Целлюлоза — основной компонент пищевых волокон, но ее трудно использовать в качестве источника пищи. Животные, которым удается извлечь много калорий из целлюлозы, обычно имеют специализированный пищеварительный тракт, где обитают симбиотические бактерии. Например, дополнительные желудки есть у коров и других жвачных животных. Но и в людях живут бактерии, способные расщеплять целлюлозу, — об этом стало известно относительно недавно, в 2003 году. Некоторые остались от предков-приматов, а другие — в результате одомашнивания травоядных животных.
С 2003 года был идентифицирован только один вид бактерий, питающихся целлюлозой в человеке. Для более полной картины ученые получили образцы кишечника людей и жвачных животных. С помощью компьютерного анализа ДНК исследователи собрали геномы разных видов и сравнили их с геномами бактерий, способных переваривать целлюлозу. Это позволило идентифицировать 25 геномов жевательных животных и 22 генома человека, которые имеют особые гены, связанные с перевариванием целлюлозы. Эволюционный анализ показал, что у людей можно выделить четыре отдельные группы видов бактерий, у которых есть способность переваривать целлюлозу.
Затем исследователи собрали больше образцов кишечника человека, других приматов и даже старинные образцы фекалий, оставленных людьми более 1000 лет назад. Всего было проанализировано 2000 образцов. Исследования показали, что некоторые бактерии, переваривающие целлюлозу, долго присутствовали у наших предков и были связаны с другими приматами. Их распространенность менялась в зависимости от питания. У приматов (кроме человека) частота этих бактериальных штаммов находилась в диапазоне 30-40%. Примерно такие же показатели были в старых образцах человеческих фекалий. У современных охотников/собирателей и сельских жителей с высоким содержанием клетчатки в пище доля этих бактерий составляет около 20%, в то время как в промышленно развитых странах — менее 5%.
В целом, чем больше клетчатки в рационе, тем разнообразнее бактерии, переваривающие целлюлозу. Это разнообразие у людей сокращается по мере того, как население переезжает в города.
Часть штаммов у человека было унаследовано от предков-приматов, но некоторые бактерии сначала возникли в кишечнике жвачных животных, а затем перешли к человеку во время одомашнивания. Штаммы, обнаруженные в кишечнике, часто указывали на различия в рационе. Например, у приматов были гены, которые позволяли переваривать хитин. У человека тоже были свои специфичные штаммы — они содержали ферменты, которые разрушают клеточные стенки таких растений, как рис, пшеница и кукуруза. Таким образом, горизонтальный перенос генов между видами играет важную роль в адаптации переваривающих целлюлозу организмов к своим хозяевам.
Бактерии переваривают целлюлозу в кишечнике человека для своих нужд, используя ферменты, которые экспортируются из их клеток. Некоторые продукты переваривания целлюлозы попадают в нашу пищеварительную систему. Многие кишечные бактерии используют энергию, которую они получают из пищи человека, для производства полезных химических веществ. Это объясняет преимущества диеты с высоким содержанием клетчатки.
