Джон Тёрни - Я – суперорганизм! Человек и его микробиом

Вот один пример. Едва ли не самые необыкновенные межвидовые взаимосвязи демонстрируют муравьи-листорезы, собирающие зеленую массу в тропических лесах и использующие частично пережеванные листья для выращивания грибов, которые они затем употребляют в пищу, – достижение само по себе удивительное. Колония из миллионов муравьев способна ежегодно перерабатывать сотни килограммов растительной массы на своей подземной грибной ферме. В 2010 году исследователи показали, что расщеплять молекулы листьев муравьям помогает сообщество микробов, напоминающих тех, что обитают в коровьем рубце – «дополнительном желудке», где коровы – эти куда более крупные травоядные – переваривают зеленую массу. Таким образом, в ходе эволюции появилось два решения проблемы – извлечения питательных веществ из растительного материала. Коровы поддерживают существование микробиома, проделывающего эту работу внутри, муравьи же – существование микробиома, проделывающего ее снаружи [78].

В той же статье имеется ссылка на исследование бактерий, производящих антибиотики, у других видов, в том числе у насекомых, растений, кораллов, губок, улиток и птиц (у удода, если вам так уж хочется знать). Короче говоря, куда ни глянь, везде обнаружишь микробиомы, специально подогнанные так, чтобы мелкие организмы делали какую-то работу для более крупного. Аспект эволюции, именуемый «съешь – или тебя съедят», может приводить к разного рода странностям в отношениях между ними. У термитов существует в задней кишке необычно сложный для насекомых микробиом, где имеется смесь одноклеточных эукариот и бактерий. Микробы помогают термитам переваривать пищу, позволяя им питаться лишь древесиной. Такие внушительные существа, как броненосцы и трубкозубы (африканские муравьеды), обладают кишечными микробиомами, которые позволяют им есть покрытых хитином муравьев и термитов. В сущности, здесь идет битва микробиомов.

Расширившиеся представления о важной роли бактерий нашли отражение в программной статье, которую в 2013 году явила миру Маргарет Макфол-Нгаи из Висконсинского университета. Ее идеи об иммунной системе будут руководить нами на протяжении следующей главы. Макфол-Нгаи объединила две дюжины других влиятельных биологов для создания наброска своего рода боевого призыва к исследователям. Текст опубликован в Proceedings of the National Academy of Sciences под заголовком «Животные в мире бактерий».

В нем собраны результаты изысканий, посвященных главным образом животным, которые населяют Землю сегодня. Макфол-Нгаи и ее коллеги провели не один десяток лет, исследуя симбиоз между крошечным кальмаром и вибрионами, обитающими в люминесцентном органе, который расположен у него в полости тела. Такие взаимодействия, наблюдаемые в наши дни, способны дать много намеков касательно того, как дело обстояло в прошлом.

Неожиданное открытие, сделанное при изучении ее излюбленной модельной системы, может служить в этом смысле одним из самых показательных примеров. Речь идет о двух молекулах – липополисахариде (ЛПС), который сидит на внешней стороне вибриона, и пептидогликане, используемом этой бактерией для укрепления своих клеточных стенок. Мы знаем, что у крупных многоклеточных эти вещества способны активировать иммунную систему. Но Макфол-Нгаи обнаружила, что данный вибрион также применяет их, однако по совсем иному назначению. Их присутствие вызывает особого рода развитие тканей кальмара, которым предстоит приютить эти бактерии.

Далее выяснилось, что эти же разновидности молекул (не забудьте, они находятся на поверхности бактерий!) нужны для нормального развития пищеварительной системы у мышей. А значит, сигнальный путь, впервые возникший именно у бактерий, сохранился на протяжении большого отрезка эволюционного времени и в дальнейшем (как часто бывает) стал применяться для выполнения новых задач.

Макфол-Нгаи любит объединять чрезвычайно детальные исследования тонкостей устройства и функционирования одного организма с широкомасштабными рассуждениями об эволюции. В частности, она утверждает, что мы можем объединить ключевые стадии эволюции бактериально-эукариотических взаимоотношений, получив правдоподобный непрерывный сюжет этого важнейшего процесса.

Сюжет этот можно изложить так. Родословная всех сложных организмов начинается в океанах, где их предков окружали растворенные в воде органические вещества и постоянно присутствующая популяция бактерий – от сотни тысяч до миллиона бактерий на каждый миллилитр морской воды. Губка показывает, каким будет наиболее вероятный результат подобного сосуществования многоклеточного организма без тканей. Оно просто превратится в нечто кишащее бактериями.

Но как только многоклеточные превзошли по уровню организации губку, они обзавелись оболочкой. Если они живут в океане, для них вполне естественно стремиться к тому, чтобы втягивать в себя питательные вещества через своего рода живую стенку (прообраз нашей кожи), которая постепенно начинает всё больше походить на абсорбирующий клеточный слой, имеющийся у нас в кишечном эпителии, а также в других таких же местах. Другая функция оболочки – барьерная: такая преграда мешает бактериям пользоваться питательными веществами, которые наше новое многоклеточное старательно извлекает из морской воды и концентрирует для собственных нужд. Как заметила Макфол-Нгаи в одной беседе, «у них один и тот же фонд питательных веществ, но при этом они пытаются помешать этим мелким организмам распространяться по всему своему телу».

Несколько более высокоразвитое (по сравнению с губкой) существо – пресноводный полип Hydra , родич коралла, медузы и актинии. По своему устройству гидра довольно проста: это трубка с ртом на одном конце и «ногой»-якорем на другом. Трубка окружена двумя клеточными слоями. Внешний слой эпидермальный, а внутренний – своего рода кишечный эпителий. В нескольких миллиметрах тела гидры размещается желудок, а важное дело по абсорбированию питательных веществ теперь (по меньшей мере 500 миллионов лет назад) перенесено внутрь. Это создание представляет собой одну из первых моделей кишечника. У гидры уже имеется простенький микробиом. Более того, Томас Бош из Кильского университета и его коллеги показали, что различные виды современных гидр имеют существенно отличающиеся микробные популяции. Иными словами, полип сам выбирает, с каким бактериями ему жить. В ходе эволюции у него возникли мощные системы защиты против бактерий, которые ему не нравятся. Так, гидра способна вырабатывать антимикробные пептиды и ингибиторы ферментов. А микробы, к которым она относится терпимо (или даже поощряет их появление), оказываются с давних пор глубоко вплетены в жизнь этого миниатюрного создания. Гидры знамениты своей способностью к бесполому размножению – почкованию. Но если они не содержат обычную для себя микробиоту, эта способность пропадает. Введите в безмикробную гидру культуру из пищеварительной системы нормального экземпляра, и почкование снова станет возможным [79].