Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Переключатель позволяет нам узнать больше, чем варианты с простым удалением или постоянной активацией генов. Так, если мы вырежем у бактерий гены, причастные к подвижности, и не найдем этих бактерий в кишечнике, то будем вынуждены выяснять: плавание – это способ удерживаться в кишечнике или прежде всего способ добираться до рыбы и колонизировать ее? Отключение тех или иных моделей поведения после колонизации позволяет нам обозначить роли изучаемых бактерий в специфических сценариях кишечной жизни. Отключение подвижности, как мы обнаружили, приводит к значительному сокращению популяции модифицированных микробов, поскольку они не в силах противостоять кишечным течениям, выносящим их из рыбы, и не могут размножаться так быстро, чтобы восполнять потери. Еще удивительнее, что само животное чувствует эти поведенческие нюансы. У данио-рерио, запрограммированных на производство зеленого флуоресцентного белка при каждой активации сети генов иммунитета, мы наблюдали мощный иммунный ответ на колонизацию рыбы нормальными, подвижными бактериями (как нам и подсказывали прежние наблюдения) и очень слабый ответ на заселение бактериями, неспособными плавать14. Разницу нельзя было объяснить связью иммунных клеток с поверхностными белками микробов, так как внешний вид бактерий не менялся. Мы заподозрили, что критична именно подвижность, поскольку она позволяет бактериям подбираться ближе к стенкам кишечника и контактировать с чувствительными клетками. Это еще нужно доказать, но в любом случае мы полагаем, что в смысле управления экосистемой поведение бактерий в кишечнике играет не меньшую роль, чем поведение животных в лесу.
Потенциал инженерии генетических схем волнует не только нас. Многие ученые уже поняли, что микробы могут «запоминать» условия в кишечнике и после прохождения по нему своим состоянием показывать, встречались ли у них на пути определенные токсины, питательные вещества и другие химические соединения15. В составе одной схемы с генными цепями, производящими особые биохимические агенты, генетические переключатели могли бы обеспечивать доставку лекарств только при должной стимуляции, используя способность клеток к принятию решений для замены традиционных таблеток более продвинутым лечением.
Но вернемся к изучению микробиома с точки зрения физики: влияние биофизических факторов на динамику популяций кишечных микроорганизмов выявляют и другие научные группы. Например, в лаборатории Теренса Хва на кафедре физики Калифорнийского университета в Сан-Диего сконструировали искусственные устройства, воспроизводящие перистальтику человеческого кишечника, чтобы оценить естественные соотношения численности типичных резидентных бактерий16. Ким Хён Чон из Техасского университета в Остине [42] создает растяжимые устройства «кишечник на чипе», подобные платформе «легкое на чипе» (см. главу 8), для исследования механики взаимодействий микробов с культивируемыми клетками кишечника17. Разные научные группы изучают в числе прочего связывание бактерий друг с другом с помощью антител или механические роли тканевого и осмотического стрессов. Но я должен подчеркнуть, что биохимические и генетические характеристики кишечных микробов изучают гораздо чаще, чем физические, и такие исследования особенно хороши для открытия способов общения микробов друг с другом и со своим хозяином. Бактерии могут синтезировать необычные белки, жиры, гормоны, витамины и даже нейромедиаторы. Несомненно, в кишечном микробиоме одновременно действуют биологические, химические и физические принципы.
Самособранная экосистема
Динамику, порождаемую взаимодействием бактериальной архитектуры и кишечной механики, мы можем считать очередным проявлением знакомого нам принципа самосборки. В микробных сообществах возможны более необычные и абстрактные способы самосборки, связанные с общими свойствами экосистем. Как я упоминал, в вашем кишечнике живут представители сотен микробных видов. Изобилие таксонов находят и в ведре морской воды или в ложке земли. Такое многообразие сбивает с толку. Вообще-то это известная загадка экологии, в 1961 году названная зоологом Джорджем Хатчинсоном парадоксом планктона. Представьте себе какую-то абстрактную группу видов, которой доступен единственный тип пищи. Всегда найдется один вид, лучше прочих усваивающий эту пищу и размножающийся; постепенно по численности он превзойдет остальных, и разрыв будет только расти. В конце концов этот вид добьется полного доминирования в среде, превратив ее из многообразной в монокультурную. Если доступно несколько типов пищи, длительно сосуществовать смогут несколько видов. Высокое же таксономическое разнообразие, по идее, возможно лишь в тех экосистемах, где пища невероятно разнообразна и точно соответствует предпочтениям каждого из видов.
 
Природа, однако, в грош не ставит этот аргумент и вопреки теории постоянно создает и поддерживает какофоническое многообразие. Впрочем, даже теория предлагает множество решений парадокса планктона. Одно из них – пространственная структура: если разные организмы населяют разные зоны, они могут сосуществовать, даже имея одинаковые пищевые предпочтения. Второе – временнáя структура: например, численность популяций может колебаться не синхронно, и тогда виды будут доминировать попеременно. Другие решения связаны с метаболизмом. В простейшей картине, которую мы нарисовали, организм лишь поглощал пищу и размножался. В реальности не обойтись без множества промежуточных шагов. После поглощения одни молекулы преобразуются в другие, расщепляются на элементарные звенья или объединяются. Бактерии, в частности, особенно склонны выделять промежуточные продукты метаболизма в среду или поглощать их из нее. В итоге получается гораздо больше типов молекулярной пищи, чем могло бы показаться при учете лишь начальной или конечной точки. Микробы кормят друг друга в ходе таких химических переговоров. Поэтому бульона с единственным питательным веществом хватает для поддержания жизни десятков бактериальных видов. Несколько лет назад группа Альваро Санчеса в Йельском университете выделила из образцов почвы и листвы сотни микробных сообществ, кормила каждое из них всего одним веществом и показала, что несколько видов могут длительно уживаться друг с другом, причем итоговые составы ансамблей предсказуемы и воспроизводимы18.
Наши теоретические представления об экологическом разнообразии тоже углубляются, и мы все лучше понимаем, почему подобное сосуществование распространено гораздо шире, чем казалось ранее. Математическими уравнениями можно описать рост, смерть и взаимодействия видов в экосистеме. Вместо того чтобы присваивать параметрам таких моделей конкретные значения, можно изучить диапазон исходов, получаемых при многократной подстановке случайных величин, и составить представление о том, какие свойства с большей или меньшей вероятностью будут присущи экосистеме. И снова мы сталкиваемся с предсказуемой случайностью: вместо того чтобы оценивать средние характеристики случайных блуждающих, мы оцениваем усредненные характеристики моделей случайных экосистем, определяя, например, частоту исходов, в которых остаются все виды или в которых часть видов вымирает. Пионером в применении этой тактики стал эколог Роберт Мэй: в 1970-х он опубликовал очень важную, ставшую классической статью, где заключал, что разнообразие и стабильность в экосистемах не идут рука об руку19. Напротив, добавление очередного члена в сообщество снижает вероятность устойчивого сосуществования видов. Эту мысль развивают многие теоретики. В Бостонском университете, например, Панкадж Мехта с коллегами показал, что сосуществование возможно и по достижении теоретически выведенной Мэем точки дестабилизации, но только если речь идет об отдельных группах взаимодействующих видов, а не о совокупности их всех20.