Большинство из нас слышало о микробиоте , населяющей наш кишечник и другие органы, но что такое микробиота на практике? Это сочетание множества видов самых разных организмов — от бактерий и простейших до грибов, живущих в основном на поверхности слизистых. И количество видов, которые сосуществуют с нами, на самом деле потрясающе велико. Считается, что в организме около 3,9 трлн микроорганизмов, и все вместе они весят 0,2 кг.
Микробиота заселяет организм сразу после его рождения. В кишечнике одноклеточные соседи переваривают то, что наш собственный организм переварить не может. Пользуясь полным доступом ко всей пище, которую мы потребляем, бактерии, грибки и простейшие синтезируют и новые молекулы, которые мы сами синтезировать не можем, в том числе микроэлементы и витамины, необходимые для полноценного развития организма. Кроме того, они, по всей видимости, участвуют в тренировке нашей иммунной системы. Есть даже гипотеза, что именно достижения последних десятилетий в области гигиены, лишившие нас многих бактерий, привели к широкому распространению аллергий.
Она носит название «гипотеза микробного разнообразия», или «гигиеническая гипотеза». Согласно ей, именно симбионты позволяют иммунной системе учиться и правильно выслеживать и уничтожать патогены. Причем важны для этого в первую очередь условно-патогенные микроорганизмы, способные вызывать те или иные заболевания, например E. coli, или кишечная палочка. В ХХ веке гигиена вышла на новый уровень, теперь человек влияет на жизнь в своем кишечнике и уже не так часто встречается с моделирующими иммунную систему микроорганизмами, как раньше, — и уж тем более гораздо реже сталкивается с теми из них, которые живут снаружи, на коже и внешних слизистых.
Если с «обычной» микробиотой всё понятно, то отдельные представители бактерий в нашем кишечнике относятся к нам не как к другу, а скорее как к подчиненному. Таковы, например, представители Bacteroides , в частности Bacteroides thetaiotaomicron, или B. theta. Эти маленькие палочкообразные бактерии обычно вполне мирно живут в нашем организме, метаболизируя полисахариды и создавая среду и питательные вещества для остальных обитателей кишечника. Но всё меняется, когда приходит голод.
Дело в том, что Bacteroides продуцируют фукозидазу, отщепляющую фукозу, которую производит кишечный эпителий. И когда питательных веществ становится меньше, бактерии влияют на эпителий, заставляя его продуцировать больше фукозы. Бактерии хотят есть, и их мало волнует, что организм хозяина голодает.
Было показано, например, что специально выведенные безмикробные мыши в какой-то момент вообще переставали выделять фукозу, но как только им подселяли представителей Bacteroides, синтез возобновлялся. Представителей этих бактерий в кишечнике довольно много — по некоторым оценкам, до 20% всех клеток приходится именно на них.
Несмотря на то что такие «отношения» кажутся специфическими, в спокойное, неголодное время они полезны: бактерии регулируют взаимоотношения организма-хозяина с другими одноклеточными, создавая химически подходящую для гармонии среду.
Один из самых замечательных примеров симбиоза — митохондрии , маленькие органеллы, живущие в каждой клетке нашего тела (и любого другого ядерного организма на земле — от гриба до домашней кошки) и обеспечивающие нас молекулами АТФ, универсальным энергетическим запасом. Без этих органелл жизнь не была бы такой, какой мы ее знаем. При этом митохондрии довольно самостоятельны: у них есть свой геном, они способны делиться внутри клеток, да и внешне мало отличаются от обычной бактерии, за исключением того, что ряд критически важных генов в их собственном геноме отсутствует — они «перекочевали» в ядро клетки-хозяина.
Дело в том, что митохондрии и пластиды — органеллы, отвечающие за фотосинтез у растений, — это пример эндосимбиоза. Когда-то давно их предки были свободноживущими бактериями — протеобактериями, которые стали митохондриями, и цианобактериями, которые стали пластидами, — но их поглотили более крупные ядерные клетки и оставили в качестве рабочей силы.
Предполагается, что «слияние» архебактерии и бактерии привело к появлению эукариот — ядерных организмов. Именно поэтому митохондрии и пластиды, в отличие от всех остальных органелл, покрыты дополнительной мембраной — внешней, созданной клеткой-хозяином, и собственной. Поэтому же они самостоятельно делятся и имеют собственный геном (похожий на бактериальный). Но клетка-хозяин подстраховалась, и часть митохондриального генома давно находится в ядре — чтобы органелла не стала слишком уж самостоятельной.
С человеком разобрались. А что в других царствах? Здесь тоже огромное разнообразие — от всё той же микробиоты, например в кишечнике копытных или термитов, до «дружбы» между разными видами.
Рядом с нами есть пример еще одного стабильного союза. Это микориза — симбиоз гриба и корней деревьев. Иногда нити гриба — гифы — проникают прямо в клетки корней, и два организма буквально срастаются между собой. В других случаях гриб просто оплетает корни.
Деревья, как и большинство других растений, умеют фотосинтезировать. Кроме того, с помощью корней они обеспечивают себе «минеральное питание», то есть всасывают из почвы воду вместе с растворенными в ней минеральными веществами. Чем обширнее корневая сеть, тем больше питательных веществ получает дерево. Гриб, прорастая в корни, становится как бы дополнительными корнями, увеличивая эту сеть во много раз. Он же получает от дерева углеводы, аминокислоты и некоторые другие вещества. Было доказано, что некоторые метаболиты, высвобождаемые деревом, стимулируют рост грибов, влияют на угол ветвления гиф и вызывают другие изменения в строении и метаболизме.
В литературе встречаются данные, что именно от способности образовывать широкую микоризу зависит жизнеспособность дерева, его рост и стабильность. При этом корневая система у тех деревьев, которые не образуют микоризу, гораздо более разветвленная — ей приходится работать в одиночку, тогда как деревья в симбиозе отдают большую часть работы по всасыванию минералов на аутсорс грибам.
Симбиоз часто нужен для того, чтобы обеспечить защиту. На таком принципе основан союз сурикатов и дронго, тропических родственников воробьев. Дронго летают и просматривают территорию, а при виде опасности предупреждают сурикатов громкими криками. Какая же здесь выгода для дронго? Этот вопрос интересовал зоологов и этологов довольно долго, пока не удалось выяснить, что иногда птички обманывают сурикатов, устраивая ложную тревогу. Это позволяет им съедать оставленную грызунами пищу.
Примеров похожих отношений в природе довольно много. Более того, иногда животные и птицы охотно вступают в симбиоз с людьми, причем не только домашние и сельскохозяйственные животные. Например, птички из рода с забавным названием — медоуказчики (Indicator) — помогают одному из племен в Танзании (ханза) искать мед, а потом едят то, что осталось после того, как люди разобрали большую часть улья. Сами птицы не могут разорить улей, а люди окуривают его, и он становится безопасным. Медоуказчики способны указывать именно на те улья, в которых больше всего меда, и людям это в итоге обеспечивает до 10% всего рациона. Судя по всему, такие симбиотические отношения сложились очень давно.
Иногда в природе встречаются очень неожиданные примеры симбиоза. Выше мы упоминали о митохондриях, чьи предки когда-то были обыкновенными свободноживущими бактериями. Оказывается, такой же процесс происходит прямо сейчас с некоторыми водорослями.
Но один вид — Elysia rufescens — пошел еще дальше. Он не сохраняет водоросли в живых, а переваривает их, накапливая токсичное вещество кахалалид — это позволяет ему не бояться абсолютно никаких хищников. Само по себе это уже удивительно, но не так давно ученым удалось доказать, что водоросли, попавшие в «сети» моллюска, и сами приручили тем же образом бактерию Endobryopsis kahalalidefaciens. Эта бактерия живет внутри водоросли и выделяет кахалалид, который после переваривания водоросли моллюском остается в нем самом.
Симбиотические отношения встречаются практически на всех уровнях организации — от клеточной до видовой. Некоторые из таких связей жизненно необходимы, но большинство скорее просто повышает общее качество жизни участников. Между симбиозом, паразитизмом и комменсализмом непросто провести границу и можно рассматривать все эти отношения как разные проявления одной сущности — попытки организмов сосуществовать друг с другом.
Источник