Карл Циммер - Она смеется, как мать [Могущество и причуды наследственности] [litres]

Каждое новое поколение всех видов обзаводится микробиомом. В некотором смысле такой цикл очень похож на наследственность [903] Hurst 2017. . Новое животное не получает свои синтезированные с нуля гены из ниоткуда. Эти гены были в клетках его предков и неоднократно удваивались в ходе удивительного путешествия к каждому последующему животному. Человек, например, начинается с зиготы, наполненной генами, которые при каждом делении копируются. Сначала они оказываются в тотипотентных клетках, потом в плюрипотентных, а затем в тех, из которых образуются определенные ткани. Некоторые из них становятся клетками зародышевой линии. Они мигрируют по организму, доставляя свои гены туда, где позже сформируются семенники. Спустя годы из потомков этих клеток могут получиться длиннохвостые сперматозоиды, каждый из которых содержит только один набор генов. Хотя у мужчины в течение жизни образуются миллиарды сперматозоидов, лишь некоторые из них попадут из его тела в женские половые пути и уж совсем немногие доставят свои гены в яйцеклетку.

Гены бактерий могут передаваться похожим образом, когда следующее поколение хозяев получает свои микроорганизмы [904] Bright and Bulgheresi 2010. . Один из самых изумительных таких переходов осуществляется на глубине сотен метров под водой, где вокруг разломов на морском дне разрастаются колонии моллюсков из семейства Vesicomyidae [905] Funkhouser and Bordenstein 2013. . Моллюски поглощают поднимающийся из этих трещин сероводород – ядовитое химическое вещество, которое придает тухлым яйцам их характерный омерзительный запах. Газ впитывается в их мышцы, а затем кровеносная система переносит его к жабрам. В жабрах имеются специальные клетки, которых нет у других видов моллюсков, эти клетки отделяют атомы серы от молекул сероводорода, и при разрушении химической связи высвобождается энергия. Моллюски используют эту энергию, чтобы объединить углерод, водород и кислород в молекулу сахара. Они делают примерно то же, чем занимаются деревья, но вместо солнечного света пользуются подземной химической энергией.

Если точнее, моллюски не сами захватывают энергию с морского дна. Специализированные клетки в их жабрах – на самом деле бактериальные. У них есть ген, который кодирует белок, умеющий расщеплять сероводород. В обмен на эту услугу моллюски предоставляют бактериям хорошо оборудованный домик. Моллюски без бактерий будут голодать, бактерии без моллюсков вряд ли смогут существовать.

Эти взаимоотношения примечательны по многим причинам – и в том числе географическим. Поскольку упомянутые моллюски могут жить только там, где из морского дна просачивается сероводород, их колонии милями отделены друг от друга. Моллюски выбрасывают свои половые клетки в воду, и после оплодотворения их личинки дрейфуют в океан. Большинство из них осядет на пустынное дно и умрет. Лишь немногие окажутся в тех местах, где смогут расти. Они принесут с собой и бактерий, необходимых им для выживания, – так же, как делали их предки.

Поскольку практически невозможно выращивать глубоководных существ в лабораторных условиях, исследователям сложно понять, как моллюскам удается сохранять своих партнеров. Поэтому в поисках ответа ученые поднимают моллюсков с морского дна и вскрывают их мертвые тела. В 1993 г. Крейг Кэри и Стивен Джованнони из Университета штата Орегон использовали поиск бактериальной ДНК, чтобы выяснить, где внутри моллюска находятся бактерии [906] Cary and Giovannoni 1993. . Исследователи нашли их в клетках жабр. Но кроме того, бактериальная ДНК была найдена и в органах, где образуются яйцеклетки моллюсков. Каким-то образом бактерии перемещались по моллюску из жабр к яйцеклеткам, чтобы проникнуть в следующее поколение животных. Новые моллюски с рождения оказываются инфицированными, получив по наследству расширенный набор генов: как от животных, так и от бактерий.

Интересно, что бы подумал Дарвин об этих моллюсках? Представляя себе наследственность, он считал, что геммулы стекаются из всех частей тела к половым клеткам, где объединяются, чтобы передать свойства организма следующим поколениям. Его теория пангенезиса оказалась неверной, и биологи отказались от нее как от одной из немногих дарвиновских ошибок. Вместо этого они приняли предложенное Августом Вейсманом строгое разделение клеток на две линии – зародышевую и соматическую. Теперь же исследователи обнаружили, что глубоководные моллюски используют геммуло-подобную наследственность, чтобы передать потомкам бактериальных партнеров.

Если бы эти глубоководные моллюски оказались единственным на земле видом, наследующим жизненно необходимые ему свойства таким способом, можно было бы счесть это исключением и отмахнуться от него точно так же, как когда-то сочли случайностью и сначала проигнорировали заразный рак тасманийского дьявола. Но моллюски не одиноки. Попадание необходимых бактерий к своим яйцеклеткам обеспечивают многие животные. И некоторых из них, например тараканов, изучать гораздо проще [907] См.: Funkhouser and Bordenstein 2013; Sabree, Kambhampati, and Moran 2009. .

К тем микробам, что живут внутри тараканов, относят, в частности, Blattabacterium . Как и у моллюсков, у этих насекомых развились специальные клетки, внутри которых обитают бактерии. Вместо попадающего в морскую воду сероводорода тараканы используют для своего питания органическое вещество с поверхности земли, они находят его под пологом леса или в обычной нью-йоркской квартире. Blattabacterium сыграли важнейшую роль в повсеместном распространении тараканов. Когда насекомые кормятся, они запасают азот в жировом теле, это специальный орган в брюшке. Некоторые клетки внутри жирового тела содержат Blattabacterium . Бактерии превращают азот в аминокислоты и другие вещества, необходимые тараканам для роста.

Иногда клетки с Blattabacterium отправляются в путешествие. Они покидают жировое тело, находят тараканьи яйцеклетки и прикрепляются к ним. А через несколько дней яйцеклетка их поглощает. Таким образом, новое поколение тараканов продолжит завоевание планеты.

Бактерии, живущие строго внутри хозяина, называются эндосимбионтами, но они были такими не всегда. Их предки обитали некогда снаружи своих хозяев. Свободноживущие родственники эндосимбионтов помогают ученым выяснить, каким образом некоторые бактерии превратились в таких близких партнеров. Шаг за шагом микроорганизм постепенно приближался к тому, чтобы всегда жить внутри хозяина [908] Bennett and Moran 2015. .

Исследования показывают, что когда свободноживущие предки эндосимбионтов вступали в контакт с хозяином, будь то таракан, моллюск или один из миллионов других видов, они могли расти на нем или даже внутри него. По чистой случайности эти бактерии оказались чем-то полезными своим хозяевам, возможно, выделяя в виде отходов нужную тем аминокислоту. Если в результате хозяева преуспевали, у бактерий появлялось больше шансов размножаться в их внутренностях. Естественный отбор благоприятствовал тем бактериям, которые для своих хозяев были полезнее, поскольку их интересы совпадали. Подобным же образом их хозяева эволюционировали, чтобы выращивать бактерий. Появление специальных клеток для них обеспечило животным возможность наслаждаться бактериальными услугами.