Как оптимизировать здоровье головного мозга и пищеварительного тракта
Глава 8Роль еды: уроки охотников и собирателей
Во всех краях земли еда занимает центральное место в социальном опыте людей. Мы совместно садимся за праздничный стол, разговариваем и смеемся, слушая интересные истории, которые рассказывают родственники. Мы знакомимся с новыми людьми за обедом, и иногда они становятся для нас даже более значимыми фигурами, чем прежние друзья. Мы завтракаем с деловыми партнерами, участвуем в торжественных обедах в честь вручения премий и наград и устраиваем в складчину ужины. В большинстве случаев деятельность человека так или иначе связана с коллективным потреблением еды — с совместным преломлением хлеба, если прибегнуть к высокому слогу.
Однако темп современной жизни ускоряется, и наши пищевые привычки меняются. От домашней еды и семейных трапез мы перешли к гамбургерам из закусочной и замороженным, заранее приготовленным блюдам, доставку которых можно заказать, нажав кнопку на смартфоне. На протяжении последних десятилетий у многих американцев появилось ощущение, что такая важная составляющая жизни, как еда, становится все более ненатуральной. Это чувство порой приводит к желанию вновь найти то, что мы потеряли в ходе модернизации нашего быта, и выяснить, какое питание на самом деле является полезным и естественным. Отсюда неприятие некоторыми людьми современных тенденций питания и интерес к ресторанам натуральной еды, фермерским рынкам и движению «За медленную еду».
Как можно восстановить утраченное? Обратимся к данным науки. На протяжении миллионов лет система пищеварения, микроорганизмы желудочно-кишечного тракта и головной мозг развивались совместно, и параллельно с этим процессом совершенствовалась инстинктивная способность человека отыскивать, собирать и готовить полезную пищу и избегать пищи, опасной для здоровья. Почти все это время человек находил себе пищу, занимаясь охотой и собирательством. Быть может, рацион древних охотников-собирателей направит наши поиски полезной и естественной для человека еды в нужное русло?
Однако нужно помнить, что люди могут хорошо себя чувствовать, следуя разным диетам. Жившие в разных условиях и добывавшие разные виды еды представители традиционных культур благополучно существовали на протяжении многих поколений — это справедливо и по отношению к древним обителям нынешней Танзании, которые собирали плоды и выкапывали корни и клубни, и к инуитам, охотившимся на тюленей, китов и нарвалов. Отличавшиеся от них укладом жизни оседлые племена основывали свой рацион на пшенице, кукурузе, рисе и других зерновых культурах. Они также ели овощи, немного мяса и, возможно, молоко и сыр после приручения животных. Благодаря универсальности нашей пищеварительной системы нам удавалось существовать в разных климатических условиях и средах обитания.
Этим мы отчасти обязаны нашему удивительному желудочно-кишечному тракту и его связи с вычислительными мощностями нервной системы. Миллионы лет эволюции усовершенствовали систему пищеварения человека, в результате чего она могла чувствовать, распознавать и кодировать все, что человек ест и пьет, в виде паттернов гормонов и нервных импульсов, направляемых в регулирующие центры головного мозга. Но, как мы узнали, важную роль в этом информационном процессе играет кишечная микробиота, которая занимается той долей пищи, которая не может быть поглощена в тонкой кишке. Кишечная микробиота человека как вида невероятно разнообразна и демонстрирует удивительные способности к адаптации. На протяжении миллионов лет эволюции она стала незаменимым звеном в процессе пищеварения.
Современному американцу трудно избежать ненатуральной пищи с массой подсластителей, эмульгаторов, ароматизаторов и красителей, а также с повышенным содержанием жира, сахара, нативной клейковины (глютена). Не говоря уже о том, что современная еда перегружена калориями. Поскольку пища влияет на активность микробиоты, возникает вопрос: как бы выглядела наша кишечная микробиота, если бы мы ели то, к чему наш организм привык в ходе эволюции? Сможем ли мы когда-нибудь узнать, какой была микробиота предков?
Оказывается, это можно сделать. Более полное знание о типичном рационе далеких предков поможет нам ответить на некоторые вопросы, возникающие в ходе нескончаемых дискуссий о том, какая диета лучше всего подходит для тела и ума. Вариантов здесь немало: это может быть диета, основанная на высоком содержании жира и белка или на низкоуглеводных продуктах, всеядная диета с обилием фруктов и овощей, строгое веганство или вкусный компромисс — средиземноморская диета. Исторические диеты дают нам представление о том времени, когда головной мозг, пищеварительный тракт и кишечные микроорганизмы жили в гармонии друг с другом.
Один из способов это узнать — изучать пищевые привычки племен, которые до сих пор ведут доисторический образ жизни. Их диета не слишком отличается от той, в результате которой организм человека эволюционировал на протяжении десятков тысяч лет. Я говорю о еще остающихся в современном мире примитивных оседлых племенах или охотниках-собирателях, таких как индейцы яномамо.
Уроки диетологии индейцев яномамо
Сорок лет назад мне посчастливилось получить удивительный опыт: я смог своими глазами увидеть жизнь индейцев племени яномамо и познакомиться с их питанием. Ради этого я проделал путешествие в несколько тысяч миль по джунглям Венесуэлы до верховьев Ориноко, в ту часть дождевых лесов Амазонии, где коренные жители сохранили первобытный образ жизни.
Мое давнее знакомство с обитателями дождевого леса неожиданным образом снова пригодилось в 2013 г., когда я участвовал в научной конференции «Наука о микробиоме человека: видение будущего» в Бетесде в штате Мэриленд. Одним из докладчиков на конференции была эколог и микробиолог Мария Глория Домингес-Белло, всемирно известный ученый, автор важнейших работ о том, как способ рождения влияет на микробиоту кишечника новорожденных. Она также входила в группу исследователей, которые опубликовали данные по составу кишечной микробиоты у различных групп, в том числе америндов (группы коренных народов, обнаруженных в Южной Америке) и жителей городов Северной Америки.
Увидев первые фотографии америндов, живущих на реке Ориноко, я не мог поверить своим глазам: образы этих невысоких, красивых людей с характерными чертами и уникальными прическами, чем-то похожими на монашеские, словно вернули меня в 1972 г., когда мне посчастливилось получить предложение поехать на съемки документального фильма о народе яномамо. В экспедицию меня пригласили на должность помощника оператора. Я тогда учился на первом курсе в колледже и недолго раздумывал, следует ли мне принять это приглашение. Я взял академический отпуск на один семестр и шагнул навстречу приключению.
В то время я очень мало знал об антропологии и медицине, не говоря уже о кишечной микробиоте, о назначении которой тогда вообще было не так много известно. Побудительными мотивами моего участия в экспедиции были жажда приключений и желание участвовать в съемках фильма. Однако, готовясь к поездке в Амазонию, я узнал, помимо прочего, об одной уникальной особенности в пищевых привычках яномамо: в их рационе полностью отсутствует соль как пищевая добавка. Кстати, медицинские обследования индейцев яномамо показали фактическое отсутствие у них случаев высокого кровяного давления и его осложнений. Предположительно, это объясняется низким уровнем потребления ими NaCl (или просто соли). Однако теперь, после десятилетий клинической практики и исследований сложного диалога между головным мозгом, ЖКТ и микробиомом, я понял, что в диете яномамо имеются гораздо более интересные, даже интригующие составляющие, которые влияют не только на здоровье, но и, возможно, на сознание и поведение.
Я ссылаюсь на свой личный опыт, потому что яномамо являются одними из немногих людей в мире, которые продолжают следовать доисторическому образу жизни, какой наши предки вели десятки тысяч лет назад. Изучение их пищевых привычек и кишечной микробиоты как бы приоткрывает окно в прошлое — в тот период, когда люди и микроорганизмы впервые начали совместное, симбиотическое существование. Такое исследование может подсказать нам, как развивались микроорганизмы и какое влияние это могло оказать на наше нынешнее состояние и самочувствие.
Два месяца я прожил в деревне яномамо с двумя другими членами нашей съемочной группы. У меня была возможность наблюдать повседневную жизнь индейцев (и испытать ее тяготы на себе), в том числе то, как они собирали, готовили и потребляли пищу. Я не только увидел, но и попробовал то, что люди дождевого леса ели повседневно, и познакомился с уникальным спектром их эмоционального поведения, начиная от ласкового общения отцов с новорожденными детьми до жестоких ритуальных кулачных боев, которые проводились во время главного праздника, совпавшего с подготовкой к войне против другого села.
После продолжительного и шумного ритуала первого знакомства, во время которого все жители деревни дотронулись до наших голов, лиц, груди и рук, каждому из нас был выделен гамак. После этого взрослые жители деревни в основном игнорировали нас. Этого не скажешь о детях, которые постоянно хотели к нам прикоснуться, поиграть с содержимым наших рюкзаков, в том числе с кинокамерами. Это давало нам уникальную возможность наблюдать и запечатлеть на кинопленке их повседневную жизнь и поведение, включая поиск пищи и уборку урожая. Во время поисков пищи яномамо следуют строгому разделению обязанностей: мужчины отправляются охотиться на птиц, обезьян, оленей, диких свиней и тапиров (животных с минимальным содержанием жира в теле), на что у них уходит 60 % времени. Мы часто видели, как ранним утром группы из нескольких человек, вооруженных луками и стрелами, покидали шабоно — коллективное жилище яномамо. В тот же день они возвращались с добычей. Мясо добытых животных обжаривали или запекали, никогда не используя масла или жиры. Затем женщины подвешивали приготовленные таким образом куски мяса, включая головы обезьян, части тела змей, лягушек и птиц, на столбе внутри участка, выделенного для семьи. На этот же столб подвешивали корзины с платано — местной разновидностью банана.
В течение всего дня мы наблюдали, как члены семьи периодически оказывались у запасов еды и съедали по куску. Меня также часто приглашали участвовать в этих легких перекусах. Несмотря на обилие в лесу диких животных, в рационе яномамо лишь небольшую долю составляли продукты животного происхождения. Кроме того, мы узнали, что яномамо никогда не едят своих домашних животных, которых они в основном держали для забавы. Птичьи яйца тоже не были обычной пищей, их использовали для духовных целей и во время церемоний. Женщины занимались садоводством, выращивали сладкий картофель, платано и табак. Мы наблюдали повседневные занятия женщин и вели съемку во время длительных походов в лес, где они собирали личинок, термитов, лягушек, мед и растения. Ловлей рыбы из родниковых вод ближайших рек мужчины и женщины занимались вместе. Чтобы добыть еду, требовались значительные физические усилия, в том числе длительные переходы и бег по тропическому лесу. Угнаться за яномамо в жаркой и влажной атмосфере джунглей было совсем непросто.
Выживание яномамо во многом зависит от поразительного разнообразия, которое обеспечивает лес, а огромное разнообразие среды их обитания проявляется в разнообразии их кишечной микробиоты. Помимо основного рациона из фруктов и овощей индейцы также собирают большое количество растительных продуктов для других целей, в том числе для изготовления различных ядов растительного происхождения — ими смазывают наконечники стрел для рыбалки и охоты. Для диетических, лекарственных и галлюциногенных целей используют сотни различных растений, ягод и семян. Готовя пищу, яномамо часто прибегают к методу ферментации, благодаря чему могут получать микроорганизмы из естественного источника. Мы были свидетелями того, как группа индейцев измельчила груду плодов платано внутри выдолбленного каноэ. Они растирали массу до суспензии, которая начинала естественным образом бродить и позже превращалась в алкогольный напиток. Мужчины потребляли его в больших количествах, что заметно сказывалось на их поведении. Возможно, на протяжении многих столетий путем проб и ошибок яномамо много узнали о том, как соединения пищевых и лекарственных растений запускают специфические сигналы, воздействующие на головной мозг и пищеварительный тракт.
В основном диета яномамо была растительной, но периодически к ней добавлялись куски мяса. В отличие от обработанных (часто с большим количеством жира) продуктов из говядины и свинины, составляющих основную часть нашего мясного рациона, яномамо ели мясо диких, худых и здоровых животных. Эти индейцы жили совсем не так, как рекомендуют нам гуру диет, поучениями которых заполнены полки книжных магазин и многочисленные телешоу. Диета яномамо, богатая овощами и фруктами, допускала рыбу, а иногда и постное мясо, но не включала никаких добавок или консервантов, что соответствует известной рекомендации Майкла Поллана «Ешьте не слишком много и в основном продукты растительного происхождения», которую он дал в книге «Дилемма всеядных» (The Omnivore’s Dilemma).
Я ни в коем случае не утверждаю, что вы должны следовать правилам охотников-собирателей. Я не считаю, что нам всем следует переходить на диету времен палеолита, чтобы добиться оптимального здоровья. Характерная особенность яномамо — медленное развитие (что отражает их адаптацию к жизни охотников-собирателей в лесу), продолжительность их жизни даже не приближается к нашей, у них высокий уровень смертности от войн и бытовых травм. В то же время наблюдение за их образом жизни дает уникальную возможность увидеть, как тесно переплетающиеся роли диеты и кишечной микробиоты способствуют поддержанию здоровья человека.
Годится ли американская диета для микробиоты ЖКТ?
Может ли постная диета с небольшой долей мяса поддерживать микробиоту кишечника в здоровом состоянии? Ухудшила ли современная американская диета кишечную микробиоту человека? Ответы на эти вопросы ученые начали давать лишь в последние годы.
Несколько лет назад Таня Яцуненко, Мария Глория Домингес-Белло и группа выдающихся специалистов по микробиому под руководством Джеффри Гордона из Вашингтонского университета провели сравнительный анализ состава кишечной микробиоты гуахиро (племени, живущего в том же регионе Амазонии, что и яномамо), деревенских жителей африканского государства Малави и горожан Северной Америки. Исследователи использовали современные методы, известные как метагеномика: они выделяли все кишечные микроорганизмы из образцов стула, очищали их генетический материал (ДНК), а затем применяли автоматизированный метод анализа для выявления всех генов бактерий. Было обнаружено, что состав кишечной микробиоты у индейцев Южной Америки и малавийцев был схожим и в то же время он серьезно отличался от микробиоты жителей городов США.
На первый взгляд, эти результаты не кажутся странными, учитывая абсолютно непохожий образ жизни и различия в пищевых привычках жителей городов США, индейцев Южной Америки и африканцев, которые живут в разных географических и культурных условиях. Однако малавийцы и америнды отличаются генетически и живут в непохожих тропических условиях: в тропических лесах Амазонии круглый год сохраняется относительно постоянный климат, в отличие от засушливой саванны Малави с чередованием влажных и сухих сезонов. Такие различия порождают вопрос: чем же тогда объясняется указанное выше сходство микробиот америндов и малавийцев? Оказывается, в двух этих традиционных обществах люди следуют похожей диете на основе разнообразных растительных продуктов, которую время от времени дополняют постным мясом лесных животных.
Фактически у малавийцев и америндов были схожие паттерны кишечных микроорганизмов. Это можно считать своего рода подтверждением того факта, что у людей, придерживающихся диеты с высоким содержанием растительной пищи и низким содержанием продуктов животного происхождения, отмечается пониженное отношение бактериального филума таксономической группы фирм к числу Bacteroidetes, а в группе Bacteroidetes наблюдается повышенное соотношение групп Prevotella и Bacteroides. Эти выводы подтвердили результаты других исследований, в ходе которых сравнивалось состояние здоровья детей из сельских районов западноафриканского государства Буркина-Фасо с состоянием здоровья детей из Флоренции (в другом исследовании сравнивались охотники-собиратели из танзанийского племени хазда и взрослые итальянцы из Болоньи).
Однако различия между тремя указанными выборками не ограничились преобладанием некоторых групп микроорганизмов. Гораздо большее беспокойство вызывает то, что горожане, следующие типичной для Северной Америки диете, утратили до трети видового разнообразия микробиоты по сравнению с людьми, которые ведут доисторический образ жизни. Есть и еще один тревожный факт: очень большое изменение в экосистеме ЖКТ человека напрямую связано с предполагаемой потерей в 1970-х гг. 30 % биоразнообразия нашей планеты. Большая часть этой потери приходится на дождевые леса Амазонии — среду обитания яномамо. К сожалению, снижение биоразнообразия на земле не ограничивается растениями и животными, обитающими в субтропических дождевых лесах. Чтобы охарактеризовать влияние этого процесса на различные экосистемы, экологи разработали математические модели. Снижение биоразнообразия влияет на морскую жизнь в коралловых рифах, а также на медоносных пчел и бабочек вида монарх в Северной Америке. Можем ли мы использовать те же идеи, которые сформулировали экологи, изучая обеднение окружающих нас экосистем, чтобы понять последствия снижения биоразнообразия внутри пищеварительной системы человека? Точно так же, как большее разнообразие в природных системах обеспечивает устойчивость их обитателей к болезням, большее разнообразие и богатство видов микроорганизмов, обитающих в пищеварительной системе их носителя-хозяина, и их метаболитов дает большую устойчивость к инфекциям, меняющим состав питательных веществ антибиотикам, канцерогенам и хроническому стрессу.
Далеко не все жители Северной Америки следуют диете, типичной для этого обширного региона. Подобно членам сообществ, которые придерживаются традиционных аграрных и доисторических диет, вегетарианцы в США потребляют гораздо меньше насыщенных жиров и холестерина и намного больше фруктов, овощей, цельного зерна, орехов, продуктов из сои, а также клетчатки и фитохимических веществ, которые содержатся в составе растений. Получены весомые научные доказательства, свидетельствующие о значительных преимуществах употребления в пищу продуктов именно такого типа, то есть диеты с высоким содержанием растительной пищи и низким содержанием компонентов животного происхождения, особенно жира. Например, многие исследования показали, что у людей, которые придерживаются вегетарианской или веганской диеты, реже встречается ожирение, метаболический синдром, ишемические сосудистые заболевания, гипертония и инсульт; у них также ниже риск развития рака. К сожалению, пока собрано мало доказательств того, что эти диеты полезны для здоровья головного мозга, то есть того, что наблюдаемые преимущества не являются простым отражением общего улучшения физического здоровья.
Столь же впечатляющим, как различия в числе и разнообразии кишечных микроорганизмов, которые были обнаружены у взрослых испытуемых в исследовании Яцуненко, стал установленный факт, что различия в составе кишечной микробиоты южноамериканских индейцев, африканцев и жителей городов США не обязательно зависят от образа жизни взрослых испытуемых. Эти различия проявляются уже на протяжении первых трех лет жизни и затем сохраняются у взрослых. Что может вызвать столь раннее появление различий в составе кишечной микробиоты — еще до того, как дети вырастут и перейдут на разные «взрослые» диеты?
Там, где все это начинается
Еда играет ключевую роль в поддержании здоровья и во взаимодействии двух жизненно важных органов — пищеварительного тракта и головного мозга, и эта тесная связь наблюдается с момента рождения. Все мы во взрослом возрасте хотим оставаться оптимально здоровыми, а результаты исследования Яцуненко показывают: пища оказывает определяющее влияние на кишечный микробиом задолго до того, как мы начинаем самостоятельно решать, что нам есть и какие пробиотики выбрать. Это раннее воздействие на микробиом, связанное с продуктами питания, закладывает основу разнообразия кишечных микроорганизмов и нашей устойчивости к болезням во взрослом возрасте. Ошибки в этом процессе раннего программирования могут повысить риск столкновения с рядом проблем — от ожирения до СРК. Помимо важной роли первоначального формирования кишечного микробиома младенца в процессе родов значительное место в этом формировании занимает кормление ребенка матерью. Влияние ранней диеты на микробиоту кишечника ребенка подтвердили результаты исследования, проведенного микробиологом Рут Лей из Корнеллского университета и ее группой. В ходе этого исследования ученые 60 раз проанализировали состояние здорового мальчика с момента его рождения до двух с половиной лет.
В течение первых четырех с половиной месяцев ребенок был только на грудном вскармливании. Вначале, как обнаружили Лей и ее коллеги, микробиом младенца был богат такими видами микроорганизмов, которые облегчают переваривание углеводов молока, в первую очередь бифидобактериями и некоторыми разновидностями лактобактерий. И это было неудивительно. Но еще до того как младенец стал получать молочные смеси или кусочки твердой пищи, появились такие кишечные микроорганизмы, как Prevotella, которые помогают усваивать сложные углеводы из растительной пищи. Это означало, что кишечная микробиота ребенка была уже подготовлена к переходу на твердую пищу еще до того, как он съел хотя бы небольшой кусочек такой еды.
Мать ребенка продолжала кормить его грудью до девяти месяцев и постепенно добавляла в его рацион такие детские пищевые продукты, как рисовые хлопья и горох, а затем и еду из своего домашнего рациона. После того как ребенок перешел на твердую пищу, его микробиота снова изменилась: в ней появилось много микроорганизмов, которые ферментируют растительные углеводы.
В первые месяцы жизни ребенка в его кишечнике обитало относительно немного видов микроорганизмов, и такие события, как существенное повышение температуры, введение в рацион гороха или назначение антибиотиков при ушной инфекции, приводило к резким колебаниям состава микробиоты. Тем не менее с каждым месяцем ее состав становился все более разнообразным, и к тому времени, когда мальчику исполнилось два с половиной года, его кишечная микробиота стабилизировалась и стала похожа на микробиоту взрослого человека.
Результаты этого и других похожих исследований показывают, что кишечный микробиом человека, который формируется в первые два с половиной — три года жизни, предназначен оставаться таким на протяжении всей жизни. Образно говоря, организм ребенка как бы комплектует состав симфонического оркестра, в котором каждый вид кишечных бактерий играет на одном инструменте. Вначале этих исполнителей проверяют на профессиональную пригодность. По результатам тестирования одних приглашают в оркестр, других в него не берут, но в любом случае многие места поначалу остаются вакантными. Однако к двум с половиной годам оркестр уже полностью укомплектован, и большая часть исполнителей будет играть в нем пожизненно. В зависимости от обстоятельств и потребляемых продуктов этот оркестр может исполнять различные мелодии.
Решающая роль диеты для формирования диалога между головным мозгом и ЖКТ ребенка
Мы все больше узнаем о связях головного мозга, ЖКТ и микробиома, и я время от времени вспоминаю о той молодой женщине из племени яномамо, которая родила ребенка в венесуэльских джунглях. На протяжении нескольких недель я видел, как она обращалась и общалась со своим ребенком. Когда молодая мать присоединялась к другим деревенским женщинам для сбора еды, младенец при помощи специального плечевого ремня был прижат к ее груди и животу и весь день сосал грудь.
Ребенок казался совершенно здоровым, и на основании того, что я видел сам и узнали с тех пор исследователи, его пищеварительный тракт — и кишечная микробиота — с самого начала жизни были здоровыми. Это был хороший старт: микроорганизмов в его ЖКТ было много, и они были разнообразными. С рождения и на протяжении дальнейшей жизни ребенок подвергался воздействию разнообразных микроорганизмов, обитавших не только в окружающей среде, но и в уникальных компонентах пищи, которую он получал от матери.
Сегодня мы знаем, что питание младенца, в частности грудное молоко, помогает населить его ЖКТ первоначальным составом полезных для здоровья микроорганизмов. Состав грудного молока в значительной степени зависит от того, как питается мать. Недавние исследования показали, что состав диеты кормящей матери во многом предопределяет риск позднейшего развития у ребенка болезней, связанных с обменом веществ и ожирением, так как во многом такое развитие событий закладывается в ходе раннего программирования кишечной микробиоты ребенка. Хотя матери всегда знали, что наилучшей пищей для их младенцев является грудное молоко, механизмы, обеспечивающие эту пользу для здоровья, были выявлены лишь недавно, в ходе исследований кишечной микробиоты. Помимо необходимых для развития ребенка питательных веществ грудное молоко содержит пребиотики — сложные вещества, обладающие способностью кормить определенные группы кишечных микроорганизмов. В частности, оно содержит олигосахариды — сложные углеводы. Их образуют от трех до десяти связанных друг с другом молекул сахара, содействующих росту только полезных бактерий и потому важных для формирования кишечной микробиоты ребенка. Эти углеводы, называемые олигосахаридами грудного молока (ОГМ), являются важным компонентом грудного молока. К настоящему времени уже идентифицировано более 150 различных молекул ОГМ.
Самое интересное с ОГМ состоит в том, что, хотя они произведены женским организмом, кишечник человека не может их переварить. Эти молекулы не разрушаются в кислой среде желудка младенца, они не перевариваются ферментами поджелудочной железы и тонкой кишки и достигают толстой кишки (где обитает подавляющее большинство кишечных микроорганизмов) в исходном виде. Там они питают полезную микробиоту, в частности виды бифидобактерий, которые могут частично разбивать их на короткоцепочечные жирные кислоты и другие метаболиты. Продукты этого разделения создают среду, в которой полезные микроорганизмы растут быстрее, чем потенциальные патогены. Это помогает объяснить тот факт, что в стуле детей, которых не кормят грудью, меньше бифидобактерий, чем у детей на грудном вскармливании. Как указывает Дэвид Миллз из Университета Калифорнии, один из ведущих мировых специалистов по компонентам грудного молока, ОГМ являются единственной пищей, которая развивалась только для одной цели — питания микробиоты младенца. Очевидно, что в ходе эволюции эти молекулы появились специально, чтобы помочь спрограммировать кишечную микробиоту ребенка, одновременно обеспечивая защиту от патогенных бактерий. Одним из условий достижения этой цели является преобладание Bifidobacterium infantis, которые активно вытесняют патогенные бактерии, замедляя рост числа потенциально вредных бактерий, конкурирующих с полезными микроорганизмами за ограниченный запас питательных веществ. К тому же ОГМ оказывают прямое противомикробное действие на патогены, что проявляется в снижении микробных инфекций, которые обычно поражают ребенка. Таким образом, ОГМ имеют большое значение для развития у ребенка здорового микробиома и для временной защиты от кишечных инфекций, пока микробиом еще недостаточно разнообразен, чтобы эффективно защищать ребенка от инфекций.
В ходе эволюции появился вариант красивого и плавного перехода из почти свободной от микроорганизмов среды в утробе матери в кишащий микроорганизмами мир: сначала для этого используется уникальная микробная среда влагалища матери, которая заселяет стерильный кишечник новорожденного, а затем при помощи особых молекул, содержащихся в грудном молоке, обеспечивается рост этих микроорганизмов в кишечнике младенца. Эти молекулы действуют достаточно долго, чтобы у растущего ребенка сформировался собственный уникальный состав микроорганизмов.
На протяжении двух месяцев жизни среди индейцев яномамо я видел матерей, которые кормили грудью не только младенцев, но и детей ясельного (в нашем понимании) возраста. Более того, они кормят детей грудью в течение трех полных лет, после первого года добавляя к диете платано, как и во многих других традиционных сообществах охотников и собирателей. В этот период у ребенка формируется не только кишечный микробиом, но и головной мозг. Развитие мозга продолжается и в подростковом возрасте, но особенно важны первые несколько лет жизни. Может ли грудное вскармливание изменить общение между головным мозгом, ЖКТ и микробиотой так, чтобы это пошло на пользу здоровому развитию важнейших цепей и систем головного мозга?
Результаты долговременных исследований грудного вскармливания позволяют ответить на этот вопрос утвердительно. В ходе нескольких таких исследований детей не только наблюдали на протяжении всего периода взросления, но и измеряли их познавательные и интеллектуальные способности. Такие исследования, в ходе которых ученые на протяжении многих лет периодически получали от испытуемых интересующие их показатели, можно считать своего рода кинофильмом, демонстрирующим развитие определенного процесса. И главное состоит здесь в том, что ученые при таком подходе могут выявить причинно-следственные зависимости. Долговременные исследования показали, что чем дольше ребенок находится на грудном вскармливании, тем больше его головной мозг, что, как считают, свидетельствует о лучшем умственном развитии.
Кормление грудью может улучшить эмоциональное и социальное развитие ребенка. Ученые из Института Макса Планка в Лейпциге исследовали способность восьмимесячных младенцев, находившихся на грудном вскармливании, распознавать эмоции, выражаемые языком тела. Для этого им показывали изображения людей, испытывавших состояние счастья или страха. Результаты оказались впечатляющими: младенцы, которых вскармливали грудью в течение более длительного времени, чаще реагировали на телесные проявления счастья, чем младенцы, которых меньше кормили грудью. Умение узнавать такие важные эмоции, как счастье или гнев, по выражению лица и позе предоставляет младенцам очень важный инструмент, имеющий решающее значение для их эмоционального и социального развития.
Как именно грудное вскармливание изменяет участки головного мозга, отвечающие за усвоение указанных навыков? Результаты лейпцигского исследования позволяют предположить, что это происходит отчасти благодаря действию окситоцина. Разнообразие сенсорных стимулов, в том числе нежные прикосновения, укачивание ребенка или вызванные питательными веществами ощущения в пищеварительном тракте, высвобождают в головном мозге окситоцин. Этот гормон выделяется и в мозге кормящей матери (где он стимулирует отделение молока), и в мозге ее ребенка. Окситоцин усиливает аффилирование — потребность в симпатии и привязанности окружающих, а это наводит на мысль о том, что его высвобождение во время кормления способствует большему сближению матери и ребенка. Последующие исследования дали основания предположить, что положительный эффект продолжительного грудного вскармливания зависит от состава генов младенцев, так как благоприятное воздействие наблюдалось только у младенцев, которые имели определенную генетическую вариативность в сигнальной системе окситоцина.
Хотя исследования взаимосвязи между грудным вскармливанием и эмоциональной реактивностью сами по себе представляют большой интерес, в них не ставился вопрос о том, какой именно аспект грудного вскармливания отвечает за выброс окситоцина в головном мозге. «Грудное вскармливание — нечто гораздо большее, чем просто питание», — писал руководитель этих исследований Тобиас Гроссманн. Что является причиной — положительный опыт, получаемый младенцем при более продолжительном контакте с матерью, оральная стимуляция (способствующая высвобождению окситоцина у матери) или потребление молочного сахара (что может стимулировать высвобождение опиоидоподобных молекул в мозге младенца)? Или все дело в том, что схожий с валиумом метаболит воздействует на аминокислоту ГАМК, которую кишечная микробиота младенца производит в ответ на регулярное поступление олигосахаридов грудного молока?
В ходе нашего эксперимента в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе проводилась томография головного мозга взрослых женщин-добровольцев, которым на регулярной основе давали обогащенные пробиотиками йогурты. Было установлено, что пробиотики влияют на активность некоторых эмоциональных областей головного мозга. Интересно, что частично эти области совпадают с областями, которые активизировались при грудном вскармливании младенцев, как это было установлено в исследованиях группы Тобиаса Гроссманна. Нам удалось обнаружить, что между объемом определенных областей головного мозга и общим составом кишечной микробиоты существует корреляция. Быть может, эта взаимосвязь между головным мозгом и кишечными микроорганизмами развивается в раннем возрасте, когда формируются и архитектура головного мозга, и состав кишечной микробиоты? Судя по тому, что мы знаем обо всем этом сегодня, решающую роль здесь может играть количество и продолжительность поступления олигосахаридов грудного молока в механизм производства метаболитов в пищеварительном тракте младенца.
Может ли смена диеты нарушить микробиоту ЖКТ?
Изменение диеты может коренным образом поменять условия жизни кишечных микроорганизмов. В пищеварительном тракте их триллионы, и многие могут быстро размножаться. Это означает, по крайней мере в теории, что естественный отбор также может действовать быстро, давая возможность размножиться более приспособленным микроорганизмам, а менее пригодным — затаиться или вообще исчезнуть.
Но это не единственно возможный сценарий. Живущие в пищеварительной системе микроорганизмы тоже могут адаптироваться к новым условиям, меняя экспрессию генов, чтобы активизировать новые базовые функции и отключить те, которые больше не нужны. Чтобы выяснить, по какому сценарию будут развиваться события и как серьезное изменение диеты влияет на состав кишечных микроорганизмов, несколько групп ученых провели исследования того, насколько различия в пищевых привычках людей, живущих в промышленно развитых странах, находят отражение в изменениях их микробиоты и производимых ею метаболитов. Группа Питера Тернбо из Гарвардского университета изучала срочный эффект переключения здоровых людей с привычной для них диеты на диету на растительной основе (богатую зерновыми, бобовыми, фруктами и овощами) или, наоборот, на диету с обилием продуктов животного происхождения и высоким содержанием жиров (мясо, яйца, сыры).
Кратковременный переход отдельных людей с привычной диеты на растительную или животную приводил к изменению состава их кишечной микробиоты. Эти изменения были схожи с теми, о которых мы говорили, анализируя различия микробиомов травоядных и плотоядных животных и различия микробиомов жителей США и представителей племен с доисторической диетой. Интересно, что по сравнению с диетой на растительной основе животная диета с высоким содержанием жиров сильнее влияет на базовый состав микробиоты и приводит к преобладанию определенных видов микроорганизмов. Можно предположить, что такая диета представляет собой более серьезное отклонение от прежней диеты испытуемых, чем растительные диеты. У испытуемых, которые придерживались диет на животной основе, также наблюдалось увеличение численности микроорганизмов, устойчивых к желчным кислотам (необходимых для всасывания жира в тонкой кишке) и сниженным уровням бактерий, которые усваивают сложные молекулы сахара, содержащиеся в растениях. Когда испытуемых-вегетарианцев перевели на диеты на животной основе, в их ЖКТ сократилось количество микроорганизмов, распространенных в доисторических и аграрных обществах, что подтверждает важность популяций этих микроорганизмов для усвоения растительных углеводов.
Изменяется не только состав микроорганизмов, но и их метаболическая активность. Как и ожидалось, по сравнению с растительной и базовой диета на животной основе привела к значительно более высокой концентрации продуктов ферментации аминокислот и к более низким уровням метаболитов, получаемых при ферментации углеводов (в частности, коротких цепочек жирных кислот).
Как отмечали авторы этого исследования, способность кишечной микробиоты быстро изменять свой состав и функциональные профили может быть важна для выживания человечества, так как она позволяет приспособиться к изменениям климата и сезонным изменениям корзины доступных продуктов. Вероятно, она сыграла адаптивную роль в процессе эволюции человека от самых давних наших предков до современных Homo sapiens. Способность быстро адаптироваться к легкодоступной растительной пище в периоды ограниченного поступления мяса, вероятно, позволила получить альтернативный источник калорий и питательных веществ. Эти результаты объясняют и то, почему люди могут приспособиться к быстро меняющимся лечебным и «модным» диетам (безглютеновой, Аткинса, палеодиете, веганской) без серьезных побочных явлений и, видимо, без резких изменений в настроении, эмоциях и характере реагирования на стрессовые ситуации.
Поскольку кишечная микробиота быстро адаптируется к экстремальным краткосрочным изменениям диеты, можно было бы ожидать явных различий ее состава и производимых метаболитов у жителей современных городов, придерживающихся растительных диет (веганских и вегетарианских), и их всеядных соседей. Удивительно, но исследование Гэри Ву и его группы из Университета Пенсильвании это предположение не подтвердило. Ученые на протяжении не менее шести месяцев проводили детальный анализ кишечной микробиоты и метаболитов в группах «всеядных» и вегетарианцев. В отличие от результатов предыдущих исследований состояния здоровья людей, которые родились и всю жизнь жили в разных географических регионах мира, на этот раз ученые обнаружили очень незначительную разницу в кишечной микробиоте жителей западных стран, выбравших всеядную либо веганскую диету. Различия между кишечными микробными метаболитами у представителей двух групп, измеренными в пробах крови и мочи, наблюдались, однако эти различия в основном отражали более низкое потребление веганами белков и жиров и более высокое потребление ими углеводов. Как и ожидалось, эти различия в метаболических профилях можно было бы объяснить повышенным метаболизмом продуктов растительного происхождения — сложными молекулами сахара, производимыми кишечной микробиотой у членов веганской группы, и повышенным количеством аминокислот животного происхождения и липидов, потребляемых всеядными людьми.
Кратко подведем итоги. Диета изменила у испытуемых производство микробных метаболитов без существенного изменения состава микроорганизмов, производивших эти метаболиты. Исследователи предположили, что если в существенных различиях кишечной микробиоты, которые наблюдались у разных популяций в разных частях мира, виновна диета, то для возникновения таких связанных с питанием различий может потребоваться несколько поколений или воздействие на человека в очень ранний период жизни. В противном случае влияние диеты на кишечную микробиоту не будет длительным.
Теперь нам известно, что существует множество механизмов, с помощью которых на раннем этапе можно влиять на кишечную микробиоту. Это, в частности, диета матери во время беременности и кормления младенца, воздействие микроорганизмов окружающей среды, а также вызванные стрессом коммуникации между головным мозгом и пищеварительным трактом, которые влияют на микробиомы матери и младенца. Географически наблюдаемые различия в составе микробиоты также отчасти могут быть обусловлены особенностями окружающей среды, в которой живут испытуемые: в одних условиях находятся люди, живущие в гармонии с окружающей средой в изолированных частях мира, и совсем в других — жители американских метрополий — больших городов, далеких от прямого воздействия природных сред, где еду получают из супермаркетов или ресторанов.
Несмотря на хорошую в целом адаптивность, кишечная микробиота членов оседлых племен и племен охотников-собирателей обладает способностями, которые городскими жителями уже утрачены. Даже если мы решим перейти на диету, которой придерживаются охотники-собиратели, наш организм никогда не сможет так же хорошо расщеплять растительную пищу и производить столько же полезных метаболитов, как организм этих людей. Так называемая пермиссивная микробиота производит множество короткоцепочечных жирных кислот — богатых энергией полезных молекул, которые могут препятствовать возникновению рака толстой кишки и воспалительных заболеваний и, вполне вероятно, влияют на коммуникации головного мозга и пищеварительного тракта.
А вот у жителей промышленно развитых стран состав кишечной микробиоты, напротив, «ограничивающий», он не так эффективно расщепляет сложные углеводы растительного происхождения на короткие цепочки жирных кислот, даже если рацион богат фруктами и овощами. Логичный вопрос: каким образом возникает такой ограничивающий состав?
Гэри Ву считает, что все дело в отсутствии таких видов микроорганизмов, как бактерии Ruminococcus bromii, играющих важную роль в запуске процесса расщепления трудных для разделения веществ. В экосистеме кишечного микробиома подобные метаболиты могут быть произведены различными микроорганизмами. Однако некоторые виды кишечных микроорганизмов обладают более специализированными навыками и, по всей видимости, играют ключевую роль в расщеплении частиц крахмала, не переваренных в тонкой кишке. Этот так называемый резистентный крахмал содержится в разных пищевых продуктах растительного происхождения, включая бананы, картофель, бобовые и цельнозерновые. У большинства людей резистентный крахмал полностью ферментируется в толстой кишке до короткоцепочечных жирных кислот, но у некоторых горожан кишечная микробиота такой способностью не обладает.
Оказалось, что распад резистентного крахмала обычно инициируют упомянутые выше Ruminococcus bromii, в результате чего частично переваренный субстрат становится доступным для других бактерий, которые затем дальше расщепляют отдельные сахара, используя для этого различные ферменты. Такие микроорганизмы, как R.bromii, экологи называют «ключевыми видами», потому что их деятельность необходима для функционирования в оптимальном режиме всей экосистемы. Например, для Йеллоустонского национального парка ключевым видом являются волки. Там они контролируют численность популяции лося, в результате чего дело не доходит до уничтожения лосями пастбищ, и экосистема поддерживается в сбалансированном состоянии. Исчезновение волков приведет к серьезным последствиям для многих находящихся ниже по трофической цепи видов и таким образом повлияет на функционирование всей экосистемы.
Если число таких ключевых видов бактерий, как R.bromii, уменьшается или они вообще отсутствуют, все другие обитатели кишечной микробиоты начинают хуже выполнять свою работу (например, заниматься метаболизмом сложных углеводов). И наоборот, если исчезают какие-то виды, стоящие ниже в пищевой цепочке, их работу легко могут выполнить другие участники цепочки, также относящиеся к видам, стоящим ниже в трофической цепочке.
Все это означает, что, родившись в условиях западной цивилизации, вы приобретаете западный тип микробиома. Если в данный момент вы придерживаетесь веганской диеты, ваша кишечная микробиота останется такой же, как у типичного всеядного жителя развитой страны, а если вы перейдете на палеодиету и будете придерживаться ее до конца своих дней, ваша микробиота не станет такой же, как у охотников-собирателей. При этом структура микробных метаболитов, которые производит организм, зависит именно от диеты.
Даже если диеты у вас и у вашего соседа очень схожи, в ваших пищеварительных трактах будут обитать разные виды микроорганизмов. Совпадает только небольшая доля видов и штаммов микроорганизмов, даже если гены, которые эти микроорганизмы экспрессируют, и метаболиты, которые они производят, у этих людей оказываются схожими. Роб Найт из Университета Калифорнии в Сан-Диего, настоящий гений аналитики, благодаря которому стали возможными современные исследования кишечной микробиоты, считает, что кишечная микробиота похожа на крупномасштабную экосистему, где группировки различных видов микроорганизмов могут выполнять одинаковые функции.
Однако здесь не все идентично. Два луга на фотографии могут выглядеть одинаковыми, особенно по сравнению с двумя лесами, но на самом деле эти луга могут серьезно отличаться друг от друга и счет может идти на сотни видов растений и живых существ, хотя внешне среда кажется очень похожей.
Отношения между составом кишечной микробиоты и ее функциями можно представить и по-другому. Допустим, вы любитель музыки и у вас есть любимый оркестр, например Лос-Анджелесский или Берлинский филармонический, чьи выступления вы слышали много раз. Когда вы ходите на выступления, музыканты в оркестре по большей части остаются теми же, однако произведения, будь это музыка Бетховена, Малера или Моцарта, исполняются разные — все зависит от того, какие ноты стоят на пюпитре перед музыкантами во время концерта. Поэтому, когда речь идет о здоровье, идентичность видов микроорганизмов важна не так, как работа, которую они выполняют. Все как в оркестре: чтобы вы получили удовольствие, важно музыкальное произведение, а не тот факт, что его исполняют те же самые музыканты.
Как диета изменяет диалог между головным мозгом и пищеварительным трактом
Как свидетельствуют результаты исследования Гэри Ву, микробиота ЖКТ может адаптироваться к резким изменениям источников питания, переходу на другую пищу, чтобы продолжать существовать и производить свои метаболиты. Адаптация — один из элементов огромной мудрости эволюции, которая проявляется в устройстве и функционировании желудочно-кишечного тракта. Мы уже обсудили, как эта мудрость запрограммировала прямое взаимодействие по оси ЖКТ — микробиота — головной мозг и снабдила организм не только прекрасно функционирующей пищеварительной системой, но и расширяющейся библиотекой внутренних ощущений, которые помогают прогнозировать будущее, и инстинктами, помогающими более тонко и своевременно реагировать на опасности окружающего мира. Важно отметить, что, хотя кишечный микробиом и его связи с мозгом программируются в самом начале жизни, он остается гибким и способным к адаптации на протяжении всей жизни.
Я уже не раз сравнивал работу оси головной мозг — ЖКТ — микробиом с работой суперкомпьютера. «Члены» этой оси могут в полной мере приспосабливаться к изменениям во внутренней и внешней средах и поддерживать сложные связи с иммунной системой, метаболизмом, нервной системой и остальными системами организма человека. О высокой адаптивности этой оси наглядно свидетельствует тот факт, что люди относительно недавно успешно перешли от доисторического, тесно связанного с природной средой образа жизни к существованию в мегаполисах и потреблению продуктов, которые часто привозят из отдаленных регионов мира. Кишечный микробиом человека учится усваивать вещества, с которыми он прежде никогда не сталкивался, в том числе новые лекарства, пестициды и химические вещества, попадающие сегодня в нашу пищу.
С учетом этой универсальной способности у нас есть веские основания полагать, что кишечные метаболиты будут различаться в зависимости от типа текущей диеты. Это объясняется тем, что при расщеплении таких сложных углеводов растительного происхождения, как резистентный крахмал, создается принципиально иной набор метаболитов, чем при разложении аминокислот и жиров, главных компонентов мяса и молока, яиц и сыра. Например, в отличие от весьма ограниченного круга метаболитов углеводов, которые в основном состоят всего из нескольких короткоцепочечных жирных кислот, организм переваривает белки и создает 20 различных строительных блоков — молекул, называемых аминокислотами, а микроорганизмы в толстой кишке ферментируют эти аминокислоты и создают гораздо более широкий круг метаболитов, которые уже могут взаимодействовать с нервной системой.
Большинство непереваренных углеводов растительного происхождения метаболизируются (перерабатываются) в толстой кишке в короткоцепочечные жирные кислоты — бутират и ацетат — и в такие газы, как двуокись углерода, метан и сероводород (из-за которого у стула неприятный запах). Бутират — отличный пример многих позитивных эффектов растительной диеты, способствующих улучшению взаимодействия между головным мозгом и пищеварительным трактом. Он не только играет решающую роль в обеспечении пищей клеток, выстилающих толстую кишку, но и создает массу полезных для здоровья импульсов, позитивно влияющих на энтеральную нервную систему. Эта короткоцепочечная жирная кислота — ключевой участник взаимодействия между пищеварительным трактом и головным мозгом, к тому же она обеспечивает защиту последнего от опасных, хотя и слабых проявлений воспалительных эффектов, вызываемых диетами с высоким содержанием жиров или искусственных подсластителей.
Чтобы продемонстрировать огромное влияние, которое изменение диеты может оказать на головной мозг, давайте обратимся к цифрам. По полученным оценкам, кишечный микробиом человека потенциально позволяет производить около 500 000 различных метаболитов, которые известны под общим названием метаболона. Многие из этих метаболитов нейроактивны, то есть могут влиять на нервную систему. Отдельные микроорганизмы производят до 50 различных метаболитов, в том числе гормоны, нейромедиаторы (нейротрансмиттеры) и другие молекулы, непосредственно взаимодействующие с нервной системой. У каждого метаболита может быть до 40 000 вариаций: все зависит от того, как он сочетается с другими метаболитами. Эти метаболиты производят около 7 млн генов — гораздо больше тех 20 000 генов, которые составляют геном человека.
Так как человек ест очень разнообразные продукты, особенно растительного происхождения, в его пищеварительном тракте содержится огромное количество микробных клеток. По некоторым подсчетам, 40 % метаболитов, циркулирующих в организме, произведены не нашими собственными клетками и тканями, а кишечными микроорганизмами. Теперь становится ясно, что ключевую роль в поразительно сложной сигнальной системе, способной влиять на каждую клетку в нашем организме, в том числе и на нейроны головного мозга, играет кишечный микробиом. Потребуются еще годы исследований, чтобы до конца разобраться в сложных взаимодействиях, на которые эти метаболиты влияют сами либо, что более вероятно, в сочетании с другими метаболитами. И все же я не сомневаюсь, что эти воздействия являются глубокими, а их изучение революционным образом изменит понимание роли диеты в развитии и лечении заболеваний головного мозга и взаимодействия между мозгом и пищеварительным трактом. Иными словами, оркестр микроорганизмов в желудочно-кишечном тракте полностью укомплектован опытными исполнителями и с первых лет жизни готов к выступлениям. Диета, которую выбирает человек, определяет не только мелодии, которые будет играть этот оркестр, но и характер этих произведений. А дирижером, руководящим оркестром при исполнении симфоний, в конечном счете является сам человек.