Роб Данн - Не один дома. Естественная история нашего жилища от бактерий до многоножек, тараканов и пауков

Для проверки моей гипотезы придется провести перепись микробов, встречающихся у подвальных насекомых. Теоретически можно ожидать встретить у них три группы бактерий. Первая группа состоит из видов, случайно оказывающихся в кишечнике насекомого или на его хитиновом покрове. Эти бактерии не приносят никакой пользы насекомому, которое переносит их с места на место. Когда комнатная муха садится на какую-либо поверхность, ее лапки неизбежно покрываются бактериями. Потом эти случайные попутчики оказываются везде, где приземляется муха, где она касается поверхности, испражняется или отрыгивает [184]. Но эти транзитные пассажиры были нам совершенно неинтересны.

Вторая группа связанных с насекомыми бактерий в ходе эволюции настолько приспособилась к своим хозяевам, что не способна существовать без них [185]. В их небольших геномах остались только гены, необходимые для насекомого-хозяина, как если бы бактерия сама была его частью. Например, муравьи рода Camponotus зависят от присутствия бактерий рода Blochmannia , вырабатывающих витамины, отсутствующие в пище самих муравьев [186]. Эти бактерии, живущие внутри клеток их хозяев — жужелиц, мух или муравьев, сами по себе весьма интересны, но практически бесполезны для целей задуманного нами исследования. Почти невозможно культивировать их в лаборатории и работать с ними.

Нашим объектом должна была стать третья группа бактерий, хотя и адаптированных к жизни в организме насекомого, но сохранивших способность существовать и во внешней среде (например, в лабораторных чашках Петри или в цистернах на фабрике). Из этой группы нас интересовали только виды, способные разлагать высокоустойчивые соединения углерода. Мы предполагали, что это обычные для насекомых бактерии, но известные не везде и не всем, в том числе ученым. Словом, не слишком распространенные, но и не слишком редкие. В самый раз.

Все, что мы должны сделать, это попробовать вырастить бактерии из кишечника пещерных кузнечиков на субстрате из трудноразлагаемых веществ. Люди производят немалое число подобных соединений, многие из которых (такие как пластик) намеренно изготавливаются очень прочными. Это создает большую проблему при их утилизации, вот почему в мировом океане образовались целые острова пластиковых отходов, дрейфующие взад-вперед по волнам. В других случаях вещества-долгожители — просто побочные продукты производства. Если пещерные кузнечики помогут нам справляться с этими загрязняющими веществами, они принесут немалую пользу.

Я получил образование в области общей (а не прикладной) экологии и эволюционной биологии и даже не знал, с чего начинать подобный проект. Мне потребовалась помощь специалиста. Тогда я обратился по электронной почте к Эми Гранден, сотруднице кафедры биологии растений и микроорганизмов, расположенной в соседнем корпусе университета. Эми занимается вопросами промышленного использования микробов, взятых из естественных местообитаний. Одно из ее исследований было посвящено применению микробов, живущих в глубоководных гидротермальных источниках, для обезвреживания веществ, входящих в состав пестицидов и химического оружия [187]. Когда я спросил, есть ли у нее какие-нибудь соображения по поводу нашего эксперимента, Эми ответила: «Ну, мы можем проверить, способны ли бактерии из кишечника пещерных кузнечиков разлагать черный щелок». Украдкой от всех я загуглил, что это такое.

Черный щелок — это токсичное жидкое вещество черного цвета, которое является побочным продуктом при производстве бумаги. Это именно то, что остается после того, как дерево превращено в пачку чистой белой бумаги, готовой для загрузки в ваш принтер. Черный щелок состоит из лигнина — сложного углеродного соединения, придающего твердость древесине (именно благодаря ему ваш дом не сгнивает вскоре после постройки), в сочетании с омыляющими веществами и растворителями, благодаря которым черный щелок приобретает сильнощелочные свойства (рН около 12). По законам США это токсичное соединение нельзя сбрасывать в окружающую среду, поэтому бумажные фабрики вынуждены сжигать его, распространяя вокруг «аромат» тухлых яиц. Эми считала, что было бы очень неплохо найти бактерии, способные разлагать черный щелок, и мы принялись за дело. Стефани Мэтьюс (тогда аспирантка в лаборатории Эми, потом постдок, работала под нашим началом, а сейчас доцент в университете Кэмпбелл) получила задание изучить пробы, полученные из пещерных кузнечиков и из личинок пятнистого кожееда ( Dermestes maculatus ). Эти личинки питаются падалью, но известно, что они способны поедать трудноразлагаемую пищу. Стефани работала вместе с Эм-Джей. Эм-Джей разбиралась в насекомых, а Стефания — в бактериях. Казалось, все складывалось весьма удачно — все, кроме некоторых биологических реалий.

Перед началом работы Эми не предупредила меня о том, как малы шансы найти бактерии, разлагающие лигнин в составе черного щелока. Из почти 10 млн известных видов только шесть умеют это делать.

Разлагать лигнин до более простых и легкоусвояемых соединений могут некоторые грибы. Ученые называют результат расщепления лигнина грибами «белой гнилью». Именно с их участием разлагаются мертвые деревья в лесу. Если бы их не было, леса были бы завалены отмершей древесиной. Но, как ни полезны эти грибы в природных условиях, их использование в промышленности крайне затруднительно. Они образуют плодовые тела, они формируют сложные переплетения гиф, они очень медленно растут, с ними настоящая морока — так что все попытки использовать их для утилизации отходов или переработки лигнина в энергию окончились ничем. С бактериями работать не в пример легче, но по разным причинам все шесть известных их видов, способных разлагать лигнин, оказались малопригодными. Никто (кроме, как позднее выяснилось, Стефани, защитившей на эту тему диссертацию [188]) и нигде не находил грибы или бактерии, способные разлагать лигнин, входящий в состав черного щелока.

Когда Стефани и Эм-Джей приступили к работе, я рассчитывал на новое большое открытие. Если бы я тогда взял паузу и начал прикидывать, каковы наши шансы на успех, я бы счел их весьма призрачными. Но я не стал на это отвлекаться и забивать себе голову размышлениями о том, как долго нам придется ждать успеха. Эм-Джей тоже об этом не думала, а Стефани была настроена весьма оптимистично, так что мы решили попробовать.

Стефани работает быстро. Уже через несколько месяцев она получила первый результат. Она выращивала бактерии, взятые из кишечников насекомых, на разных средах. Различные виды пищи, пригодной для микробов, смешивались с агар-агаром в обычных чашках Петри, точно таких же, какие используются на лабораторных практикумах в университетах. В первой серии опытов чашки содержали целлюлозу, во второй — лигнин (без целлюлозы). Остальные чашки содержали другие виды питательных сред. В каждую чашку Петри помещали одну аликвоту (каплю точно определенного размера), взятую из суспендированного тельца пещерного кузнечика или личинки кожееда.