Я – суперорганизм! Человек и его микробиом - Джон Тёрни

Впрочем, сначала они пожирают питательные вещества, которые вытекают из наших умирающих клеток. Это, между прочим, тоже можно изучать. Микробный ансамбль, обитающий на трупе, даже носит подобающее научное название: танатомикробиом. Как полагает Питер Нобл из Алабамского университета, изучение этого микробиома может пригодиться криминалистам – например, для оценки времени смерти[77]. Впрочем, к этому печальному моменту никакого суперорганизма уже не существует, так что самое время перейти к широкомасштабной истории микробиомов.

Эволюционируя вместе

За индивидуальной историей о том, что формирует кишечный микробиом каждого из нас, стоит куда более долгая эволюционная история, способная поведать, каким образом человек (как биологический вид) вообще стал уживаться со всеми этими микроскопическими видами. Новые технологии помогают собрать воедино разрозненные части этой головоломки, в частности, путем расщепления микробиомов многих других существ. Назовите человека суперорганизмом, и это звучное имя наполнит человека гордостью. Однако если оглянуться вокруг, тут же выяснится, что почти все прочие создания – тоже суперорганизмы. Всегда ли они являлись такими «суперами»? Может быть, они приобретали это качество постепенно?

Мы знаем, что бактерии появились на Земле примерно за 2 миллиарда лет до всех прочих организмов. Никто не оспаривает этого их эволюционного преимущества. Главный вопрос: как они участвовали в эволюции более сложных существ? Известно, что бактерии сыграли важнейшую роль при возникновении эукариот; не забудем, что бактерии – предки митохондрий. Но что произошло после того, как недавно появившиеся эукариоты стали всё шире распространяться в бактериальном мире?

Вероятно, поначалу эти отношения были просты и незамысловаты. Возьмем для примера часто встречающееся одноклеточное. У его клетки имеется ядро, а значит, это эукариота, как и мы с вами. Она имеет более или менее яйцевидную форму, а на одном конце у нее хвостик, точнее – одиночный подвижный кнутообразный жгутик. Вглядитесь, и вы увидите, что основание жгутика окружено воротничком из нескольких десятков микроворсинок.

С помощью жгутика эта тварь движется в воде, а воротничок жгутиковых захватывает всякие штуки, несомые течением, в том числе и бактерии. Затем клетка их поедает. Это воротничковый жгутиконосец (хоанофлагеллата) – одна из самых простых эукариот. Соответствующих окаменелостей, конечно, не сохранилось, но архив, содержащийся в его геноме, заставляет предположить, что это существо приобрело более или менее современную форму уже 800–900 миллионов лет назад. Данные ДНК указывают: создание, жившее тогда, могло стать общим предком для представителей двух эволюционных ветвей – современных хоанофлагеллат и первых животных.

Теперь ученые полагают, что эти существа уже тогда взаимодействовали с бактериями более тонким образом: относились к бактериям не только как к добыче. Один из видов нынешних хоанофлагеллат отвечает на определенный бактериальный сигнал образованием колоний. Значит ли это, что бактерии участвовали в возникновении первых многоклеточных? Одно можно утверждать с немалой долей уверенности: наши самые первые предки-животные уже умели регистрировать химические послания, посылаемые бактериями.

Впрочем, в этом вынуждает усомниться другое наблюдение. Колония хоанофлагеллат с виду очень похожа на губку. А морские губки – самые простые из сегодняшних многоклеточных – зачастую полны микробов-симбионтов, составляющих до трети их общей клеточной массы. Поскольку губки, как и хоанофлагеллаты, питаются бактериями, должна существовать некая система взаимного распознавания, которая позволяет некоторым бактериям спокойно жить вместе с клетками губки, не опасаясь за свою жизнь.

В этом может заключаться убедительное (хотя и косвенное) доказательство того, что бактерии теснейшим образом сосуществовали с многоклеточными уже с первого их появления. Биологи о таком почти не думали вплоть до 1980-х годов, когда эволюционные взаимоотношения начали проясняться благодаря работам Карла Вёзе по классификации бактерий. Разнообразие бактерий повсюду, выявляемое массовым ДНК-секвенированием, побудило исследователей обратить больше внимания на то, как микробы взаимодействуют со всеми прочими существами.

Важное значение исследования совместной эволюции бактерий и всех позже возникших видов следует просто из огромного диапазона изучаемых сегодня микробиомов. Тли, муравьи, бабочки, вши, дрозофилы – все они часто несут на себе бактерий-симбионтов, и мы уже понимаем некоторые из важнейших вещей, которые они проделывают для своих хозяев.

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.