Начальная школа

Русский язык

Литература

История

Биология

География

Математика

 

15 октября 2010 года Томас Фриц, инженер на пенсии, взял бензопилу и пошел спиливать погибшую яблоню за домом в Эвансвилле, штат Индиана. Спилить дерево труда не составило, но, унося ствол, Фриц споткнулся, и прямо между большим и указательным пальцем на его правой руке вонзился сучок размером с карандаш. Фриц был добровольным пожарным и прошел медицинскую подготовку – он знал, как правильно обработать рану. Однако, несмотря на все его усилия, рука воспалилась. Через два дня, когда он отправился к врачу, на месте раны образовалась киста. Фриц пропил курс антибиотиков – бесполезно. Рука начала заживать лишь спустя пять недель, после того как хирург извлек из раны несколько застрявших там и не желающих вылезать обломков коры.

Так бы этот случай и забылся, если бы врач Фрица не взял из раны немного жидкости. Образец отправился в лабораторию при Университете Юты, куда попадают для знакомства с учеными многие загадочные микробы. Автоматизированные инструменты в лаборатории опознали бактерий из раны Фрица как Escherichia coli, но Марк Фишер, медицинский директор, отнесся к ним с недоверием. ДНК соответствовала не полностью. Проверив результаты секвенирования повнимательнее, он заметил, что у бактерии Sodalis, открытой совсем недавно, в 1999 году, ДНК почти идентичная. По счастливой случайности, открывший ее ученый работал здесь же, в университете – Колин Дейл, биолог из Великобритании.

Дейл сначала Фишеру не поверил. Фишер пытался его убедить, что Sodalis росла в чашке с агаром в лаборатории. Нет, заявил Дейл, это наверняка ошибка. Как всем на тот момент было известно, Sodalis обитала лишь в телах насекомых. Дейл впервые ее обнаружил у кровососущей мухи цеце, а потом и у долгоносиков, клопов-щитников, тлей и вшей. Бактерия устроилась прямо в клетках этих животных и потеряла слишком много генов, чтобы жить где-нибудь еще. Она бы никак не смогла выжить в чашке Петри, а уж в ране на руке или на ветви погибшего дерева – тем более. Но ведь ДНК не врет. Большая часть генов бактерии из руки Фрица совпадала с генами Sodalis. Дейл назвал новый штамм HS – human Sodalis, то есть «Sodalis человека». «Думаю, HS довольно широко распространен, но мы в мертвых деревьях в поисках бактерий особо не ковыряемся», – говорит он.

Только подумайте, сколько в этом рассказе совпадений. Микроб оказался на нужной ветке, заразил нужного человека и в итоге попал в нужную лабораторию – на одной улице с лабораторией человека, что открыл его сестрицу, обитающую в клетках насекомых. Вроде бы невероятное стечение событий. Но вскоре все повторилось. На этот раз пострадал мальчик, взбираясь на дерево. Как и Фриц, он упал и наткнулся на сучок. В отличие от Фрица у него не началось воспаление. Первые симптомы появились десять лет спустя – на месте давно зажившей раны откуда-то возникла киста. Врачи ее вырезали и отправили образец в Университет Юты. На этот раз в нем оказалось два штамма HS.

Забудьте о Фрице и о мальчике: они в порядке, разве что с деревьями теперь обращаются с большей осторожностью. Давайте поговорим о HS. У ученых, занимающихся симбиозом, при упоминании этой бактерии появляется блеск в глазах, ведь она позволяет нам взглянуть на одну из основных, но при этом малоизвестных сторон отношений животных и бактерий – на их зарождение. Обычно к тому времени, как мы об этих отношениях узнаем, партнеры вальсируют вместе уже миллионы лет. Но как они выглядели в самом начале танца? Почему начали танцевать? Как продолжили и как менялись в процессе? Эти вопросы волнуют многих. Первые шаги долгого вальса со временем обычно забываются, а их следов для нас почти не осталось.

HS стала исключением. Она показывает, как, возможно, выглядела Sodalis до заключения в клетках насекомого, еще когда она была вольным микробом, резвилась на природе и при случае могла заразить какое-нибудь животное. HS – утерянное звено. Симбионт в ожидании. Ученые уже давно предсказали, что подобные «предковые» микробы существуют, но мало кто мог помыслить, что когда-нибудь удастся обнаружить хоть одного. Дейл обнаружил двоих. Вскоре он дал HS официальное имя, Sodalis praecaptivus – «Sodalis до пленения».

Так вот, представьте себе HS – сидит себе на деревьях и бог знает где еще, никого не трогает. Если ей доведется попасть в споткнувшегося садовника или упавшего ребенка, она начнет размножаться. Но с большей вероятностью она попадет в организм обитающего на дереве насекомого. По ее генам Дейл может предположить, что она – патоген: вызывает у деревьев болезни и переносится между ними на ротовых органах насекомых. Вот она уже полагается на животных, чтобы те доставляли ее к новым хозяевам. Затем, возможно, в процессе эволюции она развилась так, чтобы приносить насекомым пользу – предоставлять питательные вещества, например, или защиту от паразитов. Потом она может переместиться из кишечника или слюнных желез хозяина в его собственные клетки. Теперь, вместо того чтобы находить себе новых насекомых через деревья, она начинает переходить от матери к потомству и становится постоянной частью организма хозяина. Удобно устроившись, она, как и другие симбионты насекомых, утрачивает ненужные более гены и становится «плененной» Sodalis. Эта цепочка событий, наверное, складывалась не один раз – потому разные версии Sodalis существуют в разных группах насекомых.

Скорее всего, так начались многие симбиозы со случайными микробами среды – как паразитами, так и ребятами поприличнее, – каким-то образом попавшими в животные организмы. Такие вторжения случаются часто, и предотвратить их нельзя. Бактерии вездесущи, а значит, что бы мы ни делали, мы вступаем в контакт с новыми видами.

Втыкать в себя сучок для этого совсем не обязательно. Секс вполне подойдет: при спаривании тли обмениваются микробами, помогающими защищаться от паразитов или переносить высокую температуру. Или можно что-нибудь слопать. Мокрицы, например, пополняют свою коллекцию микробов, пожирая друг друга, а мыши – поедая помет других мышей. Две белокрылки могут обменяться микробами, попив сока одного и того же растения. Человек в среднем проглатывает до миллиона микробов на грамм пищи. Микробы везде, так что практически любая пища – лужица воды, стебель растения, плоть другого животного – это потенциальный источник новых симбионтов.

У паразитов есть еще один способ попасть в организм животного. Многие наездники откладывают яйца в тела других насекомых, протыкая одну жертву за другой заостренными трубками. Они, по сути, являются живыми, летающими, грязными шприцами, которые распространяют потенциально полезных микробов от хозяина к хозяину так же, как хоботок комара распространяет малярию и лихорадку денге. Мы знаем, что так происходит, потому что ученые лично наблюдали это в полевых условиях, а потом воспроизводили в лабораторных. Загрязненная пища и вода, незащищенный секс, использованные шприцы – для нас это путь к болезням. Но раз уж по тропинке могут пройти патогены, полезные микробы тоже могут достичь по ней новых хозяев.

Однако путь – это еще не все. Когда бактерия прибывает на новое место, ей нужно первым делом там обустроиться, и успех ей вовсе не гарантирован. Ей придется справиться с иммунной системой, микробами-соперниками и другими угрозами. Возможно, лишь один из сотни прыжков по горизонтали ведет к стабильному партнерству. А может, примерно один из миллиона. Нам этого не узнать никак. Но на одном поле, возможно, миллион тлей пьют сок одних и тех же растений, а миллион наездников жужжат над ними и протыкают их зараженными кинжалами. При таких количествах маловероятное становится вероятным, а почти невозможное – возможным, даже проткнуть себе руку древесным сучком и получить вместе с ним нового симбионта.

Микробы-новички, скорее всего, останутся на новом месте надолго, если они способные паразиты, но некоторым микробам гражданство гарантировано, если они приносят пользу. Им даже адаптироваться не придется. В мире полно микробов, уже адаптированных к симбиозу благодаря тому, что они и так делают. Если в организм вегетарианца попадут микробы, умеющие расщеплять сложные углеводы и высвобождать тем самым недоступные ранее химические вещества, которые потом сжигаются клетками для получения энергии, они сразу же впишутся в компанию. Им не придется больше ничего делать, они просто продолжат привычную жизнедеятельность как ни в чем не бывало, но теперь будут приносить хозяину пользу. Такой «побочный мутуализм» – идеальное знакомство. Оба партнера что-то с него получают, а вкладываться не приходится никому. Потом у хозяина могут появиться новые свойства для укрепления партнерства – от клеток, служащих микроскопическим партнерам домиками, до молекулярных опорных точек, за которые партнеры смогут уцепиться. А самое главное из этих свойств – то, что способно закрепить симбиоз куда лучше, чем все остальное, – это наследование.

На европейском лугу под жарким летним солнышком меж цветов жужжит пчела. Вдруг к ней навстречу вылетает другое желто-черное насекомое, нападает на нее и парализует жалом. Это пчелиный волк – крупная и могучая оса с весьма метким названием. Она затаскивает жертву в подземную нору, чтобы закопать рядом с одним из своих яиц и еще несколькими пчелами – обездвиженными, но пока живыми. Личинка, вылупившись, сожрет все запасы в живой кладовке, заботливо припасенные матерью.

Пчелиные волки оставляют в подарок потомству не только пчел. Мартин Калтенпот, изучая поведение пчелиных волков, заметил, как из усиков одной особи выделяется белая густая жидкость. Это вещество он уже видел. Выкопав нору, самка пчелиного волка, перед тем как отложить яйцо, прижимается усиками к земле и выдавливает из них белую пасту, как мы – зубную пасту из тюбика. Затем она мотает головой и размазывает ее по потолку норы. Эта паста – своего рода знак «Выход здесь»: когда молодая особь осы готова покинуть нору, она начинает копать именно там. Калтенпот рассмотрел пасту под микроскопом и удивился: оказывается, в ней кишмя кишат бактерии! Оса, выделяющая микробов из усиков? Неслыханное дело. И что еще более странно, бактерии были одни и те же. В усиках у всех пчелиных волков содержится один и тот же штамм Streptomyces.

Это стало отличной подсказкой. Бактерии Streptomyces мастерски убивают других микробов – на этой группе бактерий основано две трети наших антибиотиков. А молодому пчелиному волку антибиотики точно не помешают. Съев запасенных пчел, он окружает себя коконом и остается в нем зимовать. Целых девять месяцев он заключен в теплую влажную камеру – идеальное место для болезнетворных грибов и бактерий. Калтенпот решил, что антибактериальная паста матери поможет детенышу не подхватить смертельную инфекцию. И действительно, понаблюдав за личинками, он обнаружил, что они «вплетают» бактерии из пасты в волокна кокона, так что детеныши укрываются самотканым одеялком из микробов, вырабатывающих антибиотики. Когда Калтенпот забирал у молодых ос белую пасту, в течение месяца почти все погибали от микоза. А когда он ее оставлял, все обычно выживали. Весной новоиспеченные взрослые осы выбираются из коконов и наполняют усики теми же Streptomyces, что защищали их всю зиму. И вот они разлетаются – копать свои норы, ловить своих пчел и передавать жизненно важных микробов своему потомству.

Подобные акты трансмиссии, во время которых животные передают потомству микробов в эстафете поколений, в мире симбиоза имеют едва ли не наибольшую важность, ведь они переплетают между собой судьбы хозяев и симбионтов. Они гарантируют, что долгий вальс и правда будет долгим, что он будет продолжаться веками, что новые поколения животных и микробов вступят в связь, как и их родители. И с помощью эволюции они заставляют танцоров сливаться друг с другом в танце еще ближе. Микробам под давлением эволюции приходится развивать у себя способности, приносящие хозяевам пользу, чтобы с ними хотело танцевать больше партнеров. А у животных должны появляться новые эффективные способы передачи потомству микробного наследства.

Поселить микробов прямо в яйцеклетках надежнее всего – тогда и симбиоз будет задушевнее некуда. Митохондрии – бывшие бактерии, дающие нашим клеткам энергию, – и так уже там, так что от матери к ребенку они переходят без лишней мороки. Других микробов приходится туда заселять – так делают глубоководные моллюски, морские плоские черви и целая куча разных видов насекомых. Будучи лишь оплодотворенной яйцеклеткой, они уже находятся в сопровождении микробов. Они никогда не бывают одиноки.

Обеспечить потомству нужных микробов можно и без яйцеклетки. Многие насекомые идут по тому же пути, что и пчелиные волки: устраивают там, где вылупятся их детеныши, микробную заначку. В этом особенно преуспели клопы-щитники. Мало кто знаком с ними лучше, чем Такема Фукацу – энтомолог с заразительным энтузиазмом, вознамерившийся изучить всех существующих на Земле насекомых. Он обнаружил, что представители одного вида щитников упаковывают микробов в прочные погодостойкие капсулы и раскладывают их рядом с яйцами, а вылупившиеся клопята потом эти капсулы поедают. Представители другого вида покрывают сами яйца желеобразным веществом с микробами. А вот у одного вида японских щитников – обаятельных букашек с красно-черной окраской, милых взгляду, но немилых урожаю, – тактика самая надежная. Большинство насекомых сразу покидают детенышей на произвол судьбы, а эти охраняют яйца до последнего. Самка их высиживает, словно курица, а иногда даже кормит вылупившихся нимф кусочками плодов. Она каким-то образом чувствует, когда они вот-вот вылупятся, и прямо перед чудом рождения обильно поливает яйца слизью с бактериями из тыльной стороны тела. Яйца в белой жидкости теперь напоминают мармеладки, покрытые самой мерзкой глазурью на свете. Детеныши вылупляются, проглатывают слизь – и их тут же заселяют свежайшие кишечные микробы. Забудьте ненадолго об отвращении и задумайтесь о значимости этого момента: каждый клопик с первым глотком перестает быть индивидом со стерильным организмом и становится колонией из множеств, богатой экосистемой.

Муха цеце – кровосос, распространяющий среди людей сонную болезнь, – тоже снабжает детенышей микробами, только на этот раз в своем собственном теле. Это насекомое, которое изо всех сил старается стать млекопитающим. Муха цеце не откладывает яйца – она живородящая. И вместо того чтобы перестраховаться и произвести на свет сразу много детенышей, она направляет все силы на одну-единственную личинку – выращивает ее в матке и кормит жидкостью, напоминающей молоко. В молоке достаточно питательных веществ и микробов (в том числе, кстати, Sodalis), так что, когда абсурдно крупный детеныш вылезает из несчастной матери (поверьте, у людей роды по сравнению с этим – пара пустяков), у него уже есть все нужные партнеры-бактерии.

Другие животные, перед тем как накормить детенышей микробами, ждут, пока те вылупятся или родятся. Детеныш коалы в шестимесячном возрасте отлучается от материнского молока и переходит на листья эвкалипта. Но перед этим он трется носом о ягодицы матери, на что она в ответ выделяет кашицу, которую малыш должен проглотить. В кашице содержатся бактерии, позволяющие маленькой коале переваривать жесткие листья эвкалипта, причем их там в 50 раз больше, чем в обычных фекалиях. Без этого первого обеда со всеми последующими придется тяжко.

У людей, к превеликому облегчению, кашицы нет. Бактерий у нас в яйцеклетках тоже нет, не считая митохондрий, а мамы не поливают нас слизью. С первыми микробами мы знакомимся при рождении. В 1900 году французский педиатр Анри Тиссье выдвинул предположение, что матка – это стерильная камера, отделяющая ребенка от бактерий. Нашему уединению приходит конец, когда мы проходим по родовым путям и встречаемся с вагинальными бактериями. Это наши первые поселенцы – первопроходцы в наших пустых экосистемах. Мы, как и японские клопы-щитники, появляемся на свет в маминых микробах. Недавние исследования ставят этот факт под сомнение, указывая на следы ДНК микробов там, где их быть не должно, – в околоплодных водах, пуповинной крови и плаценте, – но их результаты весьма спорные. Неясно, как микробы туда попали, важно ли это и были ли они там вообще, – возможно, это ДНК отмерших клеток или бактерий, случайно попавших в образцы. Не исключено, что теория Тиссье о стерильности матки действительно неверна, но пока нам нечем ее опровергнуть.

Даже если животные не получают микробов вертикально, то есть от родителей, у них есть возможность «поймать» нужных симбионтов горизонтально. Многие животные регулярно засеивают все вокруг исторгнутыми микробами, которые затем попадают к их потомству. Некоторые работают напрямую. Термиты, по словам Грега Херста, предпочитают лизать зад – по-научному это называется «проктодеальный трофаллаксис». Им, как и коалам, нужны микробы, чтобы переваривать пищу, только уже древесину, и они их получают, высасывая соответствующую жидкость у своих родственников. Однако в отличие от коал термиты при каждой линьке теряют все содержимое кишечника, включая микробов. Чтобы пополнить запасы, им приходится каждый раз вылизывать задний проход других термитов. Нам подобные привычки не по вкусу, но для животных брезгливость нехарактерна. Многие хорошо нам знакомые животные – коровы, слоны, панды, гориллы, крысы, кролики, собаки, игуаны, жуки-могильщики, тараканы, мухи и многие другие – регулярно поедают помет друг друга. Это называется копрофагией.

А кожным микробам хватает простого прикосновения. У самых разных животных – саламандр, лазурных птиц, людей – при проживании рядом друг с другом сообщества микробов на коже, как правило, более похожи, чем у друзей, живущих порознь. У бабуинов, живущих в одной стае и, соответственно, вычесывающих друг другу шерсть, сходств в микробиоме кишечника тоже больше по сравнению с соседями, даже если обе стаи проживают на одной территории и питаются одним и тем же. А лучше всего такое сближение проявляется у игроков в роллер-дерби. Игроки одной команды обладают одними и теми же кожными бактериями, так что у разных команд сообщества свои, уникальные. Но во время игры, когда две команды толкаются и борются друг с другом, кожные микробы у них смешиваются. Прикосновения влекут за собой единообразие. Иногда долгий вальс не обходится без силовых приемов.

Нередко микробы, чтобы попасть к хозяину, полагаются на социальные контакты. Это случается лишь при условии, что родители не покидают потомство или же разные поколения обитают в одной большой группе. Японские щитники заботятся о потомстве и сами предоставляют детенышам нужных бактерий. Термиты живут в колониях близко друг к другу, так что новые рабочие могут слизать микробов у соратников. Для такой тактики есть причины, утверждает биолог Майкл Ломбардо. Он считает, что некоторые животные образуют большие группы именно для того, чтобы получать друг от друга нужных симбионтов. Это не единственный фактор, стоящий за развитием общественной жизни, и даже не самый главный: живущие в группе животные получают возможность вместе охотиться, отпугивать хищников большим стадом и лучше ориентироваться на местности. Ломбардо думает, что передача микробов – это еще одно правдоподобное преимущество совместной жизни, о котором, как правило, никто не задумывается. Вспоминая о том, что микробы могут передаваться от одного человеку к другому, люди в первую очередь подразумевают патогены. В стадах, стаях и колониях болезни распространяются быстрее. Однако и у полезных симбионтов там больше возможностей найти новых хозяев.

Бессчетное количество путей, по которым микробы попадают от одного животного к другому, создано для одной цели: хозяева должны передавать микробов из поколения в поколение. Щитники и коалы, пчелиные волки и бабуины – животные находят способы сделать так, чтобы у следующих поколений партнеры не менялись. Иногда речь идет о строгом вертикальном наследовании от родителя к потомству – тогда одни и те же микробы остаются у хозяев на протяжении многих поколений. А иногда – о более свободном горизонтальном переносе через сожителей или среду обитания: он гарантирует некоторую продолжительность, позволяя при этом животным меняться симбионтами более вольготно и даже получать новых. Но даже тогда животные не перестают быть разборчивыми. Для поиска партнеров у них есть целый мир, и танцевать с кем попало они не станут.

В пруду неподалеку от вашего дома проживает восхитительное и на удивление харизматичное существо, которое вы, возможно, и не видели никогда. Хотя найти его нетрудно: соберите из пруда немного ряски (впрочем, подойдет любое плавающее растение), положите в баночку, налейте туда воды… и ждите. Внимательно разглядев растение, вы, возможно, найдете под листьями или на корнях небольшой зеленый или коричневый шарик размером всего в несколько миллиметров. При достаточном освещении он вскоре превратится в длинный увенчанный щупальцами стебелек. Когда этот стебелек раскрывается полностью, он напоминает тонкую студенистую руку, растопырившую длинные пальцы.

Это гидра – родственница актиний, кораллов и медуз. Назвали ее в честь обитающей в болоте устрашающей многоглавой змеи, той самой, что в греческой мифологии накостыляла Гераклу. Из-за крошечного размера существа такое название кажется до смешного абсурдным, но все же оно на удивление подходящее. Гидра-чудовище своим ядовитым дыханием и не менее ядовитой кровью наводила ужас на деревни, а гидра-животное убивает дафний и прочих мелких ракообразных ядовитыми гарпунами, выстреливающими из стрекательных клеток. У чудовища вместо одной отрубленной головы вырастало две новых, настоящая гидра – тоже мастер регенерации. Ей отрезали конечность? Да не вопрос. Вывернули наизнанку? Она управится.

А особенно гидра нравится биологам, исследующим развитие и рост животных. Ее легко поймать, с уходом и разведением тоже никаких сложностей. А еще она почти полностью прозрачна, так что устройство ее организма можно рассмотреть через оптический микроскоп. До того как специалист по биологии развития Томас Бош наткнулся на нее в 2000 году, ученые исследовали гидру на протяжении веков. Сам Левенгук как-то зарисовал ее в одной из своих записных книжек. Другие выведали, как она из одной клетки превращается во взрослую особь, как она заново отращивает поврежденные части тела. Бош, как только ее увидел, был пленен. «Я никогда не позволяю студентам говорить, что какой-либо организм примитивен, – утверждает он. – Гидра уже 500 миллионов лет ведет изящный и успешный образ жизни».

Но даже Бош задумался: как гидры умудрились столько прожить с таким простым строением тела? Человеческий организм устроен настолько сложно, что большая его часть скрыта от внешнего мира – с ним контактируют только клеточные слои, покрывающие кишечник, легкие и кожу. Это – эпителий. Помимо всего остального он преграждает микробам путь и не дает им пробраться в организм глубже. А вот у гидры никакого «глубже» нет. Она состоит всего из двух клеточных слоев, полость между которыми заполнена студенистым веществом, так что и внешняя, и внутренняя части гидры постоянно контактируют с водой. У нее нет барьера, отделяющего ткани ее организма от внешней среды, – ни кожи, ни раковины, ни какой-либо другой оболочки. Гидра настолько обнажена, насколько только возможно для животного. «Она ж просто кусок склизкого эпителия во враждебной среде», – описывает гидру Бош. Так почему же такое незамысловатое существо не подвержено инфекциям? Как оно умудряется оставаться здоровым?

Чтобы это узнать, Бошу сначала понадобилось выяснить, какие микробы живут в гидре и окружают ее. Себастьян Фрауне, подопечный Боша, для этого перемолол их тела, выделил из получившейся массы бактериальную ДНК и все секвенировал. Проанализировав два родственных вида гидры, он с удивлением обнаружил, что микробиомы у них совершенно разные – будто фауна на разных континентах.

И это было странно, ведь эти гидры более тридцати лет выращивались в одинаковых пластмассовых контейнерах в лабораторных условиях. Не один десяток лет их держали в одной и той же воде с тщательно выверенным составом, кормили одной пищей и поддерживали им одинаковую температуру. Если бы заключенных в тюрьмах содержали в таких же отупляюще одинаковых условиях, они бы через тридцать лет собственного имени не вспомнили. А вот каждая гидра – животное без мозга – каким-то образом набирает себе именно тех микробов, которые подходят ее виду. Это казалось невероятным, так что поначалу Бош в результатах усомнился. Фрауне провел эксперимент заново, но получил такие же результаты. Тогда он секвенировал ДНК других видов гидры и выяснил, что у представителей каждого вида микробиом уникален и при этом полностью совпадает с микробиомом диких особей того же вида, пойманных в озере.

«Для меня этот момент был переломным, – восторгается Бош. – Я всегда считал, что ткани защищают организм от плохих ребят, как и принято в микробиологии». Но благодаря его экспериментам было доказано, что разные виды гидры сами формировали свой микробиом.

Среди животных такие тенденции преобладают – мы не просто тащим танцевать первую попавшуюся бактерию. В нашей жизни постоянно появляются новые микробы, но животные сами выбирают себе подходящих партнеров из прорвы желающих. Большинство бактерий в человеческом кишечнике, например, относятся к четырем основным группам, а в природе их сотни. Даже гидры, какими бы они ни были простыми и незащищенными, позволяют обосноваться у себя на оболочке лишь избранным видам бактерий, а остальных прогоняют. Наши тела – большие и маленькие, сложные и простые – создают условия, подходящие лишь для определенных микробов. Со временем, а также благодаря постоянному наследованию микробов хозяева и симбионты приспосабливаются друг к другу, и наша разборчивость достигает нового уровня. Мы те еще привереды.

В результате у каждого вида формируется свое специфичное сообщество микробов. Человеческий микробиом можно легко отличить от микробиома мыши или рыбки данио-рерио и даже от микробиома шимпанзе или гориллы. У живущих бок о бок в океанах китов и дельфинов, чья кожа во время плавания и выпрыгивания из воды все время подвергается трению, кожный микробиом остается уникальным – присущим их виду. Пчелиные волки, с которыми мы недавно познакомились, настолько привередливы, что отказываются вырабатывать для потомства белую слизь, если у них в усиках окажутся не те штаммы бактерий, что нужно. Если они чувствуют, что выбрали неподходящих партнеров, они прерывают цепочку наследственности и прекращают вальс.

У микробов тоже есть предпочтения в партнерах – многие адаптировались так, чтобы заселять определенных хозяев. Одни штаммы пчелиного симбионта Snodgrassellaприспособились к пчелам, а другие – к шмелям, а заселить кого-то другого не сможет ни один из них. У кишечного микроба Lactobacillus reuteri есть штаммы, подходящие людям, мышам, крысам, свиньям и курицам. Если их смешать и засунуть в мышь, мышиный штамм вскоре затмит остальные. Из таких экспериментов с заменой микробов можно много чего узнать. Самые значимые из них провел Джон Ролз. Он поменял микробиомы двух столпов лабораторной науки – мыши и данио-рерио. Вырастив стерильных мышей и рыбок, Ролз поселил в них микробиомы обычных особей другого вида, желая узнать, примет ли данио-рерио кишечных микробов мыши, а мышь – микробов данио-рерио. Как выяснилось, примет. Однако Ролз обнаружил, что животные не просто смирились с новыми поселенцами. Они переделали обретенные сообщества так, чтобы те походили на стандартные для каждого из двух видов. Мыши сделали микробиом рыбок в какой-то мере мышиным, и наоборот.

Нельзя сказать, что у всех представителей того или иного вида микробиом одинаковый. Всегда есть место разнообразию. Представьте, что гены животного – это декораторы в театре: они создают сцену, на которой будут выступать определенные микробы. Окружающая нас среда – друзья и дом, пыль и пища – оказывает на актеров влияние. А в кресле продюсера расположилась случайность – потому-то микробиом немного разный даже у двух генетически идентичных мышей, живущих в одной клетке. Состав нашего микробиома в этом плане похож на рост, интеллект, темперамент и предрасположенность к раку – это сложный признак, управляемый совместной работой сотен генов и еще большего количества факторов среды. Разница заключается в том, что на наш рост и размер головного мозга гены влияют напрямую, а вот на микробиом – нет. Они лишь создают условия, подходящие тем или иным видам.

В своей знаменитой книге «Расширенный фенотип» Ричард Докинз пишет о том, что гены животного (его генотип) формируют не только его тело (фенотип). Они также косвенно влияют на окружение животного. Гены бобра строят организм бобра, а потом этот организм отправляется строить плотины – получается, что гены еще и изменяют течение рек. Гены птицы создают птицу, и они же вьют гнездо. Мои гены сделали мне глаза, руки и мозг, чтобы с их помощью написать эту книгу. Все это – плотины, гнезда, книги – Докинз называет расширенным фенотипом. Они – плоды работы генов, находящиеся вне тела животного. В какой-то степени таков и наш микробиом. Его тоже формируют гены животного – они создают условия, стимулирующие рост и размножение определенных микробов. Хоть микробиом и находится в теле владельца, его вполне можно назвать расширенным фенотипом, как и плотину бобра.

Но и такое сравнение не идеально, ведь микробы – в отличие от плотины и этой книги – живые существа. У них есть собственные гены, причем некоторые из них важны или даже необходимы хозяевам микробов. Они являются не просто продолжением генома хозяина, как и хозяин является не просто продолжением генома микробов. Некоторые ученые убеждены, что их, в принципе, и разделять не стоит. Если животные тщательно подбирают себе микробов, а микробы – животных и при этом их партнерство длится на протяжении многих поколений, то, возможно, стоит считать их отдельными едиными особями. Может, хозяин плюс микроб – это не «они», а «оно».

Мы уже знаем, что некоторые бактерии объединяются с хозяевами настолько, что и не разобрать, где заканчивается один вид и начинается другой. Так устроены многие симбионты Hodgkinia в цикадах. И про митохондрии нельзя забывать – когда-то эти клеточные бактерии были свободными, но их навечно поглотила клетка покрупнее. Этот процесс, известный под названием эндосимбиоз, был предложен в качестве гипотезы еще в начале XX века, но в научном сообществе его приняли лишь спустя несколько десятилетий, во многом благодаря смелости американского биолога Линн Маргулис. Она построила связную теорию эндосимбиоза и подробно растолковала ее в исследовании, где смешались доказательства из клеточной биологии, микробиологии, генетики, геологии, палеонтологии и экологии. Получился превосходный образец научного творчества. Прежде чем работа была напечатана в 1967 году, издатели отказали Маргулис раз пятнадцать.

Другие ученые лишь посмеивались над Маргулис и не воспринимали ее всерьез, но она все же старалась изо всех сил. Будучи презирающей устои бунтаркой, она восставала против всех научных догм. «Я не считаю свои теории спорными, – как-то сказала она. – Я считаю их верными». С митохондриями и хлоропластами она определенно попала в точку, но из-за многих других заявлений к ней относились как с превеликим уважением, так и с осторожным скепсисом. Один биолог однажды рассказал мне, как услышал, что она в разговоре назвала его имя. Ого, подумал он, Линн Маргулис меня знает! И тут же она добавила: «совершенно неправ». Круто, обрадовался он, если уж Линн Маргулис считает, что я неправ, то я точно на верном пути.

Мировоззрение Маргулис на протяжении всей ее профессиональной жизни было пронизано эндосимбиозом. Ее притягивала связь между живыми существами, и она осознала, что каждое из них живет в сообществе со многими другими. В 1991 году она придумала название этой связи: холобионт – от греческого «цельная единица жизни». Термин применим ко множеству организмов, проводящих вместе значительную часть жизни. Холобионт пчелиного волка состоит из осы и всех бактерий у нее в усиках. Холобионт Эда Йонга – это я, все мои бактерии, грибы, вирусы и многое другое.

Супружескую пару из Израиля, Юджина Розенберга и Илану Цильбер-Розенберг, этот термин сразу привел в восторг. Они занимались изучением кораллов и пришли к выводу, что эти животные представляют собой совокупность организмов, чья судьба зависит от водорослей в их клетках и других микробов, обитающих рядом с ними. Считать их едиными сообществами казалось вполне логичным. Они поняли, что здоровье рифа можно оценить, лишь учитывая весь холобионт коралла.

Розенберг перенес понятие холобионта в мир генов. Эволюционные биологи к тому моменту уже считали, что животные и другие организмы – всего лишь транспорт для генов. У генов, строящих самый лучший транспорт – самых быстрых гепардов, например, или самые прочные кораллы, или самых красивых райских птиц, – больше шансов попасть в следующее поколение. Со временем эти гены распространяются все шире в популяциях. Их животный транспорт – тоже, но напрямую естественный отбор влияет именно на гены. Они, так сказать, и есть «единицы отбора». Однако о чьих генах идет речь? Животное зависит не только от своих генов, но и от генов микробов, а их зачастую в разы больше. Микробы тоже полагаются на то, что гены их хозяина выстроят организм, способный передать их следующему поколению. Рассматривать все эти наборы ДНК отдельно друг от друга Розенбергу казалось бессмысленным. Он был убежден, что они представляют собой единое целое – хологеном, который «следует считать единицей естественного отбора при эволюции».

Чтобы понять, что все это значит, вспомните, что эволюция путем естественного отбора зависит лишь от трех вещей: у особей должны быть различия, должна быть возможность эти различия унаследовать, и они должны оказывать влияние на приспособленность животного, то есть его способность выжить и дать потомство. Разнообразие, наследственность и приспособленность – если все три помечены галочкой, эволюция заводит мотор и начинает воспроизводить поколения, которые адаптируются к своей среде все лучше и лучше. Гены животного явно этим трем критериям удовлетворяют, но и гены микробов животного – тоже, подметил Розенберг. У разных особей в организме находятся разные сообщества, виды и штаммы микробов – это разнообразие. Как мы уже знаем, животные передают микробов потомству самыми разными способами – это наследственность. И как мы скоро узнаем, благодаря микробам у хозяина появляются новые способности, от которых зависит его успех, – вот и приспособленность. Три галочки поставлены – и мотор заводится. Со временем те холобионты, что лучше всего справляются со сложностями, которые подкидывает им жизнь, смогут передать следующему поколению свой хологеном – совокупность генов животных и микробов. Животные и их микробы эволюционируют вместе. Это более целостный взгляд на эволюцию – он заново определяет, что такое особь, и подчеркивает неразлучность микробов и животных.

Любая попытка вот так вот переписать основы теории эволюции многих выведет из себя, и теория хологенома здесь не исключение: мало что в этой книге так же побудит спокойных и вежливых исследователей симбиоза ехидничать и огрызаться. По-моему, очень иронично – теория, посвященная сплоченности и сотрудничеству, отстраняет друг от друга людей, всю жизнь посвятивших исследованию сплоченности и сотрудничества.

Многим такое смелое заявление нравится. Оно возвышает обделенных вниманием микробов до уровня их хозяев, обводит их маркером и до кучи размещает вокруг мигающие стрелки. Оно напоминает, что микробы важны – и только попробуйте об этом забыть. «Любое животное – это экосистема на лапках, – объясняет Джон Ролз. – Мы, конечно, можем ее и как-нибудь по-другому называть, но термин «холобионт» идеально отражает всю ее суть, и ничего лучше я не слыхал».

А вот Форест Роуэр более сдержан в оценках. Он заново ввел термин «холобионт» в обращение после Маргулис, но лишь как описание живущих вместе организмов. «Это же обычный симбиоз, – утверждает он. – Разные сочетания и комбинации возникают в зависимости от внешней обстановки, а полученные в результате свойства могут приносить как пользу, так и вред». И от идеи хологенома он не в восторге. Ему это понятие кажется слащавым, как будто микробы с хозяевами жгутик об руку несутся, радостно подпрыгивая, в светлое будущее. Эволюция устроена не так. Мы уже знаем, что даже в самом гармоничном симбиозе есть место вражде. Роуэр считает, что Розенберг, представив хологеном основной единицей отбора, эту вражду умаляет. Розенберг словно утверждает, что цель эволюции – обеспечить успех целого, но это совсем не так. Она влияет и на части целого, причем нередко эти части между собой не в ладах. С Роуэром согласна эволюционный биолог Нэнси Моран, изучающая тлей и их симбионтов. «Уж я-то определенно знаю, что симбионты очень важны, куда важнее, чем считалось раньше, – рассказывает она. – Но понятие хологенома используют для прикрытия множества мутных измышлений».

Природа хологенома тоже неясна. Такой симбионт, как Sodalis, что живет в клетках мух цеце и наследуется по вертикали, связан с хозяином так крепко, что его гены можно вполне считать частью хологенома цеце. Собственные штаммы Streptomyces у пчелиных волков, тщательно отобранные множества у гидр – сюда концепция хологенома тоже подходит. Но не все животные так разборчивы. У коровьих трупиалов, кардиналов и, вероятно, многих других певчих птиц микробиом кишечника совершенно разный – у представителей одного вида разница порой более заметна, чем у всех млекопитающих. Влияние генов самих животных на микробиом присутствует, но его, похоже, затмевает влияние окружающей среды. Если микроскопические партнеры животного столь непостоянны, имеет ли смысл считать хологеном единым целым? А как же виды, оказавшиеся у нас в теле случайно и вскоре его покинувшие? Когда Томас Фриц напоролся рукой на сук, стали ли гены штамма HS частью его хологенома? Включает ли мой хологеном в себя микробов с сэндвича, который я только что съел?

Сет Борденстайн из Университета Вандербильта, нацепивший на себя мантию главного проповедника теории хологенома, утверждает, что ни одно из этих противоречий для нее не губительно. Он подчеркивает, что идея хологенома основана не на утверждении, что животному необходим каждый микроб в его теле. Какие-то микробы оказались там случайно, какие-то просто мимо проходили, но всегда есть те, что действительно важны. «Возможно, 95 % микробов нейтральны, и всего несколько ключевых видов остаются с вами на всю жизнь и в какой-то степени определяют вашу приспособленность», – объясняет он. На нейтральных естественный отбор и внимания не обратит, а вот ключевым даст фору. Некоторые микробы – например, заглянувший на огонек холерный вибрион – причиняют организму вред, так что естественный отбор избавит хологеном от них, как обычно избавляет геном от вредной мутации. В таком ключе концепция учитывает конфликты. Теория хологенома посвящена не только сплоченности и сотрудничеству, как заявляют скептики (и даже некоторые приверженцы теории). Она всего лишь утверждает, что микробов и их гены не следует исключать из общей панорамы. Они оказывают на хозяев влияние, важное для естественного отбора, причем оказывают так, что мы не должны о них забывать, рассуждая об эволюции животных. «Основа не идеальная, но, как мне кажется, ничего лучшего для размышлений о том, как особь объединяется с микробами, у нас пока нет», – говорит Борденстайн. Критики же напоминают, что для этого у нас уже много веков есть симбиоз.

Однако вот с чем согласны все: хватит метафор, пришло время математики. Успех взгляда на эволюцию с точки зрения генов можно в какой-то мере приписать тому, что эволюционные биологи могут использовать уравнения для моделирования взлетов и падений генов, а также пользы мутаций и цены, которую придется за нее заплатить. У них есть возможность придать своим абстрактным идеям форму с помощью чисел. А вот у сторонников теории хологенома такой возможности нет. «Мы пока только начали, так что многие считают, что наша теория основана на поверхностных и не особо точных суждениях», – улыбается Борденстайн. Он признает, что все по правилам, и надеется, что вскоре отношение людей к теории изменится.

Розенберг сдаваться не собирается. Он считает, что приверженцы традиционной эволюционной биологии приучили себя мыслить прежде всего о хозяевах и это мешает им оценить микробов по достоинству. «Меня даже друзья обвиняют в том, что я слишком повернут на бактериях», – жалуется он. Недавно он вышел на пенсию и теперь надеется, что в битву умов вступят и другие. «Я закрыл лабораторию и открыл разум», – смеется он. Однако перед этим он должен был внести в науку свой последний вклад.

Несколько лет назад Розенберги наткнулись на старую статью 1989 года – биолог по имени Диана Додд доказала в ней, что питание мухи может оказывать влияние на ее половую жизнь. Одну линию дрозофил она вырастила на крахмале, а другую, идентичную первой, на мальтозе, или солодовом сахаре. 25 поколений спустя «крахмальные» мухи стали отдавать предпочтение другим «крахмальным», а «солодовым» мухам стали милы другие такие же. Довольно неожиданный результат – вместе с питанием мух Додд каким-то образом изменила их предпочтения при выборе партнеров.

Розенберги тут же заявили: дело наверняка в бактериях. Питание животного влияет на его микробиом, микробы – на запах хозяина, а запах, в свою очередь, на привлекательность животного. Заявление выглядело вполне осмысленным и как раз подходило под концепцию хологенома. Если Розенберги были правы, значит, эволюция мух заключается не только в смене генов, но и в смене микробов – как, предположительно, и у стойких кораллов Средиземного моря. Они воспроизвели эксперимент Додд и получили те же результаты: спустя всего два поколения стало заметно, что мухи предпочитают спариваться с особями, питающимися тем же, чем они. А если насекомые получали дозу антибиотиков, их половые предпочтения исчезали вместе с микробами.

Этот эксперимент при всей своей странности представлял для науки большую ценность. Если особи из двух групп одного вида животного игнорируют друг друга и спариваются лишь между собой, рано или поздно они разделятся на два вида. В природных условиях такие разделения происходят регулярно и по разным причинам. Среди них и физические препятствия, такие как горные массивы и реки, и разница в графиках, при которой период активности у животных приходится на разные часы или сезоны, и генетическая несовместимость, предотвращающая межвидовое скрещивание. Все, что не позволяет животным спариваться, убивает потомство пар или ослабляет его, может привести к репродуктивной изоляции – это своего рода пропасть между двумя видами, которая растет и все более отдаляет их друг от друга. И как доказал Розенберг, бактерии тоже могут стать причиной ее возникновения. Создавая живой барьер, не дающий двум популяциям встретиться, микробы могут способствовать появлению новых видов.

Эта идея существовала и раньше. В 1927 году американец Айван Уоллин назвал симбиоз «двигателем новшеств». Он утверждал, что бактерии-симбионты превращают существующие виды в новые и что это фундаментальный способ возникновения новых видов. Линн Маргулис подхватила его мысли в 2002 году, заявив, что формирование новых симбиозов между отдельными организмами (она назвала этот процесс симбиогенезом) – главный путь появления новых видов. Для нее перечисленные в этой книге отношения были не просто стержнями эволюции, а ее основой. Привести убедительные доводы, правда, у нее так и не получилось. Она перечислила немало примеров симбиотических микробов, поспособствовавших возникновению важных эволюционных приспособлений, но у нее не было доказательств, что они на самом деле провоцируют появление новых видов и тем более что они – ведущая сила видообразования.

Сейчас доказательства понемногу появляются. В 2001 году Сет Борденстайн со своим наставником Джеком Уэрреном изучали два близкородственных вида наездника, Nasonia giraulti и Nasonia longicornis. Они разделились на два вида всего 400 тысяч лет назад и неспециалисту покажутся абсолютно одинаковыми – махонькие, с черным тельцем и оранжевыми лапками. Но они не могут скрещиваться. Представители этих двух видов – переносчики разных штаммов вольбахии: столкновение штаммов-соперников при их спаривании убивает большую часть гибридов. Когда Борденстайн избавился от вольбахии с помощью антибиотиков, гибриды выжили. Он доказал, что этих насекомых от репродуктивной изоляции можно избавить – ясное свидетельство того, что новоиспеченные виды удерживаются порознь именно благодаря микробам. В 2013 году он провел этот же эксперимент на двух других видах наездников, состоящих в дальнем родстве, – при скрещивании они также не могли производить жизнеспособное потомство. Результаты оказались еще убедительнее. На этот раз он обнаружил, что кишечные микробы у гибридов не такие, как у обоих родителей, и сделал вывод, что их убивает именно перемешанный микробиом, несовместимый с их собственным геномом. Искаженный хологеном предвещает гибель.

Борденстайн заявил, что это исследование – прямое доказательство того, что симбиоз провоцирует создание новых видов, как и утверждали Уоллин и Маргулис. А вот критики говорят, что исковерканный микробиом тут ни при чем и на самом деле все куда проще. По их словам, у гибридов нарушен иммунитет, поэтому они подвержены пагубному влиянию любых микробов. Они умрут вне зависимости от того, какой у них микробиом. Кто бы ни оказался прав, мы выяснили, что у гибридов проблемы с микробами и из-за этого между двумя видами наездников появляется пропасть. Это само по себе представляет интерес. «Мы натолкнулись на эти две истории у Nasonia – не думаю, что нам просто так повезло, – размышляет Борденстайн. – Все потому, что мы задались вопросом, являются ли микробы причиной репродуктивной изоляции. Скольким этот вопрос не пришел в голову? Сколько подобных историй нам не довелось услышать? Не думаю, что благодаря некому везению мы обнаружили единственные два примера в мире».

И все же разделение на виды путем симбиоза пока что остается правдоподобной и захватывающей теорией, требующей доказательств. Те несколько случаев, что уже были выявлены, несомненно, замечательны сами по себе. Если вы найдете золотой самородок, вам не понадобится всем рассказывать, что вы ограбили Форт-Нокс, и тем не менее золото у вас будет. Так и с теорией эволюции: не нужно давать ей новое определение, чтобы признать, что судьбы микробов зачастую крепко связаны с судьбами животных.

Очевидно, что микробы участвуют в формировании организма хозяев, что они задействованы в самых интимных аспектах нашей жизни – иммунитете, запахе и поведении – и что само их присутствие может сказать о том, здоровы вы или больны. По-моему, это довольно удивительно. Как все это ни назови – хологеном, симбиоз, как угодно, – мы теперь знаем, что микробы способны вырваться из малообещающей рутины паразитов и бездельников и, очутившись в теле животного, создать мощные и порой необходимые связи на целые поколения. Теперь пора взглянуть на последствия столь близких связей – речь не о развитии и здоровье отдельных особей, а о судьбе целых видов и групп. Пора узнать, каких высот добиваются животные благодаря своим микроскопическим партнерам.

Поиск

Блок "Поделиться"

Физика

Химия

Методсовет