Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым

Для того чтобы минимизировать затраты энергии, уходящей на добывание питательных веществ, микроорганизмы в природе стремятся образовывать сообщества, в которых, к примеру, сахар, выделяемый одним организмом, потребляется другим, в то время как сам потребитель сахара предоставляет другим членам сообщества аминокислоты. Получается, что в общем и целом микроорганизмы, как и мы сами, являются социальными существами. Если им не хватает сложных форм поведения, то они искупают это инновационным метаболизмом, в большой степени основанным на гибкости их наномеханизмов и их способности приспосабливаться к изменениям в окружающей среде.

Микробиотические сообщества, или консорции , представляют собой микроскопические джунгли, в которых десятки и даже сотни видов микроорганизмов обитают в пределах одного ареала. Следует отметить, что часто бывает трудно строго определить, что является «видом» для микроорганизма. Традиционное определение этого слова, исходящее из жизнеспособности потомка половой рекомбинации особей и легко проверяемое у животных и растений, для микроорганизмов чаще всего неприменимо. Дело не только в том, что у большинства микроорганизмов сложно определить пол – горизонтальный перенос генов делает само понятие «вида» несколько расплывчатым. Тем не менее для того чтобы лучше вникнуть в функционирование микробиотической консорции, мы будем говорить о «видах» микроорганизмов в контексте какой-либо наблюдаемой биологической функции, в первую очередь метаболизма. Представим себе, что один микроорганический вид выделяет в окружающую среду какой-либо секрет или газ, который другой вид может использовать как источник энергии. Затем второй вид выделяет собственные секреты и газы, которые могут быть возвращены первому виду или переданы дальше другим видам, или и то и другое одновременно. Результатом является возникновение микроскопического микробиотического сообщества, которое по сути представляет собой миниатюрный биологический рынок электронов.

Представление о рынке электронов в микробиотической консорции – не метафора. Микроорганизмы внутри консорции в буквальном смысле обмениваются газами и другими материалами, имеющими избыток или недостаток электронов. Например, и у метана, и у сероводорода избыток электронов. Эти восстановленные молекулы могут вырабатываться несколькими различными участниками консорции и выделяться в окружающую среду. Другие микроорганизмы используют такие богатые электронами молекулы как источник энергии. В свою очередь, продукты их секреции, например углекислый газ и сульфат, могут подвергнуться рециркуляции или же быть потеряны сообществом, уйдя во внешнюю среду. Микробиотические консорции могут сохранять стабильность на протяжении дней, декад или даже дольше; мы попросту не знаем этого, но ответ может скрываться в том, что написано выше. Тем не менее мы знаем кое-что об основных законах такой консорции.

Одно из правил микробиотической консорции состоит в том, что ни один ее член не может превзойти остальных вплоть до их исключения. Если эта установка будет нарушена, консорция развалится и «победивший» микроорганизм окажется в энергетическом проигрыше, ему придется закупать дефицитные питательные вещества на отдаленных рынках, вместо того чтобы жить и обедать, наслаждаясь роскошью прямой доставки продуктов местного производства прямо к своим микроорганическим дверям.

Означает ли это, что все микробы «играют честно»?

Микроорганизмы могут быть социальны, но также способны проявлять агрессию и стремиться победить. Часто они производят молекулы, убивающие другие микроорганизмы. Собственно, большая часть самых действенных антибиотиков, борющихся с инфекционными болезнями, производится микроорганизмами. Однако в контексте микробиотической консорции такие молекулы зачастую служат только для защиты от захватчиков и не применяются против членов самой консорции. Другими словами, чтобы нам было полностью понятно, существует джентльменское соглашение: определенные микробы с определенными функциями имеют допуск в клуб обедающих, в то время как все остальные из него исключены.

Эта гипотеза легко подвергается проверке. Люди рождаются без каких-либо микроорганизмов в своем кишечнике. Однако очень быстро мы приобретаем их из окружающей среды. Мы получаем их, когда, едва родившись, трогаем свою маму и сосем ее грудь; мы едим сырую пищу; мы едим грязь; мы даже можем попробовать на вкус свои какашки. Фактически одним из первых микроорганизмов, колонизирующих наш кишечник, является E. coli – будем надеяться, неболезнетворный штамм.

Со временем каждый из нас начинает выращивать в своем кишечнике микробиологический зоопарк, уникальный для каждого – возможно, даже более уникальный, нежели последовательность ДНК. Общее число микроорганизмов в кишечнике любого человека приблизительно в десять раз превышает общее количество клеток в его теле. Дело не только в том, что микрофлора нашего кишечника приспособлена к нашей персональной диете и окружению – состав консорции также чрезвычайно важен для нашего личного здоровья. Консорция помогает нам получать питательные вещества из пищи, способствуя расщеплению сложных углеводов и жиров, помогает производить для нас витамины, а также не дает «плохим» микроорганизмам вызывать у нас болезни, препятствуя их росту. Мы все так или иначе знаем об этом. Любой, кому случалось во время путешествия по незнакомой стране заболеть, попив воды из-под крана, удивлялся, почему все местные жители не умирают еще в детском возрасте. Фактически возможно, что для многих все тем и закончилось, но у выживших в кишечнике имелись микроорганизмы, защитившие их от болезнетворных микробов в воде, которую они пили. Вы же у себя дома не имели возможности получить из пищи или воды таких же защитников. Если бы вы прожили в чужой стране подольше или были там рождены, у вас бы они тоже были – в противном случае вас ждало бы истощение, смерть или по меньшей мере неудачи при попытках размножения.

В наше время часто случается так, что мы в какой-то момент нашей жизни заболеваем, и врач выписывает нам антибиотик или даже два. Мы принимаем курс антибиотиков, одним из побочных эффектов которого часто является гастроэнтерит – сопутствующий ущерб от приема антибиотиков состоит в гибели многих микроорганизмов в нашем кишечнике. Для нас это означает не просто плохое самочувствие; это также изменяет характер взаимодействия микроорганизмов в нашей кишечной консорции. Порой необходимо несколько месяцев для того, чтобы консорция вернулась к тому состоянию, в котором находилась до приема антибиотиков. У некоторых людей она может не восстановиться даже через год. В других случаях нам бывает сложно приспособиться, у кого-то возникает неадекватная реакция на пищу, которую мы привыкли употреблять, и это продолжается какое-то время после приема курса. Наши персональные взаимоотношения с нашими кишечными микроорганизмами, на которые в целом приходится около двух килограммов массы нашего тела, могут рассматриваться как микрокосм, миниатюрная модель того, что микроорганизмы делают в глобальном масштабе.