История иммунной системы

Арвай Клеменс

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] .

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/

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.

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