Выглядят и пахнут отвратительно, но эти материалы - кладезь для науки.
Когда Матильда Пойет проводит экскурсию по лаборатории Глобальной организации по сохранению микробиома в Киле (Германия), вы можете увидеть всевозможное ультрасовременное оборудование. Но самое важное в лаборатории хранится в морозильной камере при температуре -80 ºC. Образцы настолько важны, что для них предусмотрена система резервных батарей - если электроснабжение морозильной камеры отключится, материалы останутся в целости и сохранности. Эти пробирки - не сыворотка бессмертия или бактерии, борющиеся с раком: это фекалии.
Точнее, это взвешенные образцы кала и бактерии, которые были культивированы из фекалий. Образцы фекалий Пойет и ее коллега Матье Груссен собирали в рамках работы над проектом Global Microbiome Conservancy (GMbC), одним из основателей которого является Груссен. «Мы видели самые разные виды кала по Бристольской шкале - всех форм, всех размеров, всех цветов», - рассказывает Пойет, имея в виду классификационную таблицу стула, которую врачи используют для оценки проблем с пищеварением.
В основе работы Пойет и Груссена лежит идея о том, что фекалии представляют собой идеальный снимок микробиома кишечника человека: генетического состава сообщества организмов, обитающих в кишечнике. Этот показатель различается в разных популяциях и может служить индикатором здоровья. Большинство исследований микробиома кишечника человека сосредоточено на популяциях европейского происхождения. Но GMbC собирает образцы, которые более репрезентативны в глобальном масштабе. Образцы, хранящиеся в морозильной камере, поступают из таких далеких стран, как Гана, Танзания, Финляндия и Таиланд. За девять лет существования программы группа исследовала 50 популяций в 19 странах. Для сбора образцов ее члены сотрудничали с местными учеными, советами по этике и общинами, добираясь до мест отбора проб на автомобилях, лодках, вертолетах и даже квадроциклах. В лаборатории исследователи анализируют содержимое стула, определяют последовательности генетического материала бактерий, выращенных из образцов, и хранят живые образцы в своем биобанке.
Постороннему человеку постоянное взятие проб кала может показаться отвратительным. В Киле ученые время от времени готовят «суп из кала», используя биореактор, чтобы посмотреть, как различные сценарии влияют на выделенные бактерии. Они делают это всего несколько раз в год, потому что процесс может быть долгим и дорогим, а запахи - резкими, из-за чего более традиционные соседи по этажу прозвали их «вонючей лабораторией». Но фекалии дают удивительное представление о здоровье человека. «Это наш лучший способ исследовать, что находится в кишечнике здоровых людей», - говорит Груссен. «Это не особо приятно, но это наш лучший способ получить доступ к этому невероятному и важному биоразнообразию».
Поскольку микробиом становиться оживленной темой для исследований, другие ученые по всему миру берут образцы, чтобы изучить его самостоятельно. И, как было замечено во время пандемии COVID-19, анализ сточных вод является ценным инструментом общественного здравоохранения - он дает возможность отслеживать патогенные микроорганизмы в популяции до того, как произойдет всплеск инфекции. «Отходы, которые мы сбрасываем в окружающую среду, действительно богаты данными», - говорит Жанель Томпсон, микробиолог-эколог из Азиатской школы окружающей среды при Наньянгском технологическом университете в Сингапуре. Томпсон и ее коллеги берут пробы сточных вод Сингапура, чтобы обнаружить патогенные микроорганизмы в окружающей среде. «Вы можете определить, где возникают те или иные "микробиологические сигналы", и проследить за ними во времени», - объясняет она. Например, в 2021 и 2022 годах Томпсон и ее коллеги смогли выявить опасные варианты коронавируса SARS-CoV-2 на территории университетских городков. По словам исследователей, это произошло задолго до того, как эти варианты стали доминирующими, что свидетельствует о «незаметной минимальной циркуляции».
Исследования человеческих отходов охватывают несколько научных дисциплин. В условиях глобальной нехватки удобрений некоторые ученые (и фермеры) рассматривают мочу в качестве удобрения благодаря содержанию в ней азота. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Water в начале этого года, группа исследователей из Стэнфордского университета (США) создала прототип системы, которая извлекает питательные вещества из мочи. По оценкам авторов, ее разработка может приносить до 4,13 доллара США за килограмм извлеченного азота. А исследование, опубликованное в 2020 году, показывает, что удобрения на основе мочи могут помочь сохранить и другие ресурсы, сократив выбросы парниковых газов и потребление воды.
Образцы кала используются не только для оценки состояния здоровья населения, но и для разработки потенциально жизненно важного метода лечения инфекций Clostridium difficile путем пересадки здоровых фекальных бактерий от одного хозяина к другому. Инфекции C. difficile «на самом деле вызваны нарушением микробиоты», - объясняет Жосберт Келлер, гастроэнтеролог из Медицинского центра Хаагланден в Гааге (Нидерланды). Келлер входил в группу, которая в 2013 году опубликовала результаты раннего клинического исследования эффективности фекальных трансплантатов, также известных как трансплантаты фекальной микробиоты. «Если пациенту не удается восстановить эту микробиоту, то заболевание может повторяться и повторяться, и именно в этот момент трансплантация фекальной микробиоты может действительно вылечить пациента». Сейчас трансплантация фекалий рассматривается как способ лечения ожирения, диабета 2-го типа, болезни Паркинсона и других заболеваний.
То, что часто воспринимается как отвратительное, на самом деле может иметь большую внутреннюю ценность, считает Брин Нельсон, чья книга "Flush: The Remarkable Science of an Unlikely Treasure" была описана издателем как "исследование одного из самых растрачиваемых природных ресурсов в мире". В процессе написания книги бывший микробиолог провел несколько лет, изучая возможности применения фекалий, и обнаружил по меньшей мере 24 области, которые извлекают важную информацию из того, что мы считаем отходами. Ссылаясь на «неприятный» аспект экскрементов, он говорит: «Мы просто должны преодолеть это препятствие, чтобы открыть всю информацию, которую они содержат».
Исследования Пойет сейчас связаны с просеиванием образцов кала, чтобы получить доступ к бактериям, которые не подвергаются воздействию кислорода. По ее словам, некоторые образцы более грязные, чем другие, и она добавляет: "Что действительно отвратительно при работе с образцами стула, так это когда люди не переваривают пищу, и вы можете найти в стуле почти нетронутую пищу. Мне это очень не нравится". Для Томпсона работа с отходами также была естественной. «Меня всегда завораживал мир микроорганизмов и их использование в интересах человека», - говорит она. «Микробы могут пахнуть, но я не считаю их отвратительными».
Кал и моча - это то, к чему со временем возникает десенсибилизация. Чонг Чун Ви, исследователь микробиома из Малайзийского университета Монаша, следит за сбором образцов кала в рамках своей работы по изучению микробиома человека. Его исследование посвящено изучению различий в микробиоме кишечника у представителей разных этнических групп в этом регионе. В отличие от Пойет и Груссена, он не участвует в полевых работах. Вместо этого бутылочки отправляются донорам, которые сдают образцы на дому, но в лаборатории все равно приходится работать. «Чем больше ты этим занимаешься, тем больше привыкаешь, потому что это обычное дело», - говорит он.
Марисса Леджер, ординатор по медицинской микробиологии в Университете Макмастера (Канада), изучает историю заражения паразитами. Древние образцы окаменевших экскрементов - разложившихся органических компонентов, напоминающих почву, - могут быть невероятно ценными для археологии и палеонтологии. Леджер получила высшее образование в области антропологии, изучая скелетные останки. Вскоре она узнала, что изучение патогенов в сохранившихся фекалиях - лучший способ вести хронику инфекционных заболеваний на протяжении всей истории человечества, сравнивая окаменевший стул с капсулой времени, которая может дать подробную информацию об инфекциях и рационе питания в обществе. "Когда я решила, что хочу изучить древние паразитарные инфекции, я скорее думала: «О, это очень крутая цель», - говорит она. «Но я никогда не думала об этом как о чем-то отвратительном, пока мне не стали говорить люди: Ты изучаешь древние какашки? Это безумие!".
В культуре существует более сильное табу на фекалии, чем на мочу, отмечает Марин Легран, антрополог из OCAPI, междисциплинарной программы исследований в Париже, которая изучает способы утилизации человеческих отходов, например, использование мочи в качестве удобрения. Хотя на исследования фекалий выделяются средства, они, похоже, направлены скорее на медицинские, чем на сельскохозяйственные нужды.
«Когда мы ищем средства, проще найти средства на работу с мочой, чем на работу с калом».
Учет восприятия аудитории - важная часть процесса коммуникации в науке, особенно когда речь идет об экскрементах. Во-первых, «для разных аудиторий нужен разный подход», - утверждает Татьяна Шрайбер, директор по социальным исследованиям Rich Earth Institute, некоммерческой организации в США, которая занимается превращением мочи в удобрение. Институт содействует «переработке мочи», ежегодно собирая более 50 000 литров человеческой мочи у добровольных доноров, чтобы исследователи могли проводить испытания в полевых условиях и разрабатывать технологии ее переработки. Организация также напрямую работает с потребителями и Шрайбер говорит, что фермеры и люди, покупающие продукты, часто хотят получать больше информации, подкрепленной данными.
В OCAPI Легран и ее коллега Клэр Бенвенист также довели общение до своего рода науки. «Обычно я стараюсь проанализировать первую реакцию собеседника, а затем адаптировать словарный запас», - говорит Бенвенист. В общении с публикой они избегают научного жаргона, предпочитая более повседневные слова, такие как «фекалии» и «моча». Когда они общаются с мэрами, их заместителями или профессионалами в строительном секторе, они склонны к эвфемизации, используя такие слова, как «экскременты». С подростками или детьми они используют больше юмора. «Когда вы действительно серьезно относитесь к своим исследованиям, очень забавно, что в них есть такой аспект, который иногда может рассмешить людей», - говорит Леджер. «Я думаю, что это очень важно в исследованиях: найти способы сделать их веселыми и приятными для разных людей».
Тем не менее, существует тонкая грань между тем, чтобы посмеяться над исследованием, и тем, чтобы убедиться, что оно воспринимается серьезно. «Мне приходится бороться с тем, над этим всегда смеются», - говорит Лиз Тервир, медицинский микробиолог и руководитель Нидерландского банка донорских фекалий в Лейдене. Научная коммуникация - это не только обеспечение понимания общественностью общей цели исследования. Большая часть работы связана с людьми, проходящими лечение, и Пойет старается убедиться, что эти люди понимают, что могут обнаружить образцы кала. Один из подходов, который обычно срабатывает, - расспросить людей о болях в животе и о том, есть ли определенная пища, от которой им плохо. "Затем я объясняю, что, скорее всего, это связано с микробиомом вашего кишечника: всеми теми маленькими «животными», которые находятся в вашем желудке и помогают вам переваривать пищу", - говорит она.
Многие вопросы в этой области исследования человеческих отходов остаются малоизученными. Нельсон считает, что чем более отвратительным кажется что-то, тем больше возможностей открыть что-то новое, потому что люди обычно держатся подальше от этой темы. «Мы так многого не знаем о многих вещах, которые нам стыдно изучать или противно изучать», - говорит Нельсон. «Если вы действительно заинтересованы в изучении чего-то отвратительного, у вас, вероятно, будет больше шансов сделать открытие».
