Клеменс Арвай
История иммунной системы

Факты таковы, что наш кишечник просто кишит бактериофагами. Они являются там частью вириома, в него входит 150 тысяч различных видов вирусов. По-видимому, медицина будущего при лечении труднодиагностируемых и неспецифических расстройств желудочно-кишечного тракта будет опираться на понимание роли бактериофагов и использовать соответствующие лабораторные анализы в диагностических целях. Легко представить себе, что преобладание бактериофагов в кишечнике может негативно сказываться на здоровье, например, если они слишком подавляют наших бактериальных симбионтов, помогающих нам в переваривании пищи. И наоборот, возможно, что бактериофагов в будущем будут специально подселять к нам в организм для лечения бактериальных инфекций. В этом случае они будут охотиться на возбудителей болезней. В наше время, когда растет резистентность к антибиотикам, бактериофаги могли бы стать хорошей альтернативой антимикробным препаратам, эффективность которых постепенно снижается.

Иммунная система в движении

Прежде чем мы перейдем к многоклеточным организмам и их защитным механизмам, которые приближают нас к нашей собственной иммунной системе, хотелось бы бросить еще один взгляд на одноклеточных. Ведь наряду с цианобактериями, бактериями и археями существует еще множество других микроскопических форм жизни, состоящих всего из одной клетки. Биологи насчитывают 63 тысячи видов одноклеточных на нашей планете, из которых 36 тысяч – представители животного царства, а 27 тысяч – растительного (одноклеточные водоросли). Но эти виды относятся уже не к древним прокариотам, не имеющим клеточных ядер, а к эукариотам. Греческое eu означает «правильный». Таким образом, в отличие от бактерий, речь идет о «правильных» клетках с ядрами, к которым причисляют и клетки нашего тела, также являющиеся эукариотами.

Амебы образуют большую группу одноклеточных форм жизни. С эволюционной точки зрения они очень старые. Старейшие ископаемые останки этих существ насчитывают около 400 миллионов лет. Таким образом, появление первых амеб приходится на палеозойскую эру, а точнее говоря, на девонский или силурийский период. Раковинные амебы под микроскопом напоминают крошечных улиток, хотя состоят из одной-единственной клетки. Они живут внутри самостоятельно построенных раковин в пресной воде, сырых мхах и влажной почве. Биолог Александр Шмидт из Йенского университета обнаружил в найденном в Баварии древнем янтаре, возраст которого составляет сто миллионов лет, микроскопическую раковинную амебу, рядом с которой находились водоросли, одноклеточные ресничные инфузории и архаические грибки. Эта редкая находка показывает, насколько разнообразным был уже в то время состав одноклеточных^[6].

Для группы амеб характерно то, что ее представители не имеют постоянной формы тела. В отличие от бактерий и вирусов, это довольно большие существа – от 0,1 до 1 миллиметра в поперечнике. Самые большие из них видны невооруженным глазом. В редких случаях гигантские амебы достигают в размерах 3 миллиметров.

Понятие «амеба» не относится к какому-то одному виду. Наряду с амебами, которых считают представителями животного царства (радиоляриями, солнечниками, фораминиферами), существуют и амебы, стоящие ближе к водорослям и осуществляющие фотосинтез. В связи с этим их порой относят к зеленым водорослям. К числу амеб причисляют и слизевиков. Их популяции порой вырастают до колоний внушительных размеров, которые носят название плазмодиев и могут медленно передвигаться по подушке из слизи по лесным почвам или сгнившим стволам деревьев, которые служат им пищей. Несмотря на то что плазмодий по форме имеет некоторое сходство с грибками, слизевики таковыми не являются, однако, как и грибы, они неспособны использовать солнечный свет для получения энергии и вынуждены находить пищу во внешней среде.

Колонии слизевиков используются в биологических лабораториях в качестве моделей, на которых исследуются инфекции, спровоцированные бактериями, например легионеллой. У людей они порой вызывают тяжелые заболевания дыхательных путей. Легионелла может инфицировать и слизевиков, но те не сдаются без боя. В качестве иммунного ответа они просто ее поедают. Это процесс называется фагоцитозом. Греческое слово phagein означает «пожирать», а cytos в данном контексте переводится как «клетка». Следовательно, амебы – это клетки-пожиратели. Клетки слизевиков обволакивают возбудителей со всех сторон и переваривают. Это ничем не отличается от того, как они обычно питаются.

Фагоцитоз известен и у других видов амеб. Для этого у них внутри имеется свободное пространство, которое называется вакуолью. В ней частицы пищи или возбудители болезней измельчаются и перевариваются. Это самая примитивная и древняя форма пищеварительной полости, то есть древнейший «желудок». Несколько лет назад биологи установили, что колонии амеб, в частности уже знакомых нам слизевиков, имеют специализированные клетки, задача которых заключается в том, чтобы целенаправленно находить возбудителей болезни, атаковать и поедать их. Эти особые клетки циркулируют внутри колонии, чтобы защищать ее от патогенов^[7]. Их специализированная деятельность представляет собой простейшую форму иммунной системы.

Британский специалист по молекулярной и иммунной биологии Роберт Джек и французский зоолог Луи дю Паскье так описывают амеб в книге, посвященной эволюции иммунной системы: «Чем бы мы ни считали амебу, она прежде всего представляет собой иммунную систему, находящуюся в движении»^[8]. Это крайне интересное замечание с точки зрения естественной истории развития иммунной системы. Из него вытекают две вещи. Во-первых, даже у одноклеточных существ, живущих колониями, наблюдается некое подобие разделения труда – свойство многоклеточных организмов, в которых различные типы клеток выполняют разные задачи. Во-вторых, специализированные клетки амеб, которые предназначены для удаления возбудителей болезней из колонии, можно рассматривать как зачатки фагоцитов высших организмов, в том числе и нас самих.

Обитающие в нашей иммунной системе клетки-пожиратели – это белые кровяные тельца, или лейкоциты. Как и амебы, они занимаются фагоцитозом. Биологи называют их фагоцитами. Подобно амебам, наши фагоциты обволакивают возбудителей болезней со всех сторон и переваривают. Такой способ борьбы был «изобретен» амебами сотни миллионов лет назад. Что же касается фагоцитов, то мы еще вернемся к ним для более подробного рассмотрения.

Эвглена (слева) и амеба (справа)

Однако амебы являются не только родоначальниками иммунной системы и модельными организмами для изучения инфекционных заболеваний. Некоторые их представители и сами вызывают желудочно-кишечные заболевания, такие как амебная дизентерия, которая может отличаться тяжелым течением. Другие провоцируют воспаление в головном или спинном мозге. Так называемый первичный амебный менингит, то есть воспаление мозговых оболочек, более чем в 90 процентах случаев приводит к смерти. Это заболевание имеет также экологическую природу: инфекционные амебы особенно активно размножаются в промышленных сточных водах и в загрязненных водоемах. Особенно страдают от этих патогенов жаркие регионы мира.

Трихомонада

Наряду с бактериями, вирусами и амебами в роли возбудителей болезней человека и животных могут выступать и другие виды одноклеточных. Так, например, в 2016 году Германское общество протозоологии объявило возбудителем года трихомонаду. Это одноклеточное существо вызывает, прежде всего у женщин, воспалительные процессы мочевыводящих путей и слизистых оболочек половых органов. Доказано, что трихомонадная инфекция повышает риск заражения ВИЧ и развития рака шейки матки. У мужчин возрастает риск развития рака предстательной железы.

В первой главе мы занимались только одноклеточными, и уже одно только это позволило нам познакомиться с такими основополагающими чертами иммунной системы, которые мы наблюдаем и у человека, как клетки-пожиратели, иммунопротеины, естественная смерть клеток, маркировка возбудителей болезней, обучаемость иммунной системы и т. п. Даже у самых древних и простейших форм жизни уже на протяжении многих сотен миллионов лет наблюдаются эти основные иммунные функции.

Из последующих глав вы узнаете, насколько наша собственная иммунная система поддерживает эти древние естественно-исторические традиции и как выработанные другими живыми существами в ходе эволюции свойства иммунитета помогают нам защищаться от неблагоприятных воздействий окружающей среды, беря от нее все полезное. Мы используем опыт, накопленный другими существами. Иммунная система становилась по мере развития жизни все сложнее и «умнее», так как была способна к обучению. С момента возникновения жизни и вплоть до появления Homo sapiens она всегда была тесно связана с окружающей средой, обеспечивая живым существам возможность пользоваться пространством для обитания и помогая избегать исходящих от него опасностей.

Поскольку до сегодняшнего дня эти задачи не изменились, иммунная система, как и прежде, представляет собой механизм взаимодействия с окружающей средой. Пространство для обитания и иммунную систему невозможно рассматривать отдельно друг от друга. Они находятся в эволюционном равновесии. Поэтому изменение состояния окружающей среды – положительное или отрицательное – неизменно влечет последствия для иммунной системы. Об этом мы еще подробно поговорим.

Особенно заметна тесная взаимосвязь между организмом и средой его обитания в царстве растений, которые в большинстве случаев прочно привязаны корнями к одному месту или, если речь идет о водорослях, постоянно омываются водой со всеми содержащимися в ней патогенами. Они тоже не могли бы жить, если бы их иммунная система не была неразрывно связана с окружающей средой. Следующая глава будет посвящена растительным формам жизни.

Глава 2
Иммунные функции растений: значение зеленых форм жизни для вирусологии и иммунологии

Иммунные системы растений во многом схожи с системами врожденного иммунитета людей и животных. Они обладают важнейшими функциями защиты от болезней и вредных влияний окружающей среды. Таким образом, естественная история иммунной системы должна охватывать и растения. Об этом говорит уже один тот факт, что первые вирусы были обнаружены именно в растениях, что положило начало вирусологии. Возбудителями болезней и иммунными функциями растений занимается наука под названием фитомедицина. Что же касается распространения и динамики инфекционных заболеваний и других болезненных состояний в растительных популяциях, то это сфера деятельности эпидемиологии растений.

Водоросли: пионеры коммуницирующих иммунных систем

Эвглена представляет собой любимый объект изучения биологов, поскольку она особенно остро реагирует на воздействия окружающей среды. Она перемещается в толще воды при помощи активных движений жгутика. При этом стремится к источнику света и способна ориентироваться в пространстве, так как реагирует на силу тяжести. Поэтому при изучении движений одноклеточных эвглену часто выбирают в качестве модели. Под микроскопом она зеленого цвета, так как содержит в себе хлорофилл. Именно это вещество делает зелеными листья растений. С его помощью происходит фотосинтез, в результате которого из двуокиси углерода и воды под воздействием солнечного света образуются различные виды сахаров, то есть углеводы. Как известно, побочным продуктом этого процесса, имеющим важное значение для экологии, является кислород. Эвглена, относящаяся к одноклеточным водорослям (жгутиконосцам), также обладает возможностью такого автономного получения энергии с помощью фотосинтеза.

Растение борется с вредителем

Водоросли представляют собой форму жизни, близкую к растениям. Они появились уже 2,5 миллиарда лет назад, в раннюю протерозойскую эру. Некоторые водоросли образуют колонии, что роднит их с уже описанными амебами. Такие колонии можно увидеть в водоемах. Некоторые виды водорослей объединяются и срастаются в некие вегетационные образования, достигающие 60 метров в длину. Однако водоросли, в отличие от высших растений, не имеют специализированных органов в виде листьев, корней, стеблей или стволов. Они относятся к низшим растениям, представляющим собой более древнюю форму растительной жизни.

Особый интерес в мире водорослей вызывает вольвокс. Это переходная форма от одноклеточных водорослей к многоклеточным. Клетки вольвокса объединяются, образуя микроскопическую сферу, и делят между собой различные функции, как в некоем квазиорганизме. Одни клетки отвечают за передвижение, другие – за питание, третьи – за размножение. Если сфера распадается, то составлявшие ее клетки способны выжить самостоятельно. Это отличает их от настоящих многоклеточных существ, клетки которых способны жить только сообща.

Независимо от того, живут ли одноклеточные водоросли поодиночке, как эвглена, образуют колонии или объединяются в сферу, как вольвокс, им требуются механизмы для защиты от болезнетворных воздействий извне. Они обладают способностями, которые можно назвать активным иммунитетом. Например, водоросли подвергаются атакам бактерий, обитающих в любом водоеме и в любой экосистеме. Некоторые из них представляют опасность. Так, бактерии, носящие название вибрионов, могут вызывать отмирание частей водорослей. К этому же семейству бактерий принадлежат и возбудители холеры. Другой вид бактерий, Pseudoalteromonas, вызывает появление на водорослях красных пятен. Кроме того, эти возбудители способны разрушать клеточные мембраны всех водорослей, что способствует их гибели. Водоросли обороняются, вырабатывая антибактериальные вещества, которые образуют на них защитную наружную пленку.

В этом иммунном ответе уже прослеживаются целенаправленные защитные механизмы, потому что антибактериальные средства защиты производятся не в качестве профилактики, а как реакция на определенные возбудители, которые воспринимаются водорослью как угроза. Водоросли умеют проводить различие между «своим» и «чужим». Это различие лежит в основе высшей иммунной активности и свойственно в том числе и нашей иммунной системе. 2,5 миллиарда лет назад водоросли, будучи самой древней растительной формой жизни, научились с большой точностью отличать свои ткани от чужих.

«Свое» по определению не таит в себе никакой угрозы. «Чужое» распределяется иммунной системой водорослей и других живых существ по трем категориям. В первую входят эпибионты – нейтральные микроорганизмы, которые просто присутствуют в окружающей среде и не причиняют никакого вреда. Они обитают на поверхности водорослей, точно так же как различные микробы живут на слизистой оболочке нашего кишечника.

Вторую категорию образуют симбионты – организмы, которых иммунная система признает полезными и потому не атакует, а, наоборот, терпит и поддерживает. Так, например, известная водоросль хлорелла, продаваемая в качестве пищевой биодобавки, тесно сотрудничает с бактериями рода Bacillus, образуя с ними консорциумы^[9]. Бактерии живут на внешней поверхности клеток водорослей и осуществляют с ними взаимовыгодный обмен питательными веществами. Партнерам по симбиозу удается совместными усилиями полностью освоить и поделить кормовую базу водоема. При этом бактерии получают от водорослей еще и сахар как продукт фотосинтеза. Симбиоз бактерий Bacillus и хлореллы настолько эффективен, что этот дуэт используется как биотехнологическое средство очистки сточных вод: удается удалить из отходов производства избыток азота и фосфора, которые в противном случае скапливались бы в водоемах в чересчур высокой концентрации.

Наконец, третью категорию «чужих» субстанций представляют патогены. Против них водоросли, как и другие живые существа, задействуют защитные механизмы.

Чтобы отличать «свое» от «чужого» и полезное от вредного, водоросли, даже будучи низшими растениями, способны распознавать различные клеточные структуры микроорганизмов и оценивать степень их опасности для себя. Эти структуры носят название MAMP (от англ. microbe-associated molecular pattern – молекулярные паттерны, ассоциирующиеся с микроорганизмами). Опасные МАМР называются РАМР – pathogen-associated molecular patterns, то есть молекулярные паттерны, ассоциирующиеся с патогенами. Молекулярно-биологические механизмы такого распознавания находятся пока в стадии изучения. Однако уже ясно, что в процессе «ощупывания» чужеродных субстанций участвуют определенные белки. Поэтому можно с уверенностью сказать, что водоросли располагают специализированными иммунопротеинами. Как мы увидим несколько ниже, похожие иммунопротеины играют центральную роль и в нашей врожденной иммунной системе.

После того как иммунопротеины водорослей распознали опасные РАМР, происходит выброс гормонов стресса и сигнальных веществ, которые запускают процесс выработки подходящих антибактериальных средств для защиты от возбудителей. Такая взаимосвязь между растительными гормонами и иммунной реакцией позволяет предположить, что уже у водорослей в процессе эволюции возникло взаимодействие между гормональной и иммунной системами, которое мы находим у высших организмов, включая и нас самих. Взаимосвязь гормональных и иммунных функций изучает иммуноэндокринология. Как мы видим, предмет ее исследований зародился еще на этапе водорослей.

Кроме того, водоросли способны получать и расшифровывать сигналы от своих соседей^[10]. Если возбудители болезней нападают на соседние водоросли, те предупреждают окружающих об опасности. Для этого используются, в частности, вещества из класса терпенов. В него входит большое количество вторичных веществ растительного происхождения, обладающих биоактивными функциями. Молекулы терпенов представляют собой своего рода «слова химического языка». Они находятся в растворенном состоянии в воде, но могут также переходить в газообразное состояние и поступать в атмосферу. Водоросли, получившие через терпены сигнал об опасности заражения, вырабатывают в профилактических целях защитные вещества. Такая биохимическая коммуникация позволяет узнать, какие именно патогены вторглись в общую среду обитания, насколько велика их концентрация и какие защитные стратегии необходимо активизировать.

Наряду с терпенами микроорганизмы и растения используют для коммуникации и другие биохимические вещества, но терпены представляют собой наиболее распространенные «слова» этого общения. Поскольку бóльшую часть живых существ на Земле представляют микроорганизмы, водоросли и растения, можно без всякого преувеличения сказать, что самым распространенным языком в мире является «язык» терпенов.

Мы видим, что даже иммунная система самых простых и древних организмов явно тяготеет к коммуникации. Она общается с окружающей средой и другими формами жизни, с которыми ей приходится делить биотоп. Имейте это в виду, потому что на протяжении всей книги мы будем сталкиваться с коммуникативными способностями нашей собственной иммунной системы, которая интенсивно обменивается данными с окружающей средой. В связи с этим некоторые биологи даже включают иммунную систему в число органов чувств. Водоросли демонстрируют, что это свойство иммунной системы зародилось уже миллиарды лет назад.

Для того чтобы инфицировать водоросли, вирусы ищут на их клеточных мембранах особые белки, которые служат им как бы местом «причаливания». Для предотвращения атаки вирусов водоросли изменяют белки, по-новому выстраивая их компоненты. Белки состоят из аминокислот, расположенных в определенном порядке. Вирусы специализируются на присоединении к этим молекулярным структурам. Если изменить белки, находящиеся на поверхности клеточных мембран растений, вирусам не удастся присоединиться к ним. При этом иммунная система растений может опираться на опыт предыдущих поколений, так как механизмы блокады вирусов передаются по наследству и представляют собой типичный пример врожденной защитной стратегии, которая имеется и у людей.

Кроме того, многие водоросли располагают возможностью вырабатывать вещества, снижающие активность вирусов и бактерий, например полисахариды^[11]. Правда, и для этого иммунной системе водорослей надо сначала с помощью иммунопротеинов распознать присутствие «чужого».

О защитных механизмах водорослей, который они используют в борьбе с вирусами, известно пока меньше, чем о стратегиях борьбы бактерий с бактериофагами. Биологам еще предстоит множество открытий в этой области. Но одно можно сказать уже сейчас: водоросли обладают выкованным в ходе эволюции оружием против вирусных возбудителей и от поколения к поколению совершенствуют его. При этом они используют иммунопротеины для идентификации вирусов и бактерий.