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.