Архитекторы и микробиологи исследуют, может ли создание зданий, благоприятных для дружественных микроорганизмов, улучшить здоровье человека.
Мир природы изобилует микроорганизмами. Миллиарды видов бактерий, архей, вирусов и грибов образуют сложные экосистемы в почве, воде и воздухе. Деятельность этих микробов поддерживает растения через их корни, животных - через их кишечник и кожу, а также помогает регулировать климат планеты и химические циклы. Но люди проводят около 90% своего времени в закрытых помещениях, которые по своей природе враждебны многим микробам.
Стерильность современной архитектуры обеспечивает определенную защиту от инфекционных заболеваний. Но некоторые ученые считают, что она способствует развитию других заболеваний, особенно тех, которые связаны с иммунной системой. И они изучают, можно ли превратить искусственную среду обитания в пробиотическую, обеспечивая воздействие разнообразных полезных микробов в помещении.
Пробиотическая архитектура означает, что “мы можем бороться с вредными микробами, но в то же время мы по-прежнему позволяем существовать другим безвредным микробам — или даже потенциально полезным для нас микробам”, - утверждает Ричард Беккет, архитектор, специализирующийся на биоаугментированном дизайне в Университетском колледже Лондона. “Это переосмысливает идею о том, что стерильность безопасна для наших построек”. Тем не менее, использование домов, офисов и школ в качестве носителей искусственно внесенных микробов вызывает споры. Ученые все еще исследуют, какие микробы могут жить в помещении и действительно живут, и неясно, какие из них следует внедрять или как это сделать таким образом, чтобы это было безопасно, эффективно и контролируемо.
Антибиотическая архитектура
Большая часть населения мира живет в городах и многие люди проводят большую часть своего времени внутри помещений. Опрос, проведенный в 2001 году, показал, что респонденты в Соединенных Штатах проводили 87% своего времени в закрытых зданиях и еще 6% - в транспортных средствах. При проектировании зданий, таких как дома и офисы, люди стремились быть изолированными от животных, грязи и микробов. Но ученые, изучающие среду обитания, в которой содержатся пробиотики, указывают на исследования, которые показывают, что общение с микробами полезно для здоровья, особенно для маленьких детей.
Воздействие пыли, сельскохозяйственных животных и связанных с ними микробов может положительно сказаться на иммунной системе детей. “У людей, выросших на ферме, вероятность развития атопии снижается на 50%”, - сообщает Джек Гилберт, педиатр и исследователь микробиома из Калифорнийского университета. Атопия, которая заставляет людей вырабатывать определенные виды антител, может проявляться в виде таких заболеваний, как астма, дерматит и пищевая аллергия.
Люди в общине амишей в Соединенных Штатах и Канаде выращивают большую часть продуктов питания сами и часто путешествуют на повозках, запряженных лошадьми, что позволяет им находиться необычайно близко к животным, растениям, почве и микробам, которые в них обитают. Распространенность астмы среди школьников-амишей составляет 5,2% , что ниже, чем в среднем по США (8,1%). Если развивающаяся иммунная система детей нуждается в воздействии микробов окружающей среды — и если такое воздействие оказывается полезным и для взрослых, — то городские жители часто упускают это из виду.
Современная архитектура была сформирована отчасти из-за стремления улучшить здоровье людей. В частности, борьба с туберкулезом была движущей силой дизайнерских идей с середины девятнадцатого и до конца двадцатого века. “Модернизация архитектуры была, прежде всего, формой дезинфекции, очищения зданий, что привело к созданию благоприятной для здоровья среды света, воздуха, чистоты и гладких белых поверхностей без трещин и расселин, где могла бы скрываться инфекция”, - пишет историк архитектуры Беатрис Коломина из Принстонского университета.
Эти стратегии спасали жизни, но некоторые архитекторы и ученые утверждают, что стремление к чистоте зашло слишком далеко. В начале двадцатого века в большинстве зданий были окна, которые можно было открывать, чтобы впустить свежий воздух. Более того, горизонтальная площадь каждого этажа в здании — "перекрытия" на языке архитекторов — была небольшой. Эти два дизайнерских решения означали, что люди всегда были рядом с вентиляцией и естественным освещением в течение дня.
В середине века ситуация изменилась, рассказывает архитектор Марк Фретц, который является содиректором Института здоровья в искусственной среде при Университете штата Орегон. “Люди в некоторых офисных зданиях могут работать весь день вдали от любого окна. И эти окна вряд ли когда-либо открываются. Поскольку в 1970-х годах усилилась забота об экономии энергии, архитекторы начали перекрывать доступ наружного воздуха, чтобы обеспечить эффективную работу систем отопления и охлаждения», - говорит он. “Это создает герметичную среду, которая в большей степени исскуственна и контролируется техническими средствами. Образно говоря, мы перешли от пещер к космическим кораблям”.
Эти "космические корабли" враждебны многим микробам. Пластиковые, стеклянные и металлические поверхности гладкие и сухие. Почвенным микробам, которые попадают туда, негде закрепиться, и им нечего есть или пить. Полы, мебель и рабочие поверхности могут содержать антимикробные химические вещества, а те, которые их не содержат, часто регулярно обрабатываются бытовыми чистящими средствами, содержащими эти соединения.
“Мы можем рассматривать искусственную среду как своего рода экстремальную среду обитания”, - считает Эрика Хартманн, изучающая микробиом искусственной среды в Северо-Западном университете США. За исключением нескольких влажных и относительно плодородных ниш, таких как сточные трубы, микробное разнообразие в помещении значительно ниже, чем на улице. Исследования микробиома домашних хозяйств показали, что дома населены в основном микробами из тел людей, которые там живут, особенно теми, которые находятся на руках и ногах людей, а также в их носах, и от их домашних животных.
Вместо того чтобы закрепиться в окружающей среде, эти микробиомы являются временными и перемещаются вместе с обитателями здания. Например, в одном исследовании было обнаружено, что три семьи, переехавшие в другой дом, забрали с собой свой микробиом помещения. Одна семья даже оставила его на некоторое время в гостиничном номере, в котором они останавливались перед переездом.
Живые материалы
Коломина сравнивает современную архитектуру с антибиотиками. Точно так же, как широкое использование этих препаратов привело к устойчивости к антибиотикам, архитектура “породила своих собственных монстров”, - говорит она. Есть свидетельства того, что аутоиммунные заболевания, аллергии и нарушения обмена веществ, такие как ожирение, зависят от микробов, воздействию которых подвергаются люди, и что разнообразие этих микробов сокращается. Архитектура, по ее мнению, должна быть больше похожа на человеческий кишечник: пористой и разнообразной. Но легче сказать, чем сделать - микробы и архитектура могут составить непростую пару, говорит Беккет. Архитекторы стремятся к постоянству и стабильности, но микробы “неуправляемы”, - говорит он.
Один из подходов заключается в интеграции экологических микробов в строительные материалы. Беккет, который изучал биохимию и работал исследователем в британской фармацевтической компании GlaxoSmithKline, прежде чем стать архитектором, надеется, что благоприятная микробиота, внедренная в архитектурную среду, сможет вытеснить устойчивые к лекарствам патогены. Чтобы попытаться преодолеть это, Беккет работал с микробиологами над проектом под названием "Ниши для органических территорий в биодополненном дизайне" (NOTBAD).
Сотрудники NOTBAD выбрали в качестве модельного возбудителя штамм метициллинрезистентного золотистого стафилококка (MRSA), который способен противостоять действию многих антибиотиков и стал настоящим бичом в больницах. Доброкачественными микробами группы NOTBAD стали штаммы почвенной бактерии Bacillus subtilis, которые проявили антимикробные свойства в лабораторных условиях и могут выживать в сухих помещениях.
Следующей задачей был выбор материала, который мог бы содержать безвредные микробы. Работа Беккета основана на концепции биорецептивности: способности материала к заселению живыми организмами. Эта идея, объединяющая материаловедение и экологию, переосмысливает такую колонизацию — например, рост мха или водорослей на каменном памятнике — в позитивном или нейтральном ключе, а не рассматривает ее как разрушительный процесс. “Некоторые материалы восприимчивы к размножению микробов”, - говорит Беккет, и, по его мнению, в этом нет ничего плохого. Гладкие материалы, в которых отсутствуют поры, такие как стекло, как правило, не поддаются биологическому воздействию. Материалы лабораторного производства, такие как мягкие полимеры, наполненные водой и называемые гидрогелями, обладают высокой биологической активностью, но они доступны только в небольших количествах и недостаточно прочны для использования в архитектуре.
Группа NOTBAD исследовала несколько материалов, в том числе пластик, напечатанный на 3D-принтере, алюминий и различные составы бетона, в качестве среды для размножения B. subtilis. Исследователи проверили жизнеспособность микробов в каждом материале, а затем оценила, отталкивает ли композит из микробов и материала MRSA. Материал на основе керамики показал наилучшие результаты, подавив рост патогенных микроорганизмов. Этот материал относительно прочный, с шероховатой поверхностью и порами, которые могут удерживать влагу и служить нишами для микробов. Из живой керамики можно изготавливать плитку для внутренних работ. На данный момент это всего лишь эксперименты. Неясно, будет ли популяция B. subtilis оставаться жизнеспособной в течение срока службы здания. Также неясно, будут ли бактерии распространяться по всему помещению с течением времени, и если это произойдет, будет ли это полезно или вредно. Этот микроб широко распространен на открытом воздухе и безвреден для большинства людей, но есть редкие случаи заражения B. subtilis у пожилых или людей с ослабленным иммунитетом.
Использование древесины
Передача микробов из окружающей среды к людям чрезвычайно сложна для изучения — трудно доказать, например, получил ли человек микроба из окружающей среды или от другого человека. Одно из мест, где это легче всего изучать, - это строго контролируемая среда Международной космической станции. В 2021 году исследователи сообщили, что у астронавта, у которого не было золотистого стафилококка в носовой полости перед полетом, тем не менее, был положительный результат на микроб три месяца спустя, когда он находился на борту станции.
Независимо от того, хотите ли вы предотвратить распространение инфекционных заболеваний или улучшить здоровье, подвергая людей воздействию полезных микробов, исследователям важно понимать, что присутствует в окружающей среде внутри помещений. “Когда мы используем противомикробные препараты в чистящих средствах и материалах, мы все равно обнаруживаем микробы", - поясняет Хартманн. “Очень важно целенаправленно знать какие микробы там обитают”.
Фретц изучает, как материалы влияют на количество микробов, обитающих на поверхностях внутри помещений, и уделяет особое внимание дереву. Архитекторы проявляют все больший интерес к замене бетона в строительстве массивной древесиной. Этот материал, который изготавливается путем склеивания блоков или деревянных листов, потенциально более экологичен, чем бетон - производство цемента, ключевого ингредиента, является причиной примерно 8% глобальных выбросов углекислого газа. Древесина же возобновляема и может быть получена из местных источников. Но дизайнеры часто не хотят использовать древесину массового производства в таких местах, как больницы. Одним из препятствий является представление о том, что древесина не является экологически чистой, говорит Фретц, поэтому он изучает, что на самом деле содержится в этом материале.
Фретц в течение десяти лет работал стоматологом в Службе здравоохранения Индии и США и говорит, что он переключился с изучения микробов во рту людей на изучение микробов в зданиях. Он доказал, что древесина на самом деле может быть очень чистой. По его словам, после того, как древесина высушена и доставлена в помещение, микробы не размножаются на ее поверхности — штукатурка, которая является распространенным материалом в больницах, содержит большее количество жизнеспособных микробов.
Древесина способна впитывать воду, что помогает поддерживать постоянный, здоровый уровень влажности. Но это меняется, когда дерево покрывается лаком — после лакировки деревянная поверхность становится больше похожей на пластик. Породы деревьев тоже имеют значение. В рамках выставки на фестивале искусства и архитектуры "Венецианская биеннале 2023" группа Фретца собрала образцы древесины разных пород со всего мира и проанализировала ДНК присутствующих микробов. Затем они выставили деревянные изделия на всеобщее обозрение, намереваясь проанализировать их еще раз после того, как они будут представлены публике. Группа Фретца все еще работает над анализом полученных данных. Древесина выделяет различные летучие соединения в зависимости от того, из какого дерева она изготовлена, — именно поэтому сосна и кедр обладают такими характерными запахами. Фретц считает, что это влияет на микробиом поверхности дерева.
Здания в цвету
Еще одним способом проникновения микробов в помещения является выращивание растений в почве, богатой микробами. Есть некоторые свидетельства того, что это полезно для здоровья. Исследование, проведенное в 2022 году, показало, что у офисных работников, которые подвергаются воздействию "зеленых стен" — больших вертикальных конструкций, покрытых живыми растениями, иногда в сочетании с системами вентиляции, — на коже было больше разнообразия доброкачественных микробов. Это разнообразие также было связано со снижением уровня некоторых белков, вызывающих воспаление, в крови. Есть также доказательства того, что нахождение в помещении с растениями может снизить некоторые физиологические показатели стресса.
Однако пока неясно, что именно в растениях приносит пользу, говорит Джеффри Сигел, инженер Университета Торонто (Канада) по строительству зданий, специализирующийся на качестве воздуха в помещениях. В настоящее время его компания Siegel проводит исследование, чтобы определить, по-прежнему ли полезно делить пространство с растениями, когда люди не могут их видеть, - чего можно было бы ожидать, если бы воздействие было обусловлено микробами или качеством воздуха, но не психологическим эффектом. “Возможно, дело не в добавлении микроорганизмов, а в том, что люди видят”, - говорит Сигел. “Мы ожидаем, что не увидим пользы, если растения будут спрятаны”.
Исследователей также интересует, как почва для комнатных растений может влиять на людей. Когда люди покупают пакет с почвой в хозяйственном магазине, его содержимое обычно остается для них загадкой. Часто эти коммерческие продукты содержат грибки, которые могут вызывать аллергию, а также мошек, которые могут жить в канализационных стоках, объясняет Синтия Гибас, изучающая микробную геномику в Университете Северной Каролины. Поскольку комнатные условия сложны для выживания растений, люди могут вносить в почву растительные пробиотики, состав которых также часто неясен. Гибас и ее коллеги приобрели несколько таких продуктов и в настоящее время тестируют их состав в преддверии исследований, которые позволят оценить их воздействие на людей.
Беккет экспериментирует с другим способом создания богатой микробами почвы в помещении, который может потребовать меньшего ухода, чем за стеной с растениями. Он и его группа создали набор биорецептивных бетонных плиток, в состав которых входит почвенный экстракт, содержащий жизнеспособные микробы. Экстракт был предоставлен базирующейся в Хельсинки фирмой Uute Scientific и сочетает в себе коммерческие компосты на растительной основе и растительный материал из лесной подстилки Финляндии. Исследование, проведенное в 2020 году, показало, что использование материалов для настила пола на открытых площадках финских детских садов разнообразит микробиоту кожи детей и что это связано с изменением уровня иммунных белков в их крови.
Беккет ожидает, что его бетонные плитки будут выделять такие же "дружественные" микробы, которые окажут ощутимое воздействие на людей, которые будут делить с ними пространство. В рамках проекта он провел три недели, живя в помещении с этими плитками, в то время как его сотрудники периодически брали образцы его крови. В настоящее время образцы анализируются, чтобы проверить, отреагировала ли иммунная система Беккета.
Пробиотическая архитектура не пользуется всеобщей популярностью. “Если стерильность - это плохо, это не значит, что наоборот, это хорошо”, - говорит Сигел. Выпуск микробов в помещение “может привести к огромным негативным последствиям”, - говорит он. Человек с ослабленной иммунной системой из-за приема лекарств или по другим причинам особенно подвержен риску нежелательных последствий. И это немалая группа людей. По оценкам, до 7% взрослого населения США могут быть подвержены иммуносупрессии. Среди женщин распространенность этого состояния может составлять около 8%. Таким образом, преднамеренное заселение больниц и офисов микробами, возможно, без предупреждения людей, проживающих в этих помещениях, может быть сопряжено с риском. “Если разнообразное сообщество микроорганизмов полезно для детей, не пытайтесь передать его косвенно, через здание”, - говорит Сигел.
Фретц по-прежнему считает, что сейчас стоит заняться разработкой пробиотиков. “Невидимая окружающая среда оказывает огромное влияние, но мы не учитываем ее при разработке”, - говорит он. Его цель - создать пространство, “богатое микробами и разнообразное, чтобы необходимые нам симбиотические организмы могли победить патогенные микроорганизмы”. Но первые шаги в этом направлении могут быть такими же простыми, как предоставление людям возможности открывать окна. В местах с хорошим качеством наружного воздуха проветривание зданий летними ночами может привести к проникновению некоторых микробов с улицы, а также снизить затраты на охлаждение.
Ученые только начинают понимать микробиологию искусственной среды обитания. Микробиологи очень мало знают о том, какие виды микробов могут подвергаться воздействию, и им предстоит многое узнать о сложных экологических процессах, происходящих в искусственной среде. “Кухонные столешницы не похожи на агар”, - говорит Хартманн. Гилберт отмечает, что первоначальные результаты “заманчивы”, но до твердых рекомендаций еще далеко. Этого “достаточно, чтобы оправдать тщательные эксперименты по созданию пробиотиков, но пока не предписывать”, - говорит он. Хартманн уверен, что исследователям нужны более совершенные инструменты, чтобы понять, какие микробы присутствуют в помещениях, как они могут влиять на наше здоровье и каковы механизмы, лежащие в основе этих воздействий. Сигел согласен: “Нам нужна хорошая наука о плацебо, начиная с небольших масштабов”, - говорит он.
По мере продолжения экспериментов становится ясно, что отношение к микробам меняется. Если раньше к ним относились всего лишь как к вредителям, от которых нужно избавляться в наших домах и офисах, то сейчас все больше людей понимают, что небольшое воздействие микробов может принести пользу. “Нас окружают мириады бактерий, грибков, архей и вирусов”, - говорит Хартманн. “Мы должны принять их во внимание. Мы должны относиться к этому с чувством удивления”.
