Как западная диета препятствует эволюции: бургеры и картофель почти убили микробиом наших предков
Мойше Веласкес-Манофф
Микробиолог Джастин Зонненбург сделал неожиданное открытие, изменившее вектор его исследований и вдохновившее его изучать влияние диеты и микробов на риск развития различных заболеваний.
Группа итальянских микробиологов сравнила кишечную микрофлору молодых жителей африканской глубинки из деревни в Буркина-Фасо с микрофлорой юных жителей итальянской Флоренции. Сельские жители, которые питались в основном просом и сорго, имели гораздо большее микробное разнообразие, нежели флорентийцы, питавшиеся рафинированной западной едой. Микробное сообщество в организмах флорентийцев было адаптировано к перевариванию белков, жиров и простых сахаров, а микробиом жителей Буркина-Фасо был ориентирован на разложение сложных растительных углеводов, которые мы называем волокнами.
Учёные подозревают, что наше кишечное сообщество микробов, человеческая микрофлора, регулирует нашу иммунную и метаболическую функцию, и что его сокращение или изменение может увеличить риск развития хронических заболеваний, начиная от астмы и заканчивая ожирением. Можно подумать, что набор микробов более или менее одинаков у здоровых людей во всём мире. Но это не так, говорят учёные.
«Это были самые разнообразные составы человеческих микробиот, которые мы когда-либо видели», – сказал микробиолог Джастин Зонненбург. По его мнению, эта информация подталкивает нас к крайне важному выводу: западный микробиом – сообщество микробов, которое учёные считали нормальным и здоровым и использовали в качестве эталона для сравнения с больными микробиомами, – может значительно отличаться от сообщества микробов, преобладавшего на протяжении большей части человеческой эволюции.
Зонненбург задаётся вопросом: если микробиом Буркина-Фасо представляет собой своего рода естественное состояние микрофлоры людей эпохи неолита или древних людей времён натурального хозяйства, и если переход от этого состояния к состоянию микрофлоры жителей современной Флоренции представлял собой путь от дикости к развитому агропромышленному комплексу и городской жизни, то как и на каком участке этой дороги флорентийцы потеряли все эти микробы?
Когда результаты исследования, проводившегося в Буркина-Фасо, были опубликовано в 2010 году, вопрос о том, какие конкретно микробы способствуют улучшению человеческого здоровья, оставался без ответа, и учёные предполагали, что разнообразие само по себе имеет значение. Таким образом, несмотря на относительную бедность быта, сельские жители Африки оказались обладателями такого богатства, которое наука только сейчас начинает ценить.
Откуда взялось подобное разнообразие? Люди не могут переваривать растворимые волокна, поэтому наши организмы «завербовали» микробов, чтобы делать это за нас. Микробиота жителя Буркина-Фасо производит примерно в два раза больше побочных продуктов брожения, называемых короткоцепочечными жирными кислотами, чем микрофлора флорентийца. Это дало основания предполагать, что волокна, обильно ферментированные микроорганизмами, каким-то образом повышают микробное разнообразие у африканцев.
Как выглядел микробиом наших предков, прежде чем был изменён появлением санитарии, антибиотиков и фаст-фуда?
Когда Зонненбург кормил подопытных мышей пищей, богатой клетчаткой, то микробы, специализирующиеся на её разложении, процветали, и экосистема микроорганизмов становилась более разнообразной в целом. Когда же он кормил мышей бедной волокнами, подслащённой европейской пищей, разнообразие резко сокращалось. При этом мыши становились злыми, и с ними было трудно справиться. Но эти эффекты не были необратимыми. Даже после нескольких недель на этой нездоровой диете, микробное разнообразие животного в основном восстанавливалось, если оно снова начинало потреблять волокна.
Это хорошая новость для американцев: наши микробные сообщества способны восстанавливать разнообразие, если мы начинаем есть больше цельного зёрен и овощей. Но также учёные увидели, что произошло, когда беременные мыши питались едой с малым количеством клетчатки: временные потери микрофлоры стали постоянными у их потомков.
Проходя через родовые пути, мы получаем смазку из микробов нашей матери, своего рода закваску для развития нашего собственного сообщества микроорганизмов. В этом случае, однако, детёнышам, рождённым мышами, «сидящими» на американской сладкой диете без клетчатки, не удалось получить полный комплект микробов их матерей. Во время передачи были потеряны целые группы бактерий. Когда Зонненбург перевёл этих мышей второго поколения на богатые клетчаткой диеты, их микробное разнообразие не удалось восстановить. Мыши не могли «отрастить» то, что они никогда не наследовали. Когда же этих мышей второго поколения перевели на диету без клетчатки, их потомки унаследовали ещё меньше микробов. Микробные пробелы усугубляются от поколения к поколению.
Многие исследователи микробиома подозревают, что мы переживаем невозобновляемое исчезновение здоровой микрофлоры в масштабах всей планеты. Многочисленные факторы вовлечены в этот процесс. Антибиотики, получившие широкое распространение после Второй мировой войны, стали работать, как напалм, без разбора уничтожая обитателей наших внутренних экосистем. Современные нормы санитарии, которые начали вводить в конце 19-го века, стали ограничивать обмен как болезнетворными, так и способствующими укреплению здоровья микробами. Современные дома в современных городах защищают нас от многих микроорганизмов, поступавших в организм из почвы, растений и животных во время нашей эволюции.
Учёные называют этот процесс «микробным голоданием». Мария Глория Домингес-Белло, микробиолог из Нью - Йоркского университета, изучающая индейские общины, говорит, что усилия по сохранению микрофлоры – это «не американский проект по микробиому, это общечеловеческий проект».
Учёные начали предпринимать замечательные и несколько донкихотские усилия с целью сохранить, прежде чем они исчезнут, микробы людей, живущих в диких условиях, подобно нашим далёким предкам. Исследователи плывут по рекам бассейна Амазонки, двигаются по бездорожью в восточно-африканской саванне, карабкаются вдоль ущелий в горные сёла Папуа-Новой Гвинеи. Они считают, что обязаны собрать и сохранить образцы экосистемы, которая в скором времени может исчезнуть.
«Это действительно наш последний шанс собрать многие из вымирающих микробов со всего мира, – говорит Роб Найт, микробиолог из Университета Калифорнии, Сан-Диего. – Мы должны сделать это, прежде чем будет слишком поздно, и сейчас уже почти слишком поздно».
Он и другие учёные подозревают, что эти группы населения не сумеют сохранить свой традиционный образ жизни. Антибиотики, которые уже часто используются во многих общинах, полагают учёные, негативно влияют на разнообразие микробов. Что касается прогресса, модернизации и культурной ассимиляции, то эти народы движутся к дезинфекции, крытому жилищу, фаст-фуду – реалиям, характерным для жизни в современных развитых странах. Как следствие этого процесса, некоторые человеческие микробы, или, возможно, некоторые конфигурации этих микробов, могут быть потеряны навсегда.
В настоящее время учёные хотят знать, как человеческие микробиомы влияют на наши тела. Мартин Бласер, микробиолог из Нью-Йоркского университета, утверждает, что, поскольку западные народы потеряли важные микробы, нам придётся заселять свои организмы микробами, полученными от представителей диких племён – скажем, амазонских индейцев или африканских охотников-собирателей.
Люди, живущие натуральным хозяйством, отличаются огромным разнообразием микробов по сравнению с европеизированной популяцией – у них на 50 процентов больше видов микробов, чем у жителей США или европейцев. Это биоразнообразие включает в себя не только бактерии, но и эукариотов (одноклеточных простейших), и крупных многоклеточных червей. Эти организмы исторически считались патогенами. Но в настоящее время есть основания предполагать, что они могут участвовать в формировании микробиома, принося пользу хозяину.
В то время как в Северной Америке микробы ориентированы на поглощение жиров, простых сахаров и белка, микробы диких сообществ до сих пор ориентированы на ферментацию волокон.
Большинство испытуемых живут в тропиках; их микробные сообщества могут отражать тропические условия жизни, а не древнее состояние человека. Но даже «исчезнувшие» микробиомы из более высоких широт, в том числе из замороженных европейских мумий, сконфигурированы аналогичным образом (их конфигурация позволяет им переваривать растительные волокна), и это значит, что они преобладали во время человеческой эволюции.
Учёные считают, что микробное голодание, а именно, недостаток разлагающих растительные волокна популяций микробов, может предрасполагать к распространённым на современном Западе заболеваниям.
Ученые, изучающие эти сообщества, подозревают, что там, где смертность высока от инфекционных заболеваний, хронические и неинфекционные заболевания гораздо менее распространены. В то же время, исследователи с конца 20-го века неоднократно наблюдали, что даже на Западе люди, которые растут на фермах с домашним скотом или подвергаются определённым воздействиям фекально-оральных инфекций, таких, как гепатит А и глистные инвазии, развивают микрофлору, напоминающую микрофлору примитивных общин. Кроме того, они меньше рискуют стать жертвами некоторых западных недугов, в частности, сенной лихорадки, астмы и некоторых аутоиммунных расстройств.
Конечно, никто не стремится вернуть к жизни микробов-убийц, исчезнувших или затаившихся давным-давно. Но есть подозрение и надежда, что полезные микробы могут быть отделены от опасных, и «хорошие» популяции можно восстановить.
Министерство сельского хозяйства США рекомендует взрослым потреблять от 25 до 38 граммов клетчатки в день. Большинство американцев потребляют значительно меньше богатых клетчаткой пищевых продуктов, включая орехи, цельное зерно, некоторые фрукты и овощи, чем необходимо для поддержания здоровья. Об этом свидетельствует, в частности, исследование ирландского врача Дениса Беркитта. Работая в Уганде в 1960-е годы, Беркитт убедился, что высоким содержанием клетчатки в питании африканцев объясняется относительный низкий процент развития у них рака толстой кишки.
Люди, которые едят много клетчатки, подвергаются меньшему риску развития многих заболеваний, в том числе сердечно-сосудистых и диабета. Однако, когда учёные обильно кормили клетчаткой добровольцев, улучшений не наблюдалось. И здесь мы подходим к главному вопросу: какой механизм делает клетчатку полезной для здоровья?
Растворимые волокна – это термин, которым обозначают сложные растительные углеводы, в том числе некоторые полисахариды, олигосахариды и фруктаны. Молекулы состоят из простых углеводов, связанных между собой в длинные цепи. Если вы сбросите груз по переработке волокон на сообщества микробов, которые специализируются на ферментации, они с ним справятся. И начнут штамповать жирные кислоты с короткой цепью, в том числе бутират, чей запах можно узнать, понюхав перезрелый сыр, и ацетат, который даёт уксусу его остроту.
Эти кислоты являются одним из механизмов, с помощью которых волокна предотвращают болезнь. Исследования грызунов показывают, что кислоты стимулируют противовоспалительную функцию иммунной системы клеток, предотвращают аллергии и другие воспалительные заболевания. Недавнее исследование Nature Medicine показало, что кислоты снижают предрасположенность животных к астме.
По словам Джастина Зонненбурга, «наш кишечник представляет собой неконтролируемую фармацевтическую фабрику». Задача, стоящая сегодня перед микробиологией, заключается в том, чтобы найти правильный подход к этой фабрике.
Это возможно благодаря изучению популяций, живущих традиционным образом. В прошлом большинство людей, вероятно, потребляли во много раз больше клетчатки, чем сегодня. Если вы едите минимально обработанные растения, которыми люди питались в течение миллионов лет, вы не будете страдать от недостатка клетчатки. Конечно, современные охотники-собиратели и садоводы едят много клетчатки. Хадза из Танзании, например, потребляют, по меньшей мере, в десять раз больше, чем американцы, клубней, фруктов и лесных ягод. Земледельцы из Буркина-Фасо также едят больше клетчатки, чем в среднем население стран Запада – в виде каш и хлеба, изготовленных из неочищенных зёрен.
Эта ситуация радикально изменилась в недавнем прошлом, с появлением и широким распространением рафинированных продуктов. В результате западные люди потеряли здоровые популяции микробов, разлагающих волокна путём брожения. Мы страдаем от дефицита ферментации продуктов.
Жирная пища, в которой не хватает волокон, приводит к тому, что микробы начинают пожирать слизистую оболочку, что может привести к воспалительным заболеванием кишечника.
Когда любящие клетчатку микробы голодают, они начинают есть слизь. А с течением времени этот унаследованный микроб может быть утрачен из-за питания, бедного клетчаткой.
Нам нужна слизь. Она поддерживает необходимое расстояние между нами и нашими микробами. Когда объём слизи уменьшается из-за плохого питания, слизистая кишечника становится раздражённой. Этот процесс можно обнаружить благодаря маркеру, недавно открытому и называемому эндотоксином: его содержание увеличивается в крови сразу после употребления сладкой и жирной пищи. Иммунная система реагирует так, словно организм сталкивается с угрозой, что приводит к воспалениям, провоцирующим множество современных западных заболеваний.
Воспаления необходимы организму, чтобы бороться с инфекциями и восстанавливать ткани. Но хроническое воспаление – сигнал опасности и может привести к клеточным дисфункциям, вызывающим многие дегенеративные заболевания.
Перевариванию пищи способствует сотрудничество между микробами. Исключая из рациона клетчатку, вы устраняете потребность в этом сплочённом сотрудничестве. Взаимовыгодные договоренности перестают работать.
Хадза, одни из последних оставшихся племён охотников-собирателей на Земле, живут недалеко от озера Эяси в Танзании, регионе Восточной Африки, который считается родиной нашего вида. Анализ их микрофлор обнаружил очень разнообразное сообщество, в том числе ряд микробов, ранее неизвестных учёным.
Хадза имеют в своей микрофлоре вид бактерий под названием трепонемы, которые отсутствуют в организмах людей в развитых странах мира. Эти спирохеты связаны с патогеном, который вызывает сифилис. Все индейские племена, которые учёные изучали до сих пор, в том числе различные индейские группы, также является носителем трепонемы, как и наши родственники-приматы.
Сесил Льюис, генетик из Университета штата Оклахома в Нормане, изучающий микробиомы коренных жителей, в том числе индейского населения, подозревает, что они могут принадлежать к «родовому микробиому» – сообществу, которое сопровождало нас с тех пор, когда мы ещё не превратились в людей. Возможно, лекарство от сифилиса истребило их на Западе. Когда учёных спросили, что эта потеря может означать, Льюис и другие ответили, что у них нет ответа.
Тем не менее, у трепонемы есть гены, которые помогают в разрушении сложных углеводов, что указывает на их роль в брожении. И это согласуется с другой поразительной особенностью хадза и индейских микробиом. Если у нас есть всего несколько штаммов, скажем, бактерий Prevotella, хадза имеют калейдоскопическое их разнообразие. Опять же, в этом играет роль питание. Переваривание жёстких, диких растений может потребовать участия различных групп микробов.
Что случилось с западным микробным разнообразием? Возможно, некогда мы непреднамеренно убили это богатство, или не обладали им вовсе. Зонненбург предполагает, что, поскольку мы не кормили этих микробов, то потеряли их. Наше родовое разнообразие, возможно, было утрачиваемо в течение долгого времени из-за бедного клетчаткой питания.
В прошлом большинство людей, вероятно, потребляли во много раз больше клетчатки, чем сегодня. Подопытные мыши живут в пластиковых контейнерах, отрезанные от новых источников микробов. Люди живут иначе. Один из главных вопросов заключается в том, что будет, если западный человек начнёт есть дикие клубни и плоды баобаба. Появится ли в его кишечнике микробное разнообразие, присутствующее в окружающей среде?
Исследования бактерий позволяют предположить, что можно увеличить микробное богатство с помощью питания большим количеством клетчатки. Но вот незадача: из исследований, проведённых в Европе, следует, что только люди, ранее имевшие базовое разнообразие микрофлоры, извлекли выгоду из этих диетических мероприятий. Те, чьи микробные сообщества были слишком бедными, не откликнулись на новую диету. Оказалось, у них нет такой возможности.
Нам нужны «правильные» микробы с их уникальными алхимическими способностями, чтобы разблокировать и усвоить питательные вещества из пищи. Где же их взять? Наши конкретные гены могут влиять на состав нашего микробиома, склонность к развитию болезней или ожирения, формируя наши микробные сообщества.
Среды, где до сих пор происходит обмен микробами – детские сады, коровники, дома с большим количеством братьев и сестёр, а также дома с собаками, – по-видимому, защищают нас от аллергии, астмы, некоторых аутоиммунных заболеваний и некоторых видов рака.
Рассмотрим спиралевидную, обитающую в желудке бактерию Helicobacter Pylori. Носительство H. Pylori снижается в развитых странах мира – по крайне мере, на протяжении столетия. Большинство наших прапрабабушек и прапрадедушек, вероятно, её имели. В настоящее время менее 6 процентов детей являются её носителями. В отличие от микробов, которые интересуют Зонненбурга, эта бактерия не ест то, что едим мы. Она ест нас, своих «хозяев». В отличие от микробов, которые попадают в наш организм из пищи, воды, почвы, H. Pylori передаётся только от других людей – в первую очередь, по мнению учёных, от наших матерей. Это адаптированный к человеку микроб, который передается из поколения в поколение.
Бактерия Helicobacter Pylori печально известна тем, что вызывает язву и рак желудка, но все больше доказательств получает предположение о том, что за счёт влияния на иммунную систему с целью обеспечить собственное выживание, бактерия может защищать нас от астмы, ожирения и, возможно, некоторых воспалительных заболеваний.
Если говорить о возрождении древних микробов, то единственный способ это сделать – преднамеренно ввести их в организм.
Даже эта идея сложна в осуществлении. Много лет назад Домингес-Белло обнаружила уникальный индейский штамм H. Pylori в изолированном амазонском племени. Предки этой бактерии предположительно перешли Берингов перешеек с предками коренных американцев около 15 000 лет назад. В результате смешения микробной среды в Южной Америке со штаммами из Африки и Европы, местные штаммы почти исчезли.
Почему нам лучше жить с «родными» штаммами микробов? Исследование, проведённое в Колумбии, показало, что когда людям, в основном индейского происхождения, внедряли импортированные европейские или африканские штаммы H. Pylori, риск развития рака желудка резко возрастал. Введённые штаммы не соответствуют родовому генотипу. И это несовпадение, по-видимому, увеличивает риск развития злокачественной опухоли.
«Подобное может происходить и со многими другими микробами, – говорит Барбара Шнайдер, молекулярный биолог из Университета Вандербильта в Нэшвилле. – Нет никаких оснований полагать, что Helicobacter Pylori является чем-то уникальным».
Мы могли бы назвать это проблемой «семейных реликвий». Некоторая часть микробов может быть адаптирована к нашим конкретным генетическим особенностям – к нашей конкретной родословной. После того, как мы их потеряли, адекватное восстановление этих микробов невозможно.
Увеличение потребления клетчатки – лучший способ вырастить более здоровое сообщество микробов.
Учёные уже давно ломают голову над высоким риском развития рака толстой кишки среди афро-американцев по сравнению с жителями Африки. Возможно, причина в том, что иммигранты в Америке потребляют во много раз меньше каш, фруктов и овощей. Чтобы выяснить это, над 20 сельскими жителями Южной Африки был поставлен эксперимент: их кормили едой с высоким содержанием жиров, большим количеством мяса, в том числе хот-догов, гамбургеров и картофеля фри; в то же время, 20 афро-американцев перешли на богатую клетчаткой африканскую диету, включающую кукурузную кашу, фасоль и фрукты.
Изменения не заставили себя ждать. Случаи воспаления толстого кишечника, повышающего риск развития рака, уменьшились у афро-американцев на африканской диете, но увеличилось у африканцев на американской диете.
Много лет назад семья Зонненбургов модернизировала свою диету – отчасти, по причине частых запоров у старшей дочери. Они выбросили все обработанные продукты и стали есть много овощей и цельного зерна. Они купили собаку. Джастин Зонненбург начал собственноручно молоть зёрна пшеницы для хлеба. Он занялся садоводством. И когда он сравнил свою заархивированную несколько лет назад микрофлору с недавними образцами, то обнаружил, что его микробное разнообразие увеличилось вдвое. «Это огромная разница, – сказал он, – такая же большая, как разница между американцами и индейцами».
Зонненбургу ещё предстоит выяснить, какое количество популяций микробов было получено от собаки, а какое – из почвы, из заквасок и прочей пищи, богатой клетчаткой. Но, даже не имея полного понимания того, как работает микробиом, можно подталкивать его в более здоровом направлении.
«Если мы будем ждать того момента, когда у нас не останется и тени сомнения, пройдут десятилетия, – сказал Зонненбург. – Но уже сейчас все данные указывают в одном направлении – в направлении растительных волокон».