Чего больше в организме человека бактерий или клеток
Значительный численный перевес бактерий в теле человека оказался мифом
Фотография: Eric Erbe / Christopher Pooley / USDA / ARS / EMU / Wikimedia Commons
Принято считать, что число бактериальных клеток, составляющих микрофлору нашего тела, вдесятеро превышает число собственных клеток организма. Однако новое исследование группы биологов из Израиля и Канады опровергает это популярное утверждение: микробных клеток в нас лишь немногим больше, чем человеческих, а после дефекации их может становиться даже меньше. Результаты новой работы проходят рецензирование, однако предварительно статья обнародована сервисом препринтов bioRxiv.
Авторы публикации отмечают, что «каноническое» отношение между числом клеток человеческой микрофлоры и самого организма 10:1 появилось уже более 40 лет назад. В 1972 г. такую оценку дал Томас Лаки (Thomas Luckey), указавший, что в одном только желудочно-кишечном тракте должно обитать около 100 триллионов бактерий. Последующие цифры так или иначе отталкиваются от расчетов Лаки, и сегодня считается общеизвестным, что наш организм состоит из порядка 10 триллионов эукариотических клеток и содержит на порядок больше прокариотических «жителей». Однако в последние годы эти цифры стали подвергаться сомнению со стороны некоторых специалистов.
Рассмотрев современные данные по количеству клеток человеческого тела и его микрофлоры, профессор израильского Университета Вайцмана Рон Мило (Ron Milo) и его коллеги решили, что этот скепсис более чем обоснован. Авторы пришли к выводу, что средний человек (вес 70 килограм, рост 170 сантиметров, возраст от 20 до 30 лет) должен содержать примерно 30 триллионов собственных и 39 триллионов бактериальных клеток. Соотношение получается совершенно иным, примерно 1,3:1. Эти цифры довольно приблизительны, и у разных людей могут отличаться на величину до 52 процентов, – но, все же, не на порядки. Более того, сомнительное численное преимущество бактерий в нашем организме легко теряется.
Еще Томас Лаки оценивал их количество по содержанию микробных клеток в фекалиях (100 миллиардов на грамм). Однако такая высокая концентрация бактерий имеется лишь в прямой кишке, заселенном плотнее других. И если Лаки умножал эту цифру на общий объем ЖКТ, то, по мнению Рона Мило и его коллег, она может быть применима лишь к прямой кишке, имеющей куда меньший объем. В результате количество микробов оказывается не столь большим, а при каждой дефекации их может выводиться так много, что баланс сил временно поменяется в пользу эукариотических клеток организма.
Как пишут авторы, среди собственных клеток абсолютное лидер ство по количеству занимают мелкие многочисленные эритроциты и их гематопоэтические предшественники, на которые приходится около 24,9 трлн (84 процента) клеток нашего тела. Приводятся и данные по содержанию в нем бактерий. На миллилитр объема прямой кишки их содержится 10 по количеству, слюны – 100 миллиардов, тонкого кишечника – от 1 тысяч до 100 миллионов, в зависимости от отдела. Исключительно «густонаселен» зубной налет, однако объем этого вещества совсем невелик. Кроме того, на каждом квадратном сантиметре кожи обитают менее 10 миллионов бактерий.
В итоге по численности в микрофлоре нашего тела доминируют бактерии прямой кишки (по оценкам Мило и коллег, 100 триллионов на литр при объеме 0,4 литра), а в самом организме – эритроциты крови (5 триллионов на литр при объеме 5 литров). Это и дает отношение 1,3:1 – куда более умеренное, чем считалось до сих пор.
Бактерий в теле человека действительно больше, чем «своих» клеток
Вопреки распространённому, в том числе, в научных кругах мнению, количество бактерий в организме человека не превышает количество его собственных клеток десятикратно. К такому выводу пришла группа учёных под руководством Рона Мило из Институт имени Вейцмана в Израиль. Результаты исследования микробиологов свидетельствуют о том, что микроорганизмов в человеке действительно больше, чем клеток тела, однако даже не в полтора раза.
Версия, согласно которой микроорганизмы численно превосходят клетки нашего организма в 10 раз, первоначально была предложена в 1972 году известным микробиологом Томасом Лаки. Главной его ошибкой, по мнению авторов нового исследования, стало предположение, что бактерии распределены по всему желудочно-кишечному тракту в целом равномерно. В результате, изучив микрофлору прямой кишки, учёный пришёл к неверному выводу, что в тонком кишечнике концентрация бактерий должна быть такой же, хотя на самом деле это далеко не так.
Впрочем, не подтверждённая достаточной фактической проверке теория в дальнейшем принималась многими учёными на веру, и серьёзным сомнениям стала подвергаться в основном в текущем десятилетии. При этом результаты подсчётов количества клеток и бактерий в организме человека значительно рознились.
В новой работе специалисты изучили и обобщили результаты множества предыдущих исследований, а также сами собрали некоторые данные при помощи магнитно-резонансной томографии. В результате выяснилось, что организм содержит около 30 триллионов клеток, в то время как бактерий в нём около 39 триллионов. При этом при опорожнении кишечника количество микробов значительно снижается и «своих» клеток в организме на некоторое время становится больше, чем бактерий.
Едва ли новое исследование станет «последним словом» в вопросе соотношения клеток тела и бактерий в нём. Некоторые специалисты уже усомнились в ряде методов, применяемых авторами работы, в то время как другие, напротив, считают, что исследователями получены наиболее точные цифры, возможные на сегодняшний день, передаёт theatlantic.com.
К тому же 24 из 30 миллионов клеток являются эритроцитами, или красными кровяными тельца. Они не содержат ДНК и неспособны делиться, так что если не считать их «полноценными» клетками, мы вновь имеем дело с «привычным» соотношением 1 к 10.
Более половины клеток в организме человека не являются человеческими, говорят ученые.
Как бы тщательно вы ни мылись, каждый уголок и каждая складка в вашем теле в любой момент времени обильно заселена микроскопическими созданиями.
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Подкаст
Раньше исследователи думали, что на каждую человеческую клетку в организме приходится десять микроорганизмов.
Но с точки зрения генетики мы находимся в еще более уязвимом положении.
Однако если сложить все гены живущих в нас микроорганизмов, итоговая цифра будет на уровне 20 миллионов.
Было бы наивно думать, что такое количество микробов в нашем теле никак не взаимодействует с организмом и не влияет на его работу.
Ученые исследуют роль микробиоты в пищеварении, регулировании имунной системы, защиты от болезней и выработке витаминов.
Поле битвы с микробами
Однако ряд исследователей обеспокоены тем, что в борьбе с вредными микробами человечество могло нанести непоправимый вред обитающим внутри человека «полезным бактериям».
Состояние микробиоты связывают и с другими болезнями, например с воспалением кишечника, болезнью Паркинсона, эффективностью лекарств от рака и даже аутизмом и депрессией.
Число бактерий, живущих в теле человека, сопоставимо с числом клеток организма
Ученые из Института Вейцмана в Израиле по результатам нового исследования опровергли представление о том, что в человеческом организме бактерий живет в десять раз больше, чем число собственных клеток. По их подсчетам, эти цифры на самом деле одного порядка: у «стандартного» человека весом в 70 кг организм состоит примерно из 30 триллионов клеток, а бактерий в нем обитает около 40 триллионов. Препринт статьи об исследовании опубликован на bioRxiv.org, о результатах рассказывает сайт Science News.
Число бактерий в организме человека варьируется в пределах от 30 до 50 триллионов, в некоторых случаях число бактерий может превышать число собственных клеток на 52%, но не более, уверяют ученые. Тогда как в последние годы в работах, посвященных этой теме, можно было встретить данные о соотношении 1 к 10 или даже 1 к 100 в пользу бактерий.
Они уточнили и некоторые детали. К примеру, они выяснили, что у женщин соотношение бактерий к собственным клеткам выше за счет того, что у них значительно меньше клеток крови, чем у мужчин. А также доказали, что при ожирении соотношение практически не меняется.
Стоит отметить, что в основе выводов — так называемое метаисследование, то есть ученые сами не подсчитывали число клеток тем или иным образом, а провели масштабный анализ данных из опубликованных статей по этой теме. Некоторые коллеги обращают внимание на то, что в данном случае подсчитаны только бактерии, тогда как микробы, грибки, вирусы также являются частью микробиома человека.
Микробный «орган» человека
В десятку научных прорывов 2013 г., по версии журнала «Science», вошли результаты исследований, следствием которых стала переоценка функциональной значимости и влияния на здоровье микроорганизмов, сосуществующих с человеком и другими высшими животными. Эти работы стали еще одним важным шагом на пути к персонифицированной медицине
Микробы присутствуют везде и всегда. Деление бактериальных клеток происходит примерно каждые 20 мин., т. е. потомство одной бактериальной клетки через 8 ч может достигнуть 16 млн! В благоприятных условиях бактерии могут быстро размножиться, в неблагоприятных – погибнуть. А теперь представьте себе, какие процессы происходят в нашем организме, когда мы дышим, едим, пьем, принимаем антибиотики, моем руки, путешествуем и контактируем с различными объектами живой природы.
Тем не менее долгое время считалось, что взаимодействие человека с микробами представляет интерес лишь в аспекте предотвращения и лечения инфекционных заболеваний. О масштабе же присутствия микробов и многообразии их деятельности в организме человека просто не задумывались. Это было связано с тем, что традиционная микробиология изучает отдельные виды микробов, которые удается выделить и выращивать вне живого организма, однако рост большинства наших микроскопических «постояльцев» возможен лишь в определенном микроокружении, которое требуется специально воспроизводить.
Ситуация кардинально изменилась с появлением и развитием техники секвенирования ДНК, позволившей проводить так называемые метагеномные иследования, т. е. получать информацию о геномах всех организмов, присутствующих в образце. Таким образом, вместо генома отдельного вида микроорганизма мы можем изучать суммарный геномный материал всего микробного сообщества, выделенного из природных объектов, например, пищеварительного тракта человека.
Подобные исследования, проведенные международными консорциумами ученых США и Европы в рамках проекта «Микробиом», продемонстрировали, что микробы – далеко не случайные гости в нашем теле. Содружество микробов, живущих в организме человека – микробиом, является, по сути, еще одним нашим «органом», пусть и невидимым, но совершенно необходимым для поддержания здоровья. И хотя функции этого органа еще только начинают исследовать, уже сегодня ясно, что они чрезвычайно важны и многообразны.
Беря в руки какой-либо предмет, вдыхая воздух, проглатывая пищу, мы обзаводимся множеством невидимых сожителей, которые способны чрезвычайно быстро размножаться. В человеческом организме содержится 1,0—2,5 кг бактерий, что составляет около 1—2 % массы тела. Эта бактериальная биомасса состоит примерно из ста триллионов клеток, что в несколько раз превышает число собственных клеток организма человека. Геном человека насчитывает около 20 тыс. генов, совокупный бактериальный геном – около 3 млн, т. е. в 300 раз больше! При этом не учитываются еще одни наши микрообитатели – вирусы, число которых намного превышает число бактерий
Микробные сообщества различаются даже у здоровых людей: по их составу, как по отпечаткам пальца, можно идентифицировать конкретного человека. Особенности микробиоты индивидуума определяются его генетическими характеристиками, а также питанием и образом жизни в целом.
Микробиом человека сильно меняется в интервале от рождения до двухлетнего возраста, а затем остается достаточно стабильным. Разные части тела (например, ротовая полость и кожа спины) заселены различными микробными сообществами, поскольку условия «проживания» в них могут значительно отличаться. Поэтому микробиом кожи конкретного человека будет больше схож с соответствующим микробиомом кожи другого человека, чем с микробным сообществом собственного кишечника. Наибольшее разнообразие микроорганизмов отмечено в ротовой полости, наименьшее – в желудке, причем оно начинает вновь возрастать по мере продвижения по пищеварительному тракту. Микробиом кишечника зависит от диеты: например, он значительно различается у вегетарианцев и «мясоедов».
Самая очевидная польза, которую получает человек от своих «сожителей» – помощь в переработке пищи. В этом смысле микробиом кишечника работает как эффективный биореактор: в нем перерабатываются питательные вещества, которые в ином случае не переварятся в организме человека. Микробы секретируют множество полезных метаболитов, в том числе витамины К и группы В, которые через кишечную стенку попадают в кровяное русло.
Так как микробиом может меняться достаточно быстро, он позволяет человеку быстрее адаптироваться к изменениям внешних условий. Это расширяет метаболический потенциал человеческого организма за пределы его генетических возможностей, что, безусловно, определяет многие аспекты физиологии здоровья и болезни. Во многих случаях именно микробиом определяет реакцию организма на внешние воздействия, а также болезни и лекарства.
Доказано, что обитающие в организме человека микроорганизмы эффективно конкурируют с чужеродными патогенными микроорганизмами-агрессорами, препятствуя инфицированию путем конкуренции за питательные вещества, выделения специфических веществ, убивающих бактерии и т. д. Такую защитную роль играют микробиомы ротовой полости, кишечника, кожи и половых органов. Например, оказалось, что специфическая микробиота влагалища у некоторых африканских женщин снижает риск их заражения вирусом иммунодефицита человека.
Кишечная флора оказывает важное влияние на иммунную систему человека: бактерии стимулируют развитие некоторых лимфатических тканей – так называемых пейеровых бляшек в желудочно-кишечном тракте, являющихся важным источником клеток, синтезирующих иммуноглобулин типа А, который обеспечивает защиту практически всех слизистых оболочек органов человека. Доказано, что микроорганизмы помогают организму человека бороться с воспалительными заболеваниями кишечника, а также с аллергическими заболеваниями.
Микробиом кишечника влияет на метаболизм различных лекарств, в том числе широко распространенных, таких как сердечный гликозид дигоксин и анальгетик ацетаминофен. Еще один пример – противоопухолевый препарат иринотекан (СРТ-11), который в норме нейтрализуется в печени. Однако кишечная микрофлора может превращать его снова в токсичное вещество, что приводит к поражению клеток кишечника и тяжелой диарее. Выяснение этого обстоятельства позволило решить проблему: пациентам стали дополнительно давать ингибитор специфического бактериального фермента, в результате чего появилась возможность вводить больным более высокие дозы препарата и добиваться лучших терапевтических результатов.
Отклонения в составе микробиоты могут быть связаны с определенными болезнями, поэтому ее анализ может быть полезен для диагностики. Так, имеются указания на возможную роль микроорганизмов в развитии ревматоидного артрита, астмы, диабета, ожирения, рака, аллергии, сердечно-сосудистых заболеваний. Значительные изменения микробиоты обнаружены и у больных болезнью Крона – хронического воспалительного заболевания пищеварительного тракта неясной этиологии.
Люди, склонные к худобе, а также обладающие избыточным весом, отличаются по составу микробиоты. Введение лабораторным мышам, не имеющим своей микрофлоры, бактерий, выделенных у таких людей, приводило у животных к формированию специфических микробных сообществ, обеспечивающих животным, соответственно, похудание или набор массы тела.
Экспериментально доказано, что нарушения функций микробиома кишечника могут влиять и на функции мозга, вызывать беспокойство, нарушение сна и даже приводить к аутизм-специфическим нарушениям.
В настоящее время комплексные препараты микроорганизмов уже начали применять в клинике, пока лишь для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, не поддающихся терапии антибиотиками. Например, только в США ежегодно от тяжелого заболевания, вызванного антибиотикоустойчивыми штаммами широко распространенной бактерии Clostridium difficile, погибает около 14 тыс. человек. В этом случае поразительно эффективным оказывается корректировка бактериальной флоры больных путем введения в кишечник пациентов «фекальных трансплантатов» от здоровых людей. В большинстве случаев такая необычная терапия приводила к немедленному излечению.
Несомненно, в самое ближайшее время нас ждет продолжение фейерверка открытий в области микробиологии, которые позволят еще глубже понять весь спектр взаимодействий микробов с организмом человека и создать новые средства терапии и профилактики заболеваний.