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.