Союз на всю жизнь
Шрифт:
Ученые работают над такой кишечной реформой, однако весьма маловероятно, что вскоре на выставке достижений сельского хозяйства будет представлена экологически чистая корова, а в супермаркете – ее молоко. Этой теме можно было бы посвятить целую главу или целую книгу. Здесь нам следует ограничиться рассмотрением сил желудочных и кишечных обитателей жвачных животных в качестве впечатляющего примера для утверждения значения микробов не только в жизни человека, но и также, вероятно, в жизни почти всех животных.
Стерильные животные, то есть те, которые никогда не были заселены микроорганизмами, в природе пока не обнаружены.
«Я исхожу из того, что вся многоклеточная жизнь находится во взаимодействии типа хозяин – бактерии», говорит, например, Себастиан Фрауне из биоцентра Кильского университета, «по имеющимся у меня сведениям не существует эукариотов [8] , не демонстрирующих бактериальную колонизацию».
И правда: заселено все – от речного
8
Эукариоты – это живые организмы, клетки которых содержат ядро. – Прим. ред.
34
Тем не менее сельскохозяйственные животные, в том числе коровы, в таких странах как США, по-прежнему получают с кормом «субтерапевтические дозы» антибиотиков, так как это стимулирует их рост, см. гл. 9.
У других животных ситуация менее драматична. Например, у лабораторных мышей, кишечник которых был стерилизован в целях исследования кишечной флоры. В этом случае им можно передавать отдельные виды бактерий и изучать, какое воздействие это оказывает. Такие мыши абсолютно жизнеспособны, но они чувствуют себя не так хорошо, как сородичи с нормальной микрофлорой кишечника. Их иммунная система, их обмен веществ и еще несколько дополнительных физиологических функций значительно повреждены.
Все заселено
Окружающая среда заполнена микроорганизмами. Впрочем, она была такой и около 500 миллионов лет назад, когда появились первые животные с кишечником. Она была такой, когда появились первые живые организмы с клеточным ядром и когда эволюция делала первые шаги от одноклеточных к многоклеточным организмам, и все это происходило более двух миллиардов лет назад. Пара клеточных компонентов, делающих существование высших форм жизни возможным в принципе, – митохондрии и хлоропласты – произошли от бактерий, которые некогда жили в симбиозе с клетками-предшественниками (см. главу 4). А в Калифорнийском университете в Беркли в 2012 году Николь Кинг и ее коллеги даже обнаружили признаки того, что возникновение многоклеточных организмов зависело от бактерий. В рамках этих экспериментов бактерии побуждали животные одноклеточные организмы не только делиться, но и при этом также не отделяться друг от друга {35} .
35
Alegado et al.: A bacterial sulfonolipid triggers multicellular development in the closest living relatives of animals. eLife Oktober 2012, online abrufbar unter: elife.elifesciences.org/content/1/e00013.
Сегодняшние растения живут, насколько известно, практически всегда в тесном взаимодействии с микроорганизмами, такими как почвенные бактерии и почвенные грибы. Самые известные и, безусловно, важные, пожалуй, клубеньковые бактерии бобовых, которые получают из воздуха азот и делают его пригодным для усваивания растениями и животными.
Насколько интимно взаимодействие между животными и микробами и насколько универсальны такие кооперации, обнаруживается только сейчас. Высшие животные разработали некоторые стратегии, чтобы не подпускать к себе и не впускать в себя тех, кто приносит вред. Барьеры, такие как кожа или кишечный эпителий, для них непроницаемы, а те, кто в качестве микроба все же попадает в кровеносное русло, готовы к встрече с фагоцитами [9] и антителами. Кожа, рот, уши, нос, кишечник, пенис, влагалище, пупок, ногти на руках и ногах, волосы – все это ни один человек и ни одно животное не могут содержать в стерильных условиях. Единственное решение гласит: микробы могут селиться, и среди них более желательны те, которые не вредны и которые не допускают вредных. Это в большей степени мирное сосуществование, возникшее не за счет какого-либо романтично-эзотерического стремления к природной гармонии, а за счет миллиардов лет эволюции. Ее результат – это динамичное, часто также подверженное нарушениям равновесие.
9
Фагоциты – это клетки имунной системы, которые защищают организм путем поглощения вредных чужеродных частиц. – Прим. ред.
Даже такие простые многоклеточные организмы, как гидра, внутри заполнены и снаружи покрыты большим количеством различных видов бактерий {36} .
36
Фрауне и Бош (Fraune und Bosch): Long-term maintenance of species-specifi c bacterial microbiota in the basal metazoan Hydra. PNAS. Том 104. С. 13146, 2007.
37
Под «бактериальными вариантами» здесь понимаются образцы, различающиеся между собой как минимум на три процента своей генетической последовательности, так называемые «операциональные таксономические юниты», сокращенно «ОТЮ» («OTUs»), такое название используется, поскольку у биологов возникают трудности с понятием «вид» применительно к бактериям.
38
Franzenburg et al.: Distinct antimicrobial peptide expression determines host species-specifi c bacterial associations. PNAS 2013. Том 110, E37308. doi: 10.1073/pnas.1304960110.
Внутренние солнечные электростанции и сахарные заводы
Даже такие сравнительно не очень сложные, состоящие только из одного двухслойного тканевого мешка и пары рук животные обладают способностью удерживать именно те микробы, которые им нужны. Относящиеся к кишечнополостным кораллы выработали подобную кооперацию. Они используют микроскопически маленькие водоросли, осуществляющие фотосинтез, в качестве живых солнечных элементов, которые снабжают их собственные клетки хоть и не электроэнергией, но сахаристыми питательными веществами. Более тысячи различных видов бактерий живут внутри и на них. Многие из них встречаются только в и на кораллах. Они могут, например, делать азот пригодным для стрекательных животных, дополнительно поставлять сахар и оберегать от вредных бактерий.
Подобные далеко не случайно составленные микробные слои защищают кожу от амфибий, рыб, червей, варанов, китов. Некоторые морские нематоды позволяют бактериям, использующим серу, произрастать на себе, чтобы затем съедать их. Другие культивируют серобактерии внутри себя и за время эволюции избавились от каких-либо естественных отверстий, поскольку серосодержащие молекулы достаточно малы, чтобы усваиваться через кожу.
В животном царстве с помощью микробов не только используется световая энергия, но и также в обратном порядке производится свет. Головоногий моллюск Euprymna scolopes, например, в качестве личинок поглощает бактерии вида Aliivibrio fischeri. Эти микробы при помощи субстанций с такими многозначительными именами, как люциферин и люцифераза, могут генерировать свет. Головоногий моллюск кормит их аминокислотами и сахаридами. Он включает эти микробные лампы, когда светит луна. Вследствие этого небольшой головоногий на залитом лунным светом фоне становится незаметным для хищников, наблюдающих за жертвой снизу.
В желудке крупного рогатого скота живет великое множество бактерий, грибов и миниатюрных животных.
В капле желудочной жидкости содержится примерно в десять раз больше одиночных микроорганизмов, чем на земле людей.
Они разлагают растительный материал, целлюлозу, для разложения которого у крупного рогатого скота не существует ни одного энзима. Точно так же в кишечнике термитов. Точно так же в кишечнике человека, только человек живет не только за счет трав или деревьев.
Первые животные одноклеточные организмы в рубце коров были обнаружены еще в 1843 году венгерским врачом Давидом Груби, который в том же году также открыл гриб Candida, причину самого частого и иногда угрожающего жизни грибкового заболевания у человека. Тем не менее, что конкретно они там делают, становится понятным только сейчас. Это исследование продолжалось примерно до 1998 года {39} , пока наконец не выяснилось, что микробы вытворяют с целлюлозой. Они разбивают ее на короткоцепные жирные кислоты, которые становятся превосходными поставщиками энергии.
39
Annison (Эннисон) и Bryden (Брайден): Perspectives on ruminant nutrition and metabolism I. Metabolism in the rumen. Nutrition Research Reviews. Том 11. С. 173, 1998.