З російської переклав: Глушак Д. Д. 2018р. Зміст



жүктеу 4.03 Mb.
бет11/31
Дата20.04.2019
өлшемі4.03 Mb.
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   31

Глава 6.

Довгий вальс

15 жовтня 2010 року Томас Фріц, інженер на пенсії, взяв бензопилу й пішов спилювати загиблу яблуню за будинком в Евансвіллі, штат Індіана. Спиляти дерево праці не склало, але, несучи стовбур, Фріц спіткнувся, і прямо між великим і вказівним пальцем на його правій руці встромився сучок розміром з олівець. Фріц був добровільним пожежним і пройшов медичну підготовку – він знав, як правильно обробити рану. Але, незважаючи на всі його зусилля, рука запалилася. Через два дні, коли він відправився до лікаря, на місці рани утворювалася киста. Фріц пропив курс антибіотиків – даремно. Рука почала гоїтися лише через п'ять тижнів, після того як хірург витяг з рани трохи застряглих там і не бажаючих вилазити уламків кори.

Так би цей випадок і забувся, якби лікар Фріца не взяв з рани небагато рідини. Зразок відправився в лабораторію при Університеті Юти, куди попадають для знайомства з ученими багато загадкових мікробів. Автоматизовані інструменти в лабораторії пізнавали бактерій з рани Фріца як 

Escherichia coli ,


але Марк Фішер, медичний директор, віднісся до них з недовірою. ДНК відповідала не повністю. Перевіривши результати секвенування більш уважно, він помітив, що в бактерії 

Sodalis ,


відкритої зовсім недавно, в 1999 році, ДНК майже ідентична. Завдяки щасливому випадку, вчений, що відкрив її, працював тут же, в університеті – Колін Дейл, біолог з Великобританії.

Дейл спочатку Фішеру не повірив. Фішер намагався його переконати, що 


Sodalis


росла в чашці з агаром у лабораторії. Ні, заявив Дейл, це напевно помилка. Як усім на той момент було відоме, 

Sodalis


жила лише в тілах комах. Дейл уперше її виявив у кровосцальної мухи цеце, а потім і в довгоносиків, блощиць-щитників, попелиць і вошей. Бактерія влаштувалася прямо в клітинах цих тварин і втратила занадто багато генів, щоб жити де-небудь ще. Вона б ніяк не змогла вижити в чашці Петрі, а вже у рані на руці або на гілці загиблого дерева – тим більше. Але ж ДНК не бреше. Більша частина генів бактерії з руки Фріца збігалася з генами 

Sodalis .


Дейл назвав новий штам HS – 

human Sodalis ,


тобто

« Sodalis людини».


«Думаю, HS досить широко розповсюджений, але ми в мертвих деревах у пошуках бактерій особливо не длубаємося», – говорить він.

Тільки подумайте, скільки в цій розповіді збігів. Мікроб виявився на потрібній гілці, заразив потрібну людину й у підсумку потрапив у потрібну лабораторію – на одній вулиці з лабораторією людини, що відкрила його сестрицю, що живе в клітинах комах. Начебто б неймовірне співпадання подій. Але незабаром усе повторилося. Цього разу постраждав хлопчик, піднімаючись на дерево. Як і Фріц, він упав і наткнувся на сучок. На відміну від Фріца в нього не почалося запалення. Перші симптоми з'явилися через десять років – на місці рани, що давно зажила, звідкись виникла киста. Лікарі її вирізали й відправили зразок в Університет Юти. Цього разу в ній виявилося


два


штами HS [242] .

Забудьте про Фріца й про хлопчика: вони в порядку, хіба що з деревами тепер поводяться з великою обережністю. Давайте поговоримо про HS. У вчених, що займаються симбіозом, при згадуванні цієї бактерії з'являється блиск в очах, адже вона дозволяє нам глянути на одну з основних, але при цьому маловідомих сторін відносин тварин і бактерій – на їхнє зародження. Звичайно на той час, як ми про ці відносини довідуємося, партнери вальсують разом уже мільйони років. Але як вони виглядали на самому початку танцю? Чому почали танцювати? Як продовжили і як змінювалися в процесі? Ці питання хвилюють багатьох. Перші кроки довгого вальсу згодом звичайно забуваються, а їхніх слідів для нас майже не залишилося.

HS стала виключенням. Вона показує, як, можливо, виглядала 

Sodalis


до висновку в клітинах комахи, ще коли вона була вільним мікробом, гралася на природі й при нагоді могла заразити яку-небудь тварину. HS – загублена ланка. Симбіонт очікуючий. Учені вже давно передбачили, що подібні «предкові» мікроби існують, але мало хто міг помислити, що коли-небудь удасться виявити хоч одного. Дейл виявив двох. Незабаром він дав HS офіційне ім'я, 

Sodalis praecaptivus


- «Sodalis до полону» [243] .

Отож, уявіть собі HS – сидить собі на деревах і бог знає де ще, нікого не торкає. Якщо їй доведется потрапити в садівника, що спіткнувся, або дитину, що впала, вона почне розмножуватися. Але з більшою ймовірністю вона потрапить в організм комахи, що живе на дереві. По її генах Дейл може припустити, що вона – патоген: викликає в дерев хвороби й переноситься між ними на ротових органах комах. Ось вона вже покладається на тварин, щоб ті доставляли її до нових хазяїв. Потім, можливо, у процесі еволюції вона розвинулася так, щоб приносити комахам користь – надавати живильні речовини, наприклад, або захист від паразитів. Потім вона може переміститися з кишечника або слинних залоз хазяїна в його власні клітини. Тепер, замість того щоб знаходити собі нових комах через дерева, вона починає переходити від матері до потомства й стає постійною частиною організму хазяїна. Зручно влаштувавшись, вона, як і інші симбіонти комах, втрачає непотрібні більш гени й стає «полоненою» 


Sodalis .


Цей ланцюжок подій, напевно, складався не один раз [244]  – тому різні версії 

Sodalis


існують у різних групах комах [245] .
Швидше за все, так почалися багато симбіозів з випадковими мікробами середовища – як паразитами, так і хлопцями більш позитивними, – якимось чином, що потрапили у тваринні організми. Такі вторгнення трапляються часто, і запобігти їм не можна. Бактерії всюдисущі, а виходить, що б ми не робили, ми вступаємо в контакт з новими видами.

Устромляти в себе сучок для цього зовсім не обов'язково. Секс цілком підійде: при спарюванні тлі обмінюються мікробами, що допомагають захищатися від паразитів або переносити високу температуру. Або можна що-небудь зжерти. Мокриці, наприклад, поповнюють свою колекцію мікробів, пожираючи одна одну, а миші – поїдаючи кал інших мишей. Дві білокрилки можуть обмінятися мікробами, попивши соку тієї самої рослини. Людина у середньому проковтує до мільйона мікробів на грам їжі. Мікроби скрізь, так що практично будь-яка їжа – калюжка води, стебло рослини, плоть іншої тварини – це потенційне джерело нових симбіонтів [246] .

У паразитів є ще один спосіб потрапити в організм тварини. Багато наїзників відкладають яйця в тіла інших комах, протикаючи одну жертву за іншою загостреними трубками. Вони, по суті, є живими, що літають, брудними шприцами, які поширюють потенційно корисних мікробів від хазяїна до хазяїна так само, як хоботок комара поширює малярію й лихоманку денге. Ми знаємо, що так відбувається, тому що вчені особисто спостерігали це в польових умовах, а потім відтворювали в лабораторних [247] . Забруднена їжа й вода, незахищений секс, використані шприци – для нас це шлях до хвороб. Але раз вже по стежці можуть пройти патогени, корисні мікроби також можуть досягнути по ній нових хазяїв.

Але шлях – це ще не все. Коли бактерія прибуває на нове місце, їй потрібно першою справою там облаштуватися, і успіх їй зовсім не гарантований. Їй прийдеться впоратися з імунною системою, мікробами-суперниками й іншими загрозами. Можливо, лише один із сотні стрибків по горизонталі веде до стабільного партнерства. А може, приблизно один з мільйона. Нам цього не довідатися ніяк. Але на одному полі, можливо, мільйон попелиць п'ють сік тих самих рослин, а мільйон наїзників дзижчать над ними й протикають їх зараженими кинджалами. При таких кількостях малоймовірне стає ймовірним, а майже неможливе – можливим, навіть проткнути собі руку деревним сучком і отримати разом з ним нового симбіонта.

Мікроби-Новачки, швидше за все, залишаться на новому місці надовго, якщо вони вдатні паразити, але деяким мікробам громадянство гарантоване, якщо вони приносять користь. Їм навіть адаптуватися не прийдеться. У світі повно мікробів, уже адаптованих до симбіозу завдяки тому, що вони й так роблять. Якщо в організм вегетаріанця потраплять мікроби, що вміють розщеплювати складні вуглеводи й вивільняти тим самим недоступні раніше хімічні речовини, які потім спалюються клітинами для отримання енергії, вони відразу ж впишуться у компанію. Їм не прийдеться більше нічого робити, вони просто продовжать звичну життєдіяльність як ні в чому не бувало, але тепер будуть приносити хазяїнові користь. Такий «побічний мутуалізм» – ідеальне знайомство [248] . Обидва партнери щось з нього отримують, а вкладатися не доводиться нікому. Потім у хазяїна можуть з'явитися нові властивості для зміцнення партнерства – від клітин, що служать мікроскопічним партнерам будиночками, до молекулярних опорних точок, за які партнери зможуть вчепитися. А найголовніше з цих властивостей – те, що здатне закріпити симбіоз куди краще, чим усе інше, – це успадкування.

На європейському лузі під жарким літнім сонечком між квітів дзижчить бджола. Раптом до неї назустріч вилітає інша жовто-чорна комаха, нападає на неї й паралізує жалом. Це бджолиний вовк – велика й могутня оса з досить влучною назвою. Вона затаскує жертву в підземну нору, щоб закопати поруч з одним зі своїх яєць і ще декількома бджолами – знерухомленими, але поки живими. Личинка, вилупившись, зжере всі запаси в живій коморі, дбайливо припасені матір'ю.


Бджолині вовки залишають у подарунок потомству не тільки бджіл. Мартін Калтенпот, вивчаючи поведінку бджолиних вовків, помітив, як з вусиків однієї особини виділяється біла густа рідина. Цю речовину він уже бачив. Викопавши нору, самка бджолиного вовка, перед тем як відкласти яйце, притискається вусиками до землі й видавлює з них білу пасту, як ми – зубну пасту з тюбика. Потім вона мотає головою й розмазує її по стелі нори. Ця паста – свого роду знак «Вихід тут»: коли молода особина оси готова покинути нору, вона починає копати саме там. Калтенпот розглянув пасту під мікроскопом і здивувався: виявляється, у ній сповна кишать бактерії! Оса, що виділяє мікробів з вусиків? Нечувана справа. І що ще більш дивно, бактерії були ті самі. У вусиках у всіх бджолиних вовків утримується той самий штам 

Streptomyces .


Це стало відмінною підказкою. Бактерії 

Streptomyces


майстерно вбивають інших мікробів – на цій групі бактерій засновано дві третини наших антибіотиків. А молодому бджолиному вовкові антибіотики точно не перешкодять. З'ївши запасених бджіл, він оточує себе коконом і залишається в ньому зимувати. Цілих дев'ять місяців він укладений у теплу вологу камеру – ідеальне місце для хвороботворних грибів і бактерій. Калтенпот вирішив, що антибактеріальна паста матері допоможе дитинчаті не підхопити смертельну інфекцію. І дійсно, поспостерігавши за личинками, він виявив, що вони «вплітають» бактерії з пасти у волокна кокона, так що дитинчата укриваються самотканим покривалом з мікробів, що виробляють антибіотики. Коли Калтенпот забирав у молодих ос білу пасту, протягом місяця майже всі гинули від мікозу [249] . А коли він її залишав, усі звичайно виживали. Навесні новоспечені дорослі оси вибираються з коконів і наповнюють вусики тими ж 

Streptomyces ,


що захищали їх усю зиму. І ось вони розлітаються – копати свої нори, ловити своїх бджіл і передавати життєво важливих мікробів своєму потомству.

Подібні акти трансмісії, під час яких тварини передають потомству мікробів в естафеті поколінь, у світі симбіозу мають чи не найбільшу важливість, адже вони переплітають між собою долі хазяїв і симбіонтів [250] . Вони гарантують, що довгий вальс і правда буде довгим, що він буде тривати століттями, що нові покоління тварин і мікробів вступлять у зв'язок, як і їх батьки. І за допомогою еволюції вони змушують танцюристів зливатися один з одним у танці ще ближче. Мікробам під тиском еволюції доводиться розбудовувати в себе здатності, що приносять хазяям користь, щоб з ними прагнуло танцювати більше партнерів. А у тварин повинні з'являтися нові ефективні способи передачі потомству мікробної спадщини.

Оселити мікробів прямо в яйцеклітинах надійніше всього – тоді й симбіоз буде задушевніший нікуди. Мітохондрії – колишні бактерії, що дають нашим клітинам енергію, – і так уже там, так що від матері до дитини вони переходять без зайвої мороки. Інших мікробів доводиться туди заселяти – так роблять глибоководні молюски, морські плоскі хробаки й ціла купа різних видів комах. Буваючи лише заплідненою яйцеклітиною, вони вже перебувають у супроводі мікробів. Вони ніколи не бувають самотні.

Забезпечити потомству потрібних мікробів можна й без яйцеклітини. Багато комах ідуть по тому ж шляху, що й бджолині вовки: улаштовують там, де вилупляться їхні дитинчата, мікробну схованку. У цьому особливо мають успіх блощиці-щитники. Мало хто знайомий з ними краще, чим Такема Фукацу – ентомолог з заразливим ентузіазмом, котрий має намір вивчити всіх існуючих на Землі комах [251] . Він виявив, що представники одного виду щитників упаковують мікробів у міцні погодостійкі капсули й розкладають їх поруч з яйцями, а ті, що вилупилися блощиценята потім ці капсули поїдають. Представники іншого виду покривають самі яйця желеподібною речовиною з мікробами. А ось в одного виду японських щитників – чарівних комашок з червоно-чорним фарбуванням, милих погляду, але нелюбих урожаю, – тактика найнадійніша. Більшість комах відразу залишають дитинчат напризволяще, а ці опікують яйця до останнього. Самка їх висиджує, немов курка, а іноді навіть годує німф, що вилупилися, шматочками плодів. Вона якимось чином почуває, коли вони от-от вилупляться, і прямо перед дивом народження рясно поливає яйця слизом з бактеріями з тильної сторони тіла. Яйця в білій рідині тепер нагадують мармеладки, покриті наймерзеннішою глазур'ю на світі. Дитинчата лупляться, проковтують слиз – і їх відразу заселяють найсвіжіші кишкові мікроби. Забудьте ненадовго про відразу й задумайтеся про значимість цього моменту: кожна блощичка з першим ковтком перестає бути індивідом зі стерильним організмом і стає колонією з безлічей, багатою екосистемою.

Муха цеце – кровосос, що поширює серед людей сонну хворобу, – також постачає дитинчат мікробами, тільки цього разу

у своєму власному тілі .


Це комаха, яка щосили намагається стати ссавцем. Муха цеце не відкладає яйця – вона живородна. І замість того щоб перестрахуватися й видати на світ відразу багато дитинчат, вона направляє всі сили на одну-єдину личинку – вирощує її в матці й годує рідиною, що нагадує молоко. У молоці досить живильних речовин і мікробів ( у тому числі, до речі, 

Sodalis ),


так що, коли абсурдно велике дитинча вилазить з нещасної матері (повірте, у людей пологи в порівнянні з цим – кілька дрібниць), у нього уже є всі потрібні партнери-бактерії

[252] .


Інші тварини, перед тем як нагодувати дитинчат мікробами, чекають, доки ті вилупляться або народяться. Дитинча коали в шестимісячному віці відлучається від материнського молока й переходить на листя евкаліпта. Але перед цим воно треться носом в сідниці матері, на що вона у відповідь виділяє кашку, яку маля повинно проковтнути. У кашці утримуються бактерії, що дозволяють маленькій коалі перетравлювати тверде листя евкаліпта, причому їх там в 50 раз більше, чим у звичайних фекаліях. Без цього першого обіду з усіма наступними прийдеться важко [253] .

У людей, до превеликого полегшення, кашки немає. Бактерій у нас у яйцеклітинах також немає, не вважаючи мітохондрій, а мами не поливають нас слизом. З першими мікробами ми знайомимося при народженні. В 1900 році французький педіатр Анрі Тіссьє висунув припущення, що матка – це стерильна камера, що відокремлює дитину від бактерій. Нашій самоті приходить кінець, коли ми проходимо по родових шляхах і зустрічаємося з вагінальними бактеріями. Це наші перші поселенці – першопрохідники в наших порожніх екосистемах. Ми, як і японські блощиці-щитники, з'являємося на світ в маминих мікробах. Недавні дослідження ставлять цей факт під сумнів, указуючи на сліди ДНК мікробів там, де їх бути не повинно, – в навколоплідних водах, пуповинній крові й плаценті, – але їх результати досить суперечливі [254] . Неясно, як мікроби туди потрапили, чи важливо це й чи були вони там взагалі, – можливо, це ДНК відмерлих клітин або бактерій, що випадково потрапили в зразки. Не виключено, що теорія Тіссьє про стерильність матки дійсно невірна, але поки нам нема чим її спростувати.

Навіть якщо тварини не отримують мікробів вертикально, тобто від батьків, у них є можливість «впіймати» потрібних симбіонтів горизонтально. Багато тварин регулярно засівають усе навколо викинутими мікробами, які потім попадають до їхнього потомства [255] . Деякі працюють прямо. Терміти, за словами Грега Херста, воліють лизати зад – по-науковому це називається «проктодеальний трофаллаксіс». Їм, як і коалам, потрібні мікроби, щоб перетравлювати їжу, тільки вже деревину, і вони їх отримують, висмоктуючи відповідну рідину у своїх родичів. Але на відміну від коал терміти при кожній линьці втрачають увесь вміст кишечника, включаючи мікробів. Щоб поповнити запаси, їм доводиться щоразу вилизувати задній прохід інших термітів. Нам подібні звички не за смаком, але для тварин бридливість нехарактерна. Багато добре нам знайомі тварини – корови, слони, панди, горили, пацюки, кролики, собаки, ігуани, жуки-могильники, таргани, мухи й багато інших – регулярно поїдають кал один одного. Це називається копрофагією.

А шкірним мікробам вистачає простого дотику. У самих різних тварин – саламандр, блакитних птахів, людей – при проживанні поруч один з одним співтовариства мікробів на шкірі, як правило, більш подібні, чому в друзів, що живуть порізно. У бабуїнів, що живуть в одній зграї й, відповідно, що вичісують один одному шерсть, подібностей у мікробіомі кишечника також більше в порівнянні з сусідами, навіть якщо обидві зграї проживають на одній території й харчуються тим самим. А найкраще таке зближення проявляється в гравців у роллер-дербі. Гравці однієї команди володіють тими самими шкірними бактеріями, так що в різних команд співтовариства свої, унікальні. Але під час гри, коли дві команди штурхаються й борються один з одним, шкірні мікроби в них змішуються. Дотики спричиняють однаковість. Іноді довгий вальс не обходиться без силових прийомів [256] .

Нерідко мікроби, щоб потрапити до хазяїна, покладаються на соціальні контакти. Це трапляється лише за умови, що батьки не залишають потомство або ж різні покоління живуть в одній великій групі. Японські щитники опікуються про потомство й самі надають дитинчатам потрібних бактерій. Терміти живуть у колоніях близько один до одного, так що нові робітники можуть злизати мікробів у соратників. Для такої тактики є причини, стверджує біолог Майкл Ломбардо. Він вважає, що деякі тварини утворюють великі групи саме для того, щоб отримувати одне від одного потрібних симбіонтів. Це не єдиний фактор, що стоїть за розвитком суспільного життя, і навіть не найголовніший: живучі в групі тварини отримують можливість разом полювати, відлякувати хижаків більшою чередою й краще орієнтуватися на місцевості. Ломбардо думає, що передача мікробів – це ще одна правдоподібна перевага спільного життя, про яку, як правило, ніхто не замислюється. Згадуючи про те, що мікроби можуть передаватися від однієї людини до іншої, люди в першу чергу мають на увазі патогени. У чередах, зграях і колоніях хвороби поширюються швидше. Але і в корисних симбіонтів там більше можливостей знайти нових хазяїнів [257]

Незліченна кількість шляхів, по яких мікроби попадають від однієї тварини до іншої, створена для однієї мети: хазяї повинні передавати мікробів з покоління в покоління. Щитники й коали, бджолині вовки й бабуїни – тварини знаходять способи зробити так, щоб у наступних поколінь партнери не змінювалися. Іноді мова йде про строге вертикальне успадкування від батька до потомства – тоді ті самі мікроби залишаються в хазяїв протягом багатьох поколінь. А іноді – про більш вільний горизонтальний перенос через співмешканців або середовище проживання: він гарантує деяку тривалість, дозволяючи при цьому тваринам мінятися симбіонтами більш привільно й навіть отримувати нових. Але навіть тоді тварини не перестають бути розбірливими. Для пошуку партнерів у них є цілий світ, і танцювати з ким потрапило вони не стануть.

У ставку неподалік від вашого будинку проживає чудова й напрочуд харизматична істота, яку ви, можливо, і не бачили ніколи. Хоча знайти її неважко: зберіть з ставка небагато ряски (між іншим, підійде будь-яка плаваюча рослина), покладіть в баночку, налийте туди води… і чекайте. Уважно розглянувши рослину, ви, можливо, знайдете під листям або на корінні невелику зелену або коричневу кульку розміром усього в кілька міліметрів. При достатньому освітленні вона незабаром перетвориться в довгу увінчану щупальцями стеблинку. Коли ця стеблинка розкривається повністю, вона нагадує тонку драглисту руку, що розчепірила довгі пальці.

Це гідра – родичка актиній, коралів і медуз. Назвали її на честь тієї, що живе в болоті застрашливої багатоголової змії, тієї самої, що в грецькій міфології надавала Гераклу. Через малюсінький розмір істоти така назва здається до смішного абсурдною, але все ж таки вона напрочуд підходяща. Гідра-чудовисько своїм отрутним подихом і не менш отрутною кров'ю наганяла жах на села, а гідра-тварина вбиває дафній і інших дрібних ракоподібних отрутними гарпунами, що вистрілюють з жалких клітин. У чудовиська замість однієї відрубаної голови виростало дві нові, справжня гідра – також майстер регенерації. Їй відрізали кінцівку? Та не питання. Вивернули навиворіт? Вона впорається.

А особливо гідра подобається біологам, що досліджують розвиток і ріст тварин. Її легко впіймати, з доглядом і розведенням також ніяких складностей. А ще вона майже повністю прозора, так що будову її організму можна розглянути через оптичний мікроскоп. Перше ніж фахівець з біології розвитку Томас Бош наткнувся на неї в 2000 році, учені досліджували гідру протягом століть. Сам Левенгук якось замалював її в одній зі своїх записних книжок. Інші вивідали, як вона з однієї клітини перетворюється в дорослу особину, як вона заново відрощує ушкоджені частини тіла. Бош, як тільки її побачив, був полонений. «Я ніколи не дозволяю студентам говорити, що який-небудь організм примітивний, – стверджує він. – Гідра вже 500 мільйонів років веде витончений і успішний спосіб життя».

Але навіть Бош задумався: як гідри умудрилися стільки прожити з такою простою будовою тіла? Людський організм улаштований настільки складно, що більша його частина схована від зовнішнього світу – з ним контактують тільки клітинні шари, що покривають кишечник, легені й шкіру. Це – епітелій. Крім усього іншого він перепиняє мікробам шлях і не дає їм пробратися в організм глибше. А ось у гідри ніякого «глибше» немає. Вона складається всього з двох клітинних шарів, порожнина між якими заповнена драглистою речовиною, так що й зовнішня, і внутрішня частини гідри постійно контактують з водою. У неї немає бар'єра, що відокремлює тканини її організму від зовнішнього середовища, – ні шкіри, ні раковини, ні якої-небудь іншої оболонки. Гідра настільки оголена, наскільки тільки можливо для тварини. «Вона ж просто шматок слизького епітелію у ворожому середовищі», – описує гідру Бош. Так чому ж така немудра істота не піддана інфекціям? Як вона умудряється залишатися здоровою?

Щоб це довідатися, Бошу спочатку знадобилося з'ясувати, які мікроби живуть у гідрі й оточують її. Себастьян Фрауне, підопічний Боша, для цього перемолов їхні тіла, виділив з маси, що вийшла, бактеріальну ДНК і все секвенував. Проаналізувавши два родинні види гідри, він з подивом виявив, що мікробіоми в них зовсім різні – начебто фауна на різних континентах.

І це було дивно, адже ці гідри більш тридцяти років вирощувалися в однакових пластмасових контейнерах у лабораторних умовах. Не один десяток років їх тримали в одній і тій же воді з ретельно вивіреним складом, годували однієї їжею й підтримували їм однакову температуру. Якби ув'язнених у в'язницях поміщували в такі ж отуплюючі однакові умови, вони б через тридцять років власного імені не згадали. А ось кожна гідра – тварина без мозку – якимось чином набирає собі саме тих мікробів, які підходять її виду. Це здавалося неймовірним, так що спочатку Бош у результатах засумнівався. Фрауне провів експеримент заново, але отримав такі ж результати. Тоді він секвенував ДНК інших видів гідри й з'ясував, що в представників кожного виду мікробіом унікальний і при цьому повністю збігається з мікробіомом диких особин того ж виду, впійманих в озері [258] .

« Для мене цей момент був переломним, – захоплюється Бош. – Я завжди вважав, що тканини захищають організм від поганих хлопців, як і прийнято в мікробіології». Але завдяки його експериментам було доведено, що різні види гідри самі формували свій мікробіом.

Серед тварин такі тенденції переважають – ми не просто тягнемо танцювати першу бактерію, що попалася. У нашому житті постійно з'являються нові мікроби, але тварини самі вибирають собі підходящих партнерів з прірви бажаючих. Більшість бактерій у людському кишечнику, наприклад, відносяться до чотирьох основних груп, а в природі їх сотні. Навіть гідри, якими б вони не були простими й незахищеними, дозволяють улаштуватися в себе на оболонці лише вибраним видам бактерій, а інших проганяють. Наші тіла – більші й маленькі, складні й прості – створюють умови, що підходять лише для певних мікробів. Згодом, а також завдяки постійному спадкуванню мікробів хазяї й симбіонти пристосовуються один до одного, і наша розбірливість досягає нового рівня. Ми ті ще вередуни [259] .

У результаті в кожного виду формується своє специфічне співтовариство мікробів. Людський мікробіом можна легко відрізнити від мікробіома миші або рибки даніо-реріо й навіть від мікробіома шимпанзе або горили. У живучих пліч-о-пліч в океанах китів і дельфінів, чия шкіра під час плавання й вистрибування з води увесь час зазнає тертя, шкірний мікробіом залишається унікальним – властивим їхньому виду. Бджолині вовки, з якими ми недавно познайомилися, настільки вибагливі, що відмовляються виробляти для потомства білий слиз, якщо в них у вусиках виявляться не ті штами бактерій, що потрібно. Якщо вони почувають, що вибрали невідповідних партнерів, вони переривають ланцюжок спадковості й припиняють вальс [260] .

У мікробів також є переваги в партнерах – багато адаптувалися так, щоб заселяти певних хазяїв. Одні штами бджолиного симбіонта 


Snodgrassella


пристосувалися до бджіл, а інші – до джмелів, а заселити когось іншого не зможе жоден з них. У кишкового мікроба 

Lactobacillus reuteri


є штами, що підходять людям, мишам, пацюкам, свиням і куркам. Якщо їх змішати й засунути в мишу, мишачий штам незабаром затьмарить інші. З таких експериментів з заміною мікробів можна багато чого довідатися. Найбільш значимі з них провів Джон Ролз. Він поміняв мікробіоми двох стовпів лабораторної науки – миші й даніо-реріо. Виростивши стерильних мишей і рибок, Ролз оселив у них мікробіоми звичайних особин іншого виду, бажаючи довідатися, чи прийме даніо-реріо кишкових мікробів миші, а миша – мікробів даніо-реріо. Як з'ясувалося, прийме. Але Ролз виявив, що тварини не просто упокорилися з новими поселенцями. Вони переробили знайдені співтовариства так, щоб ті були подібні на стандартні для кожного з двох видів. Миші зробили мікробіом рибок якоюсь мірою мишачим, і навпаки [261] .

Не можна сказати, що у всіх представників того або іншого виду мікробіом однаковий. Завжди є місце різноманітності. Уявіть, що гени тварини – це декоратори в театрі: вони створюють сцену, на якій будуть виступати певні мікроби [262] . Навколишнє середовище – друзі й будинок, пил і їжа – виявляє на акторів вплив. А в кріслі продюсера розташувалася випадковість – тому то мікробіом небагато різний навіть у двох генетично ідентичних мишей, що живуть в одній клітці. Склад нашого мікробіома в цьому плані подібний на ріст, інтелект, темперамент і схильність до раку – це складна ознака, керована спільною роботою сотень генів і ще більшої кількості факторів середовища. Різниця полягає в тому, що на наш ріст і розмір головного мозку гени впливають прямо, а от на мікробіом – ні. Вони лише створюють умови, що підходять тим або іншим видам.

У своїй знаменитій книзі «Розширений фенотип» Річард Докінз пише про те, що гени тварини (її генотип) формують не тільки її тіло (фенотип). Вони також побічно впливають на оточення тварини. Гени бобра будують організм бобра, а потім цей організм відправляється будувати греблі – виходить, що гени ще й змінюють плин рік. Гени птаха створюють птаха, і вони ж в'ють гніздо. Мої гени зробили мені очі, руки й мозок, щоб з їхньою допомогою написати цю книгу. Усе це – греблі, гнізда, книги – Докінз називає розширеним фенотипом. Вони – плоди роботи генів, що перебувають поза тілом тварини. У якійсь мірі такий і наш мікробіом. Його також формують гени тварини – вони створюють умови, що стимулюють ріст і розмноження певних мікробів. Хоч мікробіом і перебуває в тілі власника, його цілком можна назвати розширеним фенотипом, як і греблю бобра.

Але й таке порівняння не ідеальне, адже мікроби – на відміну від греблі й цієї книги – живі істоти. У них є власні гени, причому деякі з них важливі або навіть необхідні хазяям мікробів. Вони є не просто продовженням генома хазяїна, як і хазяїн є не просто продовженням генома мікробів. Деякі вчені переконані, що їх, у принципі, і розділяти не варто. Якщо тварини ретельно підбирають собі мікробів, а мікроби – тварин і при цьому їх партнерство триває протягом багатьох поколінь, то, можливо, варто вважати їх окремими єдиними особинами. Може, хазяїн плюс мікроб – це не «вони», а «воно».

Ми вже знаємо, що деякі бактерії поєднуються з хазяїнами настільки, що й не розібрати, де закінчується один вид і починається інший. Так улаштовано багато симбіонтів 

Hodgkinia


у цикадах. І про мітохондрії не можна забувати – колись ці клітинні бактерії були вільними, але їх навічно поглинула клітина крупніша. Цей процес, відомий за назвою

ендосимбіоз ,


був запропонований у якості гіпотези ще на початку XX століття, але в науковому співтоваристві його прийняли лише через кілька десятиліть, багато в чому завдяки сміливості американського біолога Лінн Маргуліс. Вона побудувала зв'язну теорію ендосимбіозу й з подробицями розтлумачила її в дослідженні, де змішалися докази з клітинної біології, мікробіології, генетики, геології, палеонтології й екології. Вийшов чудовий зразок наукової творчості. Перш ніж робота була надрукована в 1967 році, видавці відмовили Маргуліс разів п'ятнадцять [263] .

Інші вчені лише посміювалися над Маргуліс і не сприймали її всерйоз, але вона все-таки намагалася щосили. Буваючи бунтаркою, що нехтує підвалини, вона повставала проти всіх наукових догм. «Я не вважаю свої теорії суперечливими, – якось сказала вона. – Я вважаю їх вірними». З мітохондріями й хлоропластами вона виразно потрапила в точку, але через багато інших заяв до неї ставилися як з превеликою повагою, так і з обережним скепсисом. Один біолог одного разу розповів мені, як почув, що вона в розмові назвала його ім'я. Ого, подумав він, Лінн Маргуліс мене знає! І відразу вона додала: «зовсім неправий». Круто, обрадувався він, якщо вже Лінн Маргуліс вважає, що я неправий, то я точно на вірному шляху.

Світогляд Маргулис протягом усього її професійного життя був пронизаний ендосимбіозом. Її притягав зв'язок між живими істотами, і вона усвідомила, що кожна з них живе в співтоваристві з багатьма іншими. В 1991 році вона придумала назву цього зв'язку:

холобіонт


- від грецького «цільна одиниця життя» [264] . Термін застосовуваний до безлічі організмів, що проводять разом значну частину життя. Холобіонт бджолиного вовка складається з оси й усіх бактерій у неї у вусиках. Холобіонт Еда Йонга – це я, усі мої бактерії, гриби, віруси й багато чого іншого.

Подружню пару з Ізраїлю, Юджіна Розенберга й Ілану Цільбер-Розенберг, цей термін відразу привів у захоплення. Вони займалися вивченням коралів і дійшли висновку, що ці тварини являють собою сукупність організмів, чия доля залежить від водоростей у їхніх клітинах і інших мікробів, що живуть поруч з ними. Вважати їх єдиними співтовариствами здавалося цілком логічним. Вони зрозуміли, що здоров'я рифу можна оцінити, лише враховуючи весь холобіонт корала.

Розенберг переніс поняття холобіонта в світ генів. Еволюційні біологи до того моменту вже вважали, що тварини й інші організми – усього лише транспорт для генів. У генів, що будують найкращий транспорт – найшвидших гепардів, наприклад, або найміцніших коралів, або найкрасивіших райських птахів, – більше шансів потрапити в наступне покоління. Згодом ці гени поширюються усе ширше в популяціях. Їхній тваринний транспорт – також, але прямо природний добір впливає саме на гени. Вони, так сказати, і є «одиниці добору». Але про чиї гени мова йде? Тварина залежить не тільки від своїх генів, але й від генів мікробів, а їх найчастіше в рази більше. Мікроби також покладаються на те, що гени їхнього хазяїна вибудують організм, здатний передати їх наступному поколінню. Розглядати всі ці набори ДНК окремо один від одного Розенбергу здавалося безглуздим. Він був переконаний, що вони являють собою єдине ціле – 

хологеном,


який « слід вважати одиницею природного добору при еволюції» [265] .

Щоб зрозуміти, що все це означає, згадайте, що еволюція шляхом природного добору залежить лише від трьох речей: в особин повинні бути відмінності, повинна бути можливість ці відмінності успадкувати, і вони повинні впливати на пристосованість тварини, тобто її здатність вижити й дати потомство. Різноманітність, спадковість і пристосованість – якщо всі три позначені галочкою, еволюція заводить мотор і починає відтворювати покоління, які адаптуються до свого середовища усе краще й краще. Гени тварини явно цим трьом критеріям задовольняють, але й гени


мікробів


тварини – також, помітив Розенберг. У різних особин в організмі перебувають різні співтовариства, види й штами мікробів – це різноманітність. Як ми вже знаємо, тварини передають мікробів потомству самими різними способами – це спадковість. І як ми скоро довідаємося, завдяки мікробам у хазяїна з'являються нові здатності, від яких залежить його успіх, – от і пристосованість. Три галочки поставлені – і мотор заводиться. Згодом ті холобіонти, що найкраще справляються зі складностями, які підкидає їм життя, зможуть передати наступному поколінню свій хологеном – сукупність генів тварин і мікробів. Тварини і їхні мікроби еволюціонують разом. Це більш цілісний погляд на еволюцію – він заново визначає, що таке особина, і підкреслює нерозлучність мікробів і тварин.

Будь-яка спроба ось отак переписати основи теорії еволюції багатьох виведе з себе, і теорія хологенома тут не виключення: мало що в цій книзі так само спонукає спокійних і ввічливих дослідників симбіозу єхидничати й огризатися. По-моєму, дуже іронічно – теорія, присвячена згуртованості й співробітництву, відстороняє один від одного людей , що присвятили усе життя дослідженню згуртованості й співробітництва.

Багатьом така смілива заява подобається. Вона піднімає обділених увагою мікробів до рівня їх хазяїв, обводить їх маркером і разом з тим розміщує навколо миготливі стрілки. Вона нагадує, що мікроби важливі – і тільки спробуйте про це забути. «Будь-яка тварина – це екосистема на лапках, – пояснює Джон Ролз. – Ми, звичайно, можемо її і як-небудь по-іншому називати, але термін «холобіонт» ідеально відбиває всю її суть, і нічого краще я не чув».

А от Форест Роуер більш стриманий в оцінках. Він заново ввів термін «холобіонт» в обіг після Маргуліс, але лише як опис живучих разом організмів. «Це ж звичайний симбіоз, – стверджує він. – Різні комбінації й комбінації виникають залежно від зовнішньої обстановки, а отримані в результаті властивості можуть приносити як користь, так і шкоду». І від ідеї хологеному він не в захопленні. Йому це поняття здається солодкуватим, начебто мікроби з хазяїнами один біля одного несуться, радісно підстрибуючи, у світле майбутнє. Еволюція влаштована не так. Ми вже знаємо, що навіть у найгармонійнішому симбіозі є місце ворожнечі. Роуер вважає, що Розенберг, уявивши хологеном основною одиницею добору, цю ворожнечу применшує. Розенберг немов стверджує, що ціль еволюції – забезпечити успіх цілого, але це зовсім не так. Вона впливає й на частини цілого, при чому нерідко ці частини між собою не в ладах. З Роуером згідна еволюційний біолог Ненсі Моран, що вивчає попелиць і їх симбіонтів. «Уже я-те виразно знаю, що симбіонти дуже важливі, куди важливіші, чим вважалося раніше, – розповідає вона. – Але поняття хологенома використовують для прикриття безлічі каламутних вигадництв».

Природа хологенома також неясна. Такий симбіонт, як 

Sodalis ,


що живе в клітинах мух цеце й успадковується по вертикалі, пов'язаний з хазяїном так міцно, що його гени можна цілком вважати частиною хологенома цеце. Власні штами 

Streptomyces


у бджолиних вовків, ретельно відібрані безлічі в гідр – сюди концепція хологенома теж підходить. Але не всі тварини так розбірливі. У коров'ячих трупіалів, кардиналів і, імовірно, багатьох інших співочих птахів мікробіом кишечника зовсім різний – у представників одного виду різниця часом більш помітна, чим

у всіх ссавців [266] .


Вплив генів самих тварин на мікробіом є присутнім, але його, подібне, затьмарює вплив навколишнього середовища. Якщо мікроскопічні партнери тварини настільки непостійні, чи має зміст вважати хологеном єдиним цілим? А як же види, що виявилися в нас у тілі випадково й що незабаром його покинули? Коли Томас Фріц напоровся рукою на сук, чи стали гени штаму HS частиною його хологенома? Чи включає мій хологеном у себе мікробів з сендвіча, який я тільки що з'їв?

Сет Борденстайн із Університету Вандербільта, що начепив на себе мантію головного проповідника теорії хологенома, стверджує, що жодне з цих протирічь для неї не згубна. Він підкреслює, що ідея хологенома заснована не на твердженні, що тварині необхідний кожний мікроб у його тілі. Якісь мікроби виявилися там випадково, якісь просто повз проходили, але завжди є ті, що дійсно важливі. « Можливо, 95 % мікробів нейтральні, і всього кілька ключових видів залишаються з вами на все життя й у якійсь мірі визначають вашу пристосованість», – пояснює він [267] . На нейтральних природний добір і уваги не зверне, а ось ключовим дасть фору. Деякі мікроби – наприклад холерний вібріон, що заглянув на вогник, – заподіюють організму шкоду, так що природний добір позбавить хологеном від них, як звичайно рятує геном від шкідливої мутації. У такому ключі концепція враховує конфлікти. Теорія хологенома присвячена не тільки згуртованості й співробітництву, як заявляють скептики (і навіть деякі прихильники теорії). Вона всього лише стверджує, що мікробів і їх гени не слід виключати з загальної панорами. Вони виявляють на хазяїнів вплив, важливий для природного добору, причому виявляють так, що ми не повинні про них забувати, міркуючи про еволюцію тварин. «Основа не ідеальна, але, як мені здається, нічого кращого для міркувань про те, як особина поєднується з мікробами, у нас поки немає», – говорить Борденстайн. Критики ж нагадують, що для цього в нас уже багато століть є симбіоз [268] .

Однак ось з чим згодні все: вистачить метафор, прийшов час математики. Успіх погляду на еволюцію з погляду генів можна якоюсь мірою приписати тому, що еволюційні біологи можуть використовувати рівняння для моделювання зльотів і падінь генів, а також користі мутацій і ціни, яку прийдеться за неї заплатити. У них є можливість додати своїм абстрактним ідеям форму за допомогою чисел. А ось у прихильників теорії хологенома такої можливості немає. «Ми поки тільки почали, так що багато вважають, що наша теорія заснована на поверхневих й не особливо точних судженнях», – посміхається Борденстайн. Він визнає, що все за правилами, і сподівається, що незабаром відношення людей до теорії зміниться.

Розенберг здаватися не збирається. Він вважає, що прихильники традиційної еволюційної біології привчили себе мислити насамперед про хазяїнів і це заважає їм оцінити мікробів по гідності. «Мене навіть друзі обвинувачують у тому, що я занадто повернений на бактеріях», – скаржиться він. Недавно він вийшов на пенсію й тепер сподівається, що в битву розумів вступлять і інші. «Я закрив лабораторію й відкрив розум», – сміється він. Але перед цим він повинен був внести в науку свій останній внесок.

Кілька років назад Розенберги наткнулися на стару статтю 1989 року – біолог по імені Діана Додд довела в ній, що харчування мухи може впливати на її статеве життя. Одну лінію дрозофіл вона виростила на крохмалі, а іншу, ідентичну першій, на мальтозі, або солодовому цукрі. Через 25 поколінь «крохмальні» мухи стали віддавати перевагу іншим «крохмальним», а «солодовим» мухам стали милі інші такі ж. Досить несподіваний результат – разом з харчуванням мух Додд якимось чином змінила їхні переваги при виборі партнерів.

Розенберги відразу заявили: справа напевно в бактеріях. Харчування тварини впливає на її мікробіом, мікроби – на запах хазяїна, а запах, у свою чергу, на привабливість тварини. Заява виглядала цілком осмисленою і саме підходила під концепцію хологенома. Якщо Розенберги були праві, виходить, еволюція мух полягає не тільки в зміні генів, але й у зміні мікробів – як, приблизно, і в стійких коралів Середземного моря. Вони відтворили експеримент Додд і отримали ті ж результати: через усього два покоління стало помітно, що мухи воліють спаровуватися з особинами, що харчуються тим же, чим вони. А якщо комахи отримували дозу антибіотиків, їх статеві переваги зникали разом з мікробами [269] .

Цей експеримент при всій своїй дивності представляв для науки велику цінність. Якщо особини з двох груп одного виду тварин ігнорують одна одну й спаровуються лише між собою, рано або пізно вони розділяться на два види. У природних умовах такі поділи відбуваються регулярно й по різних причинах. Серед них і фізичні перешкоди, такі як гірські масиви й ріки, і різниця в графіках, при якій період активності у тварин припадає на різний час або сезони, і генетична несумісність, що запобігає міжвидове схрещування. Усе, що не дозволяє тваринам спаровуватися, убиває потомство пар або послабляє його, може привести до репродуктивної ізоляції – це свого роду пропасті між двома видами, яка росте й усе більш віддаляє їх один від одного. І як довів Розенберг, бактерії також можуть стати причиною її виникнення. Створюючи живий бар'єр, що не дає двом популяціям зустрітися, мікроби можуть сприяти появі нових видів.

Ця ідея існувала й раніше. В 1927 році американець Айван Уоллін назвав симбіоз «двигуном нововведень». Він стверджував, що бактерії-симбіонти перетворюють існуючі види в нові й що це фундаментальний спосіб виникнення нових видів. Лінн Маргуліс підхопила його думки в 2002 році, заявивши, що формування нових симбіозів між окремими організмами (вона назвала цей процес


симбіогенезом ) –


головний шлях появи нових видів. Для неї перераховані в цій книзі відносини були не просто стрижнями еволюції, а її основою. Привести переконливі доводи, щоправда, у неї так і не вийшло. Вона перелічила чимало прикладів симбіотичних мікробів, що посприяли виникненню важливих еволюційних пристосувань, але в неї не було доказів, що вони насправді провокують появу нових видів і тим більше що вони – провідна сила видоутворення [270] .

Зараз докази потроху з'являються. В 2001 році Сет Борденстайн зі своїм наставником Джеком Уерреном вивчали два близькоспоріднених види наїзника


Nasonia giraulti


і 

Nasonia longicornis .


Вони розділилися на два види всього 400 тисяч років тому й неспеціалістові здадуться абсолютно однаковими – маленькі, з чорним тільцем і жовтогарячими лапками. Але вони не можуть схрещуватися. Представники цих двох видів – переносники різних штамів вольбахії: зіткнення штамів-суперників при їхньому спарюванні вбиває більшу частину гібридів. Коли Борденстайн позбувся вольбахії за допомогою антибіотиків, гібриди вижили. Він довів, що цих комах від репродуктивної ізоляції можна позбавити – ясне свідчення того, що новоспечені види утримуються порізно саме завдяки мікробам. В 2013 році він провів цей же експеримент на двох інших видах наїзників, що знаходяться у далекому спорідненні, – при схрещуванні вони також не могли робити життєздатне потомство. Результати виявилися ще прагматичніші. Цього разу він виявив, що кишкові мікроби в гібридів не такі, як в обох батьків, і зробив висновок, що їх убиває саме перемішаний мікробіом, несумісний з їхнім власним геномом. Перекручений хологеном передвіщає загибель [271] .

Борденстайн заявив, що це дослідження – прямий доказ того, що симбіоз провокує створення нових видів, як і стверджували Уоллін і Маргуліс. А ось критики говорять, що зіпсований мікробіом отут ні при чому й насправді всі куди простіше [272] . За їхніми словами, у гібридів порушений імунітет, тому вони піддані пагубному впливу


будь-яких


мікробів. Вони вмруть незалежно від того, який у них мікробіом. Хто б не виявився правий, ми з'ясували, що в гібридів проблеми з мікробами й через це між двома видами наїзників з'являється провалля. Це саме по собі становить інтерес. «Ми натрапили на ці дві історії в 

Nasonia


– не думаю, що нам просто так повезло, – міркує Борденстайн. – Усе тому, що ми задалися питанням, чи є мікроби причиною репродуктивної ізоляції. Скільком це питання не спало на думку? Скільки подібних історій нам не довелось почути? Не думаю, що завдяки деякому везінню ми виявили єдині два приклади у світі».

І все-таки поділ на види шляхом симбіозу поки що залишається правдоподібною й захоплюючою теорією, що вимагає доказів. Ті кілька випадків, що вже були виявлені, безсумнівно, чудові самі по собі. Якщо ви знайдете золотий самородок, вам не знадобиться всім розповідати, що ви пограбували Форт-Нокс, і мимо того золото у вас буде. Так і з теорією еволюції: не потрібно давати їй нове визначення, щоб визнати, що долі мікробів найчастіше міцно пов'язані з долями тварин.

Очевидно, що мікроби беруть участь у формуванні організму хазяїв, що вони задіяні в найбільш інтимних аспектах нашого життя – імунітеті, запахові й поведінці – і що сама їхня присутність може сказати про те, здорові ви або хворі. По-моєму, це досить дивно. Як усе це не назви – хологеном, симбіозом, як завгодно, – ми тепер знаємо, що мікроби здатні вирватися з малообіцяючої рутини паразитів і ледарів і, виявившись у тілі тварини, створити потужні й часом необхідні зв'язки на цілі покоління. Тепер настав час глянути на наслідки настільки близьких зв'язків – мова не про розвиток і здоров'я окремих особин, а про долю цілих видів і груп. Настав час довідатися, яких висот домагаються тварини завдяки своїм мікроскопічним партнерам.



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   31


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет