Текст книги "Союз на всю жизнь"

Такими маленькими шагами, несомненно, происходила коэволюция нас и наших бактерий, за исключением того, что все было намного сложнее. Заблуждения били ключом, злоключения, война и мир, катастрофы, взаимодействия, обратные связи. Разумеется, бактерии конкурируют и кооперируются друг с другом, имеют связи с населяющими человека грибами и другими одноклеточными, и так далее.

Многое свидетельствует о том, что она, эта коэволюция, продолжается. И, скажем так, с повышенной скоростью, поскольку все новые питательные вещества и другие средства – от медикаментов до зубной пасты – ввели совершенно новые переменные в уравнение, которое каждый человек и каждый штамм бактерий вынуждены решать ежедневно.

Поиск равновесия, динамичного, но все-таки в некоторой мере стабильного баланса, который создает условия для существования всех участников, продолжается каждый день.

Симбиоз в природе представляет собой договор о взаимности, при котором обе стороны скрупулезно следят за тем, чтобы взаимообмен был сбалансированным. Несмотря на это, случается так, что один вид фактически, по крайней мере с точки зрения человека, заметно порабощает другой. Зачастую такие рабы получают что-то взамен – защиту, корм, возможности для размножения.

Симбиоз или эксплуатация – часто это только вопрос определения.

Самые тесные симбиозы в природе представляют те живые организмы, чьи клетки имеют ядро, полученное от бактерий{32}32
  Бактерии не имеют клеточного ядра, как и археи (которые ранее назывались архебактерии), они относятся к прокариотам. Растения, грибы и животные, напротив, имеют клеточное ядро и называются эукариотами.


[Закрыть]. Из первоначальной слабой взаимности образовались альянсы, в которых один партнер нежизнеспособен без другого. Конечно, подразумевается продолжающееся около 1,5 миллиарда лет тесное сотрудничество таких обладателей ядер с митохондриями и хлоропластами. Последние есть только у растений, иначе мы все были бы зеленого цвета и нам бы не требовались кишечник и книги о кишечных бактериях.

Митохондрии и хлоропласты являются эндосимбионтами, потомками бактерий, по которым уже почти невозможно проследить их происхождение. Это партнеры по кооперированию, которые существуют в клетках и только там передаются дальше при размножении. У них есть свой собственный все еще напоминающий о бактериях наследственный материал. Они поставляют и обрабатывают энергию для окружающих их клеток. То, что сначала звучит как порабощение, на самом деле является не чем иным, как существующим с незапамятных времен пактом о взаимности, поскольку эндосимбионты за свои услуги получают – как можно догадаться – защиту, питание, гарантию размножения.

При повторном рассмотрении истории развития живых организмов, которые человек подчинил себе, можно задать себе вопрос, кто кого использует на самом деле. От яблони, японского декоративного карпа кои, откормочной свиньи, лошади, розового куста до цукини. Кто извлекает выгоду, в контексте эволюционной теории, которая говорит о хорошем физическом состоянии и возможностях размножения, и из кого? Человек получает от животных и растений пищу и возможность успешно размножаться и выращивать потомство. Что получают за это животные и растения? Защиту, корм, возможности размножения{33}33
  Использование животных и их убийство с целью использования – тема, вызывающая множество противоречий. Авторы данной книги это полностью осознают. Соответствующая этическая дискуссия имеет большое значение, однако в данном разделе она могла бы увести слишком далеко от темы. Здесь мы стараемся лишь прояснить, что может представлять собой взаимность в эволюционно-биологическом смысле. Так, например, племенной хряк, не подвергаясь опасности со стороны диких животных и не имея необходимости заботиться о пропитании, может стать отцом тысяч поросят, часть из которых, в свою очередь, также обзаведется потомством, – это эволюционное преимущество предоставляет ему человек, а в условиях дикой природы такое совершенно немыслимо.


[Закрыть].

Размышляя об этом, кажется преувеличением говорить о бактериях и их генах как о части нас, которая относится к нам точно так же, как наши собственные гены, наши сердца и наши почки. Мы по-прежнему мутируем и конкурируем с нашими бактериями наперегонки.

Это давняя дружба или давняя конкуренция – в любом случае давняя взаимность.

Новым, однако, является факт, что мы сегодня знаем о наших микробах: то, что они оказывают влияние на нас, наше человеческое бытие, нашу индивидуальность, наше здоровье. Мы знаем, что можем сами оказывать влияние на них, и начинаем понимать, как делать это таким образом, чтобы всем было хорошо. В новинку нам в том числе и то, насколько сильный отпечаток союз микробов наложил на высшие формы жизни, на весь животный мир например. Подробнее об этом мы поговорим в следующей главе.

Глава 5
Фермы животных

Насколько тесно человек сотрудничает со своими микробами, становится понятно далеко не сразу. У многих видов животных жизненно важные кооперации такого рода известны давно. И постоянно обнаруживаются все более удивительные альянсы.

Шанс совладать с парниковым эффектом и тем самым с изменением климата все еще существует. Не будем учитывать атомные электростанции, закачку CO₂ в какие-либо пласты горных пород, отказ от автомобилей, торговлю квотами на выброс вредных веществ. Все, что потребовалось бы наряду с дополнительным количеством возобновляемых источников энергии и несколькими вполне осуществимыми мерами по экономии, – это изменение выбросов вредных веществ. Его можно было бы реализовать благодаря новым кишечным бактериям для коров всего мира, а лучше и для остальных жвачных животных в хлевах и саваннах. Вместо метана, сильнодействующего газа, способствующего более выраженному парниковому эффекту, чем CO₂, все животные выделяли бы значительно меньше кишечных газов, наносящих вред окружающей среде при их выходе через рот или анальное отверстие.

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]8
  Эукариоты – это живые организмы, клетки которых содержат ядро. – Прим. ред.


[Закрыть], не демонстрирующих бактериальную колонизацию».

И правда: заселено все – от речного угря до цикады. Корова, которая, совсем не имея кишечных бактерий, паслась бы на лугу и пыталась бы прокормиться травой, довольно скоро упала бы замертво худой, как спичка. Лошадь, которая перед аптекой нечаянно съела бы весь транспортный автофургон с антибиотиками, по всей вероятности, вскоре извергла бы свою трапезу из травы и овса обратно{34}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.


[Закрыть]. И даже термит со стерилизованным кишечником очень быстро протянул бы все свои шесть ног навсегда.

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.

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.


[Закрыть].

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]9
  Фагоциты – это клетки имунной системы, которые защищают организм путем поглощения вредных чужеродных частиц. – Прим. ред.


[Закрыть] 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.

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.


[Закрыть]. В рамках новейших исследований было обнаружено от 150 до 250 вариантов бактерий{37}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.


[Закрыть], причем лишь немногие, вероятно, от пяти до десяти, селятся там в особо большом количестве. Такие кишечнополостные подхватывают какие-либо микроорганизмы, с которыми затем вынуждены жить, не случайно. Более того, каждый до сих пор исследованный вид обладает своим собственным, также достаточно постоянным для многих из своих сородичей составом бактериальной смеси. Гидры подбирают себе тех, с кем они хотят жить вместе, и для этого у них имеются свои инструменты. Уже упомянутый Себастиан Фрауне и его коллеги из биоцентра Кильского университета обнаружили у различных видов гидр вполне специфические мини-протеины, которые оказывают токсическое воздействие на определенные микробы, а на другие – нет{38}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.


[Закрыть].

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}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.


[Закрыть], пока наконец не выяснилось, что микробы вытворяют с целлюлозой. Они разбивают ее на короткоцепные жирные кислоты, которые становятся превосходными поставщиками энергии.

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.

В сентябре 2013 года экспертное сообщество открыло, что за бактерии образуют ту уксусную кислоту{40}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.


[Закрыть]. 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.

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}41
  Второе наименование растения звездчатка средняя (мокрица) по-немецки звучит как «куриная кишка»(Hühnerdarm), 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.


[Закрыть] – 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.

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]10
  Аттрактанты – это природные или синтетические вещества, привлекающие животных.


[Закрыть].

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]11
  Голобионты – это организмы, обитающие в пересоленных водоемах.


[Закрыть], разработанная биологом Ойгеном Розенбергом.

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}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.


[Закрыть].

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.

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}43
  Определение бактериальных вариантов см. в сноске 37.


[Закрыть] 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.

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.