Почему приезжий не переваривает местную еду?

Одни и те же блюда коренные жители Севера едят всю жизнь без последствий, а гость нередко получает тяжёлое расстройство. Дело не в «крепости» желудка как мышцы. Внутри каждого из нас живут триллионы бактерий — микробиом кишечника, и именно они помогают расщеплять многое из того, что сам организм переварить не способен. Получается, переваривает пищу не только человек, но и целая невидимая экосистема внутри него — а она у каждого народа своя, настроенная поколениями под местную еду.

1. у каждого народа состав свой — настроен поколениями
2. пища входит целой
3. выходит расщеплённой
4. триллионы бактерий на стенке кишечника

Звучит красиво, но как это доказали? Помог неожиданный пример — морские водоросли.

Учёный Хендрик Хееманн изучал морские бактерии, умеющие расщеплять особый сахар водорослей — порфиран. У человека фермента для него нет, переварить нори нам «нечем». Возник вопрос: если человек не умеет расщеплять порфиран, как же его веками без проблем едят японцы, для которых водоросли нори — повседневная еда?

Разгадка оказалась изящной: нужный ген нашли не у человека, а у кишечной бактерии Bacteroides plebeius, которая живёт у многих японцев. Бактерия когда-то «подобрала» этот ген у морских сородичей, попадавших в кишечник вместе с водорослями (так называемый горизонтальный перенос генов), — и теперь расщепляет порфиран за хозяина¹. Вывод важный: к новой еде адаптируется не столько сам человек, сколько экосистема бактерий внутри него.

1. ген переходит между разными видами
2. бактерия с водоросли
3. бактерия кишечника Bacteroides plebeius

Где работает тот же закон?

Так же микробиом подстраивается под клетчатку, молоко, ферментированные продукты у разных народов. И даже наши собственные гены подыграли диете: способность взрослых переваривать молоко (лактозу) закрепилась там, где издавна держали скот. Питание и пищеварение — это всегда дуэт человека и его микробов.

Откуда у японцев ген, которого нет у европейцев История началась с наблюдения, которое долго не могли объяснить: японцы усваивают морские водоросли — нори, из которых крутят суши, — заметно полнее европейцев. Человеческий геном тут ни при чём: ферментов для порфирана, главного полисахарида красных водорослей, у человека нет ни у кого.

Разгадку нашли в 2010 году, разбирая бактерию Zobellia galactanivorans, живущую на самих водорослях. У неё оказался фермент порфираназа, разрезающий порфиран. Затем тот же ген нашли в кишечных бактериях японцев — у Bacteroides plebeius, которая в море не живёт и порфиран встречает только на тарелке. В образцах кишечной микробиоты североамериканцев ген не обнаружился ни разу.

Объяснение — горизонтальный перенос генов: бактерия с водоросли попала в кишечник вместе с едой и передала свой ген местному жителю кишечника. Для бактерий это обычное дело, у них наследование не сводится к делению: ген может переехать с плазмидой, с вирусом-бактериофагом или быть подобран прямо из среды.

Что предполагается

1. Перенос однонаправленный и редкий: событие могло случиться считаные разы за историю популяции, а дальше ген распространялся уже среди кишечных бактерий.
2. Ген даёт носителю преимущество — там, где водоросли едят регулярно. Без такого давления отбора приобретение не закрепится.
3. Речь о геноме бактерий, а не человека. Наследуется он не по родительской линии, а через передачу микробиоты — при рождении, кормлении и совместной еде.

Цифры, которые делают разницу осязаемой В кишечнике взрослого человека порядка $10^{13}$–$10^{14}$ бактериальных клеток — величина того же порядка, что и число собственных клеток тела. Их суммарный геном содержит в сотни раз больше генов, чем человеческий: около 20 тысяч наших против нескольких миллионов бактериальных. Именно поэтому набор доступных химических превращений задаётся не столько нашей наследственностью, сколько составом этого сообщества, а он меняется вместе с едой — за дни, а не за поколения.

Похожая картина у молока. Способность взрослого расщеплять лактозу — уже не бактериальный, а человеческий признак, мутация в регуляторной области гена лактазы. У народов с давней молочной историей — северных европейцев, многих скотоводов Африки и Аравии — она встречается у 80–100 % взрослых, в Восточной и Юго-Восточной Азии — у 3–28 %. Но скотоводство признак не гарантирует: у монголов-скотоводов его находят лишь у 12 % взрослых, у суданских динка — у 25 %. Здесь эволюция шла по человеческому геному и заняла тысячи лет; в случае водорослей всё решилось на уровне микробов и куда быстрее.

Где рассуждение перестаёт работать

• Не всякая непереносимость — про гены. Реакция приезжего на местную кухню чаще объясняется непривычной микробиотой, количеством еды и незнакомой микрофлорой воды, а не отсутствием редкого фермента.
• Обнаружение гена не равно работе гена. Метагеномный анализ показывает, что ген присутствует, но не то, насколько активно он читается. Между «ген есть» и «водоросли усваиваются лучше» лежит цепочка, которую в исходной работе проследили не до конца.
• Выборки малы. Первые выводы опирались на десятки образцов, и доля японцев с этим геном в разных исследованиях расходится в разы. Как часто он встречается на самом деле — вопрос всё ещё открытый.

О чём спорят Насколько вообще важен горизонтальный перенос в кишечнике человека — предмет дискуссии. Одни группы считают порфираназу редким исключением, другие находят следы переносов регулярно и говорят, что это рабочий механизм приспособления к новой пище. От ответа зависит и практический вопрос: можно ли «подсадить» человеку способность усваивать что-то новое, изменив микробиоту, — или наследственность бактерий устроена консервативнее, чем кажется.

Проверяемый вопрос Если способность усваивать водоросли передаётся с микробиотой, а не с генами человека, то что должно происходить с ребёнком японских родителей, выросшим в Европе на европейской кухне, — и как это проверить, не заглядывая в его геном?