Союз на всю жизнь

Харизиус Ганно

Что расскажет о нас наш живот

Про других сожителей жвачных животных почти ничего не известно. Что они делают, каким образом они это делают, а также приносят ли они пользу пищеварению своего хозяина или скорее паразитируют. Ясно только, что метан производится археями, схожими с бактериями первобытными микроорганизмами. Для этого они используют водород, вырабатываемый бактериями и одноклеточными животными.

Для того чтобы смастерить экологически чистую корову, саму корову можно полностью оставить в покое. При этом необходимо следить за бактериями, которые производят меньше водорода, или за тем, чтобы водород преобразовывался во что-либо, что наносит меньше вреда окружающей среде. И, конечно же, водород можно использовать в качестве, например, топлива. В лабораториях Университета штата Огайо биотехнологи занимались подобными экспериментами до тех пор, пока наконец не получили результат. Желудочная жидкость теперь «урчит» в биореакторе. Хотя представлять себе живых коров, которые дважды в день подвергаются не только доению, но и дегидрированию посредством желудочного зонда, удаляющего водород, пожалуй, все же не очень приятно. Более крупные «животные» – потребители

целлюлозы и других растительных молекул – это термиты. В Германии их насчитывается лишь несколько видов, так как они были завезены извне. В тропической и субтропической зонах, напротив, почти 2600 видов типа Holotermes, Macrotermes, Zootermopsis, и от них едва ли ускользнет хотя бы одна вялая соломинка или кусок сухого дерева. Это также относится к деревьям, которые люди какое-то время считали невредимыми. Только в Южной Калифорнии ежегодный ущерб, причиняемый термитами, составляет более одного миллиарда долларов. Мини-кишечники этих насекомых заключают в себе больше микробов, чем в мире термитников. До сих пор до конца не ясно, как именно функционируют эти членистоногие биореакторы. У них насчитывается более ста видов микробов, среди них есть те, которые состоят в родстве с полезными человеческими кишечными бактериями из группы Bacteriodetes, а также те, которые сильно похожи на возбудителя сифилиса. Вместо метана, наносящего вред окружающей среде, они превращают водород и углекислый газ в питательную для термитов уксусную кислоту, важнейший источник углерода для целой группы животных.

Как бременские музыканты

В сентябре 2013 года экспертное сообщество открыло, что за бактерии образуют ту уксусную кислоту {40} . И в отношении экспериментов, проведенных Джаредом Лидбеттером и его коллегами из Калифорнийского технологического университета в городе Пасадина, может возникнуть вопрос. Можно ли в принципе представлять термитов как хозяев таких ранее неизвестных вариантов дельта-протеобактерий. Поскольку они действительно живут в кишечнике термитов, но не где-нибудь, а на поверхности одноклеточных животных. Это именно те животные, которые производят большую часть водорода внутри термитов. Дельта-протеобактерии, таким образом, находятся, с одной стороны, прямо у истоков. С другой стороны, такие результаты лишний раз доказывают, что микробиологический кишечный процесс, будь то у насекомых или у людей, не кажется хаотичным смешением и клокотанием (см. главу 3). Вероятно, там протекают сложные, многоступенчатые, упорядоченные и согласованные программы с многими участниками, хозяевами и подчиненными, арендаторами и субарендаторами, производителями сырья, субпоставщиками, транспортными предприятиями и конечными производителями. Это пищевая сеть, или пищевая пирамида. Различные задействованные виды либо буквально, либо по крайней мере в рамках своих физиологических отношений сидят друг на друге, как Бременские музыканты. В конце концов посредством кооперации такого рода они смогли обеспечить себе еду, питье, надежное жилье и отстранить нежелательных гостей.

40

Rosenthal et al.: Localizing transcripts to single cells suggests an important role of uncultured deltaproteobacteria in the termitegut hydrogen economy. PNAS 2013. Том 110. С. 16163 doi: 10.1073/pnas.1307876110.

В нескольких лабораториях давно предпринимаются попытки создать биореакторы по образцу кишечника термитов, которые тогда также могли бы давать конечный продукт этанол, при помощи которого можно, например, производить топливо для автомобилей.

Людям больше не нужно представлять доказательства того, что микробиологическое производство вещей, которые необходимы, можно перевести на запасной склад. Другое социальное насекомое, хотя и состоящее в очень удаленном родстве с термитами, давно доказало это. Муравьи-листорезы питаются, как коровы или термиты, преимущественно целлюлозой. Необходимые для этого микробы-помощники живут в большинстве случаев не в их кишечниках. Гриб, культивированный в парниках величиной с небольшую хоккайдскую тыкву, разлагает разрезанные муравьями-листорезами листы. Принесенные бактерии снабжают гриб необходимым азотом, другие отстраняют неблагоприятные микроорганизмы, которые в противном случае покрыли бы грибной сад, как мокрицы {41} – непрополотую грядку огурцов. Это не похоже на чистую эксплуатацию микроорганизмов с помощью муравьев. Бактерии в качестве вознаграждения получают корм, безопасность и возможности для размножения, грибы – несмотря на то что многие из них служат селекционерам в качестве пищи, получают то же самое.

41

Второе наименование растения звездчатка средняя (мокрица) по-немецки звучит как «куриная кишка»(H"uhnerdarm), однако данное название, очевидно, не имеет никакого отношения к органу пищеварительной системы. Она также представляет собой, прежде всего с точки зрения взаимности, о которой шла речь в этой и предыдущей главе, отнюдь не просто сорняк. Она весьма эффективно защищает почву, например, виноградников от эрозии и высыхания, кроме того, ее употребляют в пищу и используют как лечебную траву.

Возникновение видов

Количество научно задокументированных примеров коопераций между животными и микроорганизмами увеличивается чуть ли не каждую неделю. Возрастает число гипотез и знаний о функциях, которые может иметь такая кооперация. Среди них достаточно важные – обеспечение питания и защита от микроорганизмов. Еще одну можно найти в до сих пор самом загадочном механизме эволюции – образовании и устойчивом делении видов. Вопросами о том, как возникают новые виды и каким

образом получается так, что их предшествующие варианты – вне зависимости от того, называют ли их сейчас расами, сортами или подвидами, – при всем вездесущем сексуальном аппетите не скрещиваются без конца и тем самым снова не разрушают все тенденции расщепления видов, эволюционные биологи задаются со времен Дарвина. Время от времени шторм относит самку зяблика с животом, полным яиц, на далекий остров, где затем в новых условиях окружающей среды и без какой-либо возможности спаривания с подобными или похожими может образоваться новый вид. Многие виды, вероятно, разделились, хотя и не были отделены друг от друга географически достаточно долгое время. Они отличались друг от друга настолько, что действительно больше не могли принадлежать к одному виду.

Обзавестись другим микробиомом можно намного быстрее в том случае, если существует больше видов, не подходящих друг другу половыми органами, временем спаривания или аттрактантами [10] .

Эволюция – умение приспосабливаться к условиям окружающей среды.

До сих пор это означало: в зародышевых клетках размножающихся половым путем организмов происходят мутации. Некоторые из таких мутаций оказывают позитивное влияние на возможности выживания в определенной окружающей среде. Тот, кто является носителем мутации, имеет более высокие шансы на размножение, соответственно, изменившийся ген и вследствие этого изменившийся признак распространяются в популяции. Это длится долго, очень долго. Тем не менее, если многоклеточная жизнь является продуктом кооперации таких многоклеточных организмов с бактериями, необходимо также рассматривать бактерии как часть этой жизни. Именно об этом свидетельствует так называемая гипотеза о голобионтах [11] , разработанная биологом Ойгеном Розенбергом.

10

Аттрактанты – это природные или синтетические вещества, привлекающие животных.

11

Голобионты – это организмы, обитающие в пересоленных водоемах.

Бактерии, функции, гены и их воздействие могут изменяться намного-намного быстрее. Поскольку, с одной стороны, бактериальная генерация, в которой может происходить та или иная мутация, иногда длится меньше чем один час. С другой стороны, вовсе не обязательно ждать новой благоприятной мутации, можно просто получить бактерии, у которых есть другие такие качества, из абсолютно неограниченного бактериального ассортимента, который существует в окружающей среде. А измененный за сравнительно короткое время микробиом мог бы привести к тому, что животные, которые в своих характерных группах едва ли отличаются в своих бактериальных генах настолько сильно, что больше не могут размножаться.

Сейчас это можно было бы назвать привлекательным тезисом. Но где доказательство, что именно это фактически происходит в природе?

Между тем такое доказательство есть – Ихневмониды Nasonia {42} .

Если личинки различных типов этого рода разводить в стерильных условиях, лишая их любой кишечной микрофлоры, взрослые осы разных видов без проблем смогут иметь здоровое потомство.

Однако, если развить у животных естественную нормальную микрофлору кишечника, размножение по-прежнему будет возможным, но здорового потомства у ос не станет больше. На профессиональном жаргоне: различное бактериальное заселение привело к репродуктивной изоляции.

42

Брукер и Борденштейн (Brucker und Bordenstein): The hologenomic basis of speciation: gut bacteria cause hybrid lethality in the genus Nasonia. Science. Том 341. С. 667, 2013.

Немецкий эволюционный биолог Эрнст Майр вошел в историю науки прежде всего благодаря тому, что сформулировал так называемую биологическую концепцию вида. В соответствии с этим животные или растения относятся к тому или иному виду, если они фактически могут размножаться друг с другом в природе и при этом производить способное к размножению потомство. В этом заключается проблема видового понятия у бактерий и причина того, почему микробиологи охотнее придерживаются таких недоступных для понимания операционных таксономических единиц {43} и подобных им. Поскольку, несмотря на то что бактерии при случае обмениваются генетическим материалом с другими, их основная цель – размножение. Однажды в одном из интервью Майр коротко сказал, что бактерии не образуют виды. Открытия в случае с Nasonia опровергают его предположения довольно причудливым способом.

43

Определение бактериальных вариантов см. в сноске 37.

Бактерии создают новые виды – даже если это не виды бактерий.

Майр относится к числу великих ученых в истории биологии. В следующей главе речь пойдет об одном из направлений в биологии.

Глава 6

Краткая история микробиологии

После их открытия бактерии вначале считались просто забавными существами. Лишь позднее они были наделены своей дурной репутацией. Сегодня они призваны спасать мир.

О том, что мир крайне малого, микроскопически малого, достаточно оживленный, людям известно еще с тех пор, как появились первые микроскопы.

В семидесятые годы XVII века в нидерландском городе Дельфт один человек по имени Антони ван Левенгук в любую свободную минуту смотрел сквозь свой самодельный увеличительный аппарат. Это был один из первых таких приборов. Ван Левенгук был городским служащим и торговцем сукном. Ученый смастерил увеличительную линзу, чтобы иметь возможность лучше оценивать качество товара.