję w nauce. Human Microbiome Project, prowadzony przez Narodowe Instytuty Zdrowia w USA, oraz wiele innych programów badawczych na całym świecie wykazały, że nasze zdrowie i szczęście jest całkowicie zależne od naszych mikrobów.

Ciało człowieka, zarówno w środku, jak i na zewnątrz, tworzy szeroką gamę siedlisk, zróżnicowanych w takim samym stopniu jak te na Ziemi. Tak jak ekosystemy naszej planety, zamieszkiwane przez różne gatunki roślin i zwierząt, siedliska ludzkiego organizmu goszczą różne społeczności mikrobów. Podobnie jak inne zwierzęta, można nas porównać do skomplikowanej rury: pożywienie wchodzi jednym jej końcem, a wychodzi drugim.

Widzimy skórę, która nas okrywa, naszą zewnętrzną powłokę, ale wewnętrzna powierzchnia rury, którą stanowimy, też jest „zewnętrzem” – wystawionym w podobny sposób na działanie środowiska. Podczas gdy warstwy skóry chronią nas przed żywiołami, inwazyjnymi drobnoustrojami i szkodliwymi substancjami, komórki naszego przewodu pokarmowego też muszą zapewniać nam bezpieczeństwo. Naszym prawdziwym „wnętrzem” nie jest układ pokarmowy, tylko tkanki i narządy, mięśnie i kości wciśnięte pomiędzy zewnętrzne i wewnętrzne powierzchnie naszych przypominających rurę istot.

Zatem powłoką istoty ludzkiej jest nie tylko jej skóra, ale także zakręty i zakola, bruzdy i fałdy jej wewnętrznej rury.

Jeśli patrzeć na organizm w ten sposób, to nawet płuca, pochwa i drogi moczowe są na zewnątrz, stanowiąc część naszej powłoki. Nieważne, czy w środku, czy na zewnątrz, c a ł a nasza powierzchnia stanowi potencjalną posiadłość mikrobów, a zaj-

30

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

mowane przez nie działki mają różną wartość. W miejscach najlepszych, obfitujących w zasoby, takich jak jelita, gromadzą się gęsto skupione społeczności podobne do miast, natomiast rzadziej rozsiane zbiorowiska gatunków lokują się na obszarach bardziej „wiejskich” lub nieprzyjaznych, na przykład w płucach i żołądku. Human Microbiome Project ma scharakteryzować te wspólnoty na podstawie próbek pobieranych z osiemnastu miejsc na wewnętrznych i zewnętrznych powierzchniach ciał każdego z setek ochotników biorących udział w badaniu.

To, co przeżywali biolodzy molekularni przez pierwsze pięć lat trwania HMP, przypomina biotechnologiczne echo złotej epoki odkryć, czasy, w których przesiąknięte formaldehydem gabloty wypełniały się ptakami i ssakami odkrytymi, a potem nazwanymi przez badaczy biologów z XVIII i XIX wieku. Jak się okazuje, ludzkie ciało jest skarbnicą szczepów i gatunków nieznanych nauce.

Wiele z nich pojawiło się tylko u jednego lub dwóch ochotników biorących udział w projekcie. Nie jest wcale tak, że każdy człowiek posiada ten sam zestaw mikrobów. Bardzo niewiele szczepów bakterii występuje u wszystkich. Każdy z nas zawiera społeczności mikrobów równie niepowtarzalne, jak nasze linie papilarne.

Choć szczegóły dotyczące naszych lokatorów są specyficzne dla każdego z nas, to na wyższych szczeblach hierarchicznych gościmy podobne drobnoustroje. Bakterie żyjące na przykład w jelitach jednego człowieka bardziej przypominają bakterie w jelitach jego sąsiada niż te, które zamieszkują jego knykcie.

Co więcej, pomimo iż społeczności bakteryjne są wyjątkowe u każdego z nas, pełnionych przez nie funkcji na ogół nie da się odróżnić. To, co bakteria A robi dla jednego człowieka, dla jego przyjaciela może robić bakteria B. Od jałowych, chłodnych równin skóry na przedramionach aż po ciepłe, wilgotne lasy krocza i kwaśne, zawierające mało tlenu środowisko żołądka – każda część ciała oferuje dom tym mikrobom, które potrafią ją wykorzystać. Nawet w granicach jednego

Pozostałe 90 procent

31

siedliska odrębne nisze goszczą różne zbiorowiska gatunków.

Skóra – całe jej dwa metry kwadratowe – zawiera tyle ekosystemów, co obie Ameryki, aczkolwiek w miniaturze. Lokatorzy obfitującej w łój skóry twarzy i pleców różnią się od mieszkańców suchych, odsłoniętych łokci w tym samym stopniu, co tropikalne lasy Panamy od skał Wielkiego Kanionu. Podczas gdy na twarzy i plecach dominują gatunki należące do rodzaju Propionibacterium, żywiącego się tłuszczami uwalnianymi przez gęsto rozmieszczone pory tych rejonów, łokcie i przedramiona goszczą znacznie bardziej zróżnicowaną społeczność. Obszary wilgotne, w tym pępek, pachy i krocze, są domem gatunków będących przedstawicielami rodzajów Corynebacterium i Staphylococcus, które uwielbiają wysoką wilgotność i pochłaniają azot zawarty w pocie.

Ta „druga skóra”, złożona z mikrobów, zapewnia dodatkową ochronę prawdziwemu wnętrzu organizmu, wzmacniając nienaruszalność bariery, jaką stanowią komórki skóry. Inwazyjne bakterie o złych zamiarach mają trudności ze zdobyciem przyczółków wśród tych ściśle strzeżonych placówek pogranicznych, a kiedy tego próbują, są atakowane bronią chemiczną. Miękkie tkanki ust, zapewne jeszcze bardziej podatne na inwazję, muszą przeciwstawiać się kolonizowaniu przez masy intruzów docierających do nich z jedzeniem i napływających w powietrzu.

Z ust ochotników naukowcy prowadzący Human Microbiome Project pobierali nie jedną próbkę, ale aż dziewięć, każdą z nieco innego miejsca. Okazało się, że te dziewięć lokalizacji zawiera zauważalnie odmienne społeczności, oddalone od siebie zaledwie o centymetry, złożone z 800 gatunków bakterii, wśród których dominują gatunki z rodzaju Streptococcus (paciorkowce) oraz kilka innych grup. Paciorkowce mają złą prasę, bo wiele ich gatunków wywołuje choroby, od zapalenia gardła po martwicze zapalenie powięzi, ale znaczna część zachowuje się nienagannie, wypierając paskudnych rywali z wrażliwego portalu ciała.

Te maleńkie odległości między miejscami pobierania próbek

32

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

w ustach mogą wydawać się nieistotne, ale dla mikrobów są jak rozległe równiny i górskie pasma, o klimatach równie odmiennych, jak w Szkocji i południowej Francji.

Wyobraźmy sobie klimatyczny przeskok z ust do nozdrzy.

Kleistą sadzawkę śliny, o nierównym podłożu, zastępuje włochaty las, pełen śluzu i kurzu. Nozdrza, jak sugeruje ich status bramy wjazdowej do płuc, goszczą ogromną gamę grup bakteryjnych, liczącą około 900 gatunków, w tym duże kolonie rodzajów Propionibacterium, Corynebacterium, Staphylococcus i Moraxella.

Gdy wyruszamy z gardła w dół, do żołądka, rozmaitość gatunków gwałtownie spada. Mocno kwasowe środowisko żołądka zabija wiele mikrobów trafiających tam z pożywieniem.

Wiadomo na pewno tylko o jednym gatunku przebywającym tam stale u niektórych osób – Helicobacter pylori – a jego obecność może być zarówno błogosławieństwem, jak i przekleństwem.

Od tego punktu podróż przez układ pokarmowy ujawnia coraz większe zagęszczenie – i różnorodność – mikrobów. Żołądek przechodzi w jelito cienkie, w którym jedzenie jest gwałtownie trawione przez nasze własne enzymy i wchłaniane do krwiobiegu. Lecz mimo wszystko są tam także drobnoustroje, jakieś 10 tysięcy osobników na każdy mililitr zawartości początkowego odcinka tej siedmiometrowej rury, a liczba ta wzrasta do niewiarygodnych 10 milionów na mililitr w pobliżu jej końca, gdzie jelito cienkie przechodzi w grube.

Tuż przed kryjówką, którą tworzy wyrostek robaczkowy, w sercu mikrobowego krajobrazu ludzkiego organizmu, leży tętniąca życiem metropolia drobnoustrojów – przypominające piłkę tenisową jelito ślepe. To epicentrum mikrożycia, gdzie biliony osobników należących do co najmniej 4000 gatunków wykorzystują do maksimum częściowo strawioną żywność, która przeszła rundę pierwszą procesu ekstrakcji składników odżywczych w jelicie cienkim. Twarde kawałki – włókna roślinne – pozostają dla mikrobów, zajmujących się nimi w rundzie drugiej.

Pozostałe 90 procent

33

PRZEŁYK

WĄTROBA ŻOŁĄDEK

jelito grube

{

JELITO PROSTE WYROSTEK JELITO ŚLEPE OKRĘŻNICA

JELITO CIENKIE

ODBYT

Układ pokarmowy człowieka.

Okrężnica, stanowiąca większą część długości jelita grubego, biegnie w górę prawą stroną tułowia, przechodzi pod klatką piersiową w poprzek ciała i schodzi w dół po lewej stronie. Jest domem mikrobów liczących już teraz 1 bilion (1 000 000 000 000) na jeden mililitr zawartości wypełniającej jej ściany, pełne fałdów i zagłębień. Drobnoustroje przechwytują resztki pożywienia i przetwarzają je w energię, pozostawiając produkty odpadowe do wchłonięcia komórkom ścian okrężnicy. Bez flory jelitowej te komórki zwiędłyby i obumarły. Podczas gdy większość komórek organizmu jest odżywiana cukrami transportowanymi przez krew, głównym źródłem energii dla komórek okrężnicy są produkty przemiany materii mikrobiomu. Wilgotne i ciepłe, podobne do

34

CICHA WŁADZA MIKROBÓW

bagna środowisko okrężnicy, miejscami całkowicie pozbawione tlenu, zapewnia swym mieszkańcom nie tylko stały napływ pożywienia, ale także bogatą w substancje odżywcze warstwę śluzu, która potrafi podtrzymać przy życiu mikroby w okresach głodu.

Ponieważ badacze z HMP musieliby rozcinać ochotników w celu pobrania próbek z różnych siedlisk jelitowych, znacznie bardziej praktycznym sposobem uzyskiwania informacji o mieszkańcach ludzkich wnętrzności było sekwencjonowanie DNA mikrobów zawartych w stolcu. Po przejściu przez jelita to, co zjadamy, jest w większości strawione i wchłonięte, zarówno przez nas, jak i przez nasze drobnoustroje, toteż tylko niewielka część żywności wychodzi drugim końcem. Stolec nie składa się bynajmniej z resztek naszego pożywienia, tylko głównie z bakterii, częściowo martwych, częściowo żywych. Około 75 procent wagi kału w stanie mokrym stanowią bakterie, a włókna roślinne jakieś 17 procent.

W dowolnym momencie życia jelita człowieka zawierają około 1,5 kg bakterii – to mniej więcej tyle samo, ile waży wątroba – a czas życia poszczególnych osobników to kwestia dni lub tygodni. Te 4000 gatunków znajdujących się w stolcu mówią nam o ludzkim organizmie więcej niż mikroby ze wszystkich innych siedlisk zebrane razem. Bakterie jelitowe są oznaką naszego zdrowia i odżywienia nie tylko na poziomie gatunków, lecz także całego zbiorowiska i pojedynczych osobników. Zdecydowanie najpowszechniejszą grupą bakterii w stolcu jest rodzaj Bacteroides, ale ponieważ flora jelitowa je to samo, co my, bakteryjne społeczności w jelitach różnych osób są odmienne.

Choć mikroby jelitowe wykorzystują resztki naszego pożywienia, to nie są wyłącznie śmieciarzami. My też je wykorzystujemy, zwłaszcza jeśli chodzi o podzlecanie funkcji, których nabycie na drodze ewolucji zajęłoby nam mnóstwo czasu. W końcu po co nam gen kodujący białko, które wytwarza witaminę B12, niezbędną do funkcjonowania mózgu, skoro Klebsiella zrobi to za nas? I komu potrzebne geny kształtujące ściany jelita, skoro posiada je Bactero-

Pozostałe 90 procent

35

ides? To znacznie tańsze i łatwiejsze niż formowanie ich od nowa.

Wszelako, jak się przekonamy, rola mikrobów żyjących w jelitach wykracza daleko poza syntetyzowanie kilku witamin.

Human Microbiome Project rozpoczął się od badania mikrobiomów wyłącznie ludzi zdrowych. Uzyskawszy ten punkt odniesienia, naukowcy poszli dalej, zadając sobie pytanie, jak zmieniają się one przy gorszym stanie zdrowia i czy nasze współczesne choroby mogą być skutkiem tych zmian, a jeżeli tak, to co wywołuje uszkodzenia? Czy dolegliwości skórne, takie jak trądzik, łuszczyca i zapalenie skóry, świadczą o zaburzeniu równowagi mikrobów skórnych? Czy nieswoiste zapalenie jelit, nowotwory przewodu pokarmowego, a nawet otyłość mogą wynikać ze zmian w społecznościach mikrobów żyjących w jelitach? I, co najniezwyklejsze, czy stany chorobowe na pozór bardzo odległe od drobnoustrojowych epicentrów, na przykład alergie, choroby autoimmunologiczne czy chociażby zaburzenia umysłowe, mogą być następstwami uszkodzonych mikrobiomów?

Hipoteza postawiona przez Lee Rowen podczas zakładu w Cold Spring Harbor pozwalała myśleć o znacznie głębszym odkryciu. Nie jesteśmy sami, a ci mikroskopijni pasażerowie odgrywają w naszym człowieczeństwie rolę większą, niż oczekiwaliśmy. Jak to ujmuje profesor Jeffrey Gordon: Postrzeganie naszej mikrobowej strony daje nam nowy obraz naszej indywidualności, nowe poczucie związku ze światem drobnoustrojów – poczucie spuścizny osobistych interakcji z naszą rodziną i środowiskiem na wczesnych etapach życia.

To każe nam przystanąć i pomyśleć, że ludzka ewolucja może mieć inny wymiar.

Staliśmy się zależni od naszych mikrobów. Bez nich bylibyśmy zaledwie małą cząstką nas samych. A zatem co to znaczy być w 10 procentach człowiekiem?

Polub nas na Facebooku

KUP TERAZ