Клеменс Арвай

История иммунной системы

Пролог

Книга естественной истории

Величайшие памятники литературы человечества – Библия, Коран или полное собрание трудов Чарльза Дарвина о возникновении видов и происхождении человека – насчитывают примерно по тысяче страниц.

Представим себе, что перед нами лежит книга такого же объема, охватывающая все 4,6 миллиарда лет естественной истории Земли. Первые 240 страниц в ней занимает описание безжизненной планеты, где на протяжении огромного промежутка времени появляются океаны, горы и в конце концов формируется стабильный климат из атмосферного хаоса.

Перевернув очередную страницу, мы обнаруживаем в нашем тысячестраничном повествовании на странице 241 первых живых действующих лиц. Это самые ранние бактерии, или архебактерии. В современной биологии их называют археями. С них 3,5 миллиарда лет назад началась естественная история иммунной системы, так как они должны были научиться противостоять вредным воздействиям окружающей среды и развивать в себе необходимые защитные механизмы.

Первые наземные растения, представленные мхами, появляются в нашей истории на странице 890. Вскоре после этого первая рыба, жившая в глубинах морей, открывает на странице 900 главу антител и, будучи родоначальником адаптивной иммунной системы, становится эпохальным героем нашего естественноисторического повествования.

На странице 950 распускается первое цветковое растение, появившееся примерно 200 миллионов лет назад. Здесь же начинается рассказ о приключениях динозавров, который внезапно обрывается на странице 985 под грохот извергающихся вулканов и падающих метеоритов.

Но перед этим на странице 967 расправляет свои крылья первоптица, которая поднялась в воздух, сумела избежать катастрофы и открыла будущее для своей многочисленной пернатой родни. Если бы она не родилась из праха динозавров, то сегодня мы бы не видели в небе птиц, а B-клетки иммунной системы назывались бы по-другому. Ведь они были впервые обнаружены именно в организме птиц – в органе, который называется на латыни bursa Fabricii (Фабрициева сумка).

На странице 934 мы встречаемся с существами, которые очень похожи на млекопитающих. Уже в скором времени им предстоит жить вместе с динозаврами. Через двадцать страниц на сцену выходят первые настоящие млекопитающие, появившиеся на Земле примерно 200 миллионов лет назад. Самый древний представитель этого класса, известный нам по ископаемым останкам, походил на сегодняшних сумчатых животных. Он появляется на странице 967 нашей тысячестраничной книги, где описывается также полет первой птицы.

На странице 985 мы знакомимся с первыми приматами, бродящими по нетронутым лесам. За две страницы до окончания книги – на странице 998 – появляются наконец человекообразные обезьяны, которые передвигаются по джунглям, время от времени вставая на задние ноги. В последнем абзаце на странице 1000 мы встречаемся взглядом с первым представителем нашего рода – Homo erectus.

И лишь в последних строчках рассказывается о появившемся в Африке 300 тысяч лет назад Homo sapiens, который 250 тысяч лет назад добрался до Южной Европы. В самом последнем предложении повествования, насчитывающего тысячу страниц, он открывает книгу, которую вы сейчас держите в руках, и приступает к чтению.

Но хотя мы появляемся в книге естественной истории лишь в самом конце, к этому конечному результату привело все, что происходило до него на протяжении более чем 999 страниц. Мы – порождение не только культуры, но и природы. И все, что сделало из нас людей, в том числе и иммунная система, стало результатом развития нашей планеты на протяжении миллионов лет. Мы являемся частью сообщества млекопитающих, и поэтому наши защитные функции весьма схожи. Но, как мы увидим, у нас есть общие черты и с такими живыми существами, как медузы или оболочники, которые располагаются на древе жизни далеко от нас. Добро пожаловать в увлекательную естественную историю иммунной системы, в которой вас ждет немало удивительного!

Введение

Поиски иммунобиологических следов

Об иммунной системе написано уже множество книг. В большинстве из них даются ответы на вопрос «как?», например: как образуются антитела против вирусов, бактерий и других патогенов; как наши защитные механизмы обнаруживают возбудителей болезней или потенциальные раковые клетки и удаляют их из тела; как взаимодействуют иммунная и нервная системы; как психика влияет на иммунные функции и наоборот; как микробиом (микрофлора) кишечника воздействует на наше здоровье?

Эти понятия знакомы многим. Я не собираюсь утверждать, что речь идет о каких-то банальных вещах, с которыми без труда можно разобраться. Подобные классические вопросы, а также ответы на них жизненно необходимы для изучения болезней и состояния организма и требуют глубоких знаний, а также специальных научных методов исследования и экспериментов.

Вопросы, начинающиеся с «как», я считаю простыми лишь в сравнении с теми, в которых есть слово «почему», ибо последние затрагивают самые сложные проблемы иммунологии. Они подводят нас к всеобъемлющему и глубокому пониманию иммунного комплекса. Вот вам на пробу несколько примеров таких вопросов. Почему у нас развилась способность вырабатывать антитела против вирусов или бактерий? Почему наша иммунная система в состоянии выявлять и уничтожать возбудителей болезней? Почему необходимо взаимодействие иммунной и нервной систем? Почему психические процессы влияют на иммунные функции и наоборот? Почему микробиом кишечника играет такую важную роль в защите от инфекционных заболеваний и сохранении здоровья всего организма?

Задавая вопрос, который начинается со слова «почему», мы хотим докопаться до сути. В биологии это означает, что придется обратиться к эволюции. Ни на один вопрос «почему?», касающийся иммунологии, невозможно ответить, не поняв, из-за чего в течение всей естественной истории жизни возникала необходимость в развитии и приспособлении и как на этой основе появлялись эволюционные новшества, которые сохраняются поныне и обнаруживаются в самых различных классах, семействах и видах живых существ. Чтобы прояснить многочисленные «почему» в области иммунологии, нам придется вернуться в давно прошедшие эпохи.

В каждом таком вопросе скрывается ряд дополнительных вопросов. За счет чего на протяжении естественной истории происходили процессы адаптации и совершались эволюционные «открытия», ставшие вехами и прорывами на пути развития иммунных систем различных форм жизни? Как впервые в истории жизни появились антитела? Какие формы жизни стали первопроходцами всех аспектов, из которых сегодня складывается иммунная система человека? Как естественно-историческое прошлое защитных систем сказывается на наших взаимоотношениях с окружающим миром, естественной средой обитания и всем биоразнообразием, с которым нас объединяет общее эволюционное прошлое? Мы можем приблизиться к пониманию этих сложных и многослойных проблем иммунологии, подходя к ним с исторических позиций.

В последующих главах речь пойдет о самом главном «почему?» в иммунной системе. Говоря о естественно-историческом развитии иммунной системы, мы не можем ограничиваться только человеческим иммунитетом и вынуждены обращать внимание на другие организмы, начиная от одноклеточных и заканчивая высокоразвитыми животными. Рассматривая историю разнообразных форм жизни, мы сумеем глубже понять, как устроены наши собственные защитные механизмы, так как наш вид является продолжением эволюционного развития других родов и видов.

Происхождение нашей иммунной системы можно проследить вплоть до древнейших одноклеточных, которые были предками всех живых существ. Даже у бактерий, многие из которых могут играть в человеческом организме роль патогенов, часто имеется достаточно простая иммунная система. Микроскопические одноклеточные типа амеб, свободно плавающие в толще воды или образующие колонии, эффективно защищаются от внешних воздействий. Например, они образуют микроскопические сети, чтобы погибали бактерии и вирусы. Те же самые стратегии используют в борьбе против возбудителей болезней и наши иммунные клетки, в частности клетки-убийцы – так называемые естественные киллеры.

Амебы способны обволакивать и переваривать бактериальных возбудителей точно так же, как это делают фагоциты врожденной иммунной системы человека и многих животных. Таким образом, с точки зрения эволюции амебы являются предками наших фагоцитов, но при этом и сами порой становятся возбудителями болезней, способных довести человека до смерти. Они могут вызывать воспаление мозга и мозговых оболочек (так называемый амебный энцефалит). Инфекция желудочно-кишечного тракта – амебная дизентерия – также имеет своей причиной эту древнейшую одноклеточную форму жизни.

Эта книга посвящена не только естественной истории иммунной системы как таковой, но и ее эволюционным взаимосвязям с другими организмами – возбудителями болезней, паразитами и симбионтами. Последняя группа – симбионты – играла на протяжении всей истории иммунной системы важную роль. Кораллы, медузы, пресноводные полипы и морские анемоны, относящиеся к типу стрекающих, уже 500 миллионов лет назад включили в состав своих организмов одноклеточные водоросли и «культивируют» их в интересах собственного здоровья. Эти водоросли поселились в их пищеварительной полости, которая представляет собой простейшую древнюю форму желудочно-кишечного тракта, и участвуют в переваривании и переработке пищи, а также выполняют некоторые другие важные функции поддержания здоровья. Традиция симбиоза наблюдается и в микробиоме нашего кишечника, где микроорганизмы выполняют важную функцию в рамках иммунной системы. Они являются неотъемлемой составной частью нашего защитного механизма. В настоящее время исследователи наряду с бактериями изучают и многие виды вирусов в качестве важных эволюционных симбионтов, которые необходимы нам для хорошего самочувствия. В этой связи появилось даже такое понятие, как «виробиом», или «виром». Родоначальниками этой эволюционной традиции также стали миллионы лет назад самые примитивные формы жизни.

Взаимосвязь между нервной и иммунной системами наблюдается не только у людей, но и у многих других форм жизни, и ее истоки можно проследить до уже упомянутых стрекающих. Они являются родоначальниками нервной системы. Это древнейшие многоклеточные формы жизни, у которых впервые появилась простейшая нервная сеть. Даже этим древним формам жизни было свойственно взаимодействие нервной и иммунной систем. Такое направление науки, как психонейроиммунология, изучает именно влияние нервной системы и психики на иммунитет и наоборот. Этот биологический феномен зародился более 500 миллионов лет назад с появлением на арене стрекающих.

Таким образом, стрекающие являются родоначальниками врожденного иммунитета. Этот вид иммунитета передается по наследству и основывается на проверенном в ходе эволюции действии защитных клеток и иммунных белков (иммунопротеинов). Он пока обходится без антител и других приобретенных иммунных функций. Этот жизненно важный вид иммунитета, появившийся более 500 миллионов лет назад, имеется у людей и других млекопитающих, а также у всех представителей животного мира, включая даже насекомых. Изучение важных функций врожденного иммунитета у дрозофил и рыб данио рерио привело к прорывным открытиям в области медицины человека, в частности к пониманию механизмов распознавания и уничтожения болезнетворных бактерий клетками иммунной системы. Этот процесс называют фагоцитозом.

Еще более древние функции врожденного иммунитета человека можно обнаружить даже в растениях. К ним относится, в частности, программируемая смерть клеток. Это своего рода клеточный очистительный процесс, в ходе которого состарившиеся клетки, плохо выполняющие свои функции и повышающие угрозу возникновения рака, отмирают «по собственной инициативе», уступая место новым. Вирусы также были впервые обнаружены в растениях. Иммунопротеины, которые распознают возбудителей болезни и запускают иммунную реакцию, хорошо изучены в растительных формах жизни. Это имеет большое значение для процессов, которые выполняют схожие функции постоянной защиты здоровья в человеческом организме.

Если говорить об инфекционных заболеваниях, то мы часто недооцениваем роль врожденного иммунитета, который уже при первом контакте с возбудителем болезни выстраивает защитный барьер. Однако именно врожденный иммунитет играет решающую роль в предотвращении инфекций или, по крайней мере, в облегчении течения болезней. Ему также принадлежит центральная роль в защите от рака. Чем глубже мы погружаемся в долгую историю врожденного иммунитета, тем яснее становится, почему наши иммунные функции и здоровье в целом в значительной степени зависят от экологии и условий жизни, в том числе от психического и неврологического состояния, питания и других факторов.

Но и приобретенный, или адаптивный, иммунитет со своими антителами и Т-клетками, обладающими иммунной памятью, также отличается достаточно длительной историей развития. По всей видимости, она началась примерно 400 миллионов лет назад в организме древней рыбы с мощными челюстями. До сих пор формы жизни, которые ведут свое происхождение от нее, обладают способностью вырабатывать специфические антитела при контакте с возбудителями болезни. Эта способность свойственна всем позвоночным животным, за исключением семейств миксиновых и миногообразных. «Изобретение» врожденного иммунитета считается аналогом «Большого взрыва» в иммунологии. Но не следует впадать в заблуждение, думая, что формы жизни, которые могут полагаться только на врожденный иммунитет, неспособны к развитию этого качества. Даже иммунная система бактерий обладает простейшими адаптационными способностями, что может считаться ранней предшествующей формой приобретенного иммунного ответа, хотя и без образования антител.

Предмет нашего рассмотрения составит не только история развития защитных функций человека, но и иммунные системы в дикой природе. При этом и сам человек будет рассматриваться как часть природы, то есть как все остальные живые существа во взаимосвязи со своей естественной средой обитания. Так, например, влажная кожа амфибий, в которой живут многочисленные микроскопические симбионты, представляет собой одну из самых интересных иммунологических моделей, демонстрирующих связь между окружающей средой и защитными функциями. Эти существа, обитающие на границе воды и суши, учат нас тому, что и мы вместе с нашими симбионтами и собственным микробиомом являемся отдельными экосистемами, встраиваемыми в комплексные экологические структуры.

В ходе поисков ответов на главные вопросы в области иммунологии, начинающиеся с «почему», становится понятно, что развитие иммунной системы на протяжении сотен миллионов лет было тесно связано с условиями окружающей среды. По сути, иммунная система представляет собой комплексную систему распознавания «свой – чужой», которая впускает «друзей», что можно продемонстрировать на примере заселения здорового человеческого организма полезной микрофлорой, и атакует «врагов» в виде самых различных вредных факторов из нашего окружения.

Одновременно различные вещества, раздражители и микробные симбионты из внешних экосистем оказывают поддержку нашим иммунным функциям. Я могу привести многочисленные примеры, прошедшие хорошую научную проверку: возле водопада и на морском побережье в воздухе содержатся электроаэрозоли. Это частицы воздуха, которые в результате трения о частицы падающей воды или прибоя приобретают отрицательный электрический заряд и связываются с мельчайшими капельками влаги. Эти особые аэрозоли поддерживают функции мерцательного эпителия и тем самым укрепляют иммунитет слизистых оболочек дыхательных путей, ставя преграду на пути возбудителей болезней, проникающих внутрь организма вместе с воздухом.

Микробы из почвы тренируют иммунную систему и улучшают состав нашего микробиома, благодаря чему снижается восприимчивость организма к инфекциям. Вторичные растительные вещества из лесов и других мест произрастания растительности способствуют укреплению клеточной иммунной системы, которая относится к врожденному иммунитету, борющемуся как с поступающими извне возбудителями, так и с потенциальными раковыми клетками. Эти взаимосвязи между окружающей средой и иммунной системой изучает экоиммунология – моя сфера деятельности, которой я в настоящее время уделяю основное внимание, учась в докторантуре Института биологии при университете города Граца по специальности «Экология и эволюционная биология».

Давайте начнем с первого шага. Я приглашаю вас отправиться в далекое прошлое, к истокам жизни, чтобы проследить за развитием иммунной системы и проанализировать свойства наших собственных чрезвычайно сложных защитных механизмов. По ходу чтения книги мы будем искать ответы на вопросы, касающиеся нашей иммунной системы, попытаемся сформулировать в понятном виде решение самой сложной проблемы иммунологии и лучше разобраться в себе на основе новых знаний.

Часть 1

Родоначальники иммунной системы

Глава 1

Бактерии против вирусов: иммунная система микробов

Говоря об иммунной системе, мы обычно представляем себе защитный механизм, работающий против возбудителей болезней, таких как бактерии, вирусы или грибки. Но эти микробы тоже обладают собственными иммунными функциями, так как сами могут стать жертвами болезнетворных микроорганизмов или паразитов. Давайте отправимся в путешествие по микрокосму, в котором бактерии охотятся друг на друга и всеми силами защищаются от атак. Полем этих ожесточенных сражений микробов являются водоемы, почва, растения, организм животных и даже наш собственный кишечник. Обратим свой взгляд также на целый мир существ, передвигающихся по поверхности лесной подстилки, полусгнившим стволам деревьев и в воде. Эта глава рассказывает о самых архаичных формах иммунитета, без которых не было бы ни нас самих, ни нашей иммунной системы. Многие древние с эволюционной точки зрения организмы, с которыми мы встретимся на следующих страницах, будут играть важную роль и в ходе последующего изучения человеческой иммунной системы. Ведь бактерии не только вызывают заболевания, но и предотвращают их развитие. Иммунные клетки кишечника защищают организм от патогенных бактерий и вирусов при содействии микрофлоры. Микробиота кишечника играет важную роль в поддержании иммунитета.

Первобактерии, сине-зеленые бактерии и «современные» бактерии

Цианобактерии, древнейшие живые организмы, скорее всего, обладали простейшими оборонительными стратегиями против вредных воздействий извне. Их самые ранние формы, обнаруженные в ископаемых образцах, появились примерно 3,5 миллиарда лет назад, в палеоархейскую эру. Эти сине-зеленые бактерии, которые раньше называли также сине-зелеными водорослями, до сих пор населяют воды и почву нашей планеты. На протяжении огромного периода времени – от 2,2 до 2,7 миллиарда лет – цианобактерии играли существенную роль в формировании стабильной и пригодной для жизни атмосферы, вырабатывая кислород. Эти одноклеточные создания овладели одной из форм фотосинтеза, в ходе которого им удавалось использовать для выработки кислорода более широкий спектр солнечного света, чем большинству других зеленых растений. Цианобактерии дали начало более поздним видам бактерий, большинство из которых уже не осуществляют фотосинтез.

Сами по себе цианобактерии никогда не были возбудителями инфекционных болезней, хотя они и производят токсины, способные причинить вред человеку или животным (риск возникает, например, при питье воды, зараженной этими ядовитыми веществами). Но так называемые цианотоксины могут представлять опасность для людей и животных только в том случае, если их концентрация в воде слишком велика. Это может произойти, к примеру, в случае попадания в водоем слишком большого количества удобрений, применяемых в сельском хозяйстве, или сброса сточных вод промышленными предприятиями. В этом случае переизбыток азота приводит в хаос весь живой мир водоема и становится причиной чрезмерного роста цианобактерий и водорослей. Такой процесс называют иногда цветением водорослей. Повышенная концентрация азота приводит к тому, что некоторые виды микроорганизмов, которые раньше находились в стабильном равновесии с другими конкурирующими видами, начинают вытеснять и уничтожать своих соседей. В результате разрушается и их собственная среда обитания. В итоге экосистема отравляется и погибает. Только при таких условиях экологической деградации, когда цианобактерии бесконтрольно размножаются, а их среда обитания выходит из равновесия, выделяемые ими токсины начинают представлять опасность и для нас. Обычно же эти бактерии составляют часть нашего микробиома и даже живут у нас в кишечнике[1].

И цианобактерии, и «современные» бактерии имеют ДНК, но в них нет клеточного ядра. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота, носитель генетического кода) свободно размещается внутри клетки. Поэтому бактерии называют прокариотами (от греч. pro – «до», «раньше» и karyon – «ядро»). Другими словами, они появились в тот период развития жизни, когда на Земле в клетках живых существ не было ядер. К этой же группе принадлежат и археи – их биологи раньше именовали первобактериями, или архебактериями. Они представляют собой самостоятельную форму жизни, и их не следует смешивать с обычными бактериями. Как считает наука, они не имеют родственных связей ни с цианобактериями, ни с современными бактериями, хотя по возрасту (3,5 миллиарда лет) примерно совпадают с цианобактериями.

Археи, цианобактерия и «современная» бактерия (слева направо)

Археи обитают преимущественно в экстремальных условиях, к примеру в гейзерах, областях вулканической активности с их высокими температурами, в очень соленой воде, как, например, в Мертвом море, или экстремально кислой среде типа вулканических и болотных почв. До сих пор среди этих реликтов древнейших времен не было найдено ни одного возбудителя болезней, которые могли бы представлять опасность для людей или животных. Они интересны главным образом с экологической точки зрения, и я имею в виду не только то, что они живут в самых экстремальных местах планеты.

В соответствии с последними биологическими изысканиями археи имеют важное значение как симбионты экосистемы «человек». Будучи способными обитать в самых экстремальных условиях, они будто специально созданы для того, чтобы жить в человеческом кишечнике с малым содержанием кислорода. И их там действительно обнаружили. Они поддерживают обмен веществ наших кишечных бактерий и разлагают токсичные вещества, представляющие собой побочные продукты этой деятельности[2]. В частности, они выводят из организма триметиламин, который образуется в процессе обмена веществ наших бактериальных симбионтов, особенно после потребления продуктов животного происхождения. Бактериальные яды имеют обыкновение накапливаться и повышают риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, атеросклероза, инфаркта миокарда или инсульта.

Таким образом, археи выполняют важные функции по поддержанию здоровья в нашем кишечном микробиоме, отвечая за его сбалансированность. Их долю в микробиоме называют археомом. Выходит, мы живем в симбиозе с реликтами древнейших времен, чьи родственники обитают в гейзерах, на краю вулканических кратеров или в Мертвом море.

Бактерии можно сегодня найти повсюду в почве, водоемах, а также в растениях и организмах животных и человека, то есть в любых экосистемах и областях обитания. Многие из них выполняют важные экологические функции в природе, являются нашими симбионтами (например, в кишечнике или на коже), но могут также как возбудители болезней представлять потенциальную опасность для других видов живых существ. Самая старая из найденных учеными живых бактериальных клеток имеет возраст 250 миллионов лет. Этот Мафусаил микрокосма находился со времен раннего мезозоя в кристалле соли на 600-метровой глубине под поверхностью Земли, что обеспечивало ему безопасность от вредных воздействий окружающей среды и патогенов. Это и позволило ему прожить так долго[3]. Будучи самыми маленькими живыми существами на нашей планете, бактерии имеют и другие возможности защиты от опасностей, которые таит в себе их среда обитания, и не полагаются только на соляные кристаллы.

Пожиратели бактерий

Бактерии могут стать жертвами заражения вирусами. Особые формы вирусов называются бактериофагами, что в переводе означает «пожиратели бактерий». Их головка, так называемый капсид, содержит генетическую информацию вируса и похожа по форме на космическую капсулу. Она закреплена на дискообразной структуре, так называемом воротнике, к которому прикреплен также хвост, способный растягиваться и сокращаться, словно меха гармони. К концу хвоста прикреплен еще один диск – базальная пластинка, заканчивающаяся шиповидным белком. С ее краев свисают отростки, напоминающие ноги паука. При более подробном рассмотрении бактериофага становится очевидным, что вирусы не являются живыми существами.

Бактериофаг присоединяется к бактерии

Бактериофаги, или просто фаги, являются своего рода роботами или зондами, обладающими ДНК. Они состоят только из генетической информации в форме ДНК, содержащей план их строения, и простой капсулы, или оболочки. Кроме того, они располагают техническими инструментами для введения ДНК в клетку организма-хозяина (для бактериофага таким хозяином будет бактерия), после чего эта клетка на основании «чертежа» начинает заниматься воспроизводством вируса. Это напоминает взлом компьютера хакером, который перепрограммирует генетические процессы в других живых существах с целью воспроизводства бесчисленного количества копий самого себя. Поэтому вирусам и не нужен свой обмен веществ. У них нет необходимости принимать и переваривать пищу, выделять продукты жизнедеятельности и размножаться собственными усилиями. В отличие от бактерий, они неспособны делиться или объединяться с другими вирусами с целью размножения. С позиции биологии размножение и обмен веществ относятся к необходимым предпосылкам, позволяющим назвать биологическую структуру живым существом. Правда, некоторые биологи все же считают вирусы «близкими к живым существам» образованиями.

Таким образом, вирусы – это лишь капсулы, с помощью которых план их строения доставляется в другие организмы, словно в копировальные машины. Причудливый вид бактериофагов, напоминающих микроскопических роботов с ножками, словно у пауков, только подчеркивает их непохожесть на живых существ. У некоторых вирусов генетический план содержится не в ДНК, а в РНК (рибонуклеиновой кислоте). Среди бактериофагов тоже попадаются представители РНК-вирусов.

Большинство бактерий имеют размеры от 2 до 6 тысяч нанометров, то есть 0,002–0,006 миллиметра. По сравнению с ними бактериофаги, как и другие вирусы, достигают в размерах лишь 30–200 нанометров (от 0,00003 до 0,0002 миллиметра). Таким образом, в масштабах микрокосма бактерии – настоящие гиганты по сравнению с вирусами. Они больше в 30–70 раз. На поверхности клеток у бактерий находятся, как и у вирусов, белки. К ним и присоединяются бактериофаги, заражая бактерию с помощью окончания своего хвоста. Хвост бактериофага может сжиматься, благодаря чему капсула с генетическим материалом приближается к бактерии. При этом ДНК или РНК с помощью белкового шипа впрыскивается внутрь бактерии. А затем оболочка бактериофага вместе со всеми вспомогательными инструментами сжимается и опадает.

После этой инъекции для бактерии, как и для человека, начинается инкубационный период, в течение которого возбудитель уже находится в клетке, но пока никак не проявляет себя. Длительность его для бактерии составляет после заражения бактериофагом несколько часов. Для сравнения: у человека, зараженного вирусом гриппа, этот период длится один-два дня, а при заражении коронавирусом – от четырех до семи дней. Все это время внутри инфицированной бактерии «созревает» генетический материал бактериофага. Там происходит то же самое, что и при любой вирусной инфекции, какое бы живое существо она ни затронула: генетическая информация вируса попадает в рибосомы клетки-хозяина. Это крошечные фабрики белка. Здесь производятся все белки, необходимые организму. Такой процесс называется биосинтезом. Сюда вирусы поставляют свои генетические «чертежи», чтобы протеиновые фабрики клетки-хозяина вместо собственных белков начали производить белки вируса, из которых затем прямо в клетке собираются новые вирусы. После этого они покидают зараженную клетку. Этот процесс в бактериях ничем не отличается от того, что происходит в организме зараженного человека, волка или рыбы данио рерио. Вирусы используют клетки своего хозяина в качестве копировальных машин для размножения, подсовывая им собственные «чертежи».

Правда, бактерии, в отличие от человека, волка или рыбы, представляют собой одноклеточные организмы. Будучи инфицированы бактериофагом, они перепрограммируются настолько, что в ущерб себе производят несколько сотен новых бактериофагов, а затем погибают. Таким образом, вирусные инфекции для бактерий особенно опасны.

Как бактерии защищаются от вирусов

Многие иммунные функции бактерий, направленные на защиту их от бактериофагов, к настоящему времени хорошо изучены. Их можно назвать врожденной иммунной системой[4]. Это значит, что бактерии уже в момент своего возникновения генетически оснащены ею. У людей и всех других форм жизни также имеются подобные врожденные иммунные функции, которые не приходится приобретать на протяжении жизни. Конечно, наш иммунитет намного эффективнее и сложнее, чем у бактерий, но бактерии также обладают простейшими защитными средствами.

Во-первых, у многих бактерий имеются внешние барьеры, затрудняющие бактериофагам процесс присоединения. Для этого они могут, к примеру, закапсулироваться, создав таким образом механический барьер между собой и окружающим миром. Тот самый кристалл соли, в котором самая старая из ныне живущих бактериальных клеток находилась 250 миллионов лет, тоже, по сути, защитная капсула. Еще одна возможность защиты – это скопление молекул на поверхности клетки, также образующих барьер. Говоря об этой иммунной функции, можно вспомнить о коже человека и других млекопитающих или слое слизи на слизистой оболочке, препятствующих проникновению возбудителей болезней в организм.

Эта простая механическая защитная функция наглядно демонстрирует, что иммунная система, впервые возникшая еще у одноклеточных организмов, представляет собой по сути экологическую систему, которая призвана распознавать воздействия окружающей среды как безвредные или вредные и обеспечивать защиту от последних. Как мы вскоре убедимся, сформированный в процессе эволюции наш собственный иммунный механизм, куда более сложный, представляет собой такую же экологическую систему.

Во-вторых, бактерии демонстрируют устойчивость к адсорбции. Это значит, что определенные белки на поверхности клетки, к которым могут присоединяться бактериофаги, удаляются или видоизменяются таким образом, что устраняется «замочная скважина», через которую проникает инфекция. Такая форма иммунитета есть и у более высокоорганизованных форм жизни, в том числе и у человека. Правда, она срабатывает только в случае, если предки данного организма уже имели контакт с определенным возбудителем. Таким образом, речь идет о своего рода унаследованном коллективном иммунитете, в том числе и у бактерий.

В-третьих, есть возможность обездвижить бактериофаг уже после его присоединения к бактерии-хозяину в случае, если внешние барьеры не сработали. Клетка бактерии может распознать начавшийся процесс проникновения в нее, реагируя на определенные белки, молекулы сахаров или специфические структуры возбудителя. В ответ на это она вырабатывает противоядие, которое лишает бактериофаг возможности двигаться, так что он не может завершить процесс проникновения в бактерию. Образно говоря, подвергшаяся нападению бактерия обстреливает захватчика стрелами с парализующим ядом, и эта космическая капсула, пожирающая бактерии, выходит из строя. Даже на более поздней стадии, когда бактериофаг уже проник внутрь бактерии, она все еще может парализовать агрессора и остановить процесс инфицирования.

В-четвертых, бактерия способна распознать генетический материал бактериофага и попытаться обезвредить его путем уничтожения или изменения, пока он не превратил бактериальную клетку в фабрику по производству вирусов. В этом случае бактерия как бы обращает оружие вируса против него самого и модифицирует впрыснутый генетический материал, пока тот не сделал то же самое. При этом сохраняется собственная ДНК бактерии, которая находится, как мы помним, не в ядре, а во внутриклеточной плазме.

Большой интерес представляет пятый защитный механизм бактерий, так как он основан на сотрудничестве и представляет собой прототип нашей собственной иммунной системы. Для того чтобы ограничить размножение бактериофагов, бактерия помечает напавшего на нее возбудителя определенными веществами. Другие родственные бактериальные клетки распознают маркированные бактериофаги и уничтожают их. Правда, самόй подвергшейся нападению бактерии это уже не может помочь, но воздействие возбудителей на популяцию бактерий в целом удается ослабить.

Этот процесс интересен тем, что он представляет собой прототип так называемой опсонизации, играющий важную иммунобиологическую роль у многочисленных форм жизни, включая и людей. Он заключается в том, что наша иммунная система помечает вирусы или бактерии специальными белками из плазмы крови. На эту маркировку реагируют остальные клетки нашей врожденной иммунной системы, например фагоциты и нейтрофилы, выполняющие функции неотложной помощи. Эти клетки удаляют маркированных возбудителей, даже не прибегая к образованию антител.

Процесс основывается исключительно на механизмах врожденного иммунитета и был впервые изобретен бактериями — простейшими формами земной жизни. По аналогии с популяцией бактерий мы можем рассматривать свой организм как популяцию различных взаимодействующих друг с другом высокоспециализированных клеток. Для каждой из них, включая фагоциты и нейтрофилы, наше тело представляет собой среду обитания. Для нас опсонизация, то есть маркировка возбудителей с их последующим уничтожением защитными клетками, является способом избежать инфекций и выжить. В мире бактерий все иначе. Их среда обитания — это не многоклеточный организм, а, например, вода. Маркировка опасных бактериофагов с их последующим устранением направлена на защиту популяции, а не какой-то одной конкретной бактерии. Если довести эту мысль до конца, то можно сказать, что наш организм соответствует среде обитания, например морю, в котором живет множество отдельных клеток. Чтобы сохранить эту среду и тем самым свою популяцию, клетки сотрудничают друг с другом, защищаясь от возбудителей болезней, даже если сами погибают в этой борьбе. А уцелевшие — это мы: люди, животные, растения, которые стали средой обитания для хорошо организованных популяций клеток.

Шестой защитный механизм бактерий представляет особый интерес в плане истории иммунных систем, потому что он используется нами и всеми другими многоклеточными организмами в повседневной борьбе за сохранение здоровья. Этот важнейший механизм заключается в программируемой смерти клеток. Клетки нашего тела постоянно обновляются, что позволяет органам регенерировать и сохранять свои функции. Старые клетки уступают место новым. Если состарившаяся или подвергшаяся нападению возбудителей болезни клетка отказывается умирать, в дело вступает наш врожденный иммунитет и сам убивает ее. Эту задачу берут на себя клетки, носящие название естественных киллеров, о которых речь еще впереди. После этого отмершие клетки удаляются, перерабатываются, а то, что от них осталось, вновь пускается в дело. Например, с помощью фагоцитов, о которых также будет подробно рассказано ниже.

Программируемая (добровольная) смерть зараженных клеток идет на пользу всему клеточному сообществу, и ее эволюционные истоки мы находим у бактерий. После нападения бактериофагов они могут затормозить развитие инфекции с помощью генетической программы, носящей название апоптоз. Биологи нередко описывают этот процесс как «программу самоубийства клеток». Зараженная бактерия начинает производить энзимы, растворяющие ее внутренние структуры, прежде всего мембрану, так что клетка в конечном итоге разрывается на части, и развитие в ней инфекции прекращается. Правда, сама бактерия погибает, но это идет на пользу всей популяции. Точно так же программа самоубийства отдельных клеток в нашем организме, представляющих угрозу для здоровья, идет на пользу всем остальным.

Целые популяции бактерий могут быть невосприимчивыми к определенным бактериофагам, с которыми уже контактировали ранее их «предки». Для этого они, подобно археям, «изобрели» в ходе эволюции программу, которая соответствует разработанной человеком технологии CRISPR-Cas. Ее суть состоит в том, что ДНК целенаправленно разделяется на части и изменяется. Этот процесс называется редактированием генома. Биотехнологи подсмотрели этот метод у бактерий. Сегодня он широко применяется в исследовательской работе и генных технологиях для внесения в ДНК целенаправленных изменений.

Современные бактерии, как и археи и цианобактерии, способны в рамках редактирования генома вырезать определенные последовательности из наследственного материала опасных бактериофагов и встраивать их в свою ДНК в качестве своего рода архива возбудителей[5]. Если после этого бактериофаг атакует бактерию, то генетический материал агрессора сверяется с архивом. При совпадении из архива извлекается дополнительная информация, в том числе данные о том, какие защитные меры необходимо предпринять. В частности, из архива считывается генетическая программа создания иммунопротеина, который нужен для выведения возбудителя болезни из строя. Задача этого активированного белка заключается в том, чтобы расчленить генетический материал опасного бактериофага в строго определенных местах. Тем самым предотвращается перепрограммирование клетки и превращение ее в фабрику по производству вирусов.

Самое удивительное в этом процессе редактирования генома то, что он основывается на опыте. Бактерии и археи, которые контактировали с возбудителем болезни и смогли найти защиту против него, архивируют соответствующую информацию в своей ДНК. Поскольку ДНК передается по наследству, все последующие поколения этой бактерии будут снабжены информацией о возбудителе и мерах по борьбе с ним. С каждым новым поколением архив расширяется и дополняется. Хотя речь в данном случае идет о врожденной иммунной функции, она основывается на способности к обучению, передаваемой генетическим путем.

Бактерии могут размножаться слиянием или делением. При делении из одной бактерии получаются две генетически полностью идентичные друг другу, то есть клоны. В популяции бактерий это приводит к экспоненциальному росту: из 2 бактерий получаются 4, из 4 — 8, затем 16, 32, 64, 128 и т. д. Уже вскоре популяцию бактерий можно увидеть невооруженным глазом на лабораторной питательной среде, хотя каждая составляющая ее клетка имеет микроскопические размеры. Если учесть, что все образовавшиеся в ходе деления бактерии генетически идентичны, то можно рассматривать их в совокупности как один организм, который развивается не только в пространственном измерении, но и во временнόм. Это значит, что в результате деления появляются все новые клоны, хотя первоначальная бактерия, от которой они произошли, может уже и не существовать.

Можно ли считать эти клоны «другими»? Или они все-таки являются «той же самой» бактерией? Дело в том, что при делении не возникает двух новых бактерий на месте одной старой. Скорее одна бактерия превращается в две. При этом ничто не теряется. Если рассматривать популяцию бактерий, образовавшуюся путем деления, как единый организм, растущий во временном измерении, то обучаемость иммунной системы популяции приобретает новое значение. В этом случае генетический архив возбудителей и соответствующих мер защиты от них можно считать самой ранней и древней формой приобретенного иммунитета. В ходе эволюции этот механизм был доведен до совершенства в многоклеточных организмах, в том числе и человеческом, отдельные клетки которого живут в тесной связи друг с другом. Но начало этому развитию положила обучаемость бактериальной иммунной системы с ее основанным на опыте архивом возбудителей и соответствующих стратегий защиты.

Почти везде, где живут бактерии, мы встречаем и бактериофагов. Их популяции в океанах по численности больше, чем любых других микробов. Они образуют там так называемый вириопланктон, то есть планктон, состоящий из вирусов. Везде, где бактериальные процессы представляют важность для людей, бактериофаги могут выступать в роли «вредителей». Если они заразят молочнокислые бактерии в закваске для производства сыра и других молочнокислых продуктов, это может стать серьезной проблемой и привести к убыткам в молочном хозяйстве. Мы только начинаем осознавать важность бактериофагов в человеческом микробиоме. Эта тема еще требует многолетних интенсивных исследований.

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.

У истоков вирусологии стояли растения

Когда английский врач Эдвард Дженнер создал в 1796 году первую вакцину от оспы, он еще ничего не знал о существовании и свойствах вирусов. Первый вирусный возбудитель болезни был открыт лишь столетие спустя, в 1892 году, ботаником Дмитрием Ивановским из России и Мартинусом Бейеринком из Нидерландов. Поначалу считалось, что болезнь вызывает чрезвычайно маленькая бактерия, и лишь в 1898 году Бейеринк впервые употребил слово «вирус». Речь шла о возбудителе болезни табака — табачной мозаики[12]. Этот возбудитель повреждает сосуды растений, по которым, как и по нашим кровеносным сосудам, транспортируются жидкости с питательными веществами. Внешне это заболевание проявляется в виде желтых пятен и узоров на листьях. Затем, по мере развития инфекции, листья начинают сворачиваться. Похожие мозаичные вирусы заражают также тыкву, цукини, огурцы, бобовые и другие сельскохозяйственные растения. Ивановский и Бейеринк считаются первооткрывателями вирусов и основоположниками вирусологии, которая в самом начале занималась исключительно болезнями растений.

Первый человеческий патогенный вирус был открыт в 1901 году. Речь шла о возбудителе желтой лихорадки из семейства флавивирусов, которые, как и вирус гриппа, коронавирусы и растительные мозаичные вирусы, относятся к РНК-вирусам. Все они являются причиной заболеваний, носящих характер пандемий.

Табак и кукуруза: модельные растения вирусологии

Вирусы, инфицирующие растения, не могут заражать людей, но представляют собой угрозу для продуктов, которыми мы питаемся. Так, ущерб, причиняемый вирусом полосчатости кукурузы в Африке, регулярно принимает катастрофические масштабы. Возбудитель атакует зеленые части растений и уничтожает хлорофилл, необходимый для фотосинтеза. При этом на листьях появляются бледные пятна, которые впоследствии приобретают форму продольных полос. Из-за этого порой уничтожается урожай на больших площадях, так как возбудитель активно переносится насекомыми, в частности карликовыми цикадами. В условиях монокультуры вирус распространяется как лесной пожар, так как отсутствуют естественные барьеры в виде насаждений других культур. Вирус опасен еще и тем, что наряду с кукурузой он повреждает и другие сельскохозяйственные культуры, имеющие для Африки большое значение, в том числе ячмень, пшеницу и рожь. В континентальных областях южнее Сахары этот возбудитель является эндемиком. Правда, в последнее время он распространился также на восток вплоть до Мадагаскара и Маврикия.

Симптомы мозаичного вируса

Растительные вирусы и иммунная система растений часто изучаются с помощью такого модельного растения, как рис. Рис имеет огромное значение во всем мире как продукт питания человека. Известны 15 хорошо изученных в генетическом плане видов вирусов, которые заражают рисовые культуры и способны причинить большой экономический ущерб. По этой причине рис часто становится предметом изучения со стороны эпидемиологов растений[13]. Так, биологи исследовали процесс РНК-индуцируемого механизма подавления экспрессии генов (так называемого РНК-сайленсинга), в том числе и на рисе[14]. Этот механизм относится к числу важнейших защитных мер мира растений против РНК-вирусов.

После заражения клетки вирус начинает разворачивать в ней свою генетическую программу. РНК вируса высвобождается и транспортируется к рибосомам — клеточным белковым фабрикам. Там по замыслу вируса должен подвергнуться перепрограммированию процесс производства белков растения, чтобы рибосомы вместо них начали вырабатывать белки вируса. Этот процесс всегда протекает одинаково в любых зараженных вирусом организмах — бактериях, растениях, грибках, животных и людях.

Растения завоевали сушу как минимум 475 миллионов лет назад — в палеозойскую эру, а точнее, в кембрийский и ордовикский периоды. В соответствии с широко распространенной эволюционно-биологической гипотезой наземные растения образовались из водорослей, которые жили в прибрежной приливной зоне и поэтому время от времени вынуждены были находиться вне воды. Таким образом, наземные растения, по-видимому, являются потомками водорослей и поэтому унаследовали их основные иммунные функции. Позднее они выработали собственную сложную иммунную систему, которая лучше отвечала условиям существования многоклеточных форм жизни. Растения, как правило, отличаются оседлостью, то есть привязаны к одному месту произрастания, и поэтому нуждаются в эффективных стратегиях борьбы с потенциально вредными воздействиями окружающей среды.

Механизм РНК-сайленсинга уже очень давно стал частью генома растений и постоянно совершенствуется в процессе совместной эволюции растений и вирусов. Он основывается на том, что вирусы, проникнув в клетку, преобразуют свой генетический материал в матричную РНК (мРНК), поскольку только ее можно успешно внедрить в рибосому растительной клетки. Дело в том, что эта фабрика белков принципиально считывает только «рецепты», записанные в виде мРНК. Вирусы, у которых генетическая информация содержится в ДНК, также должны сначала транскрибировать ее в мРНК, чтобы можно было провести операцию по перепрограммированию производства белков в растительной клетке.

Для дублирования и транскрипции своего генетического материала вирусы используют биологическую инфраструктуру зараженной клетки, и этот процесс не проходит мимо ее внимания. Растительные организмы научились этому в ходе эволюции. Они реагируют на продукты расщепления вирусной РНК, которые неизбежны в ходе репликации и транскрипции. Этот процесс сложен и включает различные стадии, следующие друг за другом. Нам для понимания происходящего достаточно знать, что в результате этого процесса образуется продукт расщепления — малая интерферирующая РНК (миРНК).

Если вирус уже знаком данному растению, то растительная клетка распознает его присутствие через миРНК, а затем начинает вырабатывать вещества, которые способны разрушить или хотя бы блокировать вирус. Для этого используются так называемые белки-аргонавты. Их название происходит от моллюска Argonauta argo. При чем тут этот обитатель морей? Возможно, дело в том, что эти белки при определенных условиях окрашивают листья в сине-фиолетовый цвет, свойственный многим головоногим моллюскам. Любопытно, что и в греческой мифологии тоже есть аргонавты — так именовался экипаж корабля «Арго».

Нам же важно для понимания устройства иммунной системы растений знать, что аргонавты способны разрезать вирусную РНК и тем самым обезвреживать ее. Малая интерферирующая РНК берет аргонавтов за руку и целенаправленно приводит к РНК вируса, которую необходимо уничтожить. Вторым элементом этого процесса являются белки-дайсеры (от англ. dice — нарезать кубиками). Они разрезают генетический материал вируса, словно кухонный нож морковку. Интересно, что эта борьба идет между растениями и вирусами на протяжении всей истории. Вирусы ищут обходные маневры, а растения вновь приспосабливаются к их уловкам. В идеале между ними должно складываться эволюционное равновесие, которое не позволяет растениям вымереть под натиском вирусов. Обе стороны учатся сосуществовать друг с другом. Тот же самый процесс происходит и между людьми и вирусами (или бактериями).

Аргонавты и дайсеры по своим функциям являются иммунопротеинами врожденного механизма защиты растений. Они борются с генами вирусов, и им принадлежит решающая роль на очень ранней стадии иммунного ответа, когда растение еще только пытается противодействовать размножению вируса. Кроме этого, у растений есть иммунопротеины, которые распознают определенные структуры и вещества непосредственно в составе возбудителей и борются с ними, когда вирус уже успешно размножился в организме растения. Иммунная система растений строится в основном на иммунопротеинах. Ими мы сейчас и займемся, так как не раз еще столкнемся с этими белками, когда будем изучать защитные механизмы человека.

Растения как мастера использования иммунопротеинов

До сих пор я исходил из предположения, что все читатели имеют базовое понятие о протеинах. Точно так же недавно СМИ были заполнены информацией о SARS-CoV-2 — вирусном возбудителе заболевания дыхательных путей COVID-19, и никому не надо было объяснять, что это такое, поэтому я позволил себе и в этой книге упомянуть об этой болезни как о чем-то само собой разумеющемся. Но, поскольку в последующем разделе мы будем вплотную заниматься иммунопротеинами, которым принадлежит главная роль и в главах об иммунной системе животных и человека, я все же хотел бы дать некоторые пояснения на этот счет.

Протеины — это белки. Они служат строительным материалом для нашего тела, а также для организмов других форм жизни. Протеины, которые требуются нам каждый день, производятся в процессе белкового биосинтеза. Этот процесс протекает, как мы помним, на протеиновых фабриках клеток, которые называются рибосомами. Чертежи для строительства протеинов находятся в нашей ДНК. Там они копируются на мРНК и транспортируются к рибосомам. Вирусы тоже состоят из белков, но им не требуется собственное производство. Для этих целей они используют клетки организма-хозяина, в которые внедряют свои собственные «чертежи». Эта процедура нам тоже уже знакома.

Особую известность приобрел белковый шип коронавируса. Он служит для прикрепления к клетке, которую вирус намерен заразить. Таким шипами пользуются многие вирусы, в том числе возбудители гриппа и бактериофаги. Риновирусы, вызывающие простудные заболевания, имеют на своей поверхности схожие белковые выросты, похожие на пальцы[15]. Антитела, которые наш организм образует после перенесенной инфекции или вакцинации, — тоже протеины.

Строение и функции протеинов зависят от последовательности и формы соединения аминокислот, из которых они состоят. В качестве знакомых примеров можно назвать такие структурные протеины, как коллаген и эластин, придающие нашей коже прочность и эластичность. Пищеварительные энзимы, которые помогают усваивать пищу, также относятся к протеинам.

У растений не обнаружена адаптивная иммунная система, которая после контакта с возбудителями может быстро образовать белковые антитела. Насколько нам сегодня известно, растения не располагают специализированными защитными клетками, которые, подобно клеткам-пожирателям в колониях амеб, передвигаются по организму растений. Растительный иммунитет функционирует очень прямолинейно: иммунопротеины, распознающие болезнетворных пришельцев, располагаются в непосредственной близости к растительным клеткам, словно привратники. Обнаружив вирус или бактерию, они запускают цепь молекулярных механизмов, направленных против возбудителя. Эти защитные функции берут на себя также относительно простые — в сравнении со специальными защитными клетками человека или животных — иммунопротеины.

«Белки-детекторы» в растительных организмах называются резистентными белками, или просто R-белками. Многие растительные вирусы имеют геометрически правильную и симметричную форму, напоминающую кристаллы. R-белки реагируют на эти формы и на отдельные молекулы на поверхности возбудителей, например на бактериальные или вирусные белки. Они распознают уже упомянутые РАМР — типичные молекулярные структуры и паттерны патогена, облегчающие идентификацию[16].

Растительный вирус в форме кристалла

Учтите, что мы в данном случае имеем дело с защитными механизмами, сосредоточенными на конкретных клетках. Как уже было сказано, иммунопротеины располагаются вблизи клеток и запускают региональные механизмы защиты, состоящие из других протеинов, которые должны деактивировать возбудитель. Причина в том, что растения ведут оседлый образ жизни, то есть привязаны к месту произрастания. У них отсутствует кровеносная система, как у людей или животных. Конечно, у высших растений имеются сосуды, по которым транспортируются вода, сахар и питательные вещества, но в них отсутствуют клетки наподобие наших красных и белых кровяных телец, а это значит, что нет курсирующих по организму иммунных клеток. Иммунитет растений ориентируется на конкретные клетки, и этот механизм в ходе эволюции доведен до совершенства. Растительные иммунопротеины стоят на страже безопасности клетки, постоянно отслеживают все молекулярные процессы вокруг нее и целенаправленно реагируют на них. Если же установлено, что возбудитель все-таки проник в клетку и размножается, угрожая здоровью всего растения, протеины идут на крайнюю меру и убивают зараженную клетку[17]. Этим приемом владеет и наша иммунная система, как нам еще предстоит убедиться.

Хотя растения не обладают такими приобретенными иммунными функциями, как образование антител, нам известны из мира растений схожие, хотя и не идентичные функции. Биологи говорят об эволюционной конвергенции между иммунными системами большинства позвоночных животных, включая людей, и иммунными системами растений. Это значит, что между ними образовались совпадения или аналогии, хотя мы не происходим от растений, как и они от нас. Растительная ветвь развития очень рано отделилась от животной (а позднее человеческой). Тем не менее иммунной системе растений свойственна такая черта, как память, и ее можно совершенствовать в ходе контактов с возбудителями болезней.

Способность иммунной системы растений к обучению и запоминанию обусловлена более высокой активностью R-белков, которые распознают паттерны и структуры патогенов. R-белки постоянно адаптируются к новым вирусам или бактериям, с которыми им приходится сталкиваться. Аналогичным образом и патогены адаптируют свои стратегии уклонения, используемые для того, чтобы избежать действия защитных белков растения. В идеале между ними возникает равновесие.

Постоянно адаптируются к новой ситуации и энзимы, которые также задействуются в рамках иммунной реакции растений. Опыт, приобретенный методом проб и ошибок, сохраняется в ДНК и передается по наследству следующим поколениям растительных клеток. Все это создает в итоге такое качество растительной иммунной системы, как обучаемость. Этот процесс напоминает составление архива возбудителей в ДНК бактерий, который используется для борьбы очередных поколений против бактериофагов.

Биологи говорят о врожденной памяти иммунной системы растений[18]. Это свойство проявляет себя медленнее, чем наша приобретенная адаптивная иммунная система, которая в течение нескольких дней может освоить производство специфических антител против возбудителя. Именно поэтому иммунобиологическая память растений является не адаптивной, а врожденной.

Растительные вакцины

Лишь немногие люди знают, что существуют вакцины для растений, которые усиливают и поддерживают известные иммунные функции. Так, например, с использованием растительных биотехнологий разработаны РНК-вакцины против возбудителей болезней, которые предназначены для защиты важных продовольственных культур. Точнее говоря, эти вакцины созданы на базе миРНК. Вы еще помните этот продукт расщепления вирусной РНК, который возникает, когда вирусы пытаются использовать инфраструктуру клетки-хозяина, чтобы размножить собственный генетический материал на клеточной фабрике белков? В лабораторных условиях миРНК оптимизируется, чтобы можно было точнее нацелить белки-аргонавты атакованной клетки на вирусную РНК. После этого аргонавты обезвреживают генетический материал возбудителя[19]. Такие вакцины могут уже в самом скором времени найти применение в борьбе с различными возбудителями заболеваний растений, например с вирусом полосатчатости кукурузы, вирусом желтой пятнистости риса и различными мозаичными вирусами.

Другие вакцины основываются на нанобиотехнологиях. Они защищают виноград от вирусных заболеваний, которые способны причинить виноделам огромный экономический ущерб. Так, представители семейства неповирусов могут вызвать хлороз винограда. При этом повреждаются сосуды растений и разрушается хлорофилл, необходимый для фотосинтеза. Листья деформируются, желтеют и отмирают. Появление новых листьев весной запаздывает, их рост идет медленнее, а урожайность резко снижается. Поскольку речь идет о распространенном по всему миру заболевании виноградной лозы, прикладная наука усиленно занята оптимизацией вакцин, которые уже в скором времени могут оказаться в распоряжении виноделов.

Существуют не только вакцины для защиты растений, но и вакцины, добываемые из растений для защиты людей от инфекционных заболеваний. Многие не слышали о том, что к моменту выхода этой книги в апреле 2022 года растительная вакцина от COVID-19 уже проходит третий и последний этап клинических испытаний. Речь идет о вакцине, получившей название CoVLP, которая была разработана канадской фирмой Medicago совместно с британским фармацевтическим концерном GlaxoSmithKline.

Метод ее получения основывается на том, что генетическая информация вирусных антигенов против SARS-CoV-2 с помощью вирусов и бактерий внедряется в растения рода Nicotiana — сорт дикого табака, произрастающий в Австралии. Внедрение генетической информации коронавируса в растения приводит к тому, что в листьях начинают вырабатываться антигены, которые можно извлекать с помощью биотехнологий. В данном случае табак выращивается не для курения, а для получения лекарства.

На выходе получается вирусоподобная вакцина растительного происхождения. Это значит, что белковые структуры, образованные в листьях табака, настолько похожи на коронавирус, что после прививки вызывают у человека иммунный ответ, способный защитить его от COVID-19. В силу большого сходства наша иммунная система путает частицы этой вакцины с возбудителем. Они содержат важные поверхностные структуры коронавируса, в том числе белковый шип, но внутри у них ничего нет. Поэтому они и называются вирусоподобными.

Добытые с помощью биотехнологий вирусоподобные частицы не содержат никакого генетического материала — ни ДНК, ни РНК. Их можно представить себе как пустые оболочки коронавируса растительного происхождения. По данным Medicago, выращивание вирусоподобных протеиновых структур в растениях позволяет получить точные внешние копии вируса SARS-CoV-2[20]. Как уже было сказано, табак играет важную роль в исследованиях с самого момента появления вирусологии. Ни один другой организм-хозяин не изучался вирусологами так долго и подробно, как табак. Поэтому неудивительно, что биотехнологи добились успехов именно с использованием этого растения.

Вакцина, получаемая компаниями Medicago и GlaxoSmithKline биотехнологическим путем, уже вскоре может получить разрешение на использование в Канаде. В декабре 2021 года канадское министерство здравоохранения опубликовало предварительное заключение о третьей фазе клинических испытаний, которые пока еще не завершены, и запросило одобрение со стороны Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ)[21]. В клинических испытаниях приняли участие 24 тысячи добровольцев[22].

Исследователи изучают в числе прочих вопросов возможность использования вакцин растительного происхождения против вирусных возбудителей СПИДа, бешенства, гриппа, респираторно-синцитиального вируса человека (РСВЧ) и других патогенов. Помимо биотехнологических методов получения вирусных антигенов из растений, делаются попытки использовать растительные вирусы, в том числе мозаичный вирус табака, в качестве транспортного средства для вирусных антигенов.

Тот факт, что вакцины против вирусов растений схожи по своему действию с вакцинами для человека, лишний раз доказывает, что иммунные системы всех форм жизни сопоставимы и используют одни и те же основные защитные механизмы, включая иммунопротеины, собственные антибиотики организма и механизмы разрушения генетического материала патогенов. В следующей главе мы увидим, как на основе этих иммунобиологических функций в царстве животных образовались иммунные клетки, которые сегодня циркулируют у нас в теле. У растений на сегодняшний день не обнаружено сопоставимых типов мобильных защитных клеток.

Глава 3

Этапы развития иммунной системы животных — предшественницы защитных механизмов человека

Переходим к царству многочисленных животных форм жизни, из которого мы вышли и сами в результате истории развития, длившейся сотни миллионов лет. Начало этому процессу положили такие необычные существа, как медузы, полипы и кораллы. Я расскажу о том, как много общих черт связывает человеческую иммунную систему с последовавшими за ними стрекающими и насекомыми, и отвечу на вопрос, почему оболочники имеют такое значение для исследования наших защитных механизмов.

Иммунные функции, которые мы подробно рассмотрим в этой главе, относятся к врожденным системам поддержания здоровья. Чтобы отыскать их эволюционные истоки, мы для начала отправимся в палеозой, где впервые появились стрекающие, а затем уделим внимание насекомым и их личинкам, которые населяют Землю уже 300–400 миллионов лет. Эволюционная история мухи дрозофилы, которую мы подробно рассмотрим как важный модельный организм иммунобиологии, насчитывает 40 миллионов лет. В заключение перенесемся в ту естественно-историческую эпоху, где закончился протерозой и начался палеозой. В то время появились существующие и сегодня родственники позвоночных животных, которых можно встретить в том числе и на дне глубоких морей. Оболочники, возраст которых составляет 570 миллионов лет, обладают простой опорной трубкой, которая представляет собой предшественницу позвоночника.

Как книдарии «изобрели» нашу иммунную систему

Вы знакомы с таким типом животных, как стрекающие? Эти древние существа, которых биологи называют книдариями, отличаются от остальных животных тем, что у них имеются стрекательные капсулы, расположенные в верхнем слое кожного покрова (эпидермисе) и предназначенные для поимки добычи и защиты от опасностей. При прикосновении или ином раздражении из них выбрасываются стрекательные нити, которые, как правило, содержат яд, впрыскиваемый в тело жертвы или противника.

Большинство из нас соприкасались с этими животными во время купания в море, так как медузы тоже принадлежат к этому типу. Обычно их яд вызывает у человека только раздражение или покраснение кожи, то есть иммунную реакцию на отравляющее вещество. Однако встречаются и такие представители медуз, яд которых смертельно опасен, поскольку может стать причиной сбоев в работе сердечно-сосудистой системы. Многие не знают, что в период размножения медузы ведут образ жизни полипов, прикрепленных к морскому дну. Правда, не обходится без исключений: существуют и виды медуз, которые на протяжении всей жизни свободно плавают в воде.

Тот, кто хоть раз опускался под поверхность океана, скорее всего, имел возможность ближе познакомиться с такими красивыми обитателями моря, как кораллы. Они напоминают морские цветы. Кораллы и анемоны прикреплены к камням, то есть ведут оседлый образ жизни, как и растения, хотя относятся к животным. Анемоны могут жить на глубине до 6 тысяч метров. Что же касается кораллов, то их не находили глубже, чем 3500 метров, хотя и это тоже считается глубоководной зоной.

В период размножения кораллы, как и медузы и анемоны, ведут себя подобно полипам — простейшим организмам, обладающим всеми структурными компонентами взрослых стрекающих животных. Они могут размножаться двумя способами. Наряду с половым размножением, в результате которого возникают поколения, отличные от родителей, возможно также бесполое вегетативное размножение путем почкования, в результате которого образуются клоны. Эти клоны объединяются в колонию, которую мы наблюдаем в виде кораллового рифа и которую можно рассматривать как гигантский суперорганизм. Таким образом, известные нам коралловые сооружения состоят из полипов, а также минеральных веществ.

В центральноевропейских озерах, ручьях и реках обитают пресноводные полипы. Эти мелкие представители стрекающих достигают в длину не более трех сантиметров. Как и медузы, они свободно плавают в толще воды.

550 миллионов лет назад, в начале палеозойской эры, стрекающие столкнулись с новой для тех времен проблемой. Будучи многоклеточными животными, обитающими в море, они подвергались многочисленным опасностям. В отличие от амеб, которые образовывали колонии или квазиорганизмы, стрекающие были первой животной формой жизни, представители которой не просто состояли из множества клеток, но и имели определенную структуру тела. У них уже сформировались специализированные клетки и ткани, а также простейшие органы. Им требовались иммунные функции, которые распространялись бы на весь организм. В отличие от примитивных организмов, состоявших из клеток одного типа, им было труднее отличать свои клетки от чужих, которые могли быть потенциально опасны. Чем больше в организме специализированных клеток и тканей, тем сложнее протекают молекулярно-биологические процессы различения своих и чужих клеток. А это одна из самых важных задач иммунной системы как места соприкосновения организма с окружающей средой.

Стрекающие: медузы, кораллы и пресноводные полипы

Стрекающие состоят из двух слоев клеток. Внутренний слой — гастродермис — выстилает пищеварительную полость. Он содержит клетки, вырабатывающие пищеварительные энзимы (как и у нас). Кроме того, там имеются клетки, усваивающие переваренную пищу. Для этого используется уже знакомый нам процесс фагоцитоза: клетки обволакивают кусочки пищи со всех сторон, заключая их внутри себя. Тот же принцип используют амебы и фагоциты нашей иммунной системы для уничтожения возбудителей болезней.

Дополнительно в состав пищеварительной полости стрекающих входят так называемые цилии (реснички) — бахромчатые отростки, которые своими колебаниями создают поток жидкости, перемещающий кусочки пищи. Глядя на медузу, легко себе представить, как все эти процессы происходят внутри нее. Пищеварительная полость стрекающих — это не что иное, как прототип нашего желудочно-кишечного тракта. Желудок и кишечник человека — это лишь утолщения и сужения пищеварительной полости, которые облегчают усвоение пищи. Эта единая покрытая изнутри слизью полость, где осуществляется пищеварение, проходит ото рта до заднепроходного отверстия и открывается с обоих концов наружу. А вот то, что проникает сквозь стенки желудочно-кишечного тракта внутрь организма, подвергается строгому контролю со стороны клеток слизистой оболочки. Для многих такой взгляд на вещи может показаться непривычным, но с точки зрения биологии внутренняя поверхность желудочно-кишечного тракта фактически является наружной. Как это и было сотни миллионов лет назад у книдарий.

Наружный слой клеток у стрекающих называется эпидермисом. Это ранний прототип кожи. Он представляет собой внешнюю границу организма с окружающей средой. Виды, которые, подобно стрекающим, обитают в воде, в буквальном смысле омываются окружающей средой. Они подвергаются ее особенно интенсивным воздействиям. И тут мы подходим к чрезвычайно важному эволюционному аспекту, которые связан с центральным вопросом «почему?» в иммунологии. Он звучит так: почему стрекающие уже более 500 миллионов лет назад открыли первую комплексную клеточную иммунную систему в животном царстве? Ответ таков: они должны были научиться защищать себя от «чужого» в своем окружении. В противном случае они бы вымерли.

И действительно, эволюционная необходимость наличия эффективной иммунной системы вытекает из того факта, что у стрекающих впервые среди других животных форм появилось настоящее анатомическое строение. Правда, их тела были мягкими. У них не было ни внутреннего скелета, как у нас, ни внешнего, как у насекомых, сороконожек, пауков, раков, скорпионов и ракушек. Их эпидермис еще не обладал свойствами наружного защитного барьера, как у высших животных, включая и нас с вами. Клетки эпидермиса, которые находились в постоянном контакте с водой, подвергались непосредственному воздействию патогенов в виде бактерий, вирусов и других одноклеточных, из которых состоял микропланктон. Это обстоятельство привело к стремительному развитию иммунной системы стрекающих. Вдобавок некоторые представители этого типа имеют очень большую продолжительность жизни. Глубоководные кораллы могут достигать возраста 4 тысяч лет. Тот, кто хочет прожить так долго в воде, кишащей микробами, должен иметь хорошую защиту.

Биолог-эволюционист Томас Бош писал о стрекающих: «Как бы мы ни изучали нашу собственную врожденную иммунную систему и что бы мы ни надеялись узнать о ней, приходится констатировать, что книдарии уже опередили нас в этом»[23]. Неудивительно, что книдарии способны распознавать PAMP — молекулярные паттерны патогенов, уже знакомые нам по предыдущим главам. В конце концов, на это способны даже эволюционно гораздо более древние бактерии, цианобактерии, археи, амебы и другие одноклеточные организмы, а также водоросли.

Основное развитие стрекающих в начале палеозойского периода пришлось на ранний кембрий. Этот период истории Земли известен взрывным ростом числа форм жизни и резким увеличением видового разнообразия. Благодаря своим новаторским иммунобиологическим достижениям стрекающие изначально оказались в центре этого процесса расцвета жизни. У них была еще одна биологическая особенность, которая ставила перед их иммунной системой гораздо более обширные задачи, чем у более древних с эволюционной точки зрения существ. Дело в том, что многие виды книдарий живут колониями. Колонии образуются путем почкования и слияния отдельных частей в единый организм. Это особенно хорошо заметно на примере кораллов. Все кораллы колонии генетически идентичны. При соприкосновении двух различных колоний в зоне контакта активизируются книдоциты — специальные клетки, которые проверяют, являются ли соседи «своими» или «чужими». Слияние происходит только со «своими», то есть с генетически идентичными кораллами. Если же оказывается, что речь идет об отличной с генетической точки зрения колонии, то она отвергается. Генетически разные книдарии могут жить рядом друг с другом, и коралловый риф совсем не обязательно является генетически единым, однако слияние в общий организм происходит только между генетическими клонами.

Умение отличать генетически идентичных партнеров для слияния от других представителей своего вида, которые ввиду наследственных различий отвергаются, находит свое отражение и в иммунной системе. Это не говорит о каком-то «расизме» среди обитателей моря. Генетическая идентичность партнеров необходима для поддержания определенных жизненных процессов в едином растущем суперорганизме. Попытки объединения с генетически разнородными кораллами означали бы смерть всего организма. Поэтому сосуществование различных стрекающих возможно, а слияние нет. Чтобы понять, почему книдарии стали первопроходцами в эволюционном развитии иммунной системы, необходимо помнить, что их образ жизни, размножение путем почкования и особенности роста предполагают постоянное «ощупывание» окружающей среды с целью разграничения «своего» и «чужого».

При встрече с «чужим» клетки стрекающих могут выбрать между пассивным и агрессивным отрицанием. При пассивном отрицании просто не осуществляется процесс слияния, потому что отсутствует генетическая совместимость. Агрессивное отторжение имеет место, когда «чужое» идентифицируется как угроза, будь то конкуренция за место обитания и пищу или попытки паразитирования.

Так, у стрекающих развились на поверхности клеток рецепторные белки, которые особенно эффективно умеют отличать друзей от врагов. Это являлось необходимым, потому что книдарии были со всех сторон окружены микроорганизмами, одна часть которых представляла собой патогены, а другая могла приносить пользу. Стрекающие живут в симбиозе с водорослями и так называемыми зооксантеллами. Это одноклеточные организмы, которые обитают как на наружной поверхности книдарий, так и в их пищеварительных полостях. У них налажен активный обмен пищей с организмом-хозяином. Поскольку зооксантеллы способны осуществлять фотосинтез, они снабжают своих партнеров сахаром и другими углеводами, например крахмалом. Эти вещества служат стрекающим источниками энергии для переваривания пищи и метаболизма. Зооксантеллы забирают у стрекающих лишнюю двуокись углерода для фотосинтеза и используют их тело (например, коралловый риф) для защиты.

Поскольку эти микробы могут жить внутри пищеварительных полостей книдарий, их можно рассматривать как эндосимбионтов, каковыми являются и микробы в нашем кишечнике. Таким образом, стрекающие не просто «изобрели» внутренние органы животных, но и стали первопроходцами в области сотрудничества с микроорганизмами, которые стали выполнять определенные функции в этих органах. Тем важнее становится иммунологическая задача, суть которой в том, чтобы отличать полезные микробы от вредных. Эту функцию берут на себя так называемые рецепторные белки. Против возбудителей болезней используются особые защитные субстанции, в частности пептиды, которые носят название дефензинов[24].

Если говорить об антимикробных средствах стрекающих, то следует отметить, что особенно хорошо изучено такое вещество, как псевдоптеросин из группы терпенов, точнее говоря, дитерпенов. В медицине человека оно используется как противовоспалительное и обезболивающее средство. Из организмов стрекающих выделен также гликозид элеутеробин, который способствует регенерации клеток и демонстрирует антиканцерогенные свойства. Проводятся исследования по его использованию в лечении рака. На стадии доклинических испытаний находится и саркодиктин. Это вещество обнаружено в кораллах[25]. Нам уже известны сотни антибиотиков, полученных из организмов стрекающих. Обнаруженный в медузах аурелин привлекает к себе особое научное внимание, так как не имеет никакого химического сходства с известными до сих пор противомикробными веществами. Он замедляет размножение вирусов и блокирует транспортировку ионов калия на мембранах бактерий, которые представляют угрозу для книдарий, в результате чего эти возбудители теряют способность выживать и размножаться. Из стрекающих уже получено несколько тысяч биоактивных веществ, которые ждут более подробного изучения. Книдарии представляют собой живую иммунобиологическую лабораторию для получения защитных средств и потенциальных лекарств.

Тела всех стрекающих — медуз, кораллов, анемон и пресноводных полипов — пронизаны простой нервной сетью. Они принадлежат к древнейшим формам жизни, обладающим нервной системой. Так что они эволюционные пионеры и в этом смысле. Из результатов последних исследований известно, что нервные клетки этих морских обитателей участвуют в иммунной деятельности. Они помогают в передаче сигналов между рецепторами иммунной системы. В случае необходимости нервная система запускает цепную реакцию выработки определенных белков, с помощью которых иммунная система борется с возбудителями.

Таким образом, книдарии — это первая форма жизни, в которой развилась нейроиммунологическая сеть. Нервные и иммунные функции кооперируются и взаимно влияют друг на друга. За счет этого иммунные функции не просто сосредоточены на отдельных клетках, как в растениях, а систематически координируют свою работу в рамках всего тела. В связи с этим можно с полным правом утверждать, что родоначальниками психонейроиммунологии, изучающей взаимодействие нервной системы и иммунитета человека и животных, стали книдарии. Ввиду нашей близости к приматам в сферу изучения этой науки входят не только люди, но и человекообразные обезьяны.

Медуза — родоначальник нервной и иммунной систем

Как дрозофила «придала дух» иммунной системе

Насекомые населяют нашу планету уже на протяжении 300—400 миллионов лет. Они появились на арене в девонском периоде в середине палеозойской эры и были поначалу значительно больше в размерах, чем сейчас. 150 миллионов лет назад ситуация изменилась. Размеры большинства насекомых уменьшились до привычных нам величин. Появившаяся в начале кайнозойской эры плодовая мушка Drosophila melanogaster, чей возраст насчитывает около 40 миллионов лет, считается сегодня самым исследованным в научном плане существом на Земле. Это объясняется в том числе и тем, что она имеет огромное значение для эволюционного понимания иммунной системы. Ей мы обязаны многими открытиями в области врожденных иммунных функций.

Дрозофила

В 1865 году французский биохимик и физик Луи Пастер обнаружил, что микроспоридии — ведущие паразитический образ жизни микроскопические грибки — вызывают у шелкопряда болезнь под названием пебрина. Шелкопряды относятся к отряду бабочек. Инфицированные гусеницы покрываются черными пятнами и теряют способность к окукливанию. Ввиду того, что в XIX веке распространение паразита во Франции приняло эпидемический характер, производство шелка в этой стране оказалось в 1860-е годы перед угрозой банкротства. Ситуация изменилась, когда Пастер в 1870 году установил, что паразиты развиваются из инфицированных яиц шелкопряда. Он нашел метод, позволявший распознавать такие яйца и отсортировывать их в процессе выведения ценных насекомых. Открытие Пастера привлекло внимание к исследованиям насекомых и их патогенов.

Очередной вехой в изучении инфекционных болезней стало открытие кубинского врача Карлоса Финлея в 1865 году. Он обнаружил, что переносчиками желтой лихорадки являются москиты, и это вдохнуло новую жизнь в инфекциологические исследования насекомых. Разумеется, Финлей в то время еще не догадывался, что желтая лихорадка вызывается одним из представителей флавивирусов, так как первый вирус был обнаружен в табачных листьях лишь в 1892 году. Однако в XIX веке уже было в целом известно, что болезни передаются от одного живого существа другому через невидимые невооруженным глазом патогены. Не последнюю роль в этом сыграли труды венгерского хирурга и акушера Игнаца Земмельвейса. Не будем также забывать, что и Эдвард Дженнер, уже в 1796 году создавший первую вакцину против оспы, тоже ничего не знал о вирусах.

К началу ХХ века наука вплотную занялась процессами микробного заражения насекомых. Но лишь к 1960-м годам ученые окончательно поняли, что насекомые, как и люди, могут становиться объектами нападения со стороны бактерий, грибков, других одноклеточных и вирусов и что они могут играть роль промежуточных организмов-хозяев при передаче болезней людям. В 1972 году биолог Ханс Боман написал работу о защитных механизмах дрозофилы против бактерий. Эта публикация стала вехой в иммунобиологии и положила начало действующей до сих пор научной традиции. В 1990-е годы из иммунной системы дрозофил были выделены многочисленные антибиотики. В лечении людей применяются, в частности, дефензин, диптерицин, дрозоцин и аттацин. Дрозомицин — это противогрибковое средство, которое также было впервые обнаружено в организме дрозофил и нашло впоследствии медицинское применение.

Эти защитные субстанции накапливаются в организме дрозофилы, как и у стрекающих, после того как рецептор иммунной системы распознает молекулярные структуры или РАМР возбудителя. Правда, рецепторные белки насекомых куда более совершенны по сравнению с похожими белками стрекающих. Речь идет о толл-рецепторах. Они были впервые обнаружены и исследованы в 1990-е годы на клеточных мембранах дрозофил[26]. Вскоре после этого открытия аналогичные белки-рецепторы были выявлены и у людей. Они получили название толл-подобных рецепторов (TLR). Мы еще рассмотрим подробно эти рецепторные белки как часть нашей врожденной иммунной системы, но всему свое время. Пока сосредоточимся на насекомых и оригинальных толл-рецепторах дрозофил.

Толл-рецепторы реагируют на так называемые грамположительные бактерии. Так именуют бактерии, которые под микроскопом приобретают специфическую окраску при использовании метода, разработанного в 1884 году бактериологом Хансом Грамом. Кроме того, толл-рецепторы реагируют на грибковые возбудители. Для распознавания грамотрицательных бактерий, которые не приобретают окраски при использовании метода Грама, имеется вторая рецепторная система IMD. Принцип ее работы тот же, что и у системы толл-рецепторов.

В отличие от людей, у которых аналогичные рецепторы непосредственно взаимодействуют с молекулярными структурами патогенов, толл-рецепторы дрозофилы активизируются косвенным путем, когда бактерия или грибок оказываются вблизи клетки. Сначала энзимы иммунной системы, носящие название сериновых протеаз, непосредственно реагируют на патоген. Затем они активизируют другой иммунопротеин, получивший название шпетцле, так как его молекулярная структура напоминала ученым одноименное блюдо баварской кухни. Как видим, присвоение названий открытиям в области иммунобиологии носит весьма креативный характер. В конечном итоге задача шпетцле состоит в том, чтобы достучаться до толл-рецептора и сообщить ему о присутствии определенного возбудителя[27]. Этот процесс представляет собой отличный пример цепных реакций в иммунной системе, которые называются каскадами.

Белок шпетцле выполняет в данном случае ту же функцию, что и цитокины у людей и других млекопитающих. Они служат посредниками и спусковыми механизмами иммунных реакций, а также регулируют их интенсивность. В иммунной системе дрозофилы активно работают и другие белки, которые, подобно цитокинам, вызывают и регулируют защитные реакции. Они носят такие громкие имена, как змея или кактус. Я уж не говорю про белок под названием дух, который участвует в цепных реакциях иммунной системы этого насекомого. Таким образом, «дух» иммунной системы был обнаружен именно в дрозофиле.

После того как толл-рецептор пришел в активное состояние и через шпетцле, змею, кактус или дух сообщил в информационную систему данные о характере вторгшегося возбудителя, та, в свою очередь, активизирует соответствующие последовательности генов, которые содержат чертежи для производства необходимых защитных средств и антибиотиков. Одновременно толл-рецепторы запускают клеточную иммунную систему. Врожденная иммунная система дрозофил и других насекомых, в отличие от стрекающих, располагает специализированными иммунными клетками, которые вступают в борьбу с агрессорами. Их важнейшие функции — капсулирование возбудителей болезни и фагоцитоз («пожирание»). Эти задачи берут на себя три различных типа клеток из крови дрозофил — пластинчатые тельца, клетки плазмы и кристаллические клетки.

Кактус

Змея

Дух

Иммунопротеины с необычными названиями

За капсулирование возбудителей болезней отвечают пластинчатые тельца. В число их объектов входят не только бактерии, вирусы и одноклеточные, но и яйца паразитов. Например, осы, ведущие паразитический образ жизни, откладывают яйца в тела личинок и куколок дрозофил. Пластинчатые тельца обнаруживают эти яйца, окружают их со всех сторон и выводят из организма. Это должно произойти в течение 24 часов после откладывания яиц. В противном случае личинка осы успеет вылупиться, убьет личинку дрозофилы, которая больше ее по размерам, и использует для собственного питания. Между дрозофилами и осами-паразитами Trichopria drosophilae сложилось эволюционное равновесие. Осы, нападая на личинки дрозофил, добиваются успеха достаточно часто, чтобы выжить как вид. В то же время пластинчатые тельца дрозофил также достаточно успешно защищаются от паразитов, чтобы мушкам не грозило вымирание. Биологи говорят об «эволюционной гонке» между паразитами и организмами-хозяевами. Иммунные функции, которыми располагают дрозофилы в этой гонке, закладываются уже на стадии личинки.

Иммуноактивная личинка дрозофилы

Большое количество клеток плазмы, подгоняемых крошечным сердцем насекомого, циркулирует по кровеносным сосудам дрозофил и их личинок в поисках возбудителей. Они могут непосредственно реагировать на вирусы, бактерии и другие патогены. Их самой близкой аналогией являются наши фагоциты[28]. Они обволакивают патогены, втягивают их внутрь себя и переваривают. Этот старый и испытанный принцип постоянно встречается нам в ходе рассмотрения эволюции иммунной системы. Клетки плазмы могут активизироваться другими рецепторными белками, вошедшими в контакт с возбудителями. Один из таких белков называется пожиратель. Он специализируется на определенных возбудителях болезней насекомых, например на кишечной палочке Escherichia coli и различных стафилококках. После встречи с ними пожиратель информирует клетки плазмы о бактериальной опасности и побуждает их атаковать агрессора. Еще один рецепторный белок под названием Peste выступает в роли наводчика иммунных клеток насекомого на листерии, которые известны и людям в связи с громкими историями об испорченных продуктах питания. Попадание этих бактерий в человеческий организм вызывает желудочно-кишечную инфекцию листериоз. Насекомые и прежде всего их личинки также могут пострадать и даже погибнуть от листерий. В последние годы у дрозофил обнаружено множество рецепторных белков, которые специализируются на различных возбудителях болезней. Это функциональные родственники наших цитокинов.

Кристаллические клетки, в отличие от клеток плазмы, сосредоточены преимущественно в тканях мух. Лишь небольшая их часть циркулирует в крови. Задачи кристаллических клеток заключаются в меланизации возбудителей болезней и чужеродных веществ. Это значит, что вредные частицы обволакиваются пигментом меланином, который содержится и в нашей коже, обездвиживаются и обезвреживаются[29]. У насекомых меланин является действующим веществом иммунной системы. У нас он служит прежде всего для пигментации кожи с целью защиты от вредного ультрафиолетового излучения. Но и это можно в определенном смысле рассматривать как иммунную функцию: меланин защищает нас от вредного воздействия окружающей среды.

Оболочники — родоначальники клеток-киллеров и макрофагов

С точки зрения естественной истории у истоков позвоночных животных стояли организмы, которые, как и кораллы, часто можно встретить на морском дне. Это так называемые оболочники — ближайшие из ныне живущих родственников всех позвоночных, к которым относимся и мы с вами. На научном жаргоне оболочников также именуют личиночнохордовыми (urochordata). У них есть дорсальная хорда — стержнеобразный опорный аппарат, расположенный со стороны спины. В ходе эволюции из нее развился наш позвоночник. Первые оболочники появились около 570 миллионов лет назад — в начале протерозойской эры.

Оболочники обладают почти всеми функциями, которые мы в усовершенствованном виде можем наблюдать в нашей врожденной иммунной системе. Но они неспособны к адаптивным иммунным реакциям с образованием антител. Иммунопротеины, рецепторы и эффективные антибиотики входят в базовое оснащение оболочников, как, впрочем, и насекомых и стрекающих. Дицинтаурин — антимикробный пептид из кровяных клеток оболочников — известен своей универсальностью действия против многочисленных бактериальных возбудителей[30]. Стиелин А и В, впервые обнаруженный в оболочниках, уже используется в лечении людей как антибиотик широкого спектра действия[31]. В некоторых видах этого типа животных были найдены рецепторные белки, которые схожи по составу и функциям с толл-рецепторами дрозофил.

В контексте естественной истории иммунной системы человека оболочники представляют особый интерес. В них были обнаружены защитные клетки, которые сильно напоминают наши естественные клетки-киллеры и могут рассматриваться как их эволюционные прототипы[32]. Если клетки организма атакуются возбудителями болезней, эти киллеры вскрывают мембраны нарушителей и тем самым убивают их. Они делают это — впервые в истории иммунной системы — с помощью иммунопротеина перфорина. Этот процесс называется мембранной атакой. Погибают бактерии, вирусы и другие патогенные простейшие. Уничтожению могут также подвергаться переродившиеся клетки собственного организма, представляющие угрозу здоровью. Этот важный эффект, предотвращающий возникновение опухолей, входит в число задач и наших собственных естественных киллеров, но на еще более высоком уровне. Об этом мы поговорим чуть позже.

В клеточную иммунную систему оболочников входят также клетки-пожиратели, которые напоминают наши макрофаги (гигантские фагоциты) и считаются их прототипами. Я уже писал, что даже у таких очень древних организмов, как амебы, есть клетки, поедающие бактерий. Клетки плазмы крови дрозофил также выполняют задачи фагоцитов. Однако фагоциты оболочников могут, помимо всего прочего, проникать в ткани тела и формировать там кооперативные сети. Они располагают собственными рецепторными белками, с помощью которых распознают молекулярные структуры патогенов. После обволакивания и переваривания патогенов они демонстрируют их антигены на поверхности собственной клеточной мембраны, чтобы передать информацию о захватчиках другим иммунным клеткам. Эти способности гигантских фагоцитов у людей считаются признаками высокой специализации. Однако оболочники, наши древние родственники из морских глубин, уже обладали этими свойствами, хотя и в простой форме.

Оболочники — «изобретатели» макрофагов и естественных киллеров

С этой точки зрения оболочники могут считаться «изобретателями» не только естественных киллеров, но и макрофагов как особо эффективной формы фагоцитов.

Часть 2

Иммунитет людей и других позвоночных

Глава 4

Инновации позвоночных животных: от иммунной клетки к антителам

Оболочники являются тем порогом в естественной истории, за которым открывается царство позвоночных животных. Как уже было сказано, позвоночник образовался из простой опорной трубки оболочников. Переход к позвоночным животным знаменует появление адаптивной, или приобретенной, иммунной системы, которая дает живым существам возможность с помощью антител целенаправленно бороться с возбудителями болезней, с которыми они вступают в контакт. Мы подходим к одному из главных вопросов «почему?» в иммунологии: «Почему появились антитела?» Поиск ответов приблизит нас к более полному пониманию способа функционирования человеческой иммунной системы, которой и посвящается эта часть книги.

«Большой взрыв» в иммунобиологии

В ходе совместной эволюции с организмами-хозяевами патогенные организмы постоянно вырабатывают новые стратегии, чтобы обойти иммунную систему хозяев. Эта гонка происходит между бактериями и бактериофагами, водорослями и вирусами, амебами и бактериями, листьями табака и вирусами табачной мозаики, стрекающими и патогенными одноклеточными, обитающими в морской воде, дрозофилами и осами-паразитами, летучими мышами и коронавирусом, людьми и возбудителями гриппа… короче говоря, повсеместно и постоянно в нашем разнообразном живом мире. Иммунный ответ организма-хозяина адаптируется к изменениям, происходящим в возбудителе, а тот, в свою очередь, путем мутаций и естественной селекции вырабатывает новые стратегии, чтобы избежать иммунной системы хозяина. Это называется иммунным уклонением.

Чем дольше продолжалось эволюционное развитие многоклеточных, тем заметнее становилось отставание животных, людей и растений от микробов. Это отставание эволюционные биологи называют разрывом поколений. Микроорганизмы получали всё большее преимущество по сравнению с многоклеточными. Это объясняется тем, что они могут быстрее размножаться, чем более сложные живые существа. Смена поколений у них происходит намного чаще, чем у более развитых организмов-хозяев.

Для того чтобы эволюционная адаптация сохраняла свою эффективность, она должна передаваться по наследству из поколения в поколение. У многих бактерий и других одноклеточных время смены поколений составляет несколько минут. Изменения и новшества могут быть зафиксированы в генетическом материале намного быстрее, чем у людей, животных или растений. Если исходить из того, что период смены поколений у Homo sapiens составляет 20 лет, то у бактерий этот процесс происходит в 500–600 тысяч раз оперативнее. Их эволюционные карманные часы тикают в бешеном темпе, оставляя далеко за спиной человеческие ходики с маятником.

Поэтому если задать себе вопрос, почему позвоночным животным понадобилась адаптивная иммунная система с антителами, то ответ будет таким: потому что многоклеточные формы жизни обязаны были найти способ компенсировать эволюционный недостаток по отношению к микробам, вызванный разрывом поколений. Только адаптивная иммунная система обеспечивает долгоживущему организму способность давать краткосрочный ответ в рамках имеющихся генетических возможностей на быструю эволюцию возбудителей болезней.

Рыба палеозойской эры впервые выработала в себе антитела и тем самым положила начало эпохе адаптивных иммунных систем

Нам мало что известно о позвоночном животном ордовикского периода ранней палеозойской эры, которое 450 миллионов лет назад впервые создало некую форму антител и тем самым положило начало адаптивной (приобретенной) иммунной системе. В соответствии с одной из наиболее распространенных эволюционных теорий это была уже вымершая к настоящему времени челюстная рыба. Только формы жизни, которые стали потомками этой палеозойской рыбы, обладали этим иммунным новшеством и могли производить антитела. Это относится ко всем позвоночным животным, у которых есть челюсти, начиная с рыб, амфибий и рептилий и заканчивая птицами и млекопитающими, включая и нас самих. Лишь у бесчелюстных позвоночных, не имеющих прямых родственных отношений с этой палеозойской рыбой, отсутствует адаптивная иммунная система. Практически все эти животные из группы круглоротых вымерли. Сегодня они представлены только миногами и миксинами.

Появление первых антител 450 миллионов лет назад биологи сравнивают с Большим взрывом. С этого началась естественная история антител.

Прогрессивные иммунные функции данио рерио

Рыбки данио рерио, как и дрозофилы, часто используются в современной иммунологии в качестве модельных организмов. В первые 4–6 недель своей жизни молодые рыбки полагаются исключительно на врожденную клеточную иммунную систему и еще не обладают возможностью выработки антител. Затем у них появляется адаптивная, или приобретенная, иммунная система, после чего рыбы живут еще от двух до пяти лет.

Клеточная иммунная система данио рерио оснащена теми же основными видами «оружия», что и наша. Она составляет основу эффективного и постоянно действующего врожденного иммунитета, который, подобно крепостным стенам, охраняет здоровье морских обитателей от вредных воздействий извне. Так называемые неспецифические цитотоксические клетки (NCC) данио рерио являются еще более близкими аналогами наших естественных киллеров, чем их более древние прототипы у оболочников. Неспецифическими их называют потому, что они не специализируются на борьбе только с определенными видами возбудителей, например с бактериями. Слово «цитотоксические» означает, что они способны отравлять и убивать клетки, которые подверглись бактериальному или вирусному заражению, имеют повреждения ДНК или могут переродиться в раковые. Таким образом, они играют в иммунной системе роль «полиции здоровья».

Это описание подходит и для наших естественных киллеров. Правда, несмотря на множество общих черт, иммунная биология все-таки считает клетки NCC не настоящими естественными киллерами, а лишь их предшественниками. Так, например, клетки NCC менее эффективны при уничтожении инфицированных или потенциально опасных клеток, в то время как естественные киллеры — это прямо-таки серийные убийцы. Они способны за сопоставимый промежуток времени уничтожить намного больше зараженных клеток, чем клетки NCC данио рерио. Кроме того, киллеры млекопитающих располагают значительно бόльшим количеством иммунопротеинов, которые используются для ликвидации инфицированных или раковых клеток. У клеток NCC этого оружия намного меньше. Тем не менее NCC и естественные киллеры выполняют одни и те же задачи и работают по схожему принципу.

Данио рерио, как и человек, обладает адаптивной иммунной системой

Наряду с общеизвестными фагоцитами, в иммунной системе данио рерио имеются более прогрессивные с эволюционной точки зрения макрофаги, которые весьма схожи с макрофагами млекопитающих, а также В-клетки и некоторые формы Т-клеток. Наличие этих клеток отличает организм рыб от всех предшествовавших форм жизни. В- и Т-клетки знаменуют собой переходный этап к адаптивной иммунной системе. Свойства памяти и быстрой обучаемости иммунной системы позвоночных животных обеспечиваются только наличием Т-клеток. В них после контакта с новыми возбудителями накапливается информация о примененных иммунных реакциях, которая в случае повторных контактов с тем же возбудителем может быть быстро извлечена из памяти и использована снова. При этом Т-клетки ведут командную игру вместе с В-клетками, в которых созревают антитела против возбудителей. B-клетки обеспечивают производство антител.

Рыбы, обладающие новыми типами клеток, способны вырабатывать антитела. Таким образом, начиная с их палеозойского предка, они могут считаться основоположниками адаптивной иммунной системы. В следующей главе, посвященной иммунной системе человека и других млекопитающих, мы подробнее рассмотрим функции Т- и В-клеток.

Глава 5

Иммунная система млекопитающих: врожденный и приобретенный иммунитет

Все формы жизни, о которых мы говорили до сих пор, сыграли свою роль основоположников и первопроходцев в естественной истории иммунной системы. Их достижения привели в процессе развития к возникновению сложной защитной системы у млекопитающих. Вся оставшаяся часть этой книги посвящена функционированию иммунной системы млекопитающих, причем основное внимание уделено нашему собственному виду. Мы начнем с более детального рассмотрения наших защитных органов и клеточной иммунной системы, которая является для нас врожденной и во многом совпадает с теми механизмами, которые имеются у стрекающих, насекомых, оболочников, растений и так далее. Сразу после этого мы перейдем к деталям нашей адаптивной иммунной системы в разделах, посвященных Т- и В-клеткам, антителам и перекрестному иммунитету. Границы между клеточной и приобретенной иммунными системами весьма подвижны, но Т- и В-клетки, которые участвуют в образовании антител, уже можно условно отнести к приобретенным защитным средствам.

Белые кровяные тельца — иммунные клетки нашей врожденной защитной системы

Наши иммунные органы: основа обороны

Подобно многим другим видам млекопитающих, мы обладаем специальными формами тканей, которые можно назвать органами иммунной системы. Как и все органы животных, они образовались в ходе процесса разделения функций и специализации клеток. Этот процесс развития прослеживается в эволюции вплоть до самых ранних попыток сосуществования клеток в рамках колоний амеб или сферических образований вольвокса. По мере роста специализации и дифференциации типов клеток отдельные клетки утрачивали способность выживать самостоятельно.

Клетки врожденной иммунной системы образуются в первичных иммунных органах. У нас это костный мозг и вилочковая железа (тимус). Через кровеносные и лимфатические сосуды, пронизывающие все тело млекопитающих, иммунные клетки попадают из первичных во вторичные иммунные органы и все ткани тела, где в них возникает необходимость. Вторичными иммунными органами являются селезенка, лимфатические узлы и диффузные лимфатические ткани.

В костном мозге (у взрослых главным образом в костях таза и грудине, а у детей еще и в костях рук и ног) из стволовых клеток образуются все наши клетки крови, в том числе белые кровяные тельца, представляющие врожденную клеточную иммунную систему. Их называют лейкоцитами. Особой формой лейкоцитов являются лимфоциты — В-клетки, Т-клетки и естественные киллеры.

В античной Греции тимус считался вместилищем человеческой души. Греческое слово thymos означает «жизненная сила». Биологические функции этого органа были раскрыты только в 1950-е годы. До этого его назначение и польза для человека и других млекопитающих оставались неизвестными. К пониманию его функций привел эксперимент над животными в Австралии. Исследователи удалили вилочковую железу у новорожденных мышей. Ход дальнейших событий показал, что у них серьезно повреждена иммунная система и что они намного чаще подвергаются заболеваниям, чем их собратья с тимусом. К настоящему времени мы знаем, что вилочковая железа представляет собой некое подобие школы для иммунных клеток, особенно для Т-клеток, и диспетчерского центра иммунной системы. Некоторые биологи называют ее «мозгом» иммунной системы.

Тимус входит в систему лимфатических органов. В его тканях предшественники Т-клеток развиваются и дифференцируются, разделяясь на различные подвиды, которые будут затем специализироваться на распознавании различных антигенов возбудителей болезней. В ходе процесса созревания Т-клеткам «демонстрируются» различные антигены, осуществляется их обучение и программирование. Антигенами именуются молекулярные структуры, например белки, которые характерны для тех или иных видов возбудителей. Сумма всех антигенов, которым Т-клетки обучаются в вилочковой железе, называется в иммунобиологии антигенным репертуаром.

Созревание Т-клеток в тимусе, от которого, кстати, и происходит название этих иммунных клеток, представляет собой весьма расточительную процедуру. Только десяти процентам зрелых Т-клеток у людей и других млекопитающих суждено закончить эту «школу». Причина заключается в строгости отбора. Только те клетки, которые эффективно реагируют на антигены и не обращают внимания на собственные ткани тела, получают допуск в систему кровообращения. За счет этого предотвращаются аутоиммунные реакции. 90 процентов Т-клеток не могут преодолеть систему контроля качества.

Лимфатические узлы человека рассредоточены по всему телу. Каждый отдельный узел в нормальном состоянии имеет величину и форму фасолины. Одна из задач лимфатических узлов заключается в удалении возбудителей болезней из прилегающих тканей организма. Для этого готовится иммунный ответ на основе обнаруженных в этой области антигенов. Они демонстрируются В-клеткам, которые созревают в лимфатическом узле и «тренируются» наподобие Т-клеток в тимусе. После контакта с антигеном (например, вируса гриппа) B-клетки превращаются в клетки плазмы крови. Из них образуются антитела против антигена, в нашем случае против возбудителя гриппа.

Наряду с лимфатическими узлами как локальными центрами иммунной системы наше тело пронизывает рыхлая (диффузная) лимфатическая ткань, которая становится плотнее в местах, где ожидается проникновение возбудителей болезни в тело. Это, например, так называемые Пейеровы бляшки, которые можно встретить по всей протяженности тонкого кишечника и особенно в подвздошной кишке — третьем отделе тонкого кишечника непосредственно перед переходом в толстую кишку. К лимфатическим тканям принадлежат также червеобразный отросток слепой кишки, именуемый аппендиксом, и миндалины в области глотки, которые обычно называют гландами.

В число органов защиты входит также селезенка. Она занимается перехватом из кровотока антигенов возбудителей. В светлой ткани селезенки, носящей название белой пульпы, сосредоточены белые кровяные тельца. Тут собираются все три вида лимфоцитов: Т-клетки, В-клетки и естественные киллеры. Также здесь находятся макрофаги и дендритные клетки, которые тоже являются белыми кровяными тельцами, то есть лейкоцитами, хотя и не относятся к специализированным лимфоцитам. Функции различных иммунных клеток мы рассмотрим несколько подробнее.

Толл-подобные рецепторы: «глаза» иммунной клетки

Рассмотрение различных частей нашей иммунной системы мы начнем с рецепторных белков, которые ученые нашли в организме дрозофилы, прежде чем обнаружить их аналог у людей. Наши толл-подобные рецепторы похожи на толл-рецепторы насекомых. Эти рецепторные белки, входящие в состав наших врожденных защитных механизмов, специализируются на распознавании РАМР возбудителей — уже известных нам молекулярных паттернов. Толл-подобные рецепторы играют важную роль в процессе различения «своего» и «чужого». Некоторые из этих рецепторов находятся на поверхности наших иммунных клеток, а некоторые внутри них. Это нам уже тоже известно из главы, где мы рассматривали растения. Иммунные процессы обычно протекают на клеточных мембранах — там, где вирусы гриппа и коронавирусы задействуют свои белковые шипы. Рецепторные белки, в частности толл-подобные рецепторы, являются «глазами» иммунной системы, с помощью которых макрофаги, естественные киллеры, Т-клетки и другие элементы системы могут наблюдать за обстановкой.

Иммунобиология человека насчитывает в настоящее время тринадцать толл-подобных рецепторов (TLR). Они специализируются на распознавании различных видов возбудителей. Например, TLR-1 идентифицирует только бактерии. TLR-2 отличается большей разносторонностью и распознает бактерии, вирусы, грибки и микоплазмы — так называются чрезвычайно мелкие представители бактерий, которые, в отличие от большинства других, не имеют клеточных мембран. Кроме того, TLR-2 может находить инфицированные и переродившиеся клетки собственного организма. TLR-3 специализируется исключительно на вирусах.

Некоторые толл-подобные рецепторы были обнаружены учеными в идентичной форме у других млекопитающих и позвоночных (в частности, у рыб, птиц, амфибий и рептилий). Однако известны и толл-подобные рецепторы, которых нет у людей, но есть у других позвоночных.

В связи с разработкой мРНК-вакцин против COVID-19 развернулась общественная дискуссия по поводу толл-подобных рецепторов. В одном германско-нидерландском исследовании изучались иммунные реакции добровольцев на вакцину производства BioNtech/Pfizer путем забора у них образцов крови.

В отчете говорится о «перепрограммировании иммунной системы». После введения вакцины реакция трех различных толл-подобных рецепторов снизилась по сравнению с прежним уровнем[33]. Это коснулось белков TLR-4, TLR-7 и TLR-8. TLR-4 идентифицирует бактерии, а также зараженные и раковые клетки. Таким образом, этот рецептор нацелен не только на распознавание бактериальных возбудителей болезней, но и на собственные патогенные клетки. TLR-7 и TLR-8 распознают РНК-вирусы, в том числе коронавирусы и вирусы гриппа, причем TLR-8 дополнительно способен выявлять некоторые бактерии.

Открытием толл-подобных рецепторов мы обязаны дрозофилам

Из материалов этого отчета авторы делают вывод, что после вакцинации могла иметь место сниженная иммунная реакция на бактерии и, прежде всего, на вирусы. Одновременно усиливалась цитокиновая реакция при контакте иммунной системы с грибковыми возбудителями. В публикации говорится: «Из этого можно сделать вывод, что мРНК-вакцина вызывает комплексное функциональное перепрограммирование врожденных иммунных реакций. Это необходимо учитывать при разработке и применении этого нового класса вакцин»[34].

Один из авторов этого исследования, Михай Нетя из университета Радбауда в Неймегене, в интервью порталу фактчекинга Correctiv отметил, что в ходе исследования не получено доказательств вреда мРНК-вакцин для здоровья, однако необходимо учитывать, что вирусные инфекции могут привести к изменению иммунных реакций. Аналогичные феномены отмечались, по данным системного биолога из Боннского университета Андреаса Шлитцера, относительно вакцин против туберкулеза, паротита, кори и краснухи. Эти вакцины применяются уже давно и считаются безопасными[35].

Главное, на что здесь надо обратить внимание: исследования, подобные упомянутому выше, позволяют понять, насколько сложна иммунная система, состоящая из различных контуров и цепных реакций, в которых участвует бесчисленное множество рецепторных белков, толл-подобных рецепторов, сигнальных белков и иммунных клеток, взаимодействующих и обменивающихся информацией друг с другом. В последующих разделах мы познакомимся с главными действующими лицами этого спектакля.

Иммунная система как крепость: дендритные клетки и макрофаги

Если сравнивать тело млекопитающих и человека с крепостью, то некоторые иммунные клетки можно уподобить дозорным и наблюдателям, которые постоянно находятся на посту на крепостных стенах, чтобы поднять тревогу в случае нападения. К таким клеткам относятся дендритные клетки и макрофаги. Они, как правило, не циркулируют в крови, а занимают неподвижные позиции в тканях.

Макрофаги — это короли всего класса клеток-пожирателей. Мы уже упоминали в описаниях различных организмов, что принцип фагоцитоза, то есть обволакивания и переваривания патогенов, представляет собой древнейшую стратегию защиты от болезней, которую можно наблюдать уже у амеб. Клетки плазмы крови у дрозофил также занимаются фагоцитозом. У оболочников мы тоже видели клетки-пожиратели, их можно рассматривать как прототипы наших макрофагов. В ходе эволюции развились различные формы фагоцитоза, и наши макрофаги — это лишь одна из разновидностей. У нас есть и другие клетки, специализирующиеся на фагоцитозе, но давайте пока займемся «королевским» классом.

Готовые макрофаги разносятся кровью по тканям тела и занимают там позиции, готовясь оказать первую помощь. С них начинаются воспалительные реакции. Их высокую концентрацию можно наблюдать, к примеру, на слизистых оболочках и особенно в легочных тканях. Макрофаги распознают структуры возбудителей (РАМР), а затем по старой традиции амеб обволакивают и переваривают их. При этом макрофаги выделяют приманивающие вещества — специальные цитокины, которые называют хемокинами. Цитокины представляют собой сигнальные вещества, которые регулируют протекание воспалительных и иммунных реакций. Они привлекают к месту событий другие иммунные клетки из крови, например нейтрофилы. Но на выделении сигнальных веществ задачи макрофагов не заканчиваются. Как уже упоминалось выше, они транспортируют и демонстрируют на своей поверхности антигены захваченных и переваренных возбудителей. Тем самым они знакомят другие иммунные клетки, например Т-клетки, с характерными чертами захватчиков.

Макрофаг — страж иммунной системы

Рассматривая под микроскопом дендритные клетки, которые тоже представляют собой белые кровяные тельца, можно увидеть на их поверхности различные выросты, чем и объясняется их название (греческое слово dendrites означает «древообразный» или «разветвленный»). Как и макрофаги, эти клетки относятся к фагоцитам, то есть пожирают патогены. Они несут сторожевую службу в тканях тела. Форма тела позволяет им закрепляться в тканях и образовывать сторожевые сети. После захвата возбудителя они также несут на своей поверхности его антигены в целях ознакомления с ними других иммунных клеток. Однако, в отличие от макрофагов, которые просто демонстрируют антигены Т-клеткам, дендритные клетки с помощью сигнальных веществ запускают процесс обучения молодых и еще не запрограммированных Т-клеток, которые «тренируются» на соответствующих антигенах. Ниже мы узнаем, каким образом Т-клетки запускают специфические иммунные реакции.

Нейтрофилы и компания — еще одна «скорая помощь»

Нейтрофилы, точнее, нейтрофильные гранулоциты, относятся к белым кровяным тельцам (лейкоцитам) всех позвоночных животных. Вместе с кровью они циркулируют по всему телу. У людей и млекопитающих они составляют от 50 до 60 процентов всех белых кровяных телец. Нейтрофилы имеют в своем составе клейкие субстанции — так называемые адгезивные молекулы, с помощью которых могут в любой момент прикрепиться к внутренней стенке кровеносного сосуда. Это делается для того, чтобы не проскочить мимо места событий и иметь возможность быстро принять участие в первой оборонительной реакции на вторжение возбудителя болезни. Нейтрофилы, как и макрофаги, являются клетками «скорой помощи». Их активность особенно заметна при воспалении.

Нейтрофилы — важные клетки «скорой помощи» в иммунной системе

Для борьбы с патогенами в распоряжении нейтрофилов имеется несколько способов. Во-первых, они тоже относятся к фагоцитам, то есть могут использовать фагоцитоз против возбудителей болезней любого рода.

Во-вторых, особенностью нейтрофилов является их способность готовить «ловушки» для бактерий, вирусов и болезнетворных одноклеточных. Для этого они формируют внеклеточную сеть из тонких волокон, в которых жертва запутывается и лишается способности передвигаться. Эту сеть они строят в том числе и из нитей собственной ДНК. Интересно, что одноклеточные типа амеб и эвглен уже сотни миллионов лет назад освоили эту стратегию. Они тоже строят внеклеточные сети для захвата возбудителей болезней.

В-третьих, нейтрофилы могут уничтожать патогены с помощью клеточных ядов. Для этого могут применяться, к примеру, перекись водорода и оксид азота. Это «химическое оружие» они носят с собой в так называемых гранулах — включениях в тела своих клеток, которые служат транспортными емкостями для разных веществ. Собственно, от этих гранул и происходит название всего семейства клеток — гранулоциты.

В близком родстве с нейтрофилами находятся эозинофилы, или эозинофильные гранулоциты. Они выполняют такие же защитные функции, как и нейтрофилы, но специализируются главным образам на паразитах, вторгшихся в организм позвоночного животного и, в частности, человека. Базофилы, или базофильные гранулоциты, тоже принадлежат к этой группе белых кровяных телец. Их биологические функции до недавнего времени были неизвестны. В настоящее время иммунобиологи считают, что базофилы участвуют в поиске и уничтожении потенциальных клеток рака и уже образовавшихся клеток опухолей[36].

Моноциты — мастера перевоплощений

Хорошей футбольной команде нужны универсальные игроки, которых можно задействовать на любой позиции, где в данный момент требуется усиление. При необходимости они могут сыграть и в нападении, и в полузащите, и в обороне. Моноциты — это как раз такие универсальные игроки иммунной системы, которые всегда готовы прийти на помощь. Они сосредоточены в селезенке, откуда могут быть доставлены с потоком крови в любую точку организма. В форме моноцитов они ведут себя как макрофаги, дендритные клетки и нейтрофилы, то есть выступают в роли фагоцитов и уничтожают возбудителей любых видов. После этого они, как обычно, демонстрируют их антигены на своей поверхности другим иммунным клеткам. Однако в состоянии моноцитов они могут пребывать лишь несколько дней. А после этого превращаются либо в макрофаги, либо в дендритные клетки и разносятся потоком крови по тканям, где занимают сторожевые посты. Там они могут жить несколько недель или месяцев.

Естественные киллеры и собственные патогенные клетки

Естественные киллеры (их также называют NK-клетками) тоже принадлежат к числу лейкоцитов и представляют собой белые кровяные тельца. Они все еще являются частью врожденной иммунной системы, хотя вместе с Т- и В-клетками уже могут считаться низшей формой лимфоцитов. В биологических исследованиях их с удовольствием используют как индикатор воздействия на организм методов лечения, лекарств, социальных и экологических факторов, так как они легко обнаруживаются в лабораторных условиях и выполняют важные иммунные функции. Так, например, в ходе одного из экспериментов было доказано, что регулярный прием экстракта эхинацеи пурпурной (Echinacea purpurea) способствует укреплению защитных сил организма. Это проявилось в росте количества и активности естественных киллеров в крови[37]. Мы еще встретимся с этими иммунными клетками в третьей части книги, где будет рассматриваться тема экоиммунологии. Поэтому хотелось бы остановиться на них немного подробнее.

Задача естественных киллеров заключается в неспецифической охоте на все, что может представлять опасность для нашего здоровья на клеточном уровне. Они атакуют бактерии, вирусы и другие микробы, а также клетки собственного тела, инфицированные возбудителями болезней. Кроме того, они играют важную роль в защите от раковых заболеваний, отравляя и уничтожая потенциальные опухолевые клетки, склонные к перерождению или имеющие повреждения в ДНК.

Оглядываясь на естественную историю, мы видим, что в ходе эволюции не один раз появлялись организмы, обладающие клетками, схожими с нашими естественными киллерами, например оболочники. Неспецифические цитотоксические клетки (NCC) данио рерио стоят уже весьма близко к естественным киллерам млекопитающих. Но выделяющая нас особенность заключается в том, что наши клетки, помимо своей эффективности в роли «серийных убийц», обладают еще и широким набором инструментов, которые помогают в выполнении возложенных на них функций по поддержанию здоровья.

Естественные киллеры охотятся на все, что может угрожать нашему здоровью

Поскольку естественные киллеры нацелены не только на возбудителей болезней, но и на клетки собственного тела, их активность должна строго контролироваться иммунной системой. Например, здоровые клетки вырабатывают так называемые молекулы MHC, которые подают киллерам сигнал, что на них нельзя нападать. Эти импульсы улавливаются рецепторами киллеров и затормаживают их активность. Если какая-то клетка подвергается нападению вируса или получает повреждение ДНК, производство этих молекул прекращается. Их отсутствие ориентирует естественных киллеров на охоту за этой клеткой.

Естественные киллеры охотятся не только на инфицированные клетки, но и на любые, от которых может исходить какая-то опасность. Клетки нашего тела имеют «срок годности», который время от времени истекает. Тогда они отмирают и уступают место новым. За счет этого происходит регенерация органов. Срок жизни клетки эпидермиса составляет около четырех недель. Клетки печени живут несколько месяцев. После этого клетки подвергаются процедуре программируемой смерти — своего рода клеточному «самоубийству» ради здоровья всего организма. Этот жизненно важный защитный процесс генетически запрограммирован в клетках и характерен для всех форм жизни, о которых уже рассказывалось в предыдущих главах. Даже бактерии и другие одноклеточные нередко уничтожают сами себя, подвергаясь нападениям бактериофагов или вирусов. Так они защищают свою популяцию от распространения возбудителей болезней.

Без программируемой клеточной смерти многоклеточные существа не смогли бы выжить. Но этот добровольный уход из жизни противоречит основополагающим принципам эволюции, в соответствии с которыми клетки должны жить, а не умирать. Они стремятся к развитию с помощью мутаций и селекции, которые являются важными двигателями эволюции. Поэтому иногда бывает, что клетки сопротивляются своей заранее запрограммированной смерти и мутируют, изменяя свой генетический код. В этом случае нам грозит вырождение тканей. Из одной клетки кожи в результате размножения появляются все новые клетки. То же самое происходит и с клетками печени, которые порождают генетически и функционально идентичные поколения себе подобных. В данном случае слово «вырождение» означает, что мутировавшие клетки утрачивают свои функциональные качества и становятся бессмертными. На месте состарившейся мутировавшей клетки с поврежденными генами, которая отказывается умирать, может образоваться опухоль, если эта клетка начнет производить массу подобных себе бессмертных клеток. Орган утратит свою функцию и станет угрозой для всего организма. Для таких случаев и существуют естественные киллеры.

Вся предыдущая естественная история иммунной системы демонстрирует нам, что иммунные клетки умеют отличать «свое» от «чужого», чтобы вступать в борьбу с «чужим», если оно начинает представлять угрозу. Однако естественные киллеры, кроме того, имеют задачу бороться и с собственными патогенными клетками, если от них исходит опасность. В случае с потенциальной или уже существующей опухолью речь идет об онкогенной угрозе. Если клетка поражена вирусом, то угроза носит инфекционный характер, поскольку возбудитель перепрограммировал клетку, сделав ее копировальной машиной для вирусов. Естественные киллеры специализируются на том, чтобы по сигналам, исходящим от клеточных мембран, определять, о какой форме патогена идет речь. Ученые называют эти сигналы «съешь меня». Как уже говорилось, зачастую этот сигнал заключается просто в отсутствии сигнальных веществ, затормаживающих постоянные агрессивные наклонности естественных киллеров.

Убивая инфицированные, поврежденные, состарившиеся или переродившиеся клетки, естественные киллеры прибегают к помощи иммунопротеинов, которые сами же и вырабатывают. Уже упомянутый перфорин, которым пользуются и прототипы клеток-убийц у оболочников, вскрывает мембрану подлежащей уничтожению клетки и обеспечивает киллеру доступ внутрь. Само название этого иммунопротеина говорит о том, что он производит перфорацию мембраны. После этого киллер впрыскивает через образовавшееся отверстие так называемые гранзимы, обозначаемые буквами А и В. В гранзимах содержится клеточный яд гранулизин, убивающий клетку. В англоязычных биологических публикациях эти иммунопротеины называют также противораковыми белками. Однако естественные киллеры задействуют эти белки против собственных клеток в любом случае, в том числе и тогда, когда речь идет лишь об инфицированных клетках.

Дополнительно естественные киллеры производят интерферон гамма — цитокин, который стимулирует дальнейшие иммунные реакции против возбудителей, патогенов и собственных пораженных клеток и, кроме того, сам обладает противовирусными и противораковыми свойствами.

T- и В-клетки: переход к адаптивной иммунной системе

«Большой взрыв» в иммунобиологии, то есть появление приобретенной иммунной системы с антителами в организме палеозойской рыбы, стал началом эволюционного пути, который привел нас к млекопитающим и людям. Без этой знаковой вехи у нас не было Т- и В-клеток, а ведь именно их появление знаменует зарождение адаптивных иммунных функций и образование антител, то есть процессов, которые не могут передаваться по наследству.

Конечно, созревающие в вилочковой железе Т-клетки являются частью нашей клеточной защитной системы, но они знаменуют собой переход к приобретенным иммунным реакциям. Т-клетки — это белые кровяные тельца (лейкоциты), которые вместе с естественными киллерами и B-клетками принадлежат к низшей группе лимфоцитов.

Т-клетки постоянно циркулируют в системе кровообращения и могут передвигаться в тканях, следя за болезненными изменениями в них. Как мы уже знаем, на поверхности клеток, зараженных патогенами или перенесших повреждение ДНК, грозящее развитием рака, происходит изменение сигнальных молекул. На их сигналы реагируют в том числе и Т-клетки, которые делятся на две разновидности — эффекторные Т-клетки и Т-клетки памяти.

Т-клетка знаменует переход к адаптивной иммунной системе

Эффекторные Т-клетки развиваются из Т-клеток-убийц, которые в последнее время чаще называют цитотоксическими Т-клетками. Эти иммунные клетки во многом схожи с естественными киллерами. И у тех, и у других задача состоит в уничтожении возбудителей, а также инфицированных и выродившихся клеток собственного организма, представляющих инфекционную или онкогенную угрозу. Т-клетки-убийцы используют для этого те же самые иммунопротеины, что и естественные киллеры, а именно перфорин, гранулизин и гранзимы А и В. Точно так же они производят и противовирусный и противораковый цитокин интерферон гамма.

Вспомогательные Т-клетки сопровождают иммунные реакции, вырабатывая цитокины, с помощью которых регулируется вид и интенсивность иммунного ответа. Рука об руку с ними выступают регуляторные Т-клетки, чья задача заключается в том, чтобы ослабить чрезмерные иммунные реакции или вообще отменить их. Для этого также используются цитокины, но такие, которые оказывают затормаживающее действие на иммунную систему. Вспомогательные и регуляторные Т-клетки, как и киллеры, относятся к эффекторным Т-клеткам.

Т-клетки памяти играют главную роль в накоплении и запоминании информации об иммунных реакциях. В них откладывается запись обо всем процессе адаптивного ответа, которая может быть вновь вызвана при очередном контакте с возбудителем. Поскольку эти клетки инициируют производство антител, они при повторной инфекции способны так же быстро наладить их образование. Для этого они активизируют В-клетки, которые представляют собой фабрики антител.

Из известной нам на сегодняшний день естественной истории иммунной системы вытекает, что позвоночные, в частности рыбы, уже располагают В-клетками. Впервые они были обнаружены у птиц. Эти клетки у них образуются в лимфатическом органе, который именуется Фабрициевой сумкой (bursa Fabricii). По его первой букве ученые и назвали новые клетки. Они имеются и у амфибий, с которыми мы встретимся в третьей части книги, и у рептилий.

B-клетки были впервые обнаружены у птиц

B-клетки приводятся в активное состояние Т-клетками. В лимфатической ткани вспомогательные Т-клетки встречаются с В-клетками и демонстрируют им антигены — предположим, белковые структуры вируса гриппа, амебы или бактерии. После этого B-клетки превращаются в клетки плазмы. В них зреют антитела. Этот процесс в случае с инфекцией гриппа может продлиться несколько дней.

Антитела, нейтрализующие и усиливающие инфекцию

Антитела представляют собой белки, точнее говоря, иммуноглобулины, которые являются полной противоположностью соответствующим антигенам. Подобно молекулярному ключу, который может быть вставлен только в определенную замочную скважину, антитела точно подходят к антигенам, которые они должны нейтрализовать.

Антитела образуются в больших количествах, чтобы их хватило на все антигены, против которых они предназначены. Они блокируют белковые структуры возбудителей, которые используются при заражении клеток. Антитела, выполняющие эту задачу, называются нейтрализующими. Они останавливают вредную деятельность вирусов, бактерий и других патогенов. Их работа очень нужна в ходе болезни. Но при некоторых инфекционных заболеваниях случается, что производятся также неработающие антитела, которые не только не оказывают желаемого действия, но и проявляют себя контрпродуктивно.

Антитела нейтрализуют вредный вирус

Антитела, усиливающие инфекцию, могут вызвать эффект ADE (antibody dependent enhancement) — антителозависимое усиление инфекции.

Это означает что антитела, изменяя белковые структуры возбудителя инфекции, облегчают его действия, вместо того чтобы затруднять их. В данном случае мы имеем дело с «бракованными» иммуноглобулинами. Некоторые антитела, усиливающие инфекцию, облегчают проникновение вируса в клетки организма. Их называют «антителами вирусного проникновения». Это не значит, что инфекция обязательно будет протекать тяжело, так как наша иммунная система все еще имеет возможность регулировать процесс, уничтожая зараженные клетки.

Существуют, однако, инфекционные заболевания, при которых дисфункциональные антитела приобретают такое значение, что повышают вероятность тяжелого течения болезни и увеличивают риск ущерба здоровью. Примером может служить передаваемая через комаров лихорадка денге. Ее возбудителем является один из флавивирусов, печально известный тем, что способен провоцировать выработку антител, усиливающих инфекцию. Первичное заражение этой тропической инфекционной болезнью отличается, как правило, мягким течением, но после него остается нежелательная форма антител, которые вступают в действие при повторном инфицировании. В связи с этим вторичные заражения лихорадкой денге часто отличаются тяжелым течением болезни и значительно более высокой вероятностью смерти, чем первичные.

Антитела, усиливающие инфекцию, могут образовываться также при вакцинации. В 2015 году на Филиппинах был допущен к применению первый вариант одной из векторных вакцин против лихорадки денге. После старта прививочной кампании стали отмечаться всё более частые случаи, когда у привитых детей даже при первичной инфекции болезнь протекала очень тяжело. Вакцина оказалась недейственной и вдобавок приводила к образованию антител, усиливающих инфекцию, так что у привитых людей даже при первом контакте с возбудителем возникала опасность для жизни. В 2017 году программу прививок пришлось остановить[38].

Перекрестный иммунитет

Когда антитело реагирует на белок, против которого оно не было рассчитано, это называется в иммунологии перекрестной реакцией. Такое может случиться, когда два белка очень похожи друг на друга. Последствия могут быть как благоприятными, так и не очень. Примером неудачной реакции могут служить случаи нарколепсии — неврологического заболевания, для которого характерна сонливость с пропаданием сознания — после прививки вакциной Pandemix против свиного гриппа H1N1. В 2009 у детей и подростков после такой прививки в 17 раз возросла частота заболеваний, переходивших часто в хроническую форму[39]. Причиной стала перекрестная иммунобиологическая реакция. Один из белков в центральной нервной системе имел такое сильное сходство с антигеном вакцины, что начал вызывать иммунную реакцию собственного организма.

Если приобретенный иммунный ответ возникает даже в случае встречи с возбудителем болезни, отличающимся от того, на который он был выработан в прошлом, это называется перекрестным иммунитетом. К примеру, наша иммунная система каждый год встречается с вирусами гриппа, регулярно вызывающими пандемии. Как и большинство вирусных возбудителей инфекций дыхательных путей, вирусы гриппа быстро мутируют. Дети часто вступают в контакт с этими патогенами и тем самым тренируют свою иммунную систему. Бывает, что при контакте с новым мутантом возбудителя гриппа болезнь не развивается или ее течение облегчается, потому что иммунитет к предыдущему родственнику этого вируса способен защитить и от новой разновидности.

Существование перекрестного иммунитета не раз было доказано в лабораторных условиях. Если, к примеру, пробы крови испытуемых подвергнуть воздействию нового варианта вируса гриппа, то у части из них отмечается иммунная реакция на основе Т-клеток и антител, хотя раньше у этих людей не было контактов с данным возбудителем.

Перекрестный иммунитет наблюдался и в ситуации с коронавирусами. В одном из экспериментов, материалы которого были опубликованы в журнале Cell, изучалась реакция иммунных клеток человека из проб крови, собранных в промежутке с 2015 по 2018 год. В тот период вирус SARS-CoV-2 еще не циркулировал среди людей. Тем не менее в 50 процентах проб наблюдался иммунный ответ достаточной силы для защиты от возбудителя COVID-19[40]. Эксперимент показал, что многие из нас обладают перекрестным иммунитетом против SARS-CoV-2, который был выработан при прежних контактах с другими коронавирусами. Коронавирусы давно известны человеческой иммунной системе. Они почти каждый год навещают нас в ходе зимних волн простудных заболеваний совместно с другими возбудителями.

Авторы обзорной статьи, размещенной в августовском номере журнала Nature, приходят к выводу, что наблюдаемый во всем мире перекрестный иммунитет против SARS-CoV-2 основывается на действии Т-клеток памяти[41]. В них содержатся данные о прежних иммунных реакциях на другие коронавирусы, которые эффективно вызываются из памяти при повторном контакте со схожими возбудителями. При этом сами Т-клетки памяти частично превращаются во вспомогательные Т-клетки, чтобы управлять иммунной реакцией и способствовать выработке новых антител. За счет этого быстрее, чем при первичной инфекции, налаживается и производство специфических антител, которые Т-клетки «заказывают» у В-клеток.

В ноябре 2021 года это предположение было вновь эмпирически подтверждено в ходе исследования, результаты которого опубликованы в Nature Communications[42]. Образцы крови 825 человек, взятые еще до пандемии коронавируса, были исследованы на предмет их иммунной реакции на SARS-CoV-2 методом профилирования сыворотки. Результаты сравнивались с 389 образцами крови, взятыми у людей, инфицированных COVID-19. Кровь, в которой были обнаружены антитела против более безобидного человеческого коронавируса HCoV, годами циркулирующего среди населения как возбудитель простуды, в значительной степени смогла защитить от SARS-CoV-2. Вероятность заражения была тем меньше, чем выше было количество антител к HCoV. Если же соотнести случаи тяжелого течения болезни у заболевших с количеством антител к HCoV в крови, то можно говорить об обратной зависимости. В конечном счете все это означает, что перекрестный иммунитет, полученный в результате более раннего контакта с коронавирусами человека, может защитить от инфекции или смягчить ее течение.

Эксперты высказывают предположение, что у детей перекрестный иммунитет против SARS-CoV-2 выражен еще сильнее, чем у взрослых, ввиду частных контактов с коронавирусами при предыдущих простудных заболеваниях. В августе 2021 года берлинская клиника «Шарите» опубликовала совместное с Институтом молекулярной генетики имени Макса Планка заявление, в котором говорится о доказательстве существования перекрестного иммунитета против SARS-CoV-2 у части населения и о снижении этого иммунитета с возрастом. По мнению ученых, это одна из причин того, что у пожилых людей заболевание COVID-19 часто протекает тяжелее[43].

Разумеется, перекрестный иммунитет не гарантирует, что вы не заболеете COVID-19. Однако факт остается фактом: значительная часть населения способна победить SARS-CoV-2 и избежать заболевания ввиду прежних контактов с другими коронавирусами.

В дополнение к перекрестному иммунитету у нас имеется еще врожденный клеточный иммунитет, который сохраняет способность уничтожать с помощью макрофагов, нейтрофилов и других иммунных клеток новый коронавирус уже на слизистых оболочках либо посредством естественных киллеров и Т-клеток препятствовать его размножению.

Это значит, что в любом случае у нас имеется значительная часть населения, особенно вне групп риска, которая благодаря перекрестному и врожденному иммунитету даже не заметит контакта с SARS-CoV-2. В статистических данных этих людей не следует причислять к выздоровевшим, так как они пережили контакт с вирусом, но не заболели. А если человек не заболел, то он не может выздороветь. У этой части населения не удается найти никаких следов контакта с SARS-CoV-2 и перенесенной инфекции, однако можно обнаружить в крови антитела и иммунитет в Т-клетках против других коронавирусов человека.

Я не пытаюсь искать аргументы против вакцинации от коронавируса. Если вакцинация подтвердит свою эффективность в условиях быстрых мутаций SARS-CoV-2, это может существенно снизить риск заболеваемости, особенно для пожилых людей и представителей других групп риска. Однако необходимо признать неправильным представление, будто все не прошедшие вакцинацию люди переболеют COVID-19 и в дальнейшем должны быть причислены либо к выздоровевшим, либо к умершим. Это противоречит опыту и биологическим принципам, лежащим в основе врожденного и перекрестного иммунитетов. Некоторых людей возбудитель вообще не затронет, потому что у них достаточно сильна иммунная защита.

С точки зрения естественной истории иммунной системы эволюция перекрестного иммунитета является важным фактором в обеспечении эволюционного баланса между организмами-хозяевами и патогенами, как это происходит между бактериями и бактериофагами или плодовыми мушками и паразитирующими на них осами. В ходе эволюционной гонки возникает равновесие, которое позволяет двум видам сосуществовать. Однако упование на это означало бы переход на социал-дарвинистские позиции. Когда речь идет о медицинской этике, то мы имеем в виду не только выживание вида в целом, но и благополучие каждого отдельного человека. Поэтому защита лиц из группы риска от инфекционных заболеваний не ставится под вопрос. К этому следует относиться со всей серьезностью.

Для большинства населения получение знаний о перекрестном иммунитете имеет значение, потому что дает возможность разобраться в деятельности иммунной системы. Представление о том, что мы все беззащитны перед различными вариантами коронавирусов, вводит людей в заблуждение. Обладание информацией помогает человеку избавиться от страхов и в то же время заставляет уделять внимание профилактическим мерам гигиенического характера, не впадая в панику. Вооружившись знаниями, мы можем справляться и с вирусными инфекционными вызовами, которые ожидают нас в будущем.

Глава 6

Принцип вакцинации — использование обучаемости иммунной системы

Вакцины относятся к важнейшим средствам профилактики в современной медицине, так как способны подготовить иммунную систему к сложным ситуациям. Для этого используется сформировавшаяся в ходе эволюции способность нашей иммунной системы создавать приобретенные защитные средства. Это значит, что важнейшими адресатами воздействия вакцин являются Т- и В-клетки, что приводит в конечном счете к производству антител. Поэтому классические вакцины можно создавать для позвоночных животных, у которых уже развита специализация клеток.

Так, например, для птиц, у которых впервые были обнаружены В-клетки, разработана вакцина против оспы канареек. Речь идет о живой вакцине, в которой присутствуют настоящие возбудители болезни, но в аттенуированном, то есть ослабленном, виде. Вакцина вводится в грудные мышцы птиц[44].

Как мы уже знаем из посвященного растительным вакцинам раздела первой части книги, наличие развитой адаптивной иммунной системы не является обязательной предпосылкой для защиты организма лекарственными средствами от инфекционных болезней. С помощью растительных вакцин можно активизировать даже такие врожденные иммунные реакции, как РНК-сайленсинг, с помощью которого растение борется с инфекцией.

Рассматривая естественно-исторический процесс развития иммунной системы, мы в этой главе уделим основное внимание не лечению животных и растений, а медицине человека.

Пассивная иммунизация

Несмотря на все свое многообразие, антитела построены по схожему принципу. Их структура на молекулярном уровне напоминает букву Y, составленную из белковых цепочек. В отличие от других белков, антитела отличаются большой устойчивостью. Их биологический период полураспада составляет от 18 до 40 дней. Это значит, что в человеческом теле на протяжении этого периода отмирает половина из них. Благодаря памяти Т-клеток организм способен с помощью B-клеток создавать новые антитела. Что же касается пассивной иммунизации, то этот период полураспада скорее соответствует «срокам годности» действующих веществ, потому что речь идет о медикаментозном введении в организм антител, которые не были произведены иммунной системой пациента.

В декабре 1890 года немецкий врач Эмиль фон Беринг и японский бактериолог Сибасабуро Китасато опубликовали в журнале Deutsche Medizinische Wochenschrift работу, посвященную иммунизации животных от дифтерии, инфекций верхних дыхательных путей и столбняка. Четыре года спустя была готова и сыворотка для введения людям, за что оба ученых в 1901 году были удостоены первой Нобелевской премии по физиологии и медицине. «Действующему лицу» было дано название антитоксин. Это были антитела против токсинов возбудителей дифтерии и столбняка, полученные из организмов животных и вводившиеся людям. Поначалу новое лекарство показало высокую эффективность.

Однако по мере расширения области клинического применения препарата стали все чаще поступать сообщения о тяжелых побочных эффектах. Чужеродные для человеческого организма вещества вызывали чрезмерные реакции иммунной системы: высокую температуру, боль в суставах, опухание лимфатических узлов, кожную сыпь, снижение артериального давления и анафилактический шок, то есть тяжелые аллергические реакции, которые могли привести к отказу органов или к смерти в результате остановки сердечной деятельности. Эти симптомы объединили под названием сывороточной болезни. Впоследствии были разработаны усовершенствованные препараты против дифтерии и столбняка, которые лучше переносились за счет дополнительной очистки и добавления энзимов. Так была изобретена пассивная иммунизация. Однако полностью избежать сывороточной болезни удалось лишь после того, как пациентам начали вводить антитела, полученные из организмов людей, а не животных. Сегодня препараты с антителами получают из крови добровольных доноров.

Забор антител осуществляется в период выздоровления после инфекционного заболевания. На этой стадии симптомы уже исчезают, пациент находится на пути к выздоровлению, но антител в крови еще достаточно, чтобы их можно было добыть и использовать. Антитела подвергаются очистке испытанным методом с помощью энзимов, а затем вводятся в высокой концентрации в виде иммунной сыворотки — как правило, путем инъекции. При инфекционных болезнях пассивная иммунизация человеческими антителами используется главным образом для нейтрализации бактериальных токсинов, лечения самой инфекции и в качестве профилактики после вероятного контакта с возбудителем болезни, когда велик риск реального заражения. Современная пассивная иммунизация хорошо переносится организмом. Нежелательные побочные последствия возникают примерно у 15 процентов пациентов[45]. Это повышенная температура, озноб, приливы жара, головная боль, боль в животе, тошнота, повышенное артериальное давление и системные мышечные боли, которые могут охватывать мышцы всего тела. Анафилактический шок возникает при использовании современных форм лекарств очень редко, и соотношение риска и пользы при пассивной иммунизации можно считать, как правило, благоприятным, так как такое лечение назначается либо уже заболевшим, когда есть риск ухудшения состояния, либо тем, у кого высок риск заражения.

Хорошо зарекомендовал себя метод иммунизации путем переноса антител при лечении таких вирусных заболеваний, как гепатиты А и В, бешенство и цитомегалия. Последняя представляет собой инфекцию, вызванную вирусом герпеса, которая безвредна для большинства взрослых, но в случае беременности может причинить тяжелые повреждения плоду. Другие препараты на основе антител направлены на противодействие токсинам возбудителей, например столбняка. Пассивная иммунизация против некоторых ядов змей, скорпионов и других живых существ может назначаться после укуса.

Осенью 2021 года были получены первые клинические данные о применении антител для пассивной иммунизации против SARS-CoV-2. Этот метод используется только в отношении пациентов, входящих в группу повышенного риска, у которых можно предполагать тяжелое течение COVID-19. Введение иммунной сыворотки производится на ранней стадии инфекции. Институт Роберта Коха дал положительную оценку переносимости и эффективности препарата[46]. С помощью клинических тестов препарата удалось снизить число случаев госпитализации и смерти среди инфицированных.

Средства активной иммунизации

Классические вакцины побуждают иммунную систему приобретать новые иммунные свойства. Они направлены на то, чтобы пробудить реакцию Т-клеток и запустить производство антител, необходимых для защиты от того или иного возбудителя.

В аттенуированных, то есть живых, вакцинах активные вирусы или бактерии содержатся в настолько ослабленном виде, что они неспособны вызвать инфекцию у вакцинированного пациента. Для производства ослабленных штаммов возбудители выращивают в лабораторных условиях в питательной среде. Поколение за поколением отбираются мутировавшие образцы, которые утратили опасность в плане инфекции, но все еще способны размножаться. В настоящее время допущены к применению живые вакцины против кори, паротита, краснухи, ротавирусов, гриппа, желтой лихорадки, полиомиелита, оспы, ветряной оспы, респираторно-синцитиального вируса и бактериального возбудителя тифа Salmonella typhi.

Иммунная защита, полученная с помощью живых вакцин, носит продолжительный, а иногда и пожизненный характер. Это объясняется тем, что такие вакцины имитируют настоящую инфекцию. Иммунная система обстоятельно знакомится с возбудителем, охватывает большое количество его антигенов и выбирает в качестве реакции широкий спектр иммунных ответов. Правда, такие вакцины не годятся для людей с ослабленным иммунитетом, так как содержащиеся в них вирусы или бактерии хотя и ослаблены, но способны активно размножаться. В этом случае возникает потенциальная опасность спонтанных обратных мутаций. В редких случаях бывает, что возбудитель из вакцины в результате мутаций восстанавливает свою вирулентность и может вызвать болезнь пациента.

В инактивированных (мертвых) вакцинах присутствуют убитые возбудители, полностью лишенные активности и неспособные не только инфицировать человека, но и размножаться. Такие вирусы или бактерии обезвреживаются посредством высокой температуры или химических веществ. Вакцины на их основе более безопасны, чем живые, так как в них не могут происходить обратные мутации с увеличением вирулентности. С другой стороны, они не так эффективны в плане повышения иммунитета, как живые вакцины. Это значит, что создаваемый ими иммунный ответ слабее и сохраняется в большинстве случаев не так долго. В ходе инактивации путем нагревания или воздействия химических веществ белковые структуры могут разрушаться, в результате чего меняется структура антигенов и вызываемый вакциной иммунитет оказывается менее действенным. Введение вакцин с недостаточно инактивированными возбудителями в прошлом приводило к серьезным негативным последствиям. Например, в 1995 году после вакцинации недостаточно инактивированным вирусом полиомиелита отмечались многочисленные случаи заражения, закончившиеся тяжелыми неустранимыми параличами[47]. Правда, подобное случается крайне редко.

В настоящее время допущены к применению мертвые вакцины против бешенства, гепатита А, клещевого энцефалита, полиомиелита, японского энцефалита (вызванного флавивирусами), а также против бактериальных возбудителей холеры и коклюша. Известная вакцина против коронавируса Valneva также относится к числу мертвых. В последнее время все вакцины, не содержащие в себе живых вирусов, пресса причисляет к мертвым. В соответствии с этим подходом в мертвые следовало бы записать вообще все вакцины, кроме аттенуированных и векторных, в том числе и вакцины на основе белков, мРНК и ДНК. Но это неправильно. Мертвым или инактивированным может считаться лишь то, что до этого было живым или активным. Белки и наследственный материал — это молекулы, материальные структуры, которые изначально не были живыми. Поэтому раньше их никогда не называли мертвымивакцинами. Не следует делать этого и впредь.

Вирусы в белковой оболочке

Белковые вакцины демонстрируют иммунной системе белки или их части, принадлежавшие в прошлом возбудителям, против которых необходимо создать иммунитет. В белковых субъединичных вакцинах используется только какой-то один отрезок специфического белка возбудителя. Такие вакцины почти не имеют побочных эффектов, поскольку вызываемый ими иммунный ответ нацелен только на часть антигена и поэтому достаточно слаб. Следовательно, невелика и эффективность такой вакцины, то есть количество производимых с ее участием антител и Т-клеток. Прививки обычно надо периодически повторять. К применению допущены белковые субъединичные вакцины против вируса папилломы человека (ВПЧ), который может вызвать рак шейки матки, а также гепатит В. Вакцина против SARS-CoV-2 Novavax основана на целом белке, из которого состоит шип коронавируса. Его получают путем генетической модификации клеток насекомых. Такой тип вакцин называют также рекомбинантными белковыми вакцинами, потому что антигены после получения очищают и размещают вокруг ядра из полисорбата-80. Сформированные таким образом наночастицы можно рассматривать как переходную форму к вакцинам, состоящим из вирусоподобных частиц.

Такие вирусоподобные вакцины включают в себя, как правило, комплекс из нескольких белков, выступающих в качестве антигенов. Вакцина против SARS-CoV-2 компании Medicago, созданная на базе вирусоподобных белковых комплексов, добываемых из табака, содержит внешние копии вирусных оболочек и их поверхностных белков, но она пустая внутри и полностью лишена генетического материала. Это пример комплексной вакцины из вирусоподобных частиц. В разделе первой части книги, посвященном растительным вакцинам, мы уже рассматривали эту вакцину. В отличие от белковых субъединичных вакцин, вирусоподобные вакцины, как правило, более эффективны и дают иммунный ответ более широкого спектра.

В вакцинах на основе нуклеиновых кислот используется генетический материал, поэтому их называют также генными. РНК-вакцины содержат рибонуклеиновую кислоту (РНК), а ДНК-вакцины — дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). Целью таких вакцин не являются манипуляции с генами в ядрах человеческих клеток, то есть они не производят «генетических изменений» в организме человека, но вмешиваются в генетические процессы, в частности в экспрессию генов. Так называется процесс биосинтеза белка, который постоянно происходит в «белковых фабриках» наших клеток — рибосомах.

Экспрессия генов необходима для пополнения запасов белков, которые требуются организму для роста и выполнения своих функций. Она происходит в соответствии с планом, заложенным в ДНК, которая после транскрипции в мРНК считывается нашими белковыми фабриками. Генетическая информация из вакцин, созданных на базе нуклеиновых кислот, оказывает влияние на процесс экспрессии генов, чтобы наладить производство вирусных антигенов, в частности белкового шипа. Первой вакциной на основе нуклеиновых кислот, которая получила всемирное распространение, стала мРНК-вакцина от BioNtech/Pfizer, которая была условно допущена к использованию в Европе в декабре 2020 года и широко применяется начиная с 2021 года. Вскоре за ней последовала похожая мРНК-вакцина от компании Moderna. До настоящего времени не допущена к применению ни одна вакцина на базе ДНК. По состоянию на январь 2022 года американская фармацевтическая компания Inovio проводит третий этап клинических испытаний такой вакцины.

Векторные вирусные вакцины представляют собой дополнительный вид генетических вакцин. Принцип их действия такой же, как у вакцин на базе мРНК и ДНК, но доставка вирусного генетического материала осуществляется не непосредственно в клетку, а через вирус-носитель, который вносит в человеческую клетку мРНК или ДНК. Если речь идет о векторном вирусе на базе ДНК, то в клетке ДНК впоследствии опять-таки преобразуется в мРНК. Такие векторные вакцины против SARS-CoV-2, как AstraZeneca, Johnson&Johnson и «Спутник V», представляют собой разновидности ДНК-вакцин. К настоящему времени не получила допуска к применению ни одна векторная вакцина на базе РНК вируса-носителя. До наступления эры COVID-19 добиться допуска удалось лишь двум вирусным векторным вакцинам. Это вакцина против лихорадки Эбола и уже упомянутая вакцина против лихорадки денге. Это были ранние формы векторных препаратов. Ввиду того что в них отмечалось производство антител, усиливающих инфекцию, они больше не применяются.

Проблемный случай: инфекции дыхательных путей

В настоящее время в обращении находятся надежные и эффективные вакцины — например, против дифтерии, столбняка, клещевого энцефалита и кори. Но принцип вакцинации имеет естественные пределы. Ограничения в разработке вакцин регулярно возникают, когда речь идет об инфицировании дыхательных путей вирусами гриппа или коронавирусами. В этом разделе мы попытаемся дать ответ на вопрос, почему возбудители респираторных инфекций доставляют столько трудностей иммунологам. Этот вопрос очень важен в свете эволюционного равновесия между иммунной системой и возбудителями болезней, поэтому его нельзя обойти стороной, говоря о естественной истории развития иммунной системы.

В ходе зимней волны эпидемии гриппа 2017–2018 годов вакцинация в Германии обеспечила защиту на 15 процентов. Это значит, что у вакцинированных людей вероятность заболеть гриппом была всего на 15 процентов ниже, чем у невакцинированных[48]. Эффективность вакцины, которая каждый год составляется заново, колеблется от сезона к сезону. До сих пор наивысшую эффективность продемонстрировала противогриппозная вакцина сезона 2018–2019 годов. По различным оценкам, благодаря ей удалось уменьшить заболеваемость в Европе на 32–43 процента[49].

Вирус гриппа с белковыми шипами

Вакцинация от гриппа могла бы еще больше снизить риск заражения, если бы был привит персонал учреждений здравоохранения, где наблюдается большое скопление пациентов, входящих в группы риска. Однако показатели индивидуальной защиты, колеблющиеся от 15 до 43 процентов, не следует переоценивать. Даже при наличии прививок в медицинских учреждениях, где неизбежны тесные контакты с пациентами, необходимо соблюдать все гигиенические меры. Сотрудники с симптомами респираторных заболеваний и болезненными ощущениями не должны выходить на работу до полного выздоровления.

Именно поэтому так важно, чтобы деятельность наших клиник строилась не на экономических принципах. Пусть лучше сотрудники посидят дома пару лишних дней (даже если для этого придется нанимать дополнительный персонал), чем будут подвергать опасности себя и других. Однако с учетом того, что противогриппозные вакцины дают относительно слабый эффект, было бы неправильно создавать у людей впечатление, будто они после прививки никого не могут заразить. А именно эту мысль старались внушить нашим согражданам средства массовой информации и некоторые политики в начале прививочной кампании против коронавируса, хотя имеющиеся у нас вакцины имеют те же слабые места, что и противогриппозные препараты. Особенно выделяются некоторые меры, принятые по настоянию политиков, например доступ в общественные места только при наличии доказательства сделанной прививки или перенесенной болезни. Это породило у некоторых людей уверенность, что они могут ничего не бояться и неспособны к передаче вируса окружающим.

В июле 2021 года немецкий вирусолог Хендрик Штрек сделал заявление, касающееся вакцинации против СOVID-19: «С помощью вакцин мы не сможем добиться коллективного иммунитета»[50]. Он стал первым из вирусологов, кто четко донес эту мысль до слушателей. Он проинформировал общественность о том, что возбудители COVID-19 «все чаще обнаруживаются в носоглотке вакцинированных».

Но уже на тот момент эта информация не была чем-то новым. В своей книге «Мы можем лучше», которая вышла в сентябре 2020 года в связи с пандемией, я рассказывал о доклинических испытаниях вакцин против коронавируса и сообщал о том, что вирус находят в носоглотке вакцинированных обезьян точно так же, как и у их невакцинированных сородичей[51]. За несколько месяцев до одобрения вакцин было уже собрано достаточно научных данных, чтобы усомниться в том, что хотя бы одна из них сможет обеспечить стерильный иммунитет. Причины этих обоснованных сомнений я подробно изложил в феврале 2021 года в своей книге «Вакцины от “короны”: спасение или риск?»[52]

К настоящему моменту появилось еще несколько работ, подкрепляющих эти выводы. Например, Центр по контролю и профилактике заболеваний США опубликовал 6 августа 2021 года результаты когортного исследования, в котором было проанализировано массовое распространение COVID-19 в Массачусетсе в июле того же года. 74 процента инфицированных имели по две прививки. Таким образом, эта вспышка затронула главным образом привитых людей. С помощью ПЦР-теста у них было зафиксировано в секрете носоглотки такое же высокое содержание вирусов, как и у непривитых[53]. Одновременно исследование в Висконсине показало, что лица, получившие две прививки, имели сопоставимое количество возбудителей дельта-варианта вируса в носоглотке с непривитыми[54].

Эпидемиологическая выборка, сделанная осенью 2021 года при вспышке COVID-19 среди заключенных, не выявила разницы в продолжительности контагиозности между непривитыми и привитыми людьми при заражении доминировавшим тогда штаммом вируса «Дельта». Из данных предварительной публикации авторы делают следующий вывод: «Медицинские учреждения должны учитывать, что привитые люди, заразившись SARS-CoV-2, представляют собой не меньшую угрозу заражения окружающих, чем непривитые. Этот вывод чрезвычайно важен, особенно в социальной среде, где распространение вируса может привести к масштабным вспышкам»[55].

Правда, некоторые исследования указывают на то, что количество вирусов в организме вакцинированного человека после заражения дельта-штаммом снижается быстрее, чем у невакцинированного. В частности, ученые из нидерландского университета Радбауда продемонстрировали, что выделение из организма вирусов, способных заражать окружающих, у привитых спадает уже через три дня[56]. Тем не менее из материалов следует, что привитые на протяжении какого-то времени остаются заразными и поэтому должны вести себя осмотрительно.

Эпидемиолог профессор Гили Регев-Йохай в декабре 2021 года принимал участие в проводившемся в Израиле исследовании, где изучалось воздействие четвертой прививки, то есть третьего бустерного обновления после основной вакцинации против SARS-CoV-2. При этом был обнаружен отчетливый иммунный ответ в виде антител, концентрация которых спустя неделю после четвертой прививки выросла в пять раз по сравнению с уровнем до прививки. После этого концентрация быстро снизилась, так что, по мнению Гили Регев-Йохая, следует исходить из того, что даже четвертая вакцинация не дает продолжительного эффекта по сравнению с предыдущими. Профессор следующим образом прокомментировал свое исследование: «Это означает, что мы должны осуществлять прививки каждые четыре месяца, а это не тот результат, к которому мы стремимся»[57]. Европейское агентство по лекарственным средствам тоже считает нежелательными слишком частые бустерные прививки. По мнению этого ведомства, если в течение короткого времени проводится более двух вакцинаций, то это может негативно повлиять на иммунные реакции человека[58].

Биолог и иммунолог Тедрос Аданом Гебреисус, генеральный директор Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), порекомендовал прекратить постоянные бустерные кампании в развитых индустриальных странах и вместо них позаботиться о справедливом распределении вакцин в глобальном масштабе. Неравномерное распределение вакцин между странами, вылившееся в непрекращающиеся повторные вакцинации в богатых странах и дефицит вакцин в бедных регионах, приводит, по его словам, к продолжению пандемии, поскольку в этом состоянии равномерное распределение иммунной защиты по странам куда более действенно, чем бустерные акции в развитых государствах, дающие лишь непродолжительный эффект[59]. К этой оценке присоединился и независимый Международный совет по вакцинации, который заявил, что справедливое глобальное распределение вакцин приносит больше пользы, чем бустерные кампании[60].

Если вакцина не оказывает стерилизующего воздействия на вирус, против которого она разработана, это означает, что привитый человек может быть переносчиком возбудителя даже в том случае, если он практически не ощущает или вообще не замечает инфекции. Когда привитые люди продолжают переносить вирус, пребывая в твердой уверенности, что не представляют опасности для окружающих, это заблуждение представляет собой угрозу для общественного здоровья. Ведь эти люди не знают, что, несмотря на вакцинацию, они должны в общественных интересах по-прежнему соблюдать все гигиенические требования, включая социальную дистанцию, и (желательно) проходить регулярное тестирование.

Отсутствие стерильного иммунитета после вакцинации от коронавируса никого не должно удивлять, так как эта проблема типична для всех инфекций дыхательных путей. Она проявляется и при вакцинации от гриппа и имеет эволюционно-биологические причины, которые есть смысл рассмотреть подробнее. Уже до начала клинических испытаний вакцин от коронавируса иммунологи указывали на эту проблематику и предостерегали от чрезмерных ожиданий. 16 марта 2020 года, вскоре после начала пандемии COVID-19, иммунолог Шибо Цзян писал в статье, опубликованной в журнале Nature: «Возбудитель SARS-CoV-2 может мутировать таким образом, что все вакцины и антивирусные медикаменты, демонстрировавшие ранее свою эффективность, окажутся бесполезными. Поэтому каждый надзорный орган, который настаивает на ускорении процедуры испытаний, должен ясно представлять себе вероятность сохранения действенности тех или иных субстанций против конкретных вариантов коронавируса»[61].

Причина, по которой защита от тяжелой инфекции (ее также называют клиническим иммунитетом) еще не означает прерывания цепи заражений, то есть не создает стерильного иммунитета, может быть объяснена с точки зрения иммунологии. Вакцина, вводимая в мышечную ткань, вызывает образование иммунитета, основанного на действии Т-клеток и антител, циркулирующих в крови и ослабляющих активность вируса в организме. Таким образом удается затормозить распространение, размножение возбудителя и снизить его негативное воздействие на организм. Это значит, что многие вакцины против инфекций дыхательных путей могут обеспечить индивидуальную защиту, но не дают гарантий от распространения возбудителя среди окружающих. Правда, следует исходить из того, что антитела с током крови попадут и на слизистые оболочки носоглотки, но неизвестно, в какой концентрации они там окажутся и насколько сильным будет их действие. Размножение возбудителя в этой области может происходить несмотря на клинический иммунитет, и секрет слизистой оболочки сможет быть источником заражения для окружающих, как это было и в опытах с обезьянами. В чем причина? Для слизистых оболочек главное значение имеет врожденный иммунитет как первая линия защиты. Это прежде всего макрофаги и нейтрофилы, передвигающиеся внутри тканей. Антитела в крови защищают главным образом от глубоких повреждений легких при тяжелом течении болезни, но не стерилизуют слизистые оболочки носоглотки.

Возможное решение этой проблемы, которая известна иммунологам с давних времен, может заключаться в том, чтобы разработать вакцины против респираторных инфекций, которые не вводятся внутримышечно, а наносятся на слизистую оболочку носоглотки. Такая форма будет стимулировать клеточный иммунный ответ непосредственно на входе, через который возбудители респираторных инфекций попадают в организм. Поэтому Университет почвоведения в Вене, являющийся признанным европейским центром биологии и биотехнологий, работает над созданием вакцин против инфекций дыхательных путей, которые вводятся в виде назального спрея. В числе прочих разрабатывается и назальная вакцина от COVID-19[62]. Однако по состоянию на январь 2022 года выход этого продукта на рынок в ближайшее время не предвидится.

Еще одна эволюционная причина быстрых мутаций возбудителей респираторных инфекций состоит в том, что многие из них, в том числе вирусы гриппа и коронавирусы, представляют собой РНК-вирусы. Их генетический материал не сосредоточен в ДНК, а фрагментарно структурирован в отдельных отрезках РНК. Генетические «ремонтные» механизмы этих вирусов менее эффективны, чем у организмов на основе ДНК. Поэтому случайные мутации генетического материала корректируются реже, и распространены случаи генетических изменений вирусов по случайному принципу[63]. В связи с этим возрастает вероятность того, что какая-то мутация даст возбудителю эволюционное преимущество, позволяющее одержать победу в непрекращающейся гонке с участием организма-хозяина и вируса.

Существует гипотеза, в соответствии с которой вирусы гриппа и, возможно, коронавирусы способны коммуницировать друг с другом, обмениваясь участками РНК. Это означало бы, что при заражении двумя разными штаммами вируса мутации и генетические адаптации могут передаваться от одного «родственника» другому. Это позволяет объяснить чрезвычайно высокую и быструю приспособляемость возбудителей респираторных инфекций, так как чисто случайных мутаций для этого явно недостаточно.

Вследствие такой быстрой приспособляемости равновесие между вирусами и людьми может обеспечиваться за счет того, что возбудители инфекций дыхательных путей становятся более заразными, но не причиняют особо большого вреда организму. Показатели госпитализации и смертности инфицированных сокращаются.

С эволюционно-биологической точки зрения речь идет о типичных механизмах приспособления возбудителей инфекций к организмам-хозяевам. Смерть хозяина не отвечает эволюционным интересам вируса, ведь его благополучие обеспечивается не за счет тяжелой болезни или смерти организма-хозяина, а за счет эффективного размножения и распространения в его популяции. Возбудители респираторных инфекций добиваются этого за счет концентрации в носоглотке и распространения с секретом слизистой оболочки.

Как будут развиваться события в плане заразности, течения болезни, передачи возбудителя вакцинированными людьми и индивидуальной иммунной защиты после появления штамма «Омикрон» и дальнейших мутаций SARS-CoV-2, на момент сдачи этой книги в печать в январе 2022 года оценить пока невозможно. Однако выводы из предыдущих рассуждений могут быть применены ко всем вирусным возбудителям респираторных инфекций, в том числе к коронавирусам, вирусам гриппа и риновирусам. Это вечные принципы эволюционной биологии.

Вакцинация против возбудителей респираторных инфекций типа коронавирусов и вирусов гриппа, безусловно, целесообразна для пожилых людей и других представителей групп риска, так как она предоставляет индивидуальную защиту против тяжелого течения COVID-19, вызванного известными на сегодня вариантами вируса. Чтобы обеспечить эту защиту, необходимо регулярное обновление вакцин. Настоятельные рекомендации на этот счет давали в 2021 году такие издания, как Journal of Infection и International Journal of Immunopathology аnd Pharmacology[64]. К этому нас вынуждает эволюционно-биологическая природа возбудителей респираторных заболеваний.

Часть 3

Экологическая иммунология

Глава 7

Иммунная система в дикой природе: учимся у птиц, амфибий и приматов

Экология, которая наряду с ботаникой и зоологией входит в число трех изначальных основ биологии, представляет собой науку о взаимосвязях в природе. С глобального уровня и до глубин микрокосма она изучает взаимодействие всех элементов природы, включая и человека, представляющего собой как природное, так и культурное существо. Немецкий зоолог, философ и врач Эрнст Геккель основал экологию как науку в 1866–1869 годах и дал ей первое определение: «Под экологией мы понимаем всю науку об отношениях организма с окружающим внешним миром, которая включает в более широком смысле все условия его существования»[65].

Настоящие исследования в области иммунологии были начаты лишь четырнадцать лет спустя русским зоологом и бактериологом Ильей Ильичом Мечниковым, который стал первым иммунологом в современном смысле слова, открыв в 1883 году клеточную иммунную систему. Однако в определении, которое дал экологии Геккель, фактически уже шла речь об иммунной системе. Дело в том, что «отношения организма с окружающим внешним миром» включают в себя и отношения иммунной системы с окружающей средой. Как мы знаем из предыдущих глав этой книги, наша иммунная система — это система взаимодействия с окружающей средой, которое является предметом исследования экологической иммунологии, или экоиммунологии. Термин «экологическая иммунология» впервые был использован в 1996 году в англоязычном научном журнале по вопросам экологии и эволюционной биологии. В данной публикации рассматривалось эволюционное равновесие между паразитами и их организмами-хозяевами с учетом воздействия факторов окружающей среды[66].

Учение о взаимосвязях окружающей среды и иммунной системы

Экоиммунология исследует в лабораторных и полевых условиях влияние внешних и внутренних факторов на функции иммунной системы. Она рассматривает иммунную систему не саму по себе, а всегда в более широком контексте. В первую очередь экоиммунология представляет собой науку об «иммунной системе в дикой природе». В центре внимания этого молодого направления науки находится воздействие окружающей среды, особенно в условиях ее разрушения и загрязнения, на защитные функции людей, животных и растений. Но этим задачи экоиммунологии не ограничиваются. Она изучает и то благотворное влияние, которое здоровые экосистемы оказывают на здоровье, укрепляя наши иммунные функции и защитные механизмы против болезней.

Наше здоровье зависит от окружающей среды

Кроме того, экоиммунология рассматривает сам организм как экосистему и исследует, к примеру, взаимосвязи между микробиомом кожи или кишечной микрофлорой и иммунной системой. Предметом ее изучения является также влияние психики, гормональной и нервной систем на иммунные функции. Очень актуальны вопросы, связанные с глобальными изменениями климата. Как экстремальные погодные явления сказываются на иммунной системе человека, диких животных, растений и на здоровье экосистем, в которых обитают эти организмы?

Например, экоиммунологи установили, что белые медведи из-за потепления и таяния льдов в местах их обитания стали чаще страдать инфекционными болезнями, которые к тому же протекают тяжелее, чем раньше. В связи с потеплением в Арктике в места их проживания стали чаще вторгаться бактериальные и вирусные возбудители болезней, а также паразиты. Эти патогены прежде не были знакомы иммунной системе белых медведей, которые не контактировали с ними на протяжении истории своего вида. Поэтому иммунная система этих животных не имеет опыта борьбы с ними. Это открытие было сделано на основании изучения проб крови, которое позволило констатировать рост воспалительных процессов в организме медведей[67].

Обсуждая вопросы глобального потепления, мы всегда должны иметь в виду, что это лишь одно из многих проявлений глобальных и всеобъемлющих перемен в окружающей среде. В их центре стоит утрата биоразнообразия, то есть исчезновение видов живых существ и мест их обитания на нашей планете из-за вредных веществ, застройки территорий, деградации экосистем и безоглядного использования природных ресурсов. Мы живем так, словно у нас в запасе десять таких планет. И все это происходит за счет регионов, которым и так приходится тяжелее, чем нам. Изменения климата — это лишь одна грань, один, но далеко не единственный симптом всемирного экологического кризиса.

Все предыдущие главы этой книги, посвященные иммунной системе амеб, иммунным функциям медуз и кораллов, водорослей и растений, плодовых мушек и рыбок данио рерио, а также эволюции вирусов, исследование которых началось с листьев табака, уже так или иначе затрагивали тему экоиммунологии. Теперь мы продолжим рассмотрение экоиммунологических проблем на примерах птиц и амфибий, а под конец дойдем и до приматов, от которых уже рукой подать до нас с вами.

Мы рассмотрим также экосистему леса, которая представляет собой прекрасный образец экосистемных иммунных функций. Здесь обитают в равновесии друг с другом самые разнообразные живые существа. Они способны, подобно водорослям в пруду, обмениваться посланиями с помощью сигнальных веществ, объединяя свои иммунные системы в единую сеть и создавая коллективный иммунитет целого экологического суперорганизма. После этого в главе 8 центральное место будет отведено Homo sapiens, к которому в очередной раз приведут все наблюдения, сделанные о мире животных и растений.

Окружающая среда, социальная жизнь и иммунная система птиц

Класс птиц, относящийся к подтипу позвоночных, во многом отличается от остальных представителей царства животных. Ни одно другое наземное позвоночное животное не приспособлено так хорошо к полету, как птицы (даже рукокрылые млекопитающие, к которым принадлежат летучие мыши и летучие собаки). Обмен веществ у птиц происходит чрезвычайно быстро и эффективно. Их мозг достаточно велик по отношению к черепу, и они обладают весьма высоким интеллектом. Самый древний ископаемый скелет первоптицы, которая получила название археоптерикс, был обнаружен в 1861 году, еще при жизни Чарльза Дарвина, в Зольнхофене (Бавария). Этот предок сегодняшних птиц жил 150 миллионов лет назад, в юрском периоде мезозойской эры. Строение его тела демонстрировало черты, роднившие его с более древними динозаврами. У него был хвост и острые когти, как у рептилии, и одновременно крылья, как у птицы. Последующие находки подтвердили гипотезу, что птицы произошли от динозавров.

Все дикие животные, особенно птицы, демонстрируют тесную связь с ритмами природы. Их сезон размножения, приходящийся на весну, начинается с исходящих из окружающей среды сигналов о том, что пора повышать активность, строить гнезда, приступать к брачным играм и заботиться о потомстве. В этот период птицы тратят много энергии. В умеренных климатических зонах линька, то есть обновление оперения у птиц, никогда не совпадает по времени со строительством гнезд и спариванием, потому что этот важный регенерационный процесс, обеспечивающий способность к полету, также отличается большими затратами энергии. В зависимости от вида птиц он начинается либо до периода спаривания поздней зимой или ранней весной, либо после него — поздней весной или ранним летом. Некоторые птицы, например утки, на протяжении всей линьки не могут летать. У молодых птиц линька обычно бывает частичной и происходит после того, как они научились летать и покинули гнездо. У птиц, которые круглый год живут в теплых климатических зонах, линька может наблюдаться в любое время. Перья при этом не выпадают все сразу, а заменяются постепенно.

У перелетных птиц сезонные миграции также служат примером существования жизненно важных внутренних часов (их изучением занимается такая наука, как хронобиология). За управление этими ритмами и работу внутреннего компаса отвечает гормональная система. Она реагирует на такие факторы окружающей среды, как температура, продолжительность дня и пригодность среды обитания для жизни. Опыт всех предыдущих поколений закреплен генетически и является врожденным. Птицы инстинктивно знают, годится ли им то или иное место обитания или лучше поискать другое. Поддержку в этом им оказывает гормональная система, реагирующая на информацию, которая поступает от органов чувств. К примеру, если птица занимается строительством гнезда в подходящем для этого месте, то активизируются дремавшие до этого сведения о положительных и отрицательных свойствах среды обитания, которые были накоплены в ходе эволюции. Гормональная система вырабатывает вещества, вызывающие позитивные чувства. Как и у людей, эти вещества принадлежат к группе эндорфинов — гормонов счастья и удовлетворенности.

Полевые экоиммунологические изыскания показали, что на иммунные функции птиц оказывают сильное влияние гормональные процессы. У птиц, выводящих потомство в подходящих для данного вида условиях, наблюдалась повышенная активность врожденной иммунной системы, что выражалось в слабой подверженности воздействиям со стороны возбудителей болезней и паразитов. Совсем по-другому обстояли дела у птиц, которые гнездовались в менее подходящих для этого местах — например, из-за того, что там было недостаточно возможностей для укрытия, было слишком шумно и грязно, или потому, что окружающая среда сильно пострадала в результате вырубки зеленых насаждений. У этой группы отмечалось повышенное содержание в крови гормонов стресса, а также подверженность заболеваниям. Кроме того, было задокументировано снижение производства антител[68].

Одним из важнейших гормонов стресса у птиц, как и у грызунов, является кортикостерон. Он вырабатывается совместно с кортизолом в коре надпочечников. У людей оба этих гормона также выбрасываются в кровь при стрессе и производятся, как и у птиц, в коре надпочечников, однако кортикостерон, в отличие от кортизола, играет второстепенную роль.

Известно, что и кортикостерон, и кортизол оказывают угнетающее воздействие на иммунную систему. Поэтому данная группа гормонов используется для целенаправленного лечения очагов воспаления. В организмах птиц или людей они участвуют в катаболических процессах обмена веществ и совместно с другими сигнальными веществами управляют биологической реакцией «сражайся или беги» в ситуациях потенциальной опасности. Чтобы обеспечить состояние физической готовности необходимой энергией, они забирают ее у иммунной системы. Поэтому длительное повышенное содержание в крови этих гормонов может повысить риск инфекции. В экспериментах на птицах, которые гнездовались не в самых подходящих для этого местах, это проявлялось в ослаблении клеточного иммунитета и снижении количества антител. Стресс несет с собой болезни — даже для птиц! И стресс может вызываться факторами окружающей среды, как показывают вышеприведенные примеры.

У птиц, выводивших потомство в благоприятных условиях, в крови часто отмечалось более высокое содержание дегидроэпиандростерона (ДГЭА), чем у тех, которые вынуждены были довольствоваться худшими условиями. Это вещество также представляет собой гормон, вырабатываемый корой надпочечников, но он оказывает действие, противоположное гормонам стресса, и повышает активность иммунной системы[69]. Кора надпочечников человека также производит этот гормон. Как и у птиц, он оказывает положительное влияние на защитные силы и производится в тех случаях, когда мы находимся в здоровых экосистемах. К этому моменту мы еще вернемся, потому что наша гормональная система, как и у других позвоночных животных, является одним из важнейших посредников между окружающей средой и иммунной системой.

Не только неблагоприятные условия окружающей среды, но и социальные стрессовые ситуации могут вызвать у птиц выброс гормонов стресса в кровь и тем самым ослабить иммунную систему. Этот механизм нам уже известен: гормоны стресса выполняют свою задачу, забирая энергию у иммунной системы и других систем организма, чтобы обеспечить реакцию «сражайся или беги». В экспериментах на курах было доказано, что социальные стрессовые факторы повышают содержание в крови кортикостерона и кортизола, Как следствие, подавляется клеточный иммунитет, что делает птиц более подверженными вирусным инфекциям, в частности болезни Ньюкасла[70]. Это крайне заразное заболевание птиц, вызываемое РНК-вирусом. У инфицированных птиц наблюдаются высокая температура, апатия, потеря аппетита, затрудненное дыхание и кровообращение. Смертность весьма высокая, в связи с чем эта болезнь по аналогии со столь же опасной чумой птиц называется также псевдочумой. Даже у птиц доказана связь между социальным стрессом и подверженностью инфекционным заболеваниям.

Стресс, исходящий из окружающей среды, одинаково негативно воздействует и на коноплянку, и на человека

Социальный стресс характерен для птиц, ведущих стайный образ жизни, если у них нарушается иерархия в группе. Когда птицы не знают своего места в иерархии, возникают частые конфликты. Конкурентная борьба и нехватка места вызывают социальный стресс. В птицеводческих хозяйствах стаи обычно очень многочисленны, результатом этого становится высокий уровень стресса. Экоиммунология дает рекомендации по содержанию животных в зависимости от их вида, указывая допустимую численность группы и предусматривая наличие мест, где можно побыть в одиночестве. Это снижает заболеваемость животных, а заодно и людей, так как существуют так называемые зоонозные инфекции, которые могут передаваться от животных человеку.

Вирусные или бактериальные зоонозы порой приобретают масштаб эпидемии или пандемии. Так случилось, например, со штаммом коронавируса, который получил название MERS — коронавирус ближневосточного респираторного синдрома (передался он человеку от верблюдов в ходе контактов с этими животными и потребления сырого верблюжьего молока)[71]. Этот пример показывает, что в наших же собственных интересах следить за тем, чтобы сельскохозяйственные животные содержались в должных условиях, так как это способствует здоровью их иммунной системы.

Экоиммунология также изучает, как условия окружающей среды во время откладывания яиц и инкубации влияют на иммунную систему птенцов. Интересно, что самки птиц готовят свое потомство к контактам с распространенными в данном регионе паразитами и патогенами, обогащая желток соответствующими антителами. Этот процесс также контролируется гормональной системой самки во время созревания яйца в материнском организме. Например, экоиммунологическое исследование показало, что в яйцах птиц, подвергшихся воздействию паразитов, таких как клещи, глисты или бактериальные и вирусные патогены, в желтке было обнаружено значительное количество антител именно против этих патогенов. Оказалось, что этот экоиммунологический баланс между птичьими яйцами и окружающей средой нарушается под воздействием вызывающих стресс условий среды. К ним относятся засуха, чрезмерно суровые погодные условия, непригодная среда обитания и, опять же, факторы социального стресса[72].

Таким образом, экоиммунология уже на примере птиц доказывает, что неблагоприятные физические или социальные факторы внешней среды могут оказывать негативное иммунобиологическое воздействие даже на еще не родившееся потомство. У млекопитающих, детеныши которых проходят весь путь развития до рождения в утробе матери, эта связь еще более очевидна. Так на примере крупного рогатого скота, свиней и других сельскохозяйственных животных было показано, что потомство, чьи матери подвергались воздействию социальных или экологических стрессовых факторов, демонстрировало более слабые иммунные реакции через несколько недель после рождения, чем молодняк, рожденный от матерей, находившихся в благоприятных условиях с низким уровнем социального стресса. Здесь также напрашивается вывод о связи между экологическими и социальными факторами и гормональной системой, которая контролирует в том числе и иммунные реакции. У молодых животных от матерей, подвергшихся экологическому стрессу, наблюдается более слабая реакция лимфоцитов, т. е. Т- и В-клеток, а также естественных киллеров. Кроме того, они хуже усваивают антитела из материнского молока, чем сопоставимый по возрасту молодняк, не подвергавшийся стрессу[73]. Как и в случае с птицами, условия содержания млекопитающих являются решающим фактором для здоровья животных, а значит, и для безопасности и качества пищи людей, употребляющих продукты животного происхождения.

Иммунитет амфибий: животное как экосистема

Амфибии, или земноводные, представляют класс позвоночных животных, произошедших от рыб. Они выбрались на сушу 400 миллионов лет назад, то есть в девонском периоде среднего палеозоя. Несмотря на жизнь на суше, они до сегодняшнего дня частично сохранили признаки своего эволюционного прошлого, унаследованные от рыб. Так, например, амфибии могут размножаться только в водоемах. Там же проводят все время их личинки. Примером служат головастики лягушек и жаб. К числу современных представителей класса земноводных относится отряд бесхвостых земноводных, представленных лягушками, жабами и жерлянками, отряд хвостатых земноводных с входящими в него саламандрами и тритонами, а также отряд безногих земноводных, представители которого внешне напоминают помесь маленькой змеи и червя. Не следует путать их с веретеницами, которые являются рептилиями и относятся к семейству ящериц.

В мире на сегодняшний день насчитывается почти 7 тысяч видов амфибий, и с каждым годом к ним добавляются все новые. Для экоиммунологии амфибии особенно интересны, потому что могут жить как на суше, так и в воде. Какое-то время они живут в тесном контакте с водными экосистемами. Как мы уже знаем о стрекающих, жизнь в воде связана с особыми иммунобиологическими требованиями, потому что организм постоянно омывается водой с содержащимися в ней микроорганизмами, в том числе бактериями и вирусами, и поэтому должен особенно четко различать «друзей» и «врагов», чтобы эффективно защищаться от вредного воздействия и по максимуму использовать все нужное. Кроме того, амфибии проходят несколько стадий — от эмбриона и живущей исключительно в воде личинки до взрослой лягушки или саламандры, которая обитает на границе между сушей и водой. Иммунная система этих животных должна подстраиваться под различные условия окружающей среды и обладать достаточной гибкостью для этого.

Биологи предупреждают о грозящем исчезновении многих видов амфибий. Причины этого многообразны. Это и быстрые климатические изменения, и пересыхание мест обитания, и загрязнение вредными веществами, и сельскохозяйственное освоение и застройка среды обитания, и расселение человеком новых видов, которые составляют конкуренцию исконным обитателям. Последние экоиммунологические исследования доказывают, что амфибиям, помимо всего прочего, все чаще угрожают инфекционные болезни, в том числе вызванные ранавирусами. Это ДНК-вирусы, чье название происходит от латинского rana, что означает «лягушка». Эти вирусы заражают не только амфибий, но и некоторые виды рыб и рептилий, однако особую опасность представляют для лягушек и жаб. Симптомы так называемой ранавирусной болезни выражаются в покраснении кожи, появлении язв и кровоточащих ранок на слизистых оболочках, а также внутренних кровотечений, часто приводящих к смерти. Так, например, в 2021 году во Флориде произошла вспышка ранавирусной болезни, которая вызвала массовую гибель лягушек и жаб[74]. В 2014 году аналогичный случай наблюдался в испанском национальном парке Пикос-де-Эуропа[75]. Одна из причин распространения инфекции, по предположениям ученых, заключается в климатических изменениях, так как в ходе одного эксперимента было доказано, что ранавирусы с повышением температуры становятся более активными и заразными, поэтому чаще все заканчивается смертью амфибий[76].

Лягушки располагают иммунными клетками, схожими с человеческими

Еще одну угрозу для амфибий представляет хитридиомикоз — грибковая инфекция, которая передается плавающими в воде спорами. Это заболевание особенно коварно. Споры инфицируют животных через кожу или слизистую оболочку рта и превращают их в фабрику по размножению спор. Тела животных увеличиваются в размерах, их органы постепенно разрушаются, а затем наступает смерть. Трупы земноводных представляют собой инкубатор для размножения возбудителей в огромных количествах. Этот процесс напоминает макроскопическую модель вирусной инфекции в микромире. Как и патогенные грибки, атакующие амфибий, вирусы превращают клетки хозяев в фабрики по размножению вирусов и тем самым убивают их. Точные механизмы инфицирования амфибий пока еще неизвестны. В настоящее время ведется их изучение с позиции экоиммунологии.

Экоиммунология учит нас, что иммунные системы амфибий очень схожи с иммунными системами всех других позвоночных животных. Они обладают адаптивными иммунными реакциями с помощью Т- и В-клеток, а также антител. В них имеются многочисленные иммунные клетки, в том числе фагоциты, которые похожи на наши. Важнейшие иммунные органы амфибий — это вилочковая железа, селезенка, печень и почки. Эти животные обладают лимфатической системой, в которой циркулируют защитные клетки. Как и у нас, лимфатическая система сосредоточена главным образом вокруг кишечника. Доказано наличие у амфибий естественных киллеров и толл-подобных рецепторов, что роднит их с нами[77].

Ввиду того что амфибии обитают и на суше, и в воде, они сохранили слизистое покрытие всего тела, унаследованное от рыб. Для экоиммунологии этот класс животных представляет особый интерес, потому что их кожа со множеством живущих на ней микробов представляет собой сложную экосистему, которая много чему может научить нас в плане защитных функций. Слой слизи предоставляет микроорганизмам влажную, богатую питательными веществами и хорошо защищенную среду обитания. Поэтому врожденная иммунная система кожи амфибий очень активна, что делает ее похожей на наши слизистые оболочки, прежде всего в дыхательных путях и кишечнике. Особую активность на влажной поверхности тела амфибий проявляют клетки-пожиратели — фагоциты. Они являются одним из важнейших защитных механизмов. Как и у стрекающих, кожа амфибий похожа на живую химическую фабрику. Антимикробные пептиды убивают нежелательные микроорганизмы.

Очень эффективный в целом иммунный барьер кожи амфибий, похоже, не слишком надежно защищает их от хитридиомикоза. Экоиммунологи предполагают, что возбудители нашли способ повреждать иммунные клетки с помощью клеточных ядов, после того как преодолена первая линия защиты. Эти яды убивают фагоциты и естественных киллеров точно так же, как сами естественные киллеры расправляются с возбудителями или собственными больными клетками организма. Нередко и патогены, и защитные механизмы организма-хозяина сражаются одним и тем же оружием.

Тем не менее иммунный барьер слизистой и влажной кожи амфибий представляет собой, как правило, чрезвычайно эффективный защитный вал от самых распространенных патогенов. Секретный рецепт амфибий — это симбиоз. Они настоящие мастера в использовании собственного микробиома. Как и у стрекающих, в их коже содержатся полезные бактерии, являющиеся антагонистами возбудителей болезней и борющиеся с ними.

Один из этих симбиотических антагонистов — бактерия Aeromonas hydrophila, живущая в воде. Именно оттуда она и попадает на кожу амфибий. Бактерии требуется для выживания влажная среда, и она находит ее в достаточном количестве под слоем слизи на коже лягушек, саламандр и компании. Переход этого симбионта из водной среды хорошо изучен. Что касается других полезных бактерий из экосистемы «кожа амфибий», то путь перехода еще не известен, но экоиммунология интенсивно занимается его изучением. Вероятно, животные обзаводятся бактериальными партнерами не только в воде, но и на суше, потому что там живут многочисленные не представляющие опасности и даже потенциально полезные микробы. Исследование иммунобиологического взаимодействия между амфибиями и бактериями — это новое направление, где еще много открытых вопросов. Особый интерес представляет биологическая загадка, каким образом иммунная система отличает полезных микробов от вредных[78]. На основании того, что известно к настоящему моменту, наиболее правдоподобной представляется гипотеза о том, что за это отвечают иммунопротеины и рецепторы, которые расположены на иммунных клетках животных и способны распознавать молекулярные структуры микробов и соответствующим образом классифицировать их по признакам опасности или пользы.

Амфибии способны стать еще одним видом модельных животных для изучения микробиома на слизистых оболочках человека. Это могло бы помочь нам лучше понять взаимодействие между слизистой оболочкой кишечника и населяющим ее микробиомом, так же как и открытия, сделанные в ходе исследований стрекающих, дрозофил и рыбок данио рерио, указали новые направления в иммунологии человека.

Стресс, исходящий от окружающей среды, вызывает у амфибий, как и у рыб, повышенную выработку гормонов кортизола и кортикостерона в коре надпочечников и, как следствие, подавление иммунных функций. Известно, что различные агрохимикаты, в том числе известный гербицид «Раундап», способны причинить вред живущим в дикой природе амфибиям и даже убить их. «Раундап» был разработан агроконцерном Monsanto, который недавно был поглощен химическим, аграрным и фармацевтическим концерном Bayer.

Экоиммунологи считают, что подобные химикаты могут также повредить иммунные функции животных и таким образом косвенно повлиять на повышение смертности среди них[79]. Например, пестициды при контакте с амфибиями подавляют производство эозинофильных гранулоцитов[80]. Мы уже говорили об этих белых кровяных тельцах из группы фагоцитов, в отношении которых ученые высказывают предположение, что они играют значительную роль в защите от потенциальных и уже существующих раковых клеток. Кроме того, доказано, что увеличение числа естественных врагов, охотящихся на амфибий, вызывает повышенный выброс гормонов стресса и, как следствие, подавление иммунного ответа и рост инфекционных болезней[81]. Эти взаимосвязи были рассмотрены нами ранее на примере птиц.

Психика и иммунная система приматов

Приматы — наша самая близкая родня — представляют собой особый отряд среди высших млекопитающих. Они подразделяются на подотряды полуобезьян и обезьян. К полуобезьянам, которые, в отличие от человекообразных обезьян, имеют меньше схожих черт с нами, относятся руконожки, маки, лемуры, галаго и некоторые другие виды. В подотряд обезьян зоологи включают капуцинов, цепкохвостых обезьян, макак, резусов, гиббонов, а также группу человекообразных обезьян — горилл, орангутанов, шимпанзе, бонобо и наше семейство Homo, к которому в настоящее время принадлежит только человек.

История развития приматов началась 68 миллионов лет назад в меловом периоде в конце мезозойской эры. В то время произошло разделение полуобезьян и обезьян. Древнейшим палеобиологическим свидетельством существования семейства гоминидов является найденный при раскопках в Южной Африке детский череп, возраст которого оценивается в два миллиона лет. Этот представитель вида Homo erectus жил в четвертичном периоде кайнозойской эры. Древнейшие находки останков вида Homo sapiens — современного человека — насчитывают 300 тысяч лет.

Рассматривая в предыдущих разделах птиц и амфибий, мы говорили о том, что на иммунные функции оказывает влияние не только экологический стресс, но и социальный. Выброс стрессовых гормонов из коры надпочечников забирает энергию у иммунной системы, чтобы использовать ее в ситуациях возможной борьбы или бегства. У высших приматов, у которых высокоразвитые мозг и центральная нервная система являются предпосылкой сложно устроенной психики, взаимосвязь между нервной, гормональной и иммунной системами выражена еще ярче. Поэтому многие явления, открытые психонейроиммунологией, которая занимается преимущественно человеческим организмом, можно перенести на других приматов и наблюдать у обезьян. Психонейроиммунология исследует взаимодействие психики, нервной системы и иммунных функций. В этом смысле она близка к экоиммунологии и в чем-то пересекается с ней.

Исследования в области психосоматической медицины, проведенные в университете Висконсина, показали, что потеря социальных связей и дружеских отношений ослабляет иммунную систему обезьян. В обобщающей публикации утрата социальных контактов называется «важным психобиологическим событием, влекущим за собой тяжелые иммунологические последствия, особенно для молодых обезьян»[82]. Отрыв от товарищей по играм или от матери сказывается на иммунитете. Необходимо также иметь в виду, что исследования, проведенные на приматах, в значительной степени могут быть перенесены и на нас самих. Таким образом, если социальная изоляция и прерывание социальных контактов ослабляют иммунную систему детенышей приматов, то весьма вероятно, что это можно отнести и к нашим детям. На это следовало бы обращать больше внимания в ситуациях, когда во время пандемии, вызванной коронавирусом, дело доходило до локдаунов, закрытия школ и ограничения контактов между детьми и подростками.

В упомянутых исследованиях у обезьян после утраты социальных контактов отмечалось ослабление иммунной системы за счет сокращения числа иммунных клеток — фагоцитов и нейтрофилов, а также ухудшения функций Т- и В-клеток и снижения эффективности антител. Уже в 1987 году был проведен первый эксперимент, в ходе которого было доказано, что у детенышей обезьян после разлуки с матерью на протяжении нескольких недель снижается количество Т- и B-клеток в крови, наблюдаются нарушения в производстве антител и повышается подверженность инфекционным заболеваниям[83]. С тех пор экоиммунология и психонейроиммунология исследовали различные механизмы связи между психическими и социальными факторами с одной стороны и иммунной системой с другой.

Иммунная система орангутана также зависит от качества социальных контактов

Одна из причин, по которой взаимосвязь между психикой и иммунной системой так ярко выражена у млекопитающих и особенно у приматов по сравнению с другими животными, имеет нейробиологическую природу. У обезьян нервная система развита очень хорошо и по сложности не отличается от человеческой. Симпатической и парасимпатической нервной системе, имеющейся у всех млекопитающих, отводится центральная роль в управлении физическими и психическими процессами.

Симпатическая нервная система отвечает за процессы возбуждения. Относящиеся к ней нервы отходят от головного и спинного мозга и, разветвляясь, пронизывают все тело. В области живота эти нервы образуют густое переплетение, образуя так называемый брюшной мозг. Симпатические нервы отвечают за приведение организма в активное состояние и усиление внимания и готовности к опасности. Их действие коррелирует с выработкой таких гормонов стресса, как кортизол или адреналин. Они отвечают за управление реакциями защиты, бегства или борьбы в ситуациях, которые ствол мозга и его лимбическая система, работающие бессознательно, воспринимают как угрожающие.

Известно, что у приматов, включая и человека, чувство грусти, депрессия и социальные неурядицы также могут приводить к стрессовым реакциям, которые активизируют симпатическую нервную систему[84]. Очевидно, наши архаичные функции мозга воспринимают психосоциальные нагрузки как опасность и пытаются избавить нас от них такими же архаичными методами. Как следствие, симпатическая нервная система забирает энергию у органов, которые не участвуют непосредственно в борьбе или бегстве. В первую очередь это касается органов пищеварения и иммунной системы. Уровень сахара в крови растет вместе с артериальным давлением.

Симпатическая нервная система важна, потому что она готовит нас к вызовам и угрозам жизни, для преодоления которых требуется повышенная внимательность и быстрота реакции. Но ее деятельность начинает представлять проблему, когда длится слишком долго или проявляется чересчур интенсивно, что как раз и происходит при длительных социальных и психических нагрузках. В этом случае иммунной системе не хватает энергии для нормальной работы. Наступает хроническая стрессовая нагрузка, имеющая последствия в виде расстройств здоровья.

В качестве антагониста симпатической нервной системы выступает парасимпатическая нервная система, отвечающая за спокойствие и восстановление. Ее нервы также отходят от головного и спинного мозга и концентрируются в районе живота. В спокойном состоянии она уравновешивает симпатическую нервную систему, как инь и ян. Активность одной системы сменяется активностью другой. Но при стрессовой нагрузке парасимпатическая нервная система уступает симпатической. Задача парасимпатической нервной системы заключается в том, чтобы восстановить приток энергии к жизненно важным органам иммунной и пищеварительной систем, понизить артериальное давление и уровень сахара в крови и т. д. Кроме того, активизация парасимпатической нервной системы запускает процессы регенерации на уровне органов и клеток.

Например, в ходе масштабного эпидемиологического анализа клинических данных, опубликованного в журнале Science в 1980-х годах, Роджер Ульрих из университета Алнарп на юге Швеции, изучавший проблемы здравоохранения, смог доказать, что вид из окна больничной палаты на зеленые насаждения способствует физическому восстановлению пациентов[85]. В новаторском исследовании Ульриха все участники были размещены в стандартных больничных палатах с одинаковой интенсивностью освещения и одинаковой мебелью. Всем была проведена одна и та же стандартная операция по удалению желчного пузыря. Единственной переменной был вид из окна. В то время как половина видела в окно только стену дома, взгляд остальных 50 процентов падал на зеленый газон с растущим деревом. Ни испытуемые, ни персонал больницы не были проинформированы о содержании и направлении исследования.

Результат показал, что группе, созерцавшей зеленые насаждения, потребовалось меньше обезболивающих средств, а лекарства можно было назначать не в такой большой дозировке, как в контрольной группе. Процесс заживления швов протекал значительно быстрее, и выписка состоялась раньше, чем у тех, кто видел в окно только стену. Послеоперационных осложнений у них было также меньше.

На первый взгляд может показаться удивительным, что один только вид из окна способен ускорить процесс выздоровления, но все объясняется, если принять во внимание функции парасимпатической системы. Заживление ран — это процесс, в котором иммунная система принимает непосредственное участие. Тромбоциты участвуют в процессе свертывания крови. Иммунные клетки, и прежде всего макрофаги, очищают рану, убирают отмершие клетки и поврежденные ткани и готовят питательную почву для появления новой ткани. Парасимпатическая нервная система способствует как работе иммунной системы, так и регенерации клеток.

То, что созерцание зеленых насаждений, в отличие от городских пейзажей, сильнее активизирует парасимпатическую нервную систему, больше не является гипотезой. Этот факт был экспериментально доказан Роджером Ульрихом в ходе клинического исследования. В этом эксперименте просмотр изображений природных пейзажей повышал активность альфа-волн в мозге испытуемых, что характерно для отдыха и восстановления в состоянии бодрствования. Эта электромагнитная нейронная активность является признанным показателем возрастания парасимпатической функции. Контрольная группа, которой показывали изображения городских кварталов и улиц, не демонстрировала такой неврологической реакции[86].

Нам достаточно знать, что социальные и психические стрессовые ситуации вроде грусти или депрессии смещают соотношение между симпатическими и парасимпатическими проявлениями в пользу симпатической нервной системы. Это помогает понять, почему такое состояние подавляет иммунные функции и затормаживает процессы регенерации, особенно у обезьян и людей, хотя схожие явления отмечаются и у других млекопитающих.

Еще один неврологический и иммунологический феномен у приматов носит название болезненного поведения. Речь идет об изменениях в поведении и психических проявлениях во время болезни. Болезненное поведение известно также у домашних животных. К примеру, фермеры по поведению сразу выявляют больных животных, даже если нет никаких внешних симптомов. У приматов это явление выражено еще ярче. Инфицированные животные впадают в апатию и депрессию, теряют аппетит, испытывают проблемы с концентрацией, демонстрируют усталость, вялость, отсутствие мотивации и даже признаки страха.

Эволюционное значение этих психических изменений заключается в том, чтобы притормозить активность организма во время инфекции и максимально снизить расход энергии, дабы направить все ресурсы на деятельность иммунной системы. Потеря аппетита нужна для того, чтобы не тратить слишком много энергии на переваривание пищи. Кроме того, наличие питательных веществ в организме, в частности углеводов и железа, приводит к более активному размножению бактерий. Болезненное поведение позволяет снизить поступление этих веществ. Свойственное обезьянам и другим животным во время болезни подавленное настроение — это не просто случайное побочное явление, а целенаправленное поведение, которое преследует определенные экоиммунологические и психонейроиммунологические цели.

Заживление ран

Пусковым механизмом болезненного поведения являются цитокины, вырабатываемые в присутствии бактерий, вирусов или бактериальных токсинов. Эти особые цитокины относятся к группе интерлейкинов. Они приводятся в активное состояние вступившими в контакт с патогенами иммунными клетками, в частности макрофагами и моноцитами. Мы уже рассматривали эти защитные клетки во второй части книги. Особенно способствует развитию болезненного поведения интерлейкин-1[87]. Интересно, что в данном случае не иммунные функции зависят от психики, а, наоборот, психика и поведение меняются под действием иммунной системы.

«Иммунная система» леса

Давайте вернемся к самому началу естественной истории иммунной системы. Когда мы в первой части книги рассматривали иммунные функции водорослей, были вскользь упомянуты терпены — большая группа вторичных веществ растительного происхождения, которые играют важную роль в социальной жизни растений. Я рассказывал, как водоросли с помощью химических веществ, выделяемых в воду, обмениваются друг с другом информацией о возбудителях болезней. Терпены служат важными сигнальными веществами, которые выполняют ту же функцию, что и слова в нашем общении. Весь мир растений использует эту стратегию, чтобы защищать среду своего обитания с помощью биологической коммуникации и кооперации. Так возникает некое подобие коллективной иммунной системы на экосистемном уровне, которая представляет собой увлекательный предмет для исследований в рамках экоиммунологии.

Растения общаются друг с другом с целью защиты общей экосистемы

В лесной экосистеме деревья и другие растения тоже обмениваются посланиями друг с другом. В процессе эволюции они научились «читать» информацию, содержащуюся в различных веществах в воздухе, почве и воде, о том, что происходит в месте их обитания. Терпены выполняют при этом различные функции. Помимо передачи сигналов, они представляют собой защитные вещества иммунной системы растений, которые используются для борьбы с бактериями, паразитами и вредителями. С помощью терпенов некоторые растения даже расправляются с конкурентами, которые пытаются отобрать у них свет или питательные вещества. Этот феномен носит название аллелопатии — отравления соперников. Как и у людей, социальная жизнь растений — это не только дружба и сотрудничество.

Особую разновидность ароматических терпенов представляет собой пинен, содержащийся в смоле хвойных деревьев, особенно сосен. В этих деревьях присутствует особенно большое количество этого вещества, которое получило свое наименование именно от латинского названия рода сосен — Pinus. В лесах Центральной Европы мы чаще всего встречаем обычную лесную сосну. В средиземноморских прибрежных лесах преобладают итальянские сосны — пинии. Еще одним представителем этого рода является кедровая сосна, которая произрастает в альпийских регионах Австрии и Швейцарии вплоть до юго-запада Франции, а также в Карпатских горах. Смола буквально сочится из ее шишек, хотя пинен содержится также и в хвое, коре и корнях. Особенно богата им смола. Это вещество придает сосне характерный запах. Как и все терпены, пинен является важным компонентом эфирных масел — в данном случае так называемого соснового масла. Большое количество терпена содержится и в ели, но там преобладает другая его разновидность — лимонен. Терпены можно обнаружить и в лиственных деревьях — короче говоря, в любых растениях, хотя их запах не всегда отличается такой интенсивностью, как у хвойных деревьев.

Многие из терпенов, в частности тот же пинен, выполняют в иммунной системе растений функции защитных веществ. Иммуноактивные терпены также называют фитонцидами. Если дерево или другое растение подвергается нападению вредителя, например короеда или бактериальных патогенов, иммунная система реагирует на это увеличением выработки терпенов в качестве немедленной защитной реакции. Попутно эти вещества попадают и в окружающую среду. Они испаряются и переходят в газообразное состояние, благодаря чему могут распространяться по всей лесной экосистеме. Как и в ситуации с водорослями, на это реагируют другие растения, произрастающие по соседству.

В процессе эволюции растения научились определять по химическому составу и концентрации терпенов, какой вредитель вторгся в зону их обитания и насколько велика опасность. После этого они в порядке профилактики целенаправленно задействуют собственные защитные средства и тем самым оповещают другие растения по соседству. Информация распространяется по всему лесу, и растения таким образом совместными усилиями защищают свою экосистему от разрушения.

В определенном смысле этот феномен можно считать «иммунной системой» леса, потому что речь идет о задействовании защитных средств на экосистемном уровне, словно мы говорим о едином суперорганизме. К терпенам, которые обеспечивают весь этот процесс, мы еще вернемся чуть позже, потому что они играют важную роль и в нашей собственной иммунной системе.

А теперь вновь перейдем исключительно к иммунной системе человека.

Глава 8

Экосистема человека: каким образом воздействие окружающей среды может ослабить или укрепить нашу иммунную систему

Экоиммунология рассматривает живые существа с двух позиций. Мы различаем внешнюю и внутреннюю экоиммунологию. Первая занимается влиянием окружающей среды — как положительным, так и отрицательным — на иммунную систему. Иммунные функции человека, животных и растений исследуются в контексте среды обитания, то есть того, что находится вне организма. Какие факторы окружающей среды поддерживают наши иммунные функции? Какие, наоборот, ослабляют наши защитные механизмы и делают нас более уязвимыми перед инфекциями и другими заболеваниями? С точки зрения внешней экоиммунологии все живые существа обитают в различных экосистемах. До сих пор мы с вами и занимались главным образом исследовательскими проблемами внешней экоиммунологии. Сюда относится, к примеру, влияние мест гнездования на иммунную систему птиц, воздействие изменений климата на появление новых возбудителей болезней в Арктике и на иммунную систему белых медведей или разрушительное влияние пестицидов на иммунные клетки амфибий.

С другой стороны, внутренняя экоиммунология рассматривает каждый отдельный организм как экосистему. Она ставит в центр внимания взаимодействие между различными органами и иммунной системой, исследует функции симбионтов внутри тела или на его поверхности, например микробиом в человеческом кишечнике, микрофлору пищеварительной полости медуз или состав микробиома на коже людей и животных. К этому направлению в экоиммунологии относится и наука о взаимосвязях между питанием, психикой, нервной и иммунной системами. Внутренней экоиммунологии будет посвящена девятая глава. Пока же мы займемся внешними экоиммунологическими аспектами, то есть классическим влиянием окружающей среды.

У нас нет внешних границ

Уже на протяжении многих лет экология отмечает растущую нагрузку на здоровье, вызванную воздействием окружающей среды. Будучи наукой, изучающей все взаимосвязи в природе, она во многом опережает другие подходы, так называемые редукционистские исследовательские, которые имеют дело с отдельными фрагментами реальности и пытаются объединить частные знания в общую картину. Для того чтобы понять, какое негативное влияние окружающая среда может оказывать на наше здоровье, требуется разностороннее мышление.

Биолог и философ Якоб Иоганн фон Икскюль (1864–1944) понимал, что ни у одного живого существа нет четких внешних границ. Организм растения не заканчивается эпидермисом (кутикулой). Многим покажется непривычным использование термина «эпидермис» по отношению к растениям, но на самом деле у растений есть внешний слой клеток, напоминающий эпидермис животных. Его называют кутикулой. Кутикула соответствует нашему кожному защитному барьеру, который расположен над эпидермисом и состоит из жировой субстанции, главным образом из воскообразных церамид. На эпидермисе человека, как и на внешних покровах растений и животных, обитают микробы. Они находятся как бы вне нашего тела и представляют собой самостоятельные формы жизни, но играют определенную роль в организме. Прежде всего это защита. С их помощью организм обороняется от вредных воздействий окружающей среды и патогенов, с которыми контактирует наша кожа.

Выполняя эту защитную функцию, микробы становятся частью нашей физиологии, то есть участвуют в биологических процессах организма человека. Один только этот аспект ясно демонстрирует, что растения, животные и люди не имеют четко выраженных внешних границ. Наши телесные функции плавно переходят в окружающую среду.

Вдобавок мы поддерживаем с окружающей средой активный обмен веществ. Речь идет, в частности, о выдыхаемом воздухе, влаге, биоактивных веществах, а также феромонах. Доказано, что последние возбуждают не только центры обоняния в мозге потенциальных сексуальных партнеров, но и гипоталамус, который регулирует наше сексуальное поведение и оказывает воздействие на работу гипофиза, управляющего гормональной системой. Этот пример показывает, что биоактивные вещества, которые попадают в организм из окружающей среды, также оказывают влияние на наши телесные функции и восприятие.

В роли посредников между внешними раздражителями и внутренними процессами выступают гормональная и нервная системы, которые в эволюционном плане неразрывно связаны с иммунной системой, как мы уже убедились при рассмотрении медуз, кораллов и оболочников. Подобно цветку, приманивающему с помощью феромонов насекомых для опыления, или грибам, которые с помощью терпенов указывают своим половым клеткам путь под землей друг к другу, люди и животные тоже общаются на подсознательном биохимическом уровне с особями своего вида и другими формами жизни. Эти химические «слова» связывают нас друг с другом и с окружающей средой.

С экоиммунологической точки зрения этот функциональный обмен веществ представляет собой особый интерес в плане здоровья. Окружающая среда вторгается в наш организм, пронизывает его насквозь, точно так же как мы сами находимся внутри нее и оказываем на нее воздействие. Мы вдыхаем ее, впитываем ее через кожу, слизистые оболочки, принимаем вместе с пищей. Она проникает в наши ткани, воздействует на органы и физиологические процессы. Якоб Иоганн фон Икскюль понял это уже в XIX веке. У нас нет внешних границ. Это понимание лежит в основе всей экоиммунологии.

Больная планета — больные люди

Будет ли в 2050 году небо над нашими городами иметь красноватый оттенок, так что люди смогут выходить на открытый воздух только в защитных респираторах? Будут ли перелетные птицы падать мертвыми с неба, пролетая над Берлином, Веной или Цюрихом? Прекратится ли течение теплого Гольфстрима, из-за чего замерзнет северо-запад Европы? Будут ли в Мюнхене, Граце или Берне расти пальмы, а наши поля через каждые два года страдать от засухи, несущей голод жителям Европы?

Защитники окружающей среды любят подкреплять свои мысли, рисуя картины катастроф и сценарии «токсичного» будущего. Таким путем они пытаются привлечь внимание к важным экологическим темам. Однако, пытаясь донести до людей свои проблемы такими методами, они могут добиться совершенно противоположных результатов. Многие расценивают такие сценарии будущего как неоправданное паникерство. Существует опасность, что если обещанные катастрофические последствия не наступят, то экологические проблемы и предостережения в принципе утратят все свое значение.

На самом деле никто не может точно сказать, какой будет окружающая среда через 50 или 100 лет. Намного важнее донести до людей мысль о том, что мы уже сейчас переживаем глобальный кризис утраты биоразнообразия. Многоцветие природы, сложные взаимосвязи видов живых организмов на нашей планете переживают не лучшие времена. Мы должны осознать, что утрата биоразнообразия и кризис окружающей среды влекут за собой негативные последствия для здоровья людей, животных и экосистемы в целом. Это не значит, что нам обязательно грозит катастрофа в будущем, но необходимо что-то предпринимать уже сейчас.

В качестве примера экоиммунологических последствий, вызванных изменениями в окружающей среде, я приводил появление новых инфекционных болезней у белых медведей. Из-за потепления в Арктике возбудители заболеваний проникают в зоны Крайнего Севера, нарушая сложившееся в ходе естественно-исторического процесса равновесие. Это сказывается на здоровье популяции белых медведей. Но подобные примеры можно найти и у людей.

Климатические изменения происходят не в последнюю очередь из-за того, что под жилье застраиваются большие площади, которые летом сильно нагреваются и служат дополнительным источником тепла. Загрязнение атмосферы такими газами, как двуокись углерода, окислы азота и метан, также оказывает негативное влияние на климат и, следовательно, на наше здоровье. К примеру, в Центральной Европе повышение температуры вызвало увеличение активности клещей, которые переносят болезни. Кроме того, зона расселения клещей перемещается все дальше на север. Взять, к примеру, переносчиков бактериального боррелиоза и вирусного энцефалита. Если всего несколько лет назад зонами риска для клещевого энцефалита считались в основном Альпийский регион и юг Германии, то теперь эти зоны простираются до Дрездена на востоке Германии и до Франкфурта на западе. Клещи были также обнаружены в дикой природе на севере Германии, где они прежде не встречались. Случаи клещевого энцефалита регистрируются вплоть до побережья Балтийского моря. Район Эмсланд в Нижней Саксонии на границе с Голландией сегодня является одним из главных регионов расселения клещей и зоной распространения клещевого энцефалита[88]. Причиной стали климатические изменения, из-за которых удлинился теплый сезон и повысилась влажность воздуха в Центральной Европе. ВОЗ даже прогнозирует дальнейшее продвижение клещей на север Европы[89].

В примере с клещами мы видим, как известный промежуточный хозяин известного вируса расширяет границы своего географического расселения. Но если возбудитель вырывается за границы своего естественно-исторического контекста и превращается в новый вариант, последствия могут быть куда хуже. В этом случае возникают так называемые зоонозы, когда инфекционные болезни животных переходят на человека. Такие проблемы тоже входят в сферу изучения экоиммунологии и экологической эпидемиологии. Предполагается, что ретровирус ВИЧ, относящийся к РНК-вирусам, перешел в центральноафриканских джунглях от приматов к человеку в результате охоты на шимпанзе и поедания их мяса, что вызвало в начале 1980-х годов пандемию СПИДа[90].

Другим известным примером зооноза служит лихорадка Эбола. Филовирус из группы РНК-вирусов, вызывающий эту тяжелую инфекцию, от которой погибает каждый второй заболевший, находился в состоянии естественно-исторического равновесия с летучими мышами и летучими собаками. В 2017 году в ходе эколого-эпидемиологического исследования, включавшего в себя комплексный анализ спутниковых снимков, а также материалов аэрофотосъемки и эпидемиологических данных, был сделан вывод, что эпидемии Эболы в Центральной и Западной Африке в период с 2006 по 2014 год стали результатом вырубки лесов и вмешательства человека в биоразнообразие лесных экосистем[91].

За это вмешательство в природу несут ответственность наряду с американскими и китайскими также и европейские агроконцерны. Раздробление зон обитания и разрушение питательной базы летучих мышей внесло хаос в их популяционные структуры. Различные виды этих животных сблизились больше, чем обычно, стали делить друг с другом места ночлега в пещерах и чаще встречаться в ходе охоты. В поисках пропитания им пришлось расширить территорию охоты вплоть до человеческих поселений. В результате отдельные виды начали заражать друг друга филовирусами. Вирусы сталкивались с иммунными системами, которые не были к ним приучены и не находились в состоянии эволюционного равновесия с ними. Зараженные животные становились рассадниками новых возбудителей, еще более вирулентных. В соответствии с теорией близость к человеческим поселениям привела к тому, что инфекция перекинулась на детей. Охота на летучих мышей также могла привести к тому, что охотники соприкасались с зараженной кровью. С точки зрения науки не существует никаких сомнений относительно того, что именно цепь нарушений биоразнообразия в Африке была и еще не раз будет причиной опустошительных эпидемий лихорадки Эбола.

Проведенное в 2020 году экологическое исследование, результаты которого были опубликованы в авторитетном журнале Landscape Ecology, дало основание назвать вмешательство в ареалы обитания живых существ и ландшафтные экосистемы главной причиной эпидемий в тропических регионах Земли и одной из величайших угроз для здоровья людей в будущем, если мы не прекратим в ходе хозяйственной деятельности эксплуатировать и уничтожать природу[92].

Помимо эпидемиологических проблем, экоиммунология обращается и к другим аспектам повреждения иммунной системы под воздействием факторов окружающей среды. Одна из актуальных тем исследований — нано- и микрочастицы пластика. Перепроизводство неразлагаемого в природных условиях пластика уже привело к тому, что его нано- и микрочастицы можно обнаружить в любом месте Земли, даже в отдаленных горных районах и на необитаемых островах. Их глобальное распространение с водой и атмосферными течениями неизбежно. Исследование, проведенное в 2020 году, показало, что нано- и микрочастицы пластика попадают вместе с пищей в организм не только животных, но и людей, что негативно сказывается на наших иммунных функциях[93].

Частицы пластика вызывают воспалительные реакции в кишечнике и становятся причиной оксидативного стресса, в ходе которого образуются свободные радикалы, способствующие возникновению рака. Проницаемость слизистой оболочки кишечника снижается за счет нано- и микрочастиц, что нарушает чувствительную экосистему в нем. Это происходит следующим образом: вредные бактерии размножаются на поверхности пластиковых частиц, образуя повышенную концентрацию токсинов и подавляя полезные симбионты. Это примерно то же самое, что происходит и с амфибиями. Там пестициды воздействуют на микробиом слизистых оболочек и делают животных более уязвимыми перед смертельными грибковыми инфекциями. Мы вскрываем все больше сложных экоиммунологических взаимосвязей. По мере развития науки приходит понимание, насколько дорого обходится Земле и ее биоразнообразию наша хозяйственная деятельность и как это сказывается на нашем же здоровье. Наши прегрешения против окружающей среды оборачиваются против нас самих, так как мы находимся в неразрывном единстве со своей средой обитания.

Еще один пример: мелкодисперсная пыль проникает в наши иммунные клетки и разрушает их. Это особенно касается макрофагов в дыхательных путях, которые подвергаются воздействию пыли из воздуха для дыхания. Самая опасная форма пыли — это мельчайшие металлические опилки с поверхности автомобильных тормозов, которые проникают в наши клетки и повреждают их иммунные функции. Так, например, в результате воздействия этой пыли мы теряем способность вырабатывать цитокины, например интерлейкин-6 или бета-интерферон, которые активизируют другие иммунные функции, в частности Т-клетки приобретенной иммунной системы. Уже давно известно, что тяжесть течения легочных инфекций во многом зависит от качества воздуха, которым мы дышим. Высокое содержание мелкодисперсной пыли отягчает болезнь[94].

Предметом изучения экоиммунологии является также наша внутренняя защита от рака. Несколько исследований, проведенных в израильском университете Хайфы, доказывают, что световое загрязнение повышает риск возникновения рака, если люди подвергаются ему на протяжении длительного времени[95]. Это объясняется тем, что искусственное освещение в вечернее и ночное время нарушает ритм выработки мелатонина в организме. Этот гормон, производимый эпифизом мозга, не только управляет нашим ритмом смены дня и ночи, но и отвечает за восстановление организма в ночное время. Иммунная система распознает и уничтожает потенциальные раковые клетки главным образом по ночам. Нарушения в производстве мелатонина, вызванные экологическими факторами, приводят к тому, что процесс поддержания здоровья утрачивает свою эффективность по сравнению с естественными условиями.

Чтобы понять важность экоиммунологических исследований, необходимо воспринимать их в комплексе. На болезнь, как и на здоровье, влияет множество факторов, и решающее значение приобретает их сумма и взаимодействие. Экоиммунология учит нас учитывать всю полноту факторов — убывающее биоразнообразие, вредные вещества, мелкодисперсную пыль, микрочастицы пластика, световое загрязнение. Все эти факторы нарушают равновесие между организмом и окружающей средой. Поэтому больная планета — это больные люди. И это вовсе не продиктованный паникерскими настроениями катастрофический сценарий будущего, а доказанная экоиммунологическая реальность, в которой мы живем здесь и сейчас.

Здоровая планета — здоровые люди

Но справедливо и обратное утверждение: здоровая среда обитания означает, что в ней живет больше здоровых людей. Не будем забывать, что наша иммунная система развивалась на протяжении сотен миллионов лет, основываясь на биологических достижениях амеб, медуз, оболочников, рыб, обезьян и других первопроходцев. Как и у этих животных, наша собственная иммунная система находится в процессе тесного взаимодействия с окружающей средой и представляет собой эволюционно проверенную систему адаптации к среде обитания, которая различает «свое» и «чужое», друга и врага, полезное и вредное. Полезное принимается и поддерживается, вредное отвергается — этот принцип нам уже известен. При этом между организмом и окружающей средой устанавливается естественно-исторический баланс, если иммунная система знакома с тем, какие виды внешних воздействий может оказать на нее среда обитания. Это знакомство охватывает ту среду, в которой происходило эволюционное становление и развитие человека. Сюда не входят крупные города или огромные сельскохозяйственные плантации. Наши эволюционные места обитания — это леса, саванны, степи и другие природные территории.

Каждый человек интуитивно способен отличить здоровую среду обитания от больной точно так же, как это делают птицы при строительстве гнезд. Как и любой другой вид животных, мы тонко чувствуем моменты, свидетельствующие о том, что экосистема разрушена, деградировала и биологически бедна или, наоборот, здорова, жизнеспособна и многообразна.

Вы можете сами убедиться в наличии у себя этой интуиции. Закройте глаза и представьте себе пустынный пейзаж с вырубленными и сожженными джунглями или городской пейзаж из сплошного бетона. А теперь вообразите, что вы сидите возле тихо журчащего лесного ручья на берегу, заросшем папоротниками, мхом и ягодными кустами. Ощущения и эмоции, связанные с этими контрастными картинами, у большинства людей совершенно разные. Деградировавшие природные ландшафты могут даже вызывать тоску и депрессию. И эти наши чувства — внутренняя, сформированная естественной историей система предупреждения, которая хочет помешать нам поселяться в местах обитания, не подходящих для нашего вида. Знания о здоровой и больной среде обитания хранятся глубоко в стволе нашего мозга, который называют также «рептильным мозгом», и в лимбической системе. Это историческое наследие человечества.

Эти различия в восприятии различных свойств окружающей среды были изучены и с научных позиций. По примеру Роджера Ульриха, который в 1980-х годах первым исследовал нейробиологический эффект от созерцания зеленых насаждений, в Эдинбургском университете было проведено несколько экспериментов с использованием электроэнцефалографов, регистрирующих электромагнитную активность мозга. Анализ полученных данных позволяет сделать выводы о неврологических процессах и состояниях в организме.

Шотландские ученые, как и Ульрих, установили, что, когда человек смотрит на природные пейзажи, у него повышается активность альфа-ритмов мозга. Это значит, что организм настроен на регенерацию в состоянии бодрствования. Анализ результатов электроэнцефалографии (ЭЭГ) с помощью современных компьютерных программ позволил отчетливо зафиксировать активизацию парасимпатической нервной системы и нейробиологическое состояние восстановительного расслабления. В то же время участники эксперимента, рассматривавшие изображения городской застройки без зеленых насаждений, демонстрировали легкую стрессовую реакцию мозга и активизацию симпатической нервной системы, то есть внутреннее возбуждение. Во всяком случае, городские пейзажи, в отличие от природных, не позволяли расслабиться с целью восстановления[96].

Одновременно в этих экспериментах было зафиксировано повышение вариабельности сердечного ритма (ВСР) у членов группы, созерцавших природу. Это дополнительный параметр, который позволяет сделать вывод о неврологических процессах. Высокая ВСР означает устойчивую и здоровую работу сердца. Интервалы между отдельными ударами пульса не всегда одинаковы. Здоровое сердце не бьется, словно метроном. Его ритм динамично меняется, приспосабливаясь к текущему моменту и его потребностям. Мысли, эмоции, визуальные и слуховые раздражители извне, запахи, движения тела заставляют сердце биться чуть быстрее или медленнее. Высокая ВСР говорит о хорошем здоровье. Только в состоянии стресса или болезни сердце бьется монотонно, вариабельность его ритма снижается. Отмеченное в эксперименте повышение ВСР подкрепляет результаты ЭЭГ, так как сердечный ритм задается главным образом взаимодействием симпатической и парасимпатической нервных систем. Повышение вариативности говорит о снижении активности симпатической нервной системы, которая ассоциируется со стрессом, и о доминировании парасимпатической нервной системы, которая отвечает за восстановление. Роль симпатической и парасимпатической нервных систем мы уже обсуждали в разделе, посвященном приматам.

Еще одно исследование, проведенное в Южной Корее с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), подтвердило выводы шотландских ученых. Этот метод позволяет точно локализовать участки возбуждения мозга и наблюдать за ними в режиме реального времени. Полученные результаты явно указывали на активизацию парасимпатической нервной системы при рассматривании снимков с природными пейзажами[97]. Мы уже знаем, что при этом обеспечивается приток энергии к иммунной системе, и уже одно только это является значимым результатом с точки зрения экоиммунологии.

У испытуемых, которые рассматривали городские пейзажи без природных элементов, томограф показал активность нейронов, которую южнокорейские исследователи интерпретировали как стрессовую реакцию. Интересно, что эти изображения активизировали также участки мозга, которые отвечают за распознавание и оценку опасностей и приводят наш организм в состояние боевой готовности. Эти участки мозга вместе с симпатической нервной системой забирают энергию у иммунной системы для возможных реакций бегства и борьбы, то есть вызывают состояние, противоположное тому, которое наблюдается при рассматривании природных сцен.

Эти эксперименты говорят о том, что экоиммунология занимается также проблемами нематериального влияния окружающей среды на иммунную систему. Однако центральное место в этой науке занимают материальные факторы воздействия на здоровье. В первую очередь это измеримые концентрации биоактивных и других веществ в воздухе, почве и водоемах.

Своеобразной сенсацией стали опубликованные в 2010 году результаты клинического исследования, которое было проведено частным медицинским университетом имени Парацельса в Зальцбурге. Ученые пришли к выводу, что микроклимат вблизи водопадов благотворно влияет на пациентов, страдающих астмой. Больные дети, жившие в городах, были привезены на трехнедельный курс лечения к водопаду Кримль в Австрии. Его высота составляет 380 метров, а суточный расход воды — 500 миллионов литров. В Европе нет более крупных водопадов. На протяжении трех недель дети каждый день играли возле водопада в условиях высокой влажности воздуха. После лечения отмечалось 40-процентное снижение клинических симптомов и воспалительных проявлений. Кроме того, увеличились производительность и объем легких. Прошло четыре месяца, прежде чем симптомы астмы вернулись к исходному уровню[98].

Вещества, содержащиеся в воздухе возле водопадов, укрепляют защитные свойства нашего мерцательного эпителия

Ученые объясняют этот эффект высокой концентрацией анионов (отрицательно заряженных ионов) кислорода, которая наблюдается вблизи водопадов. Если говорить конкретно о водопаде Кримль, то в зависимости от погоды в каждом кубическом сантиметре воздуха вблизи него содержится от 30 до 70 тысяч анионов. В отдельные дни концентрация доходит до 300 тысяч. Анионы образуются в результате трения падающей воды о воздух и скалы. Это так называемый электростатический эффект водопада. Образовавшиеся анионы связываются с мельчайшими частицами воды, плавающими в воздухе, в результате чего получается электроаэрозоль. Он висит в воздухе, словно туман, видимый невооруженным взглядом. На научном жаргоне эта аэрозольная завеса называется водопадной плазмой.

Положительное воздействие электроаэрозолей на астматиков авторы исследования объясняют следующим образом: заряженные частицы при контакте со слизистыми оболочками отдают им свой отрицательный заряд. Это ускоряет движения ресничек мерцательного эпителия и улучшает его очистительные функции. Одновременно электроаэрозоль увлажняет слизистую оболочку, что благоприятно сказывается на течении различных заболеваний дыхательных путей. Таким образом электроаэрозоли поддерживают первичные защитные механизмы нашей иммунной системы в дыхательных путях. Мерцательный эпителий и слизистая оболочка препятствуют проникновению в организм мелкодисперсной пыли и вредных веществ, а также вирусов и бактерий. Чем лучше работает эта защитная система, тем меньше опасность заболеть вследствие контакта с возбудителями. Кроме того, наши макрофаги лучше работают на хорошо очищенной и достаточно увлажненной слизистой оболочке, чем на загрязненной и пересушенной.

Аналогичный эффект был отмечен в вышеупомянутом исследовании и у детей, страдающих астмой, которые каждый день в течение трех недель находились в лесу вдали от водопада. В результате лечения у них также уменьшились клинические симптомы и воспалительные проявления. Однако в этой группе достигнутый эффект сохранялся в два раза меньше времени, то есть только два месяца. Леса также богаты электроаэрозолями. При трении падающих капель дождя о кроны деревьев вырабатывается электричество, в результате чего молекулы воздуха приобретают отрицательный заряд, то есть становятся анионами и соединяются с частицами воды. Особенно высокие концентрации электроаэрозолей наблюдаются после ливней, когда в лесу стоит влажный туман, которому не дают рассеиваться кроны деревьев. Кроме того, деревья защищают аэрозоли от разрушения под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения. В среднем лесной воздух содержит от 5 до 10 тысяч электроаэрозольных частиц на кубический сантиметр. В городах же их практически не наблюдается. Заряженные частицы притягиваются бетонными и пластиковыми поверхностями и лишаются своих свойств. Кроме того, они связываются с мелкодисперсной пылью и при этом разрушаются.

Приведенные примеры лишний раз подчеркивают комплексный характер экоиммунологических взаимодействий. Воздух в здоровых экосистемах содержит разные вещества, которые укрепляют защитные силы уже на уровне механических барьеров, например слизистой оболочки и мерцательного эпителия. В городе же эти вещества отсутствуют из-за воздействия различных факторов, в том числе мелкодисперсной пыли, которая, как мы уже знаем, вдобавок ко всему повреждает наши иммунные клетки.

Морское побережье и горы также оказывают экоиммунологическое влияние. В этих природных зонах тоже присутствуют электроаэрозоли, способствующие лечению заболеваний дыхательных путей.

На побережье анионы кислорода образуются в полосе прибоя таким же образом, как в водопадах и дождевых потоках. К ним добавляются морские соли, которые, как известно любому ЛОР-врачу, оказывают муколитическое (разжижающее слизь) действие не только в носоглотке, но и в легочных альвеолах[99]. Таким образом, морской воздух имеет тройное действие: увлажняет слизистые оболочки, способствует отделению вязкой слизи и с помощью отрицательно заряженных ионов активизирует движения мерцательного эпителия. Из этого примера видно, что экоиммунологические методы лечения не только улучшают самочувствие, но и по-настоящему повышают потенциал здоровья с помощью различных биологически активных веществ.

Для полноты изложения следует также упомянуть о том, что на морском побережье постоянно высокая влажность, так что необходимо учитывать возможность повышенного содержания спор плесневых грибков во вдыхаемом воздухе. Поэтому людям с аллергической реакцией на споры плесени больше подходит горный воздух. То же самое можно порекомендовать и при аллергии на выделения пылевых клещей. Высокогорье, а также арктические и субарктические регионы — это одни из немногих земных биотопов, где бытовые пылевые клещи не выживают.

Электроаэрозоли благотворно воздействуют на дыхательные пути

Горный климат зарекомендовал себя как хорошее подспорье для традиционных лекарств и в области дерматологии. Атопический дерматит, известный также как нейродермит, представляет собой функциональное нарушение защитных свойств кожи, сопровождаемое воспалением, вызванным чрезмерной реакцией иммунной системы на вещества, которые сами по себе обычно безвредны[100]. В ходе проведенного в 2017 году клинического исследования 88 пациентов с таким диагнозом в возрасте от 8 до 18 лет, которых врачи классифицировали как трудно поддающихся лечению, были отправлены на шесть недель на высокогорный климатический курорт в Швейцарии. Сразу после лечения и через шесть недель после него клиническое обследование показало значительное уменьшение воспалительных реакций. Через шесть месяцев после пребывания на курорте состояние пациентов уже не отличалось от начального состояния. Таким образом, необходимо регулярное повторение курса лечения в высокогорном климате — что, в общем-то, неудивительно[101].

В следующем исследовании 88 детей с атопическим дерматитом были отправлены в швейцарские Альпы и на побережье Северного моря в Голландию для шестинедельного лечения. Во время лечения в обеих группах наблюдалось значительное снижение в крови специфических Т-клеток памяти, которые были ошибочно запрограммированы на уничтожение собственных клеток кожи. Также наблюдалось снижение количества В-клеток, которые вырабатывали ошибочные антитела, уничтожавшие кожную ткань. Таким образом, как высокогорный климат, так и морской помогли снизить активность течения болезни[102]. Терапевтический эффект этих регионов оказался столь же успешным при псориазе, причина которого также может быть отнесена к ошибочному программированию иммунной системы[103].

Плавание в морской воде особенно полезно при псориазе. Соленая вода обладает антисептическим действием, то есть уменьшает количество болезнетворных микробов на коже. Это способствует заживлению ран. Магний, содержащийся в морской воде, улучшает водный обмен в коже и ее сопротивляемость[104]. Но и ванны с водой из целебных минеральных источников также оказывают благотворное воздействие на аутоиммунные заболевания кожи благодаря особому минеральному составу и подавляют воспалительные реакции[105].

Здоровые растения — предпосылка хорошего качества воды

Водоросли и другие водные растения в минеральных источниках и морях имеют решающее значение для качества воды. Биомасса растительных форм жизни в воде способствует осаждению плавающих в толще воды частиц, многие из которых оседают на растениях. Кроме того, растительные организмы способны абсорбировать растворенные в воде вещества. Благодаря этим свойствам они очищают воду и насыщают ее кислородом, получаемым в процессе фотосинтеза. С учетом оздоровительных свойств водоемов экологическое состояние растительного мира приобретает особо важное значение для нашего здоровья.

Лесной воздух и иммунная система

Высокогорный альпийский заповедник Обербергер в природном парке Зирбитцкогель-Гребензен в Штирии покрывает горный склон на высоте около 1600 метров над уровнем моря. Среди растительности здесь преобладает европейская кедровая сосна (Pinus cembra). Это хвойное дерево с сильным ароматом произрастает в Альпах и Карпатах. Любители пеших прогулок в этих местах подвергаются природной ароматерапии. Основным действующим веществом в воздухе является пинен.

В конце седьмой главы, где речь шла об «иммунной системе» леса, мы уже познакомились вкратце с этим вторичным веществом растительного происхождения, которое принадлежит к группе терпенов и отвечает в царстве растений за иммунные функции и передачу информации химическими средствами. Альфа- и бета-пинены представляют собой основные части соснового масла. Они оказывают антибактериальное действие и убивают вредителей. Именно они придают различным породам сосен характерный интенсивный запах, который господствует над заповедником все лето, особенно в августе, когда спелые сосновые шишки, похожие на темно-фиолетовые рубины, усеивают землю. Из них сочится остро пахнущая пиненом смола. Лично мне эти шишки представляются драгоценными камнями альпийской растительности. Настоящие природные сокровища!

В этих альпийских сосновых рощах проходят полевые эксперименты в рамках докторской диссертации, над которой я работаю с марта 2021 года в Институте биологии при университете города Граца. Каждый год сюда приезжают примерно по 25 участников из Вены, чтобы в течение двух полных дней насладиться природными красотами и ароматами соснового леса. Сразу после приезда и перед отъездом у них берутся пробы крови на анализ. Таким образом я пытаюсь выяснить, какое воздействие пребывание на природе оказывает на иммунную и эндокринную (гормональную) системы человека[106].

Поводом для моего экоиммунологического исследовательского проекта стал ряд экспериментов, проведенных в Токийском медицинском университете группой сотрудников под руководством Цин Ли. Они смогли доказать, что двухдневное пребывание городских жителей в лесистой местности к западу от Токио на 50 процентов повышает количество и активность естественных киллеров в крови. Эти параметры крови сохраняются у участников на протяжении четырех недель. После пребывания в лесу возрастает также концентрация иммунопротеинов перфорина, гранулизина и гранзимов, с которыми мы уже познакомились, рассматривая иммунную систему человека и животных[107].

Ветка европейской кедровой сосны

Исследователи выдвинули гипотезу, что этот эффект обусловлен не только уже известными нейробиологическими механизмами, инициированными через парасимпатическую нервную систему, которая активизирует иммунитет. В его основе, по предположениям ученых, должна быть также вещественная причина. Поэтому у команды экспериментаторов возникла идея протестировать терпены из лесного воздуха в лабораторных условиях на культурах иммунных клеток человека. При этом добавление пинена — основного вещества, содержащегося в хвойных растениях, — активизировало естественные киллеры.

Для следующего эксперимента в лабораторию был превращен один из токийских отелей. Испытуемые провели в нем три ночи. Во время сна испарители насыщали воздух водяным паром. Но для половины участников в пар добавлялось также эфирное масло, полученное из японского кипариса. Концентрация содержащегося в нем пинена соответствовала составу лесного воздуха. В «пиненовой» группе количество и активность естественных киллеров увеличивались с каждым днем, что определялось путем анализа крови каждое утро. В отличие от них, контрольная группа «водяного пара» не показала никаких изменений в параметрах иммунной системы.

Совокупность этих опытов показывает, что гипотеза, в соответствии с которой терпены в лесном воздухе оказывают активизирующее воздействие на иммунную систему человека, вполне правдоподобна[108]. В условиях леса этот эффект проявлялся сильнее, чем в лаборатории, потому что там на человека влияет целый коктейль из множества биоактивных веществ и нейробиологических раздражителей.

Разумеется, потребуются дополнительные исследования и эксперименты, чтобы окончательно проверить гипотезу и лучше понять связь нашей иммунной системы с пиненом и другими терпенами. Я хотел бы внести в это вклад своей докторской диссертацией по экоиммунологии на примере лесного заповедника Обербергер в Альпах. Я выбрал этот тип растительности, потому что кедровая сосна отличается, пожалуй, самым высоким содержанием пинена среди всех пород сосен.

Делать какие-то окончательные выводы пока рано. Однако предварительные итоги, полученные в 2021 году, позволяют говорить о том, что у участников после двух дней пребывания в лесу были явно заметны изменения параметров крови, способствующие укреплению здоровья. Так, например, заметно возросло содержание гормона надпочечников дегидроэпиандростерона (ДГЭА). Как уже было отмечено, это вещество поддерживает работу сердца и одновременно стимулирует иммунную систему.

Кроме того, в среднем отмечалось увеличение числа естественных киллеров и Т-клеток, с которыми мы уже познакомились, изучая естественную историю иммунной системы, но для обнародования более точных данных еще слишком рано. Можно, однако, с достаточной уверенностью предположить, что посещение сосновых лесов, особенно на регулярной основе, даст положительный эффект, как эндокринологический, так и иммунологический. Результаты этого исследования, рассчитанного на три года, можно ожидать весной 2024 года.

Посещение леса запускает выработку в коре надпочечников иммуноактивных гормонов

Экоиммунология делает пока лишь первые шаги в изучении иммуноактивных природных веществ. Во времена набирающего обороты экологического кризиса это может внести важный вклад в понимание того, как сказывается на нашем здоровье возрастающая нагрузка на окружающую среду, выражающаяся в том числе и в том, что мы не просто подвергаемся воздействию вредных веществ, но и теряем всё большее количество здоровых экосистем. Экоиммунология может помочь нашему обществу и политикам более осознанно относиться к среде своего обитания.

Глава 9

Питание, психика, иммунная система — внутренняя экоиммунология человека

В самом начале главы 8 мы провели различие между внешней экоиммунологией, которая занимается изучением воздействия окружающей среды на наши защитные механизмы, и внутренней экоиммунологией, которую интересуют имеющие значение для иммунной системы человека и животных экосистемы внутри организма.

Микробиом кишечника представляет собой важный аспект нашего здоровья. Из естественной истории иммунной системы известно, что уже 500 миллионов лет назад ранние формы медуз и других стрекающих начали культивировать симбиоз с микроорганизмами внутри своих пищеварительных полостей. Тем самым они положили начало эволюционному развитию микробиомов в органах животных. То, что мы едим, оказывает влияние на микрофлору кишечника, а она, в свою очередь, воздействует на наши иммунные функции. Таким образом, экосистема кишечника представляет собой ключ для понимания взаимосвязей между питанием и защитными силами организма.

Еще один пример сложных связей в организме — это взаимодействие нервной и иммунной систем. Как мы уже знаем, его истоки также прослеживаются вплоть до стрекающих, у которых впервые среди многоклеточных организмов появились и нервная, и иммунная системы. Поскольку психические явления и нервная система неразрывно связаны друг с другом, то нейробиологам приходится постоянно заниматься вопросами взаимосвязей между психикой и иммунной системой.

Питание и иммунология

Продукты питания представляют собой важный фактор с точки зрения иммунологии. Это роднит их с экоиммунологией. Защитный барьер слизистых оболочек в нашем пищеварительном тракте, как и кожный покров, является первым физическим препятствием для патогенов и вредных веществ. Как уже было сказано, пищеварительные полости желудка и кишечника представляют собой по сути внешние поверхности тела, которые избирательно усваивают различные вещества из окружающей среды. Это мы видим уже на примере стрекающих, через пищеварительные полости которых свободно протекала морская вода с содержащимися в ней питательными веществами. В контексте иммунологии питания важно осознать, что слизистые оболочки пищеварительного тракта представляют собой барьер между телом и окружающей средой. Если говорить конкретно о человеке, то складчатая слизистая оболочка кишечника представляет собой самую обширную внешнюю границу тела. Ее площадь составляет от 300 до 500 квадратных метров.

Слизистая оболочка кишечника с симбионтами

Слизистая оболочка кишечника пронизана лимфатической тканью, которая представляет собой важный иммунный орган. Лимфатическая система связывает ее с лимфатическими тканями всего организма, так что воспалительные процессы в кишечнике всегда затрагивают всю нашу биологическую систему. Кишечные микробы — это важная функциональная часть внешнего барьера пищеварительного тракта. Они находятся в равновесии с окружающей средой, как и микропланктон в водоемах. И точно так же, как экосистема водоема может рухнуть в результате нагрузки на окружающую среду и утратить свои очистные функции, что выражается в неконтролируемом цветении водорослей, экосистема нашего кишечника может не выдержать, если пища будет чересчур однообразной или насыщенной вредными веществами. Последствиями станут хронические воспаления, что неизбежно скажется на состоянии здоровья.

Каждый вид кишечной микрофлоры выполняет специфические задачи в рамках защитного механизма. Одни поддерживают пищеварительный процесс за счет вырабатываемых энзимов. Другие производят витамины и биоактивные вещества, которые необходимы клеткам для здорового функционирования, но не вырабатываются организмом самостоятельно. В их число входят, например, витамины В_2, В_12 и К, а также фолиевая кислота и биотин. Микробы в нашем кишечнике нейтрализуют ядовитые вещества, поступающие с пищей или вырабатываемые в процессе пищеварения. Таким образом, наши симбионты берут на себя функции иммунной системы, потому что токсины — это тоже возбудители болезней, с которыми необходимо бороться. К ним относятся, в частности, канцерогенные нитрозамины, которые могут образовываться в желудке в ходе переваривания пищи.

Для нашей иммунной системы микробиом кишечника жизненно важен. Полезные кишечные бактерии защищают нас от болезнетворных возбудителей, убивая их. Тем самым они очищают и защищают свою среду обитания — экосистему кишечника — и попутно оказывают нам услугу. Кроме того, кишечные бактерии тренируют всю нашу иммунную систему. На примере многообразной экосистемы кишечника она учится эффективно различать «свое» и «чужое», полезное и вредное. Помимо всего прочего, микробы с помощью сигнальных веществ влияют на сложную сеть обмена информацией во врожденной иммунной системе и в иммунных клетках, основанную на цитокинах. Микроорганизмы стимулируют выработку антимикробных пептидов (АМП) и белков острой фазы (БОФ), которые особенно важны для эффективной иммунной реакции на ранних стадиях развития инфекции. Кишечные микробы принимают также участие в сигнальной цепи между кишечником и мозгом. За счет стимуляции нейротрансмиттеров типа серотонина или дофамина они могут влиять как на наше психическое состояние, так и на регулирование иммунных функций. Нарушения в микрофлоре кишечника оказывают негативное воздействие на сложную сеть сигнальных веществ в иммунной системе.

Питательная среда кишечных микробов — слизь, покрывающая внутренние стенки кишечника, — является основой жизни симбионтов. Все, что мы потребляем с пищей, влияет как на качество слизи, так и на обитающие там микроорганизмы. Сегодня нам известно, что состав микрофлоры закладывается уже при рождении, когда плод проходит через родовые пути и вступает в контакт с вагинальной микрофлорой матери. На протяжении жизни этот состав дополняется и адаптируется к окружающей среде. Поэтому люди, появившиеся на свет с помощью кесарева сечения, тоже способны со временем сформировать экосистему кишечника.

Кишечные микробы

Микроорганизмы из кишечника на протяжении всей жизни взаимодействуют с иммунной системой. На их деятельность влияет наша пища. Так называемые пребиотики служат полезным бактериям источником энергии и способствуют их росту. Речь идет о балластных веществах, которые нашим организмом не усваиваются, но снабжают кишечную микрофлору углеводами. Пребиотические балластные вещества — это питание для наших симбионтов, а не для нас. Самые известные пребиотики — это фруктан, галактан и глюкан. Они содержатся преимущественно в продуктах питания растительного происхождения, таких как цикорий, чеснок, спаржа, злаки, козелец, топинамбур и другие корнеплоды. В отличие от пребиотиков, пробиотики содержат бактерии, которые способны жить в нашем организме. Их можно встретить, например, в йогурте, простокваше, квашеной капусте и других продуктах, подвергшихся ферментации. Кроме того, хорошо известно и подробно задокументировано иммунобиологическое значение витаминов, минеральных веществ и вторичных веществ растительного происхождения. Но главную роль в рамках экоиммунологии играют описанные выше экосистемные и адпатированные к условиям окружающей среды свойства нашего кишечника.

Связь кишечника и легких

Тот факт, что характер питания может влиять на течение инфекционных заболеваний, известен уже давно и хорошо задокументирован[109]. Между тем в ходе экспериментов на животных было доказано, что кишечные бактерии способны даже помогать в защите от легочных инфекций. Когда наша иммунная система через свою сигнальную сеть призывает кишечные бактерии помочь в борьбе с респираторными заболеваниями, они мигрируют через кровоток в дыхательные пути и оказывают поддержку иммунным клеткам в борьбе с вирусами и болезнетворными бактериями. Для этого они используют свое проверенное в ходе эволюции оружие — например, вырабатывают собственные иммунные белки, антибиотики и противовирусные препараты, которые создавались для защиты от бактериофагов. Они также предотвращают проникновение патогенов в клетки наших дыхательных путей, блокируя клеточные мембраны[110]. По результатам исследования, опубликованного в журнале Nature, эксперты в области иммунологии слизистой оболочки кишечника пришли к выводу, что сбалансированная диета с высоким содержанием клетчатки и достаточным обеспечением кишечного микробиома пре- и пробиотиками благоприятно влияет на течение легочных инфекций. Авторы называют эту взаимосвязь кишечно-легочной осью[111].

В 2021 году British Medical Journal опубликовал материалы иммунологического исследования продуктов питания. В нем приняли участие почти 3 тысячи пациентов, 568 из которых были больны COVID-19. Выяснилось, что сбалансированная пища, состоящая преимущественно из продуктов растительного происхождения, существенно снижает риск тяжелого течения коронавирусной инфекции. Пониженный риск наблюдается и у тех, кто дополняет растительную пищу рыбой. В то же время бедный углеводами рацион с высоким содержанием мяса отягощает протекание инфекционных болезней[112]. Был обследован также больничный персонал, работавший в условиях повышенного риска заражения. Результаты подтвердили сделанные ранее выводы: сбалансированное питание с высоким содержанием витаминов, минеральных веществ и вторичных веществ растительного происхождения благотворно влияет на иммунную систему, в том числе и при инфекциях дыхательных путей.

Иммунные бустеры из почвы

Кишечник выступает в роли посредника между окружающей средой и иммунной системой. Живя в природных условиях, мы постоянно контактируем с микроорганизмами из почвы. Они попадают в наш желудочно-кишечный тракт. Это может произойти, когда мы прикасаемся руками к земле, а потом трогаем ими рот. Но чаще микробы попадают в наш организм с воздухом. В естественных экосистемах средой обитания микробов являются как почва, так и воздух. С поверхности земли они сдуваются ветром и смываются водой, а затем в виде аэрозолей парят в воздухе, нередко вместе с мельчайшими частицами минеральной или органической пыли. Когда мы вдыхаем их, они задерживаются нашим мерцательным эпителием, который транспортирует их в направлении глотки, где они проглатываются. Так бактерии из природной среды попадают к нам в кишечник, где частично становятся частью нашей внутренней экосистемы. Иммунитет умеет отличать друзей от врагов. Полезные микробы остаются жить, а вредные уничтожаются.

На Земле повсеместно встречается микроб под названием Mycobacterium vaccae. Он обитает в перегное лесных, луговых почв и особенно на берегах водоемов. Эта бактерия впервые была обнаружена в коровьем навозе и считается одним из самых исследованных микроорганизмов. Являясь близким родственником возбудителя туберкулеза, она совершенно безвредна, хотя и важна с экологической точки зрения.

Иммунологи Джон Стэнфорд и Грэм Рук уже в 1970-е годы установили, что люди, жившие по берегам озера Кьога в Уганде, реже умирали от туберкулеза, чем обитатели других регионов этой страны. Их иммунные системы были лучше знакомы с бактериальным возбудителем этой страшной болезни. Впоследствии Стэнфорд и Рук вместе с коллегами выяснили, что в почвах вокруг озера была очень распространена Mycobacterium vaccae. Иммунобиологические исследования показали связь между частыми контактами с этим почвенным микроорганизмом и улучшенной иммунной защитой. Этот феномен известен как «фермерский эффект». Живущая в земле бактерия чрезвычайно эффективно поддерживает нашу иммунную систему. В случае контакта с опасными возбудителями наши защитные механизмы срабатывают более интенсивно, повышая шансы на успешную защиту от болезней[113].

В этой связи представляет интерес тот факт, что совершенно безобидная Mycobacterium vaccae состоит в родстве с возбудителем туберкулеза. Вероятно, этим и объясняется то, что люди, находящиеся в постоянном контакте с этой бактерией, реже болеют туберкулезом. В 2010–2011 годах иммунолог Сяоянь Ян из клиники Сычуаньского университета в Чэнду проанализировала вместе с другими китайскими учеными 13 международных клинических исследований, посвященных действию Mycobacterium vaccae. Метаанализ показал, что эта бактерия не просто способна защитить от возбудителя туберкулеза. Исследователи высказали предположение, что созданные на ее основе вакцины могут предотвращать в будущем эпидемии туберкулеза в зонах риска[114]. В соответствии с их гипотезой Mycobacterium vaccae стимулирует образование антител, которые в связи с биологической схожестью обоих видов бактерий могут быть эффективны и против опасного возбудителя или, по крайней мере, смогут сдерживать его распространение, пока организм не выработает достаточного количества антител конкретно против туберкулеза.

Даже если отвлечься от туберкулеза и всевозможных вакцин, можно утверждать, что регулярный контакт с живущими в земле бактериями тренирует нашу иммунную систему. Мы ведь уже знаем, что иммунитет — это не борьба добра и зла, а постоянный процесс балансирования между различными влияниями. Мы состоим в непрерывном контакте с вирусами и бактериями, и наша иммунная система старается реагировать на различные ситуации. Если она хорошо натренирована и находится в состоянии равновесия, то опасность заболеть уменьшается. Болезнь возникает тогда, когда ответных мер оказывается недостаточно. Тренировка с помощью почвенных микробов, которые добираются до нашего кишечника, увеличивает шансы, что удастся сохранить баланс и что ни один возбудитель не выйдет из-под контроля. Поэтому иммунологи сегодня говорят не об усилении иммунитета, а о его балансировке. Это особенно важно понимать, потому что контакт с природой возвращает наше тело и его органы в здоровое и естественное состояние равновесия. И путь к этой цели ведет через кишечник.

Все эти знания об экологических процессах в нашем микробиоме приводят к важному выводу: почвенные микробы, с которыми мы контактируем в нетронутой, естественной среде обитания, являются своего рода пробиотиками, но мы получаем их не с пищей, а непосредственно из окружающей среды.

Психика, кишечник, иммунная система

Как уже было сказано, микробы, обитающие в кишечнике, влияют на сеть передачи информации в рамках иммунной системы с помощью сигнальных веществ. Их биологические сигналы способны в числе прочего запускать выработку серотонина и дофамина. Оба эти гормона улучшают настроение и способствуют усилению концентрации. Поэтому их называют гормонами счастья. Через кишечно-легочную ось симбионты из пищеварительного тракта способны изменять наше психическое состояние. Поэтому некоторые ученые склонны продлевать эту ось вплоть до мозга.

Особенно впечатляет связь между почвенными бактериями и состоянием психического здоровья. Размышляя на эту тему, нельзя не поражаться, насколько сложен человеческий организм и насколько интенсивно он взаимодействует с окружающей средой. Эксперименты доказывают, что бактерия Mycobacterium vaccae, с которой мы уже познакомились в предыдущем разделе, попадая в организм, способна избавлять от стресса и страха и приводить психику в уравновешенное состояние[115].

Сигнальная сеть между мозгом, нервной системой, микрофлорой кишечника и иммунной системой

Иммунолог Грэм Рук, о котором уже говорилось ранее, продемонстрировал в 2016 году, что бактерии могут оказывать мощное воздействие на психическое здоровье[116]. Так, например, было доказано, что контакт с почвенными бактериями и их регулирующее воздействие на иммунную систему уменьшают воспалительные реакции, причем не только в кишечнике, но и во всем организме людей и животных. Хронические воспаления повышают риск возникновения психических заболеваний. В психонейроиммунологии это считается непреложной истиной. Так, например, млекопитающие, в организме которых обнаружены воспалительные процессы, чаще демонстрируют реакции на неприятные события в виде посттравматического стрессового расстройства или страха. Экспериментальным путем доказано, что эти негативные психические реакции удается сгладить за счет контактов с почвенными микробами, выполняющими защитные функции[117].

И наоборот, психические проблемы, носящие продолжительный характер, способны вызывать воспалительные реакции в теле. Стресс становится причиной воспаления даже при отсутствии каких бы то ни было возбудителей болезни[118].

Евросоюз выделил 9 миллионов евро на разработку проекта «Мой новый кишечник», в ходе которого будет исследовано влияние желудочно-кишечного тракта на психику. Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности должны в будущем заменить лекарства, став таким образом новым поколением психофармацевтических средств. Они уже получили название психобиотиков. Природа готова предоставлять нам это лечение без всяких рецептов, если мы сохраним как можно больше здоровых экосистем.

В разделе, посвященном приматам, мы видели, что социальный стресс и отсутствие социальных контактов вредно сказываются на психике и нервной системе и тем самым затрагивают также иммунную систему, делая обезьян и людей более уязвимыми перед болезнями. Метаанализ более чем 300 научных работ, проведенный в университете Кентукки, позволил прийти к выводу, что острый стресс, продолжающийся в течение нескольких минут или часов, может кратковременно укрепить иммунную систему. В то же время длительный стресс (например, в предэкзаменационный период) ослабляет активность иммунных клеток. Если же говорить о хроническом стрессе (например, после утраты социальных контактов или в результате других психотравмирующих событий), то от него страдает вся иммунологическая сигнальная сеть и выработка цитокинов. Это означает, что в долгосрочной перспективе ослабевают все защитные механизмы и усиливаются воспалительные реакции в организме[119].

Эпидемиологическое исследование, проведенное в Китае в августе 2021 года, позволило прийти к выводу, что тревожные расстройства психики повышают риск заражения вирусом SARS-CoV-2, а депрессия не просто увеличивает вероятность инфекции, но и приводит к более тяжелому течению болезни или даже смерти от COVID-19[120].

По мере развития науки становится все очевиднее, что психика, нервная система, окружающая среда и иммунитет неразрывно связаны друг с другом и влияют друг на друга. Односторонний подход к изучению патогенов, иммунных клеток или антител не приблизит нас к всеобъемлющему пониманию иммунной системы. Наука будущего должна рассматривать иммунную систему только в сочетании с другими органами и системами, а также с учетом влияния экологии, психических и социальных аспектов. Я уверен, что нам удастся эта смена парадигмы, потому что голос научных свидетельств становится все более убедительным.

Заключительное слово

Медицина будущего

В естественной истории иммунной системы мы встречались с бактериями, борющимися с бактериофагами. Познакомились с амебами, которые уже давным-давно изобрели принцип фагоцитоза. В поисках происхождения иммунных белков проследили эволюцию растений, стрекающих и других многоклеточных организмов. Обнаружили прототипы наших иммунных клеток у насекомых. Наконец, поприсутствовали при «Большом взрыве» иммунологии, когда у палеозойских рыб появились Т-клетки, В-клетки и антитела.

Иммунные системы высокоразвитых млекопитающих очень похожи на наши. Врожденные защитные механизмы развиваются у нас, как и у других млекопитающих, еще в материнской утробе. Появившись на свет, мы уже обладаем таким иммунологическим оружием, как макрофаги, фагоциты, клетки «скорой помощи». Кроме того, нам по наследству передается способность создавать в течение жизни антитела против возбудителей. Но мы носим в себе наследство не только наших родителей, но и всего древа жизни, насчитывающего более трех миллиардов лет.

Рассматривая историю эволюции, мы подошли к взаимосвязям между психикой, социальной жизнью, окружающей средой, питанием и защитными силами организма. Иммунная система человека представляет собой часть эволюционного биоразнообразия Земли, потому что мы являемся порождением не только культуры, но и природы. Как и у любого другого биологического существа, наше здоровье зависит от состояния среды обитания. Нам, как и животным и растениям, требуется подходящая окружающая среда, чтобы быть и оставаться здоровыми.

Зародыши человека и крота — оба млекопитающие

XXI век может ознаменовать собой наступление новой эры научного мышления, в которой здоровье и иммунная система начнут рассматриваться в неразрывном единстве с окружающей средой. Медицина нашего времени должна всесторонне учитывать множество факторов, которые влияют на наши защитные механизмы и здоровье. Это ставит перед нами задачу с величайшим усердием заботиться о сохранении и восстановлении нашей среды обитания и экологии Земли. Потому что только здоровую планету могут населять здоровые люди.

Если мы поймем, что утрата биоразнообразия больно скажется на нас самих и на будущих поколениях, это приведет нас к необходимости совершить экологический переворот во всей нашей политической и экономической деятельности. Экоиммунология имеет достаточный потенциал, чтобы убедить людей в такой необходимости, потому что эта наука как никакая другая демонстрирует, насколько тесно наше здоровье связано с состоянием планеты.

Я надеюсь, что эта книга о естественной истории иммунной системы внесет свой вклад в понимание того, каким должно быть наше экологическое будущее.

Слова благодарности

Эта книга, которую украшают многочисленные креативные иллюстрации и художественно оформленная обложка, стала выражением моей давней мечты придать своей работе эстетические черты. Я благодарен иллюстратору Мире Шмидт за воплощение этой идеи в жизнь. Благодарю также агентство Guter Punkt за оформление обложки. Они прониклись темой естественной истории иммунной системы и смогли выразить ее в художественном виде, проявив фантастические творческие качества. При этом ни на шаг не отошли от содержания, в результате чего иллюстрации позволяют лучше понять, о чем идет речь в книге.

Я признателен издательской группе Bastei Lübbe за открытый подход к моей идее эстетического наполнения книги, посвященной иммунной системе. Я рад, что книга была издана в издательстве Quadriga. Мне хотелось бы выразить благодарность и искреннюю признательность редактору Рамоне Йегер за продуктивное сотрудничество, в результате которого мы открываем путь в книжные магазины и библиотеки уже третьей моей книге.

Как и в других своих книгах, я благодарю вас, мои дорогие читатели. Спасибо за то, что вы дарите мне свое доверие. Надеюсь, что книга принесла вам пользу и вы нашли в ней новые интересные знания об иммунной системе и ее истории, длившейся на протяжении многих эпох.

Грац, февраль 2022 г.

Указатель

A

Aeromonas hydrophila 1

Argonauta argo (головоногий моллюск) 1

B

British Medical Journal 1, 2

B-клетки 1, 2, 3, 4, 5

C

Cell (журнал) 1, 2, 3, 4

COVID-19 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27

D

Deutsche Medizinische Wochenschrift (журнал) 1, 2

Drosophila melanogaster 1, 2

I

International Journal of Immunopathology and Pharmacology (журнал) 1

J

Journal of Infection (журнал) 1, 2, 3

L

Landscape Ecology (журнал) 1, 2

M

MAMP (молекулярные паттерны, ассоциирующиеся с микроорганизмами) 1

Mycobacterium vaccae (микроб) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

N

Nature (журнал) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12

Nature Communications (журнал) 1, 2

P

PAMP (молекулярные паттерны, ассоциирующиеся с патогенами) 1

S

SARS-CoV-2 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30

Science (журнал) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

А

Амебы 1, 2

Амфибии 1, 2

Антитела 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Археи (первобактерии) 1, 2

Б

Бактерии 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

Бактериофаги 1

Бейеринк, Мартинус 1

Беринг, Эмиль фон 1

Болезненное поведение 1, 2

Боман, Ханс 1

Бош, Томас 1

В

Вакцины 1, 2, 3

Водоросли 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

Г

Гебреисус, Тедрос Aданом 1

Геккель, Эрнст 1, 2

Грам, Ханс 1

Д

Данио рерио 1

Дарвин, Чарльз 1, 2

Джек, Роберт 1

Дженнер, Эдвард 1, 2

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24

ДНК-вакцины 1

Дрозофила 1

дю Паскье, Луи 1

Е

Естественные киллеры 1, 2, 3, 4, 5

З

Земмельвейс, Игнац 1

Зооксантеллы 1

И

Ивановский 1

Изменения климата 1

Икскюль, Якоб Иоганн фон 1, 2

Иммунитет 1, 2, 3, 4

Иммунная система 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12

Иммунопротеины 1, 2, 3

К

Китасато, Сибасабуро 1

Клещи 1

Книдарии 1

Кораллы 1, 2

Коронавирусы 1

Кутикула (эпидермис растений) 1

Л

Лес 1, 2

М

Макрофаги 1, 2

Малая интерферирующая РНК (миРНК) 1

Мечников, Илья Ильич 1

Микробиом 1

Микробиом кишечника 1

Микробы 1, 2

Моноциты 1, 2

мРНК (матричная РНК) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

Н

Насекомые 1, 2

Нейтрофилы (иммунные клетки) 1, 2, 3, 4

Неспецифические цитотоксические клетки (NCC) 1

Нетя, Михай 1

О

Оболочники 1, 2, 3, 4, 5

Осы 1

П

Парасимпатическая нервная система 1

Пастер, Луи 1

Перекрестный иммунитет 1, 2

Питание и иммунология 1

Психонейроиммунология 1

Птицы 1

Р

Рак

раковая опухоль 1

Регев-Йохай, Гили 1

Риновирусы 1

РНК (рибонуклеиновая кислота) 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27

РНК-вирусы 1, 2

РНК-сайленсинг 1, 2, 3

Рук, Грэм 1, 2, 3

С

Симпатическая нервная система 1, 2

Слизистая оболочка кишечника 1, 2

СПИД 1, 2

Стрекающие (книдарии) 1, 2, 3

Стресс

гормоны стресса 1, 2, 3, 4

Стэнфорд, Джон 1

Т

Табак 1

Терпены 1, 2, 3

Толл-подобные рецепторы (TLR) 1, 2

Толл-рецепторы 1

У

Ульрих, Роджер 1, 2, 3, 4

Ф

Финлей, Карлос 1

Ц

Цзян 1

Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) 1, 2

Цин Ли 1

Цитокины 1

Ш

Шлитцер, Андреас 1

Шмидт, Александр 1, 2, 3

Штрек, Хендрик 1

Э

Экоиммунология 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

Экология 1, 2

Экспрессия генов 1

Электроаэрозоли 1

Я

Ян, Сяоянь 1

Примечания

1

Di Rienzi S. D. und Mitarbeiter, The human gut and groundwater harbor non-photosynthetic bacteria belonging to a new candidate phylum sibling to Cyanobacteria, eLife, Ausg. 2, Artikel Nummer e01102 von 01.10.2013, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3787301/

2

Borrel G. und Mitarbeiter, The host-associated achaeome, in: Nature Reviews, Ausg. 18 vom November 2020, S. 622–636, online: www.nature.com/articles/s41579-020-0407-y

3

Vreeland R. H., Rosenzweig W. D. und Powers D. W., Isolation of a 250 million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal, in: Nature, Ausg. 407 vom 19.10.2000, S. 897–900, online: www.nature.com/articles/35038060

4

Abedon S. T., Bacterial» immunity«against bacteriophages, in: Bacteriophage. Ausg. 2 vom 01.01.2012, S. 50–54, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3357385/ und Ongenae V. und Mitarbeiter, Cell wall deficiency as an escape mechanism from phage infection, in: Open Biology, The Royal Society Publishing, Ausg. 11 vom 01.09.2021, https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsob.210199

5

Schelling M. und Sashital D., Bacterial immunity: an adaptable defense, in: eLife, Ausg. 9 vom 20.03.2020, https://elifesciences.org/articles/56122

6

100 Millionen Jahre alte Amöben entdeckt: Erstmals Existenz spezieller Mikroorganismen in der Kreidezeit nachgewiesen, Scinexx vom 30.01.2022, online: www.scinexx.de/news/geowissen/100-millionen-jahre-alte-amoeben-entdeckt/

7

Chen G. und Mitarbeiter, Immune-like phagocyte activity in the social amoeba, Science, Ausg. 317 vom 03.08.2007, S. 678–681, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3291017/

8

Robert Jack und Louis Du Pasquier, Evolutionary Concepts in Immunology, S. 15, Springer Nature, Cham, 2019

9

Конкретно речь идет о бактерии Bacillus licheniformis, см.: Ji X. und Mitarbeiter, The collabo-rative effect of Chlorella vulgaris – Bacillus licheniformis consortia on the treatment of municipal water, Journal of Hazardous Materials, Ausg. 365 vom 05.03.2019, S. 483–493, online: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389418310586

10

Egan S. und Mitarbeiter, Bacterial pathogens, virulence mechanism and host defence in marine microalgae, Environmental Microbiology, Ausg. 16 von 2014, S. 925–938, online: https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/1462-2920.12288

11

Horas E. und Mitarbeiter, Why are algal viruses not always successful?, in: Viruses, Ausg. 10 vom 05.09.2018, S. 474, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6165140/

12

Lecoq H., Discovery of the first virus, the tobacco mosaic virus, Comptes rendus de l’Academie des sciences, serie III , Sciences de la vie, Ausg. 324, S. 929–933, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11570281/

13

Hibino H., Biology and epidemiology of rice viruses, Annual Review of Phytopathology, Ausg. 34 von 1997, S. 249–274, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15012543/

14

Qin J. und Mitarbeiter, Defense and counter-defense in rice-virus interactions, Phytopathology Research, Ausg. 1 vom 02.12.2019, Artikel Nr. 34, online: https://phytopatholres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s42483-019-0041-7

15

Structure of rhinovirus C revealed, National Institutes of Health von 26.07.2016, online: www.nih.gov/news-events/nih-research-matters/structure-rhinovirus-c-revealed

16

Alhoraibi H. und Mitarbeiter, Plant immunity: the MIT-ETI model and beyond, Current Issues in Molecular Biology, Ausg. 30 von 2019, S. 39–58, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30070650/

17

Dangl J., Plant immune proteins trigger cell death, Howard Hughes Medical Institute vom 17.06.2021, online: www.hhmi.org/news/plant-immune-proteins-trigger-cell-death

18

Reimer-Michalski E.-M. und Conrath U., Innate immunity memory in plants, Seminars in Immunology, Ausg. 28 von August 2016, S. 319–327, online: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1044532316300458

19

RNA-Impfstoffe für Pflanzen entwickelt, Bioökonomie vom 30.08.2019, online: https://biooekonomie.de/nachrichten/neues-aus-der-biooekonomie/rna-impfstoffe-fuer-pflanzen-entwickelt

20

Plant based technology, Medicago, online: https://medicago.com/en/our-technologies/plant-based-technology/; Virus-like particles, Medicago, online: https://medicago.com/en/our-technologies/virus-like-particles/

21

Medicago reicht Phase-3-Daten für pflanzenbasierten COVID-19-Impfstoffkandidaten bei Health Canada ein, AFP Presseagentur vom 17.12.2021, online: https://www.businesswire.com/news/home/20211216005781/de/

22

Pflanzenbasierter Corona-Impfstoff: Kanadisches Vakzin soll Infektion verhindern, Redaktionsnetzwerk Deutschland vom 08.12.2021, online: https://www.rnd.de/gesundheit/corona-impfstoff-aus-pflanzenvakzin-aus-kanada-soll-infektion-verhindern-DRCABV7VFTZMOIT-65JJRHY46YI.html

23

Bosch T., The path less explored: innate immune reactions in Cnidarians, in: Gross H. J., Innate Immunity of Plants, Animals and Humans, S. 28, Springer, Berlin/Heidelberg, 2008.

24

Mariottini G. L., Antimicrobials from cnidarians. A new perspective for anti-infective therapy?, Marine Drugs, Ausg. 14 von März 2016, S. 48–58, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4820302/

25

Mariottini G. L. und Pane L., The role of Cindaria in drug discovery. A review on CNS implications and new perspectives, Recent patents on CNS drug discovery, Ausg. 8 von August 2013, S. 110–122, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23713989/

26

Siegmund-Schultze N., Toll-like-Rezeptoren: Neue Zielstruktur für immunstimulierende Medikamente, Deutsches Ärzteblatt, Ausg. 104 von 2007, online: www.aerzteblatt.de/archiv/55316/Toll-like-Rezeptoren-Neue-Zielstruktur-fuer-immunstimulierende-Medikamente

27

Ertürk-Hasdemir D. und Mitarbeiter, Bug versus bug: humoral immune responses in Drosophila melanogaster, in: Gross H. J., Innate Immunity of Plants, Animals and Humans, S. 49, Springer, Berlin/Heidelberg, 2008.

28

Meister M. und Lagueux M., Drosophila blood cells, Cellular Microbiology, Ausg. 5 von September 2003, S. 573–580, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12925127/

29

Sheehan G. und Mitarbeiter, Innate humoral immune defences in mammals and insects: The same, with differences?, Virulence, Ausg. 9 von 2018, S. 1625–1639, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7000196/

30

Lee I. H. und Mitarbeiter, Dicynthaurin: an antimicrobial peptide from hemocytes of the solitary tunicate, Halocynthia aurantium, Biochimica et Biophysica Acta, Ausg. 15 von August 2001, S. 141–148, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11479030/

31

Lee H. und Mitarbeiter, Styelins, Broad-Spectrum Antimicrobial Peptides from the Solitary Tunicate, Styela clava, Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology, Ausg. 118 von 1997, S. 515–521, online: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0305049197001090?via%3Dihub

32

Khalturin K. und Mitarbeiter, Immune reactions in vertebrates’ closest relatives, the Urochortades, in: Gross H. J., Innate Immunity of Plants, Animals and Humans, S. 107, Springer, Berlin/Heidelberg, 2008.

33

Föhse F. K. und Mitarbeiter, The BNT162b2 mRNA vaccine against SARS-CoV-2 reprograms both adaptive and innate immune responses, MedRXiv vom 06.05.2021, online: www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.05.03.21256520v1

34

Там же.

35

Bau M., Reprogrammierung des Immunsystems?, Correctiv vom 30.06.2021, online: https://correctiv.org/faktencheck/2021/06/30/ reprogrammierung-des-immunsystems-clemens-arvay-fuehrt-mit-video-ueber-angebliche-impfstoff-langzeitfolgen-in-die-irre/

36

Brennan D., What are Basophils?, WebMD vom 08.04.2021, online: www.webmd.com/a-to-z-guides/what-are-basophils

37

Kim H. und Mitarbeiter, Immune enhancing effects of Echinacea purpurea root extract by reducing regulatory T cell number and function, in: Natural Product Communications, Vol. 9, Nr. 4 von 2014, S. 511–514, https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/1934578X1400900422

38

Rauch S. und Mitarbeiter, New vaccine technologies to combat outbreak situations, Frontiers in Immunology vom 19.09.2018, online: www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2018.01963/full

39

Maier Y., Warum der Grippeimpfstoff 2009 eine Schlafstörung ausgelöst hat, online: www.br.de/nachrichten/wissen/warum-der-grippe-impfstoff-2009-eine-schlafstoerung-ausgeloest-hat,SYzJdTU

40

Grifoni A. und Mitarbeiter, Targets of T cell responses to SA RS-COV-2 coronavirus in humans with COVID-19 disease and unexposed individuals, Cell, Ausg. 181 vom 25.06.2020, S. 1489–1501, online: www.cell.com/action/showPdf?pii=S0092-8674(20)30610-3

41

Sette A. und Crotty S., Pre-existing immunity to SARS-CoV-2: the knowns and unknowns, Nature, Ausg. 20 vom 17.08.2020, S. 457–458, online: www.nature.com/articles/s41577-020-0389-z

42

Abela I. und Mitarbeiter, Multifactorial seroprofiling dissects the contribution of pre-existing human coronaviruses responses to SARS-CoV-2 immunity, Nature Communications, Ausg. 12 vom 28.11.2021, Artikel Nummer 6703, online: www.nature.com/articles/s41467-021-27040-x

43

Science: Frühere Erkältungen verbessern Immunreaktion gegen SARS-CoV-2, Charité – Universitätsmedizin Berlin vom 31.08.2021, online: www.charite.de/service/pressemitteilung/artikel/detail/science_fruehere_erkaeltungen_verbessern_immunreaktion_gegen_sars_cov_2/

44

Impfungen beim Vogel, Tiermedizin-Portal, online: www.tiermedizinportal.de/therapie/impfungen-beim-vogel

45

Vollmar A. und Mitarbeiter, Immunologie: Grundlagen und Wirkstoffe, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart, 2013, S. 283.

46

Erste klinische Erfahrungen über die passive Immunisierung mit monoklonalen SARS-CoV-2-spezifischen Antikörpern bei Risikopatienten und -patientinnen in der frühen Phase einer SARS-CoV-2-Infektion, RKI vom 14.10.2021, online: www.rki.de/DE/Content/Infekt/EpidBull/Archiv/2021/41/Art_01.html

47

Vollmar A. und Mitarbeiter, Immunologie: Grundlagen und Wirkstoffe, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart, 2013, S. 239.

48

Warum wirkte die Grippeimpfung in der vergangenen Saison so schlecht?, Deutsche Apothekerzeitung vom 17.09.2018, online: www.deutsche-apotheker-zeitung.de/news/artikel/2018/09/14/warum-wirkte-die-grippeimpfung-im-letzten-jahr-so-schlecht

49

Kissling E. und Mitarbeiter, Interim 2018/29 influenza vaccine effectiveness: six European studies, October 2018 to January 2019, Eurosurveillance – Europe’s journal of infectious diseases surveillance, epidemiology, prevention and control, Ausg. 24 vom Februar 2019, Artikel Nummer 8, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30808440/

50

Virologe Streeck: Wir erreichen mit diesen Impfstoffen keine Herdenimmunität, Redaktionsnetzwerk Deutschland vom 22.07.2021, online: https://www.rnd.de/gesundheit/virologe-hendrik-streeck-wir-erreichen-mit-diesen-impfstoffen-keine-herdenimmunitaet-42ZY777OCR-FXBEVG5KJYGONI4I.html

51

Arvay C., Wir können es besser: Wie Umweltzerstörung die Corona-Pandemie auslöste und warum ökologische Medizin unsere Rettung ist, S. 168, Quadriga/Bastei Lübbe, Köln, 2020

52

Arvay C., Corona-Impfstoffe: Rettung oder Risiko?, Quadriga/Bastei Lübbe, Köln, 2021.

53

Brown C. M. und Mitarbeiter, Outbreak of SARS-CoV-2 infections, including COVID-19 vaccine breakthrough infections, associated with large public gatherings – Barnstable County, Massachusetts, Juli 2021, CDC Morbidity and Mortality Weekly Report vom 06.08.2021, online: www.cdc.gov/mmwr/volumes/70/wr/mm7031e2.htm

54

Riemersma K. K., Shedding of infectious SARS-CoV-2 despite vaccination when the delta variant is prevalent – Wisconsin, July 2021 (Preprint), MedRXiv vom 11.08.2021, online: www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.07.31.21261387v3

55

Salvatore P. P. und Mitarbeiter, Transmission potential of vaccinated and unvaccinated persons infected with the SARS-CoV-2 Delta variant in a federal prison, July—August 2021, MedRXiv vom 19.11.2021, DOI 10.1101/2021.11.12.21265796, online: www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.11.12.21265796v1#disqus_thread

56

Shamier, M. C. und Mitarbeiter: Virological characteristics of SARS-CoV-2 vaccine breakthrough infections in health care workers, MedRXiv vom 21.08.2021, online: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.08.20.21262158v1

и

Singanayagam A. und Mitarbeiter, Community transmission and viral load kinetics of the SARS-CoV-2 delta (B.1.617.2) variant in vaccinated and unvaccinated individuals in the UK: a prospective, longitudinal, cohort study, The Lancet vom 29.10.2021, online: https://www.thelancet.com/journals/laninf/article/PIIS1473-3099(21)00648-4/fulltext

57

Somfalvi A., Effects of 4th COVID shot are good, but not enough, Israeli health expert says, YNet vom 05.01.2022, online: https://www.ynetnews.com/health_science/article/b1qndzqnk

58

Klein O., EMA warnt vor zu häufigem Boostern, ZDF vom 13.02.2022, online: www.zdf.de/nachrichten/politik/corona-booster-impfungen-warnung-ema-100.html

59

Booster-Kampagnen werden Omikron nicht stoppen – im Gegenteil, warnt WHO , Euronews vom 23.12.2021, online: https://de.euronews.com/2021/12/23/booster-kampagnen-werden-omikron-nicht-stoppen-im-gegenteil-warnt-who

60

Schäfer K., Corona-Impfstoffe: WHO fordert Stopp der Booster-Impfungen in reichen Ländern, Frankfurter Rundschau vom 23.12.2021, online: www.fr.de/panorama/corona-who-booster-impfung-pandemie-kritik-auffrischung-impfstoff-91198671.html

61

Jiang S., Don’t rush to develop COVID-19 vaccines and drugs without sufficient safety guarantees, Nature vom 16.03.2020, online: www.nature.com/articles/d41586-020-00751-9

62

BOKU entwickelt neuen Ansatz für einen Impfstoff gegen COVID-19, Universität für Bodenkultur vom 12.08.2020, online: https://boku.ac.at/universitaetsleitung/rektorat/stabsstellen/oeffent-lichkeitsarbeit/themen/presseaussendungen/presseaussendungen-2020/12082020-boku-entwickelt-neuen-ansatz-fuer-impfstoff-gegen-covid-19

63

Was bedeuten Mutationen bei Influenzaviren?, Robert Koch-Institut vom 25.09.2021, online: www.rki.de/SharedDocs/FAQ/Influenza/FAQ21.html

64

Yahi N. und Mitarbeiter, Infection-enhancing anti-SARS-CoV-2 antibodies recognize both the original Wuhan/D614G strain and Delta variants. A potential risk for mass vaccination?, Journal of Infection, Ausg. 83 vom November 2021, S. 607–635, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34384810/

и

Sánchez-Zuno G. A. und Mitarbeiter, A review: Antibody-dependent enhancement in COVID-19: The not so friendly side of antibodies, International Journal of Immunopathology and Pharmacology von 10.10.2021, DOI 10.1177/20587384211050199, online: https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/20587384211050199

65

Begon M. und Mitarbeiter, Ökologie, S. 4–5, Springer Spektrum, New York/Heidelberg, 2017.

66

Sheldon B. C. und Verhulst S., Ecological immunology: costly parasite defences and trade-offs in evolutionary ecology, Trends in Ecology and Evolution, Ausg. 11, Artikel Nummer 8 von August 1996, S. 317–321, в электронном виде отсутствует.

67

Whiteman J. P., Heightened immune system function in polar bears using terrestrial habitats, Physiological and Biochemical Zoology, Ausg. 92, Artikel Nummer 1 von Januar–Februar 2019, S. 1–11, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30403916/

68

O’Neal D. und Ketterson E. D., Life-history evolution, hormones, and avian immune function, in: Demas G. E. und Nelson R. J., Ecoimmunology, S. 7–44, Oxford University Press, New York, 2012.

69

Newman A. E. und Mitarbeiter, Corticosterone and Dehydroepiandrosterone Have Opposing Effects on Adult Neuroplasticity in the Avian Song Control System, The Journal of Comparative Neurology, Ausg. 518 von 2010, S. 3662–3678, online: https://neuroscience.gradstudies.yorku.ca/files/2012/11/macdougall.pdf

70

Mohamed M. A. und Hanson R. P., Effect of social stress on Newcastle Disease virus (LaSota) infection, Avian Diseases, Ausg. 24 von Okt.–Dez. 1980, Artikel Nummer 4, S. 908–915, в электронном виде отсутствует.

71

Han H. und Mitarbeiter, Evidence for zoonotic origins of middle east respiratory syndrome coronavirus, in: Journal of General Virology, Ausg. 97 von 2020, S. 274–280, www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7087374/

72

Buechler K. und Mitarbeiter, Parasite-induced maternal response in a natural bird population, Journal of Animal Ecology, Ausg. 71 von 2002, S. 247–252, в электронном виде отсутствует.

73

Merlot A. und Mitarbeiter, Prenatal stress, immunity and neonatal health in farm animal species, Animal: An International Journal of Animal Bioscience, Ausg. 12 vom 07.12.2013, S. 2016–2025, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23915487/

74

Hartmann A. M. und Mitarbeiter, Sustained Ranavirus outbreak causes mass-mortality and morbidity in imperiled amphibians, BioRXiv vom 15.10.2021, online: www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.10.15.464511v1

75

Seynsche M., Amphibiensterben: Aggressive Ranaviren im spanischen Nationalpark Picos de Europa, Deutsche Welle vom 17.10.2014, online: www.deutschlandfunk.de/amphibiensterben-aggressive-ranaviren-im-spanischen-100.html

76

Price S. J. und Mitarbeiter, Effects of historic and projected climate change on the range and impacts of an emerging wildlife disease, Global Change Biology, Ausg. 8 vom 25.10.2019, 2648–2660, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31074105/

77

Rollins-Smith L. A. und Woodhams D. C., Amphibian Immunity, in: Demas G. E. und Nelson R. J., Ecoimmunology, S. 92–143, Oxford University Press, New York, 2012.

78

Jalke J. B. und Mitarbeiter, Amphibian skin may select for rare environmental microbes, Nature – ISME The Journal, Ausg. 8 vom 23.05.2014, S. 2207–2217, online: www.nature.com/articles/ismej201477

79

Relyea R. A., The lethal impacts of Roundup and predatory stress on six species of North American tadpoles, Archives of Environmental Contamination and Toxicology, Ausg. 48 von 2005, S. 351–357, online: www.biology.pitt.edu/sites/default/files/facilities-images/Relyea180.pdf

80

Kiesecker J. M., Synergism between trematode infection and pesticide exposure: a link to amphibian limb deformities in nature?, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Ausg. 99 von 2002, S. 9900–9904, в электронном виде отсутствует.

81

Relyea R. A. und Mills N., Predator-induced stress makes the pesticide carbaryl more deadly to gray treefrog tadpoles, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Ausg. 98 von 2001, S. 2491–2496, в электронном виде отсутствует.

82

Coe C. L., Psychosocial factors and immunity in nonhuman primates: a review, Psychosomatic Medicine, Ausg. 55, Artikel Nummer 3 von Mai–Juni 1993, S. 298–308, в электронном виде отсутствует.

83

Coe T. und Mitarbeiter, Psychological factors capable of preventing the inhibition of antibody responses in separated primate infants, Child Development, Ausg. 58 von 1987, S. 1420–1430, в электронном виде отсутствует.

84

Veith R. C. und Mitarbeiter, Sympathetic nervous system activity in major depression. Basal and desipramine-induced alterations in plasma norepinephrine kinetics, Archives of General Psychiatry, Ausg. 51, Artikel Nummer 5 vom Mai 1994, S. 411–422, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8179465/

85

Ulrich R., View through a Window may influence Recovery from Surgery, Science, Ausg. 224 vom 27.4.1984, S. 420 ff, American Association for the Advancement of Science.

86

Ulrich R., Natural versus urban scenes: some psycho-physiological effects, Environment and Behavior, Ausg. 13 von 1981, S. 523–556, online: https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/0013916581135001

87

Ashley N. T. und Wingfield J. C., Sickness Behavior in Vertebrates, in: Demas G. E. und Nelson R. J., Ecoimmunology, S. 45–91, Oxford University Press, New York, 2012.

88

FSME-Risikogebiete in Deutschland, Deutsches Zecken-Infoportal, Daten des Robert Koch-Instituts (RKI) online: www.zecken.de/de/fsmerisikogebiete-deutschland.

89

Lindgren E. und Jaenson T., Lyme borreliosis in europe – influences of Climate and climate change: epidemiology, ecology and adaptation measures, World Health Organization (WHO), 2016, Copenhagen, в электронном виде отсутствует.

90

Sharp P. und Hahn B., Origins of HIV and the AIDS pandemic, in: Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, Ausg. 1, Artikel Nummer 1, von 2011, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3234451/

91

Olivero J. und Mitarbeiter, Recent loss of closed forests is associated with Ebola virus disease outbreaks, in: Scientific Reports, Ausg. 7, Artikel Nummer 14291, von 2017, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5662765/

92

Bloomfield L., McIntosh T. und Lambin E.: Habitat fragmentation, livelihood behaviors, and contact between people and nonhuman primates in Africa. In: Landscape Ecology. Ausg. 35. Von April 2020, S. 985–1000, Springer, Heidelberg/New York, online: https://link.springer.com/article/10.1007/s10980-020-00995-w

93

Hirt N. und Body-Malapel M., Immunotoxicity and intestinal effects of nano- and microplastics: a review of the literature, in: Particle and Fiber Toxicology, Ausg. 17, Artikel Nummer 57 von 2020, online: https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/ articles/10.1186/s12989-020-00387-7

94

Croft D. und Mitarbeiter, The association between respiratory infection and air pollution in the setting of air quality policy and economic change, in: Annals of the American Thorax Society, Ausg. 16, Artikel Nummer 3 von 2019, S. 321–330, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6394122/

95

Haim A. und Portnov B., Light Pollution as a New Risk Factor for Human Breast and Prostate Cancers, S. 105–144, Springer, New York/ Heidelberg, 2013.

96

Roe J. und Mitarbeiter, Engaging the brain: the impact of natural versus urban scenes using novel EEG methods in an experimental setting, Environmental Sciences, Ausg. 1 von 2013, S. 93–104, online: www.m-hikari.com/es/es2013/es1-4-2013/roeES1-4-2013.pdf

97

Kim T.-H. und Mitarbeiter, Human brain activation in response to visual stimulation with rural and urban scenery pictures: a functional magnetic imaging study, Science of the Total Environment, Ausg. 408 von 2010, S. 2600–2607, online: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0048969710001695

98

Hartl A., Krimmler Wasserfälle – Therapie von Asthma bronchiale, Paracelsus Medizinische Privatuniversität Salzburg von 2010, online: www.wasserfalltherapie.at/docs/2010_pmu-studie.pdf

99

Schuh A. und Novak D., Klimatherapie im Hochgebirge und im Meeresklima, Deutsche Medizinische Wochenschrift, Ausg. 136 von 2011, S. 135–139, Artikel Nummer 4, online: www.thieme-connect.com/products/ejournals/abstract/10.1055/s-0031-1272496

100

Neurodermitis oder atopisches Ekzem – Was ist das?, Allergieinformationsdienst, online: www.allergieinformationsdienst.de/krankheitsbilder/neurodermitis/grundlagen.html

101

Fieten K. und Mitarbeiter, Effectiveness of alpine climate treatment for children with difficult to treat atopic dermatitis: Results of a pragmatic randomized controlled trial (DAVOS trial), Clinical and Experimental Allergy, Ausg. 48 von 2017, S. 186–195, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29121432

102

Heeringa J. und Mitarbeiter, Treatment for moderate to severe atopic dermatitis in alpine and moderate maritime climates differentially affects helper T cells and memory B cells in children, Clinical Experimental Allergy, Ausg. 48 von 2018, S. 679–690, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29575251

103

Engst R. und Vocks E., Hochgebirgsklimatherapie bei Dermatosen und Allergien – Wirkmechanismen, Ergebnisse und Einflüsse auf immunologische Parameter, Rehabilitation, Ausg. 39 von 2000, S. 215–222, online: www.thieme-connect.com/products/ejournals/abstract/10.1055/s-2000-5897

104

Alvarez S. D., Health Check: why swimming in the sea is good for you, The Conversation von 25.12.2016, online: https://theconversation.com/health-check-why-swimming-in-the-sea-is-good-for-you-68583

105

Gutenbrunner C. und Hildebrandt G., Handbuch der Balneologie und medizinischen Klimatologie, S. 187–476, Springer, Berlin/Heidelberg, 1998.

106

Fussi A., Biologe und Bestsellerautor Arvay im NÖN-Gespräch, Niederösterreichische Nachrichten vom 09.06.2021, online: www.noen.at/baden/baden-biologe-und-bestsellerautor-arvay-im-noen-gespraech-baden-biologe-autor-noen-gespraech-print-280350628

107

Qing L. und Mitarbeiter, Visiting a forest, but not a city, increases human natural killer activity and expression of anti-cancer proteins, International Journal of Immunopathology and Pharmacology, Ausg. 21 von 2008, S. 117–127, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18336737

108

Qing L. und Mitarbeiter, Phytoncides (Wood Essential Oils) induce human natural killer cell activity, in: Immunopharmacology and Immunotoxicology, Ausg. 28 von 2006, S. 319–333, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16873099

109

Krawinkel M. B., Interaction of nutrition and infections globally: an overview, Annuals of Nutrition and Metabolism, Ausg. 61 von 2012, Anhang 1, S. 39–45, online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23343946/

110

Sullivan B., Microbes in your gut may be new recruits in the fight against viruses, National Geographic vom 13.04.2021, online: www.nationalgeographic.com/science/article/microbes-in-your-gut-may-be-new-recruits-in-the-fight-against-viruses

111

Sencio V. und Mitarbeiter, The lung-gut axis during viral respiratory infections: the impact of gut dysbiosis on secondary disease outcomes, Nature, Mucosal Immunology, Ausg. 14 von 2021, S. 296–304, online: www.nature.com/articles/s41385-020-00361-8

112

Kim H. und Mitarbeiter, Plant-based diets, pescatarian diets and COVID-19 severity: a population-based case-control study in six countries, British Medical Journal, Nutrition Prevention and Health, Ausg. 4 von Juni 2021, online: https://nutrition.bmj.com/content/early/2021/05/18/bmjnph-2021-000272

113

Soil Bacteria can boost Immune System, NBC News vom 13.04.2017, online: http://www.nbcnews.com/id/18082129/ns/health-live-science/t/soil-bacteria-can-boost-immune-system/#.WaWBHNF8uM8

114

Yang X. und Mitarbeiter, Mycobacterium vaccae as Adjuvant Therapy to Anti-Tuberculosis Chemotherapy in never-treated Tuberculosis Patients: A Meta-Analysis, PLOS one – A Peer Reviewed Open Access Journal, Ausg. 6 von 2011, online: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3167806/

и

Yang X. und Mitarbeiter, Mycobacterium vaccae Vaccine to prevent Tuberculosis in High Risk People: A Meta-Analysis, The Journal of Infection, Ausg. 60 von Mai 2010, S. 320–330, online: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20156481

115

Matthews D. M. und Jenks S., Ingestion of Mycobacterium vaccae decreases anxiety-related behavior and improves learning in mice, Behavioural Processes, Ausg. 96 vom Juni 2013, S. 27–25, online: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0376635713000296

116

Rook G., цитируется по: Harry Dayantis, Bacterial Immunization prevents PTSD-like symptoms in mice, UCL Online, London’s Global University vom 17.05.2016, online: http://www.ucl.ac.uk/news/news- articles/0516/170516-bacteria-prevent-ptsd

117

Dayantis H., Bacterial Immunization prevents PTSD-like symptoms in mice, UCL Online, London’s Global University vom 17.05.2016, online: http://www.ucl.ac.uk/news/news-articles/0516/170516-bacteria-prevent-ptsd

118

Bartens W., Stress führt zu Entzündungen im Körper, ganz ohne Keime, Süddeutsche Zeitung vom 13.01.2017, online: www.sueddeutsche.de/gesundheit/medizin-stress-fuehrt-zu-entzuendungen-im-koerper-ganz-ohne-keime-1.3330430

119

Segerstrom S. C. und Miller G. E., Psychological Stress and the Human Immune System: A Meta-Analytic Study of 30 Years of Inquiry, Psychological Bulletin, Ausg. 130 von Juli 2004, online: www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1361287/

120

Wang Y. und Mitarbeiter, Preexisting Mental Disorders Increase the Risk of COVID-19 Infection and Associated Mortality, Frontiers of Public Health vom 09.08.2021, online: www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpubh.2021.684112/full

Content

Клеменс Арвай
История иммунной системы

Пролог Книга естественной истории

Введение Поиски иммунобиологических следов

Часть 1 Родоначальники иммунной системы

Глава 1 Бактерии против вирусов: иммунная система микробов

Первобактерии, сине-зеленые бактерии и «современные» бактерии

Пожиратели бактерий

Как бактерии защищаются от вирусов

Иммунная система в движении

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

Водоросли: пионеры коммуницирующих иммунных систем

У истоков вирусологии стояли растения

Растения как мастера использования иммунопротеинов

Растительные вакцины

Глава 3 Этапы развития иммунной системы животных — предшественницы защитных механизмов человека

Как книдарии «изобрели» нашу иммунную систему

Как дрозофила «придала дух» иммунной системе

Оболочники — родоначальники клеток-киллеров и макрофагов

Часть 2 Иммунитет людей и других позвоночных

Глава 4 Инновации позвоночных животных: от иммунной клетки к антителам

«Большой взрыв» в иммунобиологии

Прогрессивные иммунные функции данио рерио

Глава 5 Иммунная система млекопитающих: врожденный и приобретенный иммунитет

Наши иммунные органы: основа обороны

Толл-подобные рецепторы: «глаза» иммунной клетки

Иммунная система как крепость: дендритные клетки и макрофаги

Нейтрофилы и компания — еще одна «скорая помощь»

Моноциты — мастера перевоплощений

Естественные киллеры и собственные патогенные клетки

T- и В-клетки: переход к адаптивной иммунной системе

Антитела, нейтрализующие и усиливающие инфекцию

Перекрестный иммунитет

Глава 6 Принцип вакцинации — использование обучаемости иммунной системы

Пассивная иммунизация

Средства активной иммунизации

Проблемный случай: инфекции дыхательных путей

Часть 3 Экологическая иммунология

Глава 7 Иммунная система в дикой природе: учимся у птиц, амфибий и приматов

Учение о взаимосвязях окружающей среды и иммунной системы

Окружающая среда, социальная жизнь и иммунная система птиц

Иммунитет амфибий: животное как экосистема

Психика и иммунная система приматов

«Иммунная система» леса

Глава 8 Экосистема человека: каким образом воздействие окружающей среды может ослабить или укрепить нашу иммунную систему

У нас нет внешних границ

Больная планета — больные люди

Здоровая планета — здоровые люди

Лесной воздух и иммунная система

Глава 9 Питание, психика, иммунная система — внутренняя экоиммунология человека

Питание и иммунология

Связь кишечника и легких

Иммунные бустеры из почвы

Психика, кишечник, иммунная система

Заключительное слово Медицина будущего

Слова благодарности

Указатель

Примечания