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



жүктеу 4.03 Mb.
бет12/31
Дата20.04.2019
өлшемі4.03 Mb.
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   31

Глава 7.

Взаємогарантований успіх

Я стою в кімнаті розміром з невеликий сарай. Яблуку отут, може, і є де впасти, але покотити йому буде нікуди. Двері в кімнату важкі й значні. Усередині все біле й ідеально чисте. Регулювання повітря здійснюється за допомогою жахливо голосно рокітливого вентилятора – уявіть собі Дарта Вейдера з мегафоном, щоб зрозуміти, наскільки голосно. І отут усюди рослини. У маленьких горщиках на виставлених на поличках піддонах затишно влаштувалися паростки гороху, боби й розсада люцерни. Кімната нагадує якусь дивну теплицю, і, що ще більш дивно, усі рослини чимсь накриті. Одні горщики вкриті прозорими пластиковими стаканчиками, інші стоять у пластмасових ящиках – туди можна добратися лише через покриті тонкої тканиною віконця, у які саме пролазить рука. З одного особливо великого ящика визирають буйно зростаючі пагони.

«Ми їх зовсім недавно почали розлучати, так що не знаю, чи з'явилися вони вже», – говорить біолог Ненсі Моран, господарка цієї кімнати й усього, що в ній перебуває.

Я вп'явся на пагони. Якщо вже Моран чогось не бачить, то я – і поготів.

« О, так ось же вони! – радіє вона. – Ген на тому стеблі».

Після довгої паузи й саме перед тим, як здатися й запитати, про яке саме стебло мова йде, я теж їх зауважую. До стебла немов приросли крихітні чорні клинці менше сантиметра в довжину. Це цикадки 


Homalodisca vitripennis


- дрібні комахи з гострими ротовими органами, якими вони простромлюють рослини, щоб висмоктати з них сік. Засвоївши вбогі живильні речовини, вони позбуваються від води, що залишилася, вибризкуючи її тонким струменем з задньопрохідного отвору [273] . Цикадка харчується соком десятків різних рослин, що робить її потужною загрозою сільському господарству – тому-то тут і потрібні тканина й значні двері.

Таких загроз у цій кімнаті багатезно. Прямо зараз у ящику неподалік якась рослина пожирається іншим видом цикадок. Боби на декількох поличках уплітають горохові попелиці – зелені комахи на зелених стеблах. Помітити їх нелегко, але в мене все-таки вийшло: маленькі зелені ромбики на тонких ніжках, з вусиками, що вказують назад, і двома голками, що стирчать із живота. У кожної попелиці тут своє особисте володіння – цілий паросток, на якому можна робити що завгодно. Тлі – небезпечні шкідники, як і цикадки. Рослини в'януть і гинуть від одного їх нападу, не говорячи вже про супутні їм віруси. Вони – бич сільського господарства, непрошені гості в будь-якому місці, де людина займається вирощуванням рослин. Крім цієї кімнати в Техаському університеті в Остіні. Тут усе влаштоване для них. Тут рослини існують лише для того, щоб їх годувати. Таких садів у світі небагато: тут господарка спеціально розводить попелиць і інших комах-шкідників.

Усі ці комахи, що нічого не підозрюють, відносяться до загону напівжорсткокрилих

[274]  – різноманітної групи, що включає в себе постільних блощиць, блощиць-хижаків, червців і цикадок. Їхня головна відмінність від інших комах – гострі ротові органи, пристосовані для висмоктування соку. Більшість представників цього загону все життя проводять саме за цим заняттям, і з усіх тварин лише вони роблять це в обов'язковому порядку. Метелики й колібрі бавляться соком рослин з примусу, але охочі до соку напівжорсткокрилі харчуються винятково ним. Своїм способом життя вони зобов'язані бактеріям-симбіонтам. Якщо всі ці бактерії раптом загинуть, така ж доля чекає й усіх комах у кімнаті, у якій я зараз перебуваю. «Ці групи, у загальному- то, і існують лише завдяки симбіонтам», – пояснює Моран. І не просто існують, а квітнуть – описане вже близько 82 тисяч видів напівжорсткокрилих, а ще тисячі тільки чекають свого часу.

Ми вже знаємо, що найзвичайнісінькі й навіть необхідні аспекти життя окремих особин, такі як формування органів і настроювання імунної системи, часом залежать від мікробів. Нам також відомо, що деякі мікроби нагороджують хазяїв унікальними здатностями – від світного камуфляжного костюма гавайської еупримни до майстерності регенерації плоского хробака 

Paracatenula .


А зараз ми довідаємося, як отримані від мікробів здатності перетворили деякі групи тварин у переможців еволюційної гонки, здатних перетравлювати неперетравлювану їжу, виживати в найсуворіших умовах, не гинути від смертельних речовин і взагалі домагатися успіху там, де інші види здаються. Найкраще, звичайно, почати з напівжорсткокрилих.

Німецький зоолог Пауль Бухнер зайнявся вивченням їх симбіонтів в 1910 році під час своєї подорожі по світу комах [275] . Проаналізувавши уздовж і впоперек незліченну кількість видів, він дійшов висновку, що симбіоз тварин і мікробів трапляється далеко не так рідкісно, як на той момент вважалося. Виявилося, що це не виключення, а правило – «широке розповсюджене, хоч і завжди другорядне пристосування, що дає тваринам-хазяїнам безліч нових можливостей». Результатом десятиліть роботи стала найбільша праця за назвою «Ендосимбіоз тварин і мікроорганізмів рослин» [276] , перекладена на англійську мову й надрукована саме перед вісімдесятиліттям Бухнера. Моран дістає екземпляр з полички у своєму кабінеті й з благоговінням перегортає сторінки. «Це біблія нашої галузі науки», – з повагою пояснює вона.

Комашки цікавлять Моран не один десяток років. Колись вона була з тих дітей, що колекціонують комах і зберігають їх у баночках. Зараз вона одна з ведучих учених в області симбіозу, і наріжним каменем її кар'єри стали тлі(попелиці). В 1991 році вона допомагала секвенувати гени симбіонтів одинадцяти видів попелиць – на той момент це була та ще задачка, адже технологія секвенування тільки починала розбудовуватися і їй з колегами доводилося «тягати дискети туди-сюди». Тоді вони з'ясували, що всі симбіонти попелиць належать до того самого невідомого виду. За традицією тільки що відкритих мікробів називають на честь особливо крутих мікробіологів – це щось начебто автографа. Ім'я Симеона Берта Вольбаха, наприклад, назавжди ввічнене вольбахією. Луї Пастер продовжує жити як 

Pasteurella .


Навряд чи ви чули про Деніела Елмера Салмона, маловідомого американського ветеринара, а ось з сальмонеллою – його «тезкою» – ви напевно знайомі. Як же назвати симбіонта попелиці? Моран і вибирати не довелося – зрозуміло, 

Buchnera [277] .

Buchnera


– партнер попелиці із прадавніх часів. Сімейне древо різних штамів 

Buchnera


точно таке ж, як у її хазяїв попелиць: намалюєте одне – отримаєте заодно й інше [278] . Це означає, що 

Buchnera


заселила організм попелиці лише одного разу (ну або лише одне зараження виявилося успішним). Трапилося це 200–250 мільйонів років тому, коли динозаври тільки почали з'являтися, а ссавці й квіти ще не існували. Чим же весь цей час займалася 

Buchnera ?


Бухнер припустив, що симбіонти головним чином допомагають хазяям перетравлювати їжу. Адже саме так поводяться симбіонти багатьох вивчених ним комах. Але з 

Buchnera


інша справа небагато інакше. Вона не розщеплює живильні речовини тли. Вона їх доповнює.

Попелиці харчуються флоемним соком – рухомою по стеблу солодкою рідиною. Це багато в чому відмінне джерело їжі: цукрів багато, токсинів мало, та й інші тварини на нього не заміряються. Але, на жаль, у ньому не вистачає деяких живильних речовин, у тому числі десяти незамінних амінокислот, необхідних тваринам для виживання. Нестача хоч однієї з них може привести до непоправних наслідків. Нестача всіх десяти була б взагалі несумісна з життям, якби їм не було належної заміни. Зараз є вагомі докази того, що ця заміна і є 


Buchnera [279] .


Учені з'ясували, що якщо позбутися 

Buchnera


в організмі попелиці за допомогою антибіотиків, то для того, щоб вижити, попелиці будуть потрібні штучні замінники амінокислот. Вони відстежили переміщення живильних речовин від мікроба до хазяїна за допомогою радіоактивних речовин і виявили, що амінокислоти рухаються саме в цьому напрямку. І вони довели, що в геномі 

Buchnera ,


яким би здрібнілим він не був, збереглися багато генів, необхідних для створення незамінних амінокислот.

Багато, але не всі. Створення амінокислот – завдання не з легких, і до нього входить прогін початкових складових через серію хімічних реакцій, кожну з яких прискорюють різні ферменти. Уявіть собі конвеєр на автомобільному заводі, що проходить через кілька обладнань. Одне встановлює сидіння, інше – раму, третє ставить колеса. Наприкінці з конвеєра сходить готова машина. Біохімічні конвеєри по виробництву амінокислот працюють приблизно так само, але ні попелиця, ні 


Buchnera


не здатні самі створити всі необхідні ферменти. Їм доводиться працювати разом, щоб побудувати конвеєр, що йде по обох заводах відразу, один з яких перебуває в іншому. Тільки разом вони здатні прожити на одному флоемному сокові [280] .

Зв'язок між харчуванням соком рослин симбіонтами, що й доповнюють, підкреслюють ті напівжорсткокрилі, що втратили й те й інше. Деякі види поїдають клітини рослин цілком, а раз амінокислот з харчуванням у їхній організм тепер надходить досить, те й від симбіонтів вони позбулися. У їхніх відносинах немає місця ностальгії й сентиментальності. Жорсткі умови природного добору диктують, що якщо партнер більше не потрібний, то його женуть. До генів це також відноситься – тому-то напівжорсткокрилі споконвічно й виявилися в такому небезпечному положенні в плані харчування. Вони – тварини, а всі тварини походять від одноклітинних хижаків, що поїдають усе навколо. Їжа забезпечувала їх здебільшого необхідними живильними речовинами, так що вони втратили гени, необхідні для їхнього створення. Нас – попелиць, панголінів, людей і всіх інших – ця спадщина обтяжує досі. Ніхто з нас не вміє створювати десять незамінних амінокислот самостійно, так що нам доводиться отримувати їх з їжею. А якщо ми вирішимо стати оригінальними і почнемо харчуватися вбогою їжею, наприклад флоемним соком, нам буде потрібно допомога.

І отут за справу беруться бактерії. Вони не раз дозволили напівжорсткокрилим перетнути границю, за якою перебуває все царство тварин, і почати харчуватися тим, що майже ніхто не їсть [281] . Коли сушу заселили рослини, разом з ними з'явилися, що й харчуються їхнім соком комашки. Зараз серед них налічується близько 5000 видів попелиць, 1600 видів білокрилок, 3000 листоблошок, 8000 червців, 2500 цикад, 3000 церкопоїдів, 13 тисяч фулгороїдів і більше 20 тисяч цикадок – і це лише ті, про яких ми вже знаємо. Завдяки своїм симбіонтам напівжорсткокрилі стали сьогоденним втіленням успіху.

Напівжорсткокрилі – далеко не єдині тварини з симбіонтами, пов'язаними з харчуванням. На таких мікробів покладаються від 10 до 20 % комах – вони забезпечують комах вітамінами, амінокислотами для створення білків і стеринами для створення гормонів [282] . Завдяки своїм живим доповненням тварини мають можливість прогодувати себе навіть неповноцінною їжею, від соку рослин до крові. Мурахи-червиці – різноманітна група, що складається десь з тисячі видів, – є переносниками симбіонта по імені 


Blochmannia ,


що дозволяє їм харчуватися в основному рослинною їжею й панувати в листі дерев тропічних лісів [283] . Мініатюрним вампірам, таким як воші й постільні блощиці (поряд з тваринами, що не відносяться до комах, наприклад кліщами й п'явками), для виробництва вітамінів групи B, відсутніх у їхніх кривавих обідах, потрібні бактерії.

Раз за разом бактерії й інші мікроби дозволяли тваринам перевершити свою тваринну сутність і пробитися в усі куточки екології, які без них так і залишалися б недоступними; почати вести спосіб життя, при якому інакше не можна було б вижити; харчуватися тим, що вони не змогли б перетравити; добитися успіху, незважаючи на власну природу. А щоб довідатися про самі безкомпромісні приклади такого взаємогарантованого успіху, ми відправимося в глиб океану, туди, де мікроби доповнюють своїх хазяїв настільки, що ті можуть харчуватися найвбогішою їжею на світі – нічим.

У лютому 1977 року, за кілька місяців до того, як «Тисячолітній сокіл» полетів борознити простори відкритого космосу, настільки ж відважний корабель за назвою «Алвін» відправився досліджувати підводний світ. І не просто корабель, а батискаф – досить великий, щоб у ньому помістилося троє дослідників, досить маленький, щоб вони навіть протягнутися не могли, і досить міцний, щоб дозволити їм добратися до нечуваних глибин океану. Він опустився під воду в 400 кілометрах до півночі від Галапагоських островів – там, де дві літосферні плити віддаляються одна від одної, немов розведені коханці. Через їхнє розставання в земній корі з'явився рифт, а виходить, не виключено, що там можна було знайти перші гідротермальні джерела, – вважалося, що дно океану вивергає в цих місцях перегріту в результаті вулканічної діяльності воду.

Команда «Алвіна» почала спуск. На зміну синявій поверхні океану прийшла всепоглинаюча чорність глибоких вод. Чорність чорніша чорного. Чорність перемежовувало лише випадкове виблискування люмінесцентних істот, а через якийсь час увімкнулися й прожектори батискафа. На глибині 2400 метрів команда виявила джерела, за якими відправилася. Але крім джерел там було дещо ще – життя, причому удосталь! До стінок ущелин зграйками чіплялися молюски й ракоподібні. Навколо них повзали примарно-білі креветки й краби. Мимо пропливала риба. І що найдивніше, камені були повністю покриті міцними білими трубками, увінчаними темно-червоними чубчиками, подібними на помаду, яку занадто сильно викрутили з тюбика, або взагалі на щось непристойне. Це були величезні хробаки – погонофори.

На самому дні океану – там, куди не добратися сонячним променям, де невпинно б'є вода температурою в 400 °C, а тиск товщі океану досягає небаченої моці, – команда «Алвіна» відкрила сховану екосистему, що не поступається удосталь тропічним джунглям. Як писав Роберт Кунціг у своїй книзі «Наносячи глибини на карту», «це як якби ви народилися й виросли на півострові Лабрадор, навіть не догадуючись, що собою представляє світ, а потім раптом виявилися на Таймс-Сквер». Члени команди навіть уявити собі не могли, що виявлять там життя, так що біологів серед них не було – одні геологи. Вони з горем навпіл зібрали зразки й взяли їх із собою на поверхню, законсервувавши попередньо в горілці [284] .

Один з погонофор у підсумку виявилася в Мередіта Джонса в Національному музеї природньої історії у Вашингтоні – він назвав його 


Riftia pachyptila .


І так хробак йому сподобався, що в 1979 році він особисто відправився до Галапагоського рифту, щоб зібрати ще зразків. Одна ділянка так заросла цими штуками з червоними чубчиками, що його й назвали відповідно – «Рожевий сад». На старому чорно-білому знімку відбитий Джонс, уже сивий і з пишними вусами, з одним зі зразків 

Riftia


у руках. Він виглядає так, немов нічого цінніше в нього немає, а хробак – подібний до сосиски неакуратно впакуваної. Хробак дуже довгий, набагато крупніший, чим усі відкриті колись глибоководні хробаки, – розміром, напевно, з Джонса. І що дико, у нього немає ні рота, ні кишечника, ні анального отвору.

Як же цей хробак умудряється вижити без їжі? Логічно було припустити, що він усмоктує живильні речовини шкірою, як стрічкові хробаки, але цю теорію швидко відмели – він при всьому бажанні не зміг би їх усмоктувати досить швидко. Незабаром Джонс помітив важливу підказку. Трофосома хробака – загадковий орган, що становить аж половину його ваги, – заповнена кристалами чистої сірки. Джонс згадав це на одній зі своїх лекцій у Гарварді, і в Коллін Кавано, однієї зі слухачок, виникла деяка думка. Від опису трофосоми на неї спустилося справжнє осяяння. За її словами, вона підхопилася з місця й заявила, що в тілі хробаків перебували бактерії – вони й використовували сірку для вироблення енергії. Говорять, Джонс тоді попросив її сісти. А потім дав їй хробака для вивчення.

Думка Кавано виявилася вірною й принципово новою [285] . Розглянувши трофосому 

Riftia


під мікроскопом, вона виявила там безліч бактерій – десь мільярд на кожний грам тканини. Ще один дослідник з'ясував, що в трофосомі утримуються ферменти, здатні переробляти сірчисті компоненти, наприклад сірководень, якого в середовищі підводного джерела предосить. Кавано подумала-подумала й зрозуміла, що ферменти ці виробляються бактеріями. Вони їх використовують для готування їжі по рецепту, який у той час і уявити собі не могли.

На суші все живе харчується сонцем. Тварини, водорості й деякі бактерії використовують сонячну енергію, щоб перетворювати вуглекислий газ і воду в цукри, і в такий спосіб створюють собі їжу. Цей процес, при якому вуглець з неорганічної речовини переходить у щось їстівне, називається зв'язуванням вуглецю, а використання для цього енергії сонця – 


фотосинтезом .


Це основа всіх харчових мереж, які нам відомі. Кожне дерево й кожна квітка, кожна мишка й кожний яструб у підсумку залежать від сонячної енергії. А ось у глибинах океану її брати нізвідки. У принципі, можна прогодуватися вбогими залишками органічних речовин, що падають на дно зверху, але, щоб по-справжньому мати успіх, буде потрібно нове джерело енергії. Для бактерій, що живуть в організмі 

Riftia ,


це сірка – точніше сульфіди, що вивергаються джерелами. Бактерії їх окисляють, а за допомогою вивільненої енергії зв'язують вуглець. Це вже

хемосинтез


– створення їжі шляхом використання хімічної енергії, а не світла й енергії сонця. І в якості побічного продукту виділяється не кисень, як у фотосинтезуючих рослин, а чиста сірка. Так у трофосомі 

Riftia


і з'являються жовті кристали.

Завдяки хемосинтезу стає ясно, чому в цих хробаків немає рота й кишечника, – усі необхідні живильні речовини їм надають симбіонти. Попелиць і цикадок бактерії постачають амінокислотами, а погонофор вони постачають


всім .


Незабаром подібні симбіози були виявлені по всьому океану. Як з'ясувалося, хемосинтезуючим бактеріям, які зв'язують вуглець за допомогою сірки або метану, дали притулок у собі найрізноманітніші тварини [286] . До них, до речі, відноситься плоский хробак, що й регенерує 

Paracatenula .


Серед них і хробаки, і черевоногі молюски з хемосинтезуючими симбіонтами прямо в клітинах, і креветки з цілими колоніями на зябрах і ротових органах. Це й нематоди, повністю покриті мікробами: здається, начебто вони в шубах. І краби-йети, які вирощують у себе на щетинистих клішнях сади з бактерій і смішно ними ворушать, начебто танцюють.

Багато з цих істот живуть у гарячих гідротермальних джерел. Хтось віддає перевагу холодним – речовини там приблизно ті ж, але температура нижча й вода не вивергається, а ліниво випливає. Деякі поліхети, родинні 


Riftia ,


заселяють дерев'яні частини затонулих кораблів і упалі на дно колоди, отримуючи енергію від сульфідів у гниючій деревині. Трупи китів, опускаючись на дно, немов манна небесна, також створюють середовище з достатком сульфідів, у якому незабаром утворюються тимчасові, але численні групи хемосинтезуючих істот. Деякі з них – наприклад, 

Osedax mucofloris ,


що харчуються кістками « зомбі-чирви», у яких немає кишечнику, – спеціалізуються саме на китовому падлі.

Для цих тварин життя в глибині океану – це пункт призначення дороги назад еволюції, що зайняла мільярди років. Життя на Землі з'явилася в глибоководних джерелах, і першими живими створіннями стали хемосинтезуючі мікроби ( до речі, одна з ділянок у Галапагоському рифті названа «Едемським садом»). Перші мікроби згодом розвинулися в незліченні форми, чудові й вигадливі, які вибралися з глибин туди, де мілкіше. Деякі дали початок більш складним істотам – тваринам. І деякі з тварин об'єдналися з хемосинтезуючими бактеріями й відправилися назад у безодню – у світ, де без бактерій вони б не змогли себе прогодувати. Усі тварини, що живуть у районі гідротермальних джерел, у тому числі й 


Riftia ,


еволюціонували з видів, що жили на мілководдях, які стали хазяїнами глибоководних мікробів. Установивши з ними міцний зв'язок, ці тварини отримали пропуск назад у катархейські глибини, де колись зародилося життя.

Хемосинтез з'явився в глибині океану, але зустрічається він не тільки там. Кавано виявила хемосинтезуючих бактерій у молюсках, що живуть у багатому сіркою мулі біля берегів Нової Англії, що на північному сході США. Інші знайшли подібні союзи на мангрових болотах, у затоплюваних місцевостях, у забрудненому стічними водами мулі й навіть у ґрунті навколо коралових рифів –в загальному, в екосистемах, найбільше подібних на мілководдя. Ніколь Дюбільє, що колись працювала разом з Кавано, досліджує хемосинтез у місці, найменше на світі подібному на бурхливі гідротермальні джерела, – на острові Ельба, прекрасному, як на листівці.

Ельба ніжиться в сонячних променях, і ця енергія не пропадає даремно. У бухтах неподалік від берега пишно виростає прибережник. Хоч фотосинтез і видасться тут головним, хемосинтезу отут також місце є. Дюбільє поринає під зарості морської трави, зачерпує жменьку мулу й з неї відразу витикаються яскраво-білі мотузочки. Це хробаки 

Olavius algarvensis ,


близькі родичі дощових хробаків. У довжину вони кілька сантиметрів, завширшки – півміліметра, і в них немає ні кишечника, ні рота. «По-моєму, вони милі, – зворушується Дюбільє. – Вони білі, тому що в них під шкірою бактерії-симбіонти, у яких утримуються частки сірки. Їх легко помітити». Ці бактерії хемосинтезуючі, як і в багатьох місцевих нематодах, молюсках і плоских хробаках. Тут, у середземноморському мулі організмів, що живуть на сульфідах, не менше, чим на глибині. «В Італії! – урочисто заявляє Дюбільє. – Нам довелося відправитися до незвіданих джерел на немислимій глибині, щоб зрозуміти, що симбіоз на основі хемосинтезу зустрічається прямо в нас під носом. Ми на кожній польовій вилазці відкриваємо нові види й нові симбіози».

Ельба, може, і видасться ідеальним місцем, але хемосинтезуючим істотам отут доводиться несолодко. Не забувайте, що бактерії 


Riftia


вивільняють енергію, окислюючи сульфіди. У мулі в Ельби сульфідів украй мало, а виходить, типовий хемосинтез там начебто б взагалі не повинен відбуватися. Як тоді виживають хробаки 

Olavius ?


Дюбільє це з'ясувала в 2001 році, виявивши, що в них два різні симбіонти – великий і маленький, і обидва під шкірою [287] . Бактерія менша захоплює сульфати, яких у мулі Ельби повно, і перетворює їх у сульфіди. Бактерія більша потім окислить сульфіди й запускає хемосинтез, прямо як мікроби хробака 

Riftia .


У процесі вона виробляє сульфати, які потім знову переробляє її дрібна сусідка. Два мікроби по черзі годують один одного сіркою, завдяки чому харчується й хробак – такий симбіоз на троє. Прийнявши в союз маленьких бактерій, що захоплюють сульфати, хробаки 

Olavius


зуміли поселитися в мулі, який інакше був би занадто вбогим для їхніх звичайних хемосинтезуючих товаришів.
З тих пір Дюбільє з'ясувала, що цей союз насправді ще складніший, чим здається. В 

Olavius,


виявляється, аж

п'ять


симбіонтів – двоє переробляють сульфати, двоє займаються сульфідами, а що робить п'ятий спіралеподібний симбіонт – поки неясно. «Нам, напевно, ще років тридцять знадобиться, щоб у цьому розібратися!» – сміється Дюбільє. Насправді їй повезло. Вона займається дослідженням мілководних симбіозів, а виходить, для збору зразків їй не доводиться втискуватися в тісний батискаф. Потрібно всього лише попірнати на пляжах сонячної Ельби, біля Карибських островів, біля Великого Бар'єрного рифу… Ох, нелегка це штука, усі ці дослідження, але потрібно ж комусь ними займатися.

А от у Рут Лій зі збором мікробів виникли складності. Проблема не в тому, що їй потрібні були зразки стільця тварин – у світі мікробіомної науки до роботи з випорожненнями звикаєш швидко. І не в мешканцях зоопарку, чий стілець вона збирала, – від іклів і пазурів її завжди відокремлювали ґрати, стіни й доглядачі зоопарку з ціпками напоготові. Ні, проблему представляла паперова тяганина.

Лій – фахівець з мікробної екології, і її потрібно було порівняти бактерій у кишечниках різних ссавців, щоб зрозуміти, як їхнє харчування й еволюція вплинули на мікробіом. Для цього їй було потрібно багато тварин і багато фекалій – і того й іншого було предосить у зоопарку Сент-Луїса неподалік. У перервах між іншими дослідами Лій забігала туди з рукавичками, мішечками й цебром сухого льоду. Привітний доглядач возив її по зоопаркові й відволікав тварин, поки вона пробиралася в клітину й збирала кал. «Я просто туди ходила, коли знадобиться, а потім хтось помітив, що ми там бігаємо й збираємо какашки, і вирішив, що це повинно бути офіційно», – скаржиться вона. На зміну привітному доглядачеві й пригодам без усяких формальностей прийшли офіційний договір, бланк для збору калу й найсуворіше проходження регламенту. Якось зимовим днем Лій помітила, що бегемот тільки що справив великий нестаток на підлогу вольєра. «Там така купа була! – вигукує вона. – А вони все повторювали, що про бегемотів домовленості не було. А потім до мене підійшов прибиральник і сказав, що через десять хвилин усе це виявиться в завулку прямо за зоопарком і тоді я зможу взяти, скільки мені треба». Ну, вона й взяла.

Ще вона збирала фекалії ведмедів (гімалайських, білих і очкових), слонів (африканських і індійських), носорогів (індійських і чорних), лемурів (чорних, мангустових і котячих) і панд (великих і малих). За чотири роки відвідувань зоопарку вона зібрала кал 106 особин, що належать до 60 видів. Вона висушувала кожний зразок у мікрохвильовці, перетирала в блендері й товкла в ступці. Амбрі виходило незабутнє. Нагородою стала ДНК, що дозволила Лій описати мікробів, що живуть у кишечнику автора зразка.

Лій з'ясувала, що кишкові мікроби у всіх ссавців індивідуальні й при цьому діляться на певні групи залежно від походження їхнього власника й, що особливо важливо, його харчування [288] . У травоїдних було найбільше різновидів бактерій, а в хижаків – найменше. Всеїдні з усією своєю різноманітністю їжі виявилися посередині. Були й виключення: так, кишкові мікроби малих і великих панд більше нагадували мікробів їхніх хижих родичів – ведмедів, кішок і собак, – чим травоїдних, якими вони, властиво, є [289] . Але у цілому все збігалося. Пояснення тому було простим, а значення – украй важливим.

Для початку розберемо пояснення. Рослини – найпоширеніше джерело їжі на суші, але для того, щоб їх перетравити, потрібно більше ферментів. У рослинних тканинах у порівнянні з м'ясом тварин утримується більше складних вуглеводів, таких як клітковина, геміцелюлоза, лігнін і резистентний крохмаль. У хребетних немає молекулярних приладів, щоб їх розщепити, а в бактерій є. У широко розповсюдженої кишкової бактерії B-theta потрібних ферментів більш 250, а в нас і сотні немає, і це при тому, що наш геном в 500 разів більший. Розколюючи рослинні вуглеводи на частини своїми інструментами, B-theta і інші мікроби вивільняють речовини, що живлять наші клітини прямо. Разом вони роблять 10 % споживаної нами енергії й аж 70 % енергії корови або вівці. Щоб харчуватися рослинною їжею, тварині необхідна безліч мікробів, при чому самих різних [290] .

Тепер про значення. Перші ссавці були хижаками – малюсінькими метушливими поїдачами комахами. Перехід з м'яса на рослинну їжу став для нас справжнім проривом. Завдяки достатку й різноманітності рослин травоїдні почали розбудовуватися набагато швидше своїх м'ясоїдних родичів і незабаром зайняли екологічні ніші, залишені після себе великими динозаврами. Більша частина нині живучих ссавців їдять рослинну їжу, та й майже у всіх загонах є хоча б кілька травоїдних видів. Навіть у загоні хижих, куди входять кішки, собаки, ведмеді й гієни, є також і панди, які харчуються бамбуком. Виходить, що успіх ссавців заснований на вегетаріанстві, а вегетаріанство – на мікробах. Різні групи ссавців знову й знову отримували з їжею з середовища мікробів, здатних розщеплювати рослинні тканини, і за допомогою їхніх ферментів розправлялися з листами, стеблами й галузями.

Просто завести в себе потрібних мікробів недостатньо. Їм для роботи потрібні простір і час. Травоїдні ссавці надали їм і те й інше. Вони збільшили ділянки травного тракту, перетворивши їх у відсіки для ферментації, щоб оселити там своїх помічників і сповільнити хід їжі, завдяки чому ті встигали її переробити. У слонів, коней, носорогів, кроликів, горил, свиней і деяких гризунів ці відсіки перебувають у нижній частині травного тракту – у кишечнику. Вони спочатку отримують з їжі якнайбільше живильних речовин за допомогою своїх власних ферментів, а потім уже віддають її на розтерзання мікробам. В інших ссавців – корів, оленів, овець, кенгуру, жирафів, бегемотів і верблюдів – ферментація їжі відбувається у верхній частині тракту: здійснюючі її мікроби живуть або у відділах, що передують шлункові, або в перших же його камерах. Частину живильних речовин ці тварини витрачають на бактерій, опісля потім самі ж їх перетравлюють. «Ось навіщо поміщувати ці відсіки зверху – так можна й самих бактерій з'їсти, – пояснює Лея. – Це ж логічно. Можна спокійно жувати солому й однаково отримувати всі необхідні живильні речовини». Деякі з них – наприклад, велика рогата худоба – дають мікробам додатковий час за допомогою руминації – це досить неприємний, але ефективний цикл, під час якого їжа відригається, пережовується й знову проковтується.

Залежно від розташування відсіків для ферментації їжі в них з'являються різні мікроби. Лій з'ясувала, що мікроби тварин, що розщеплюють їжу у верхній частині травного тракту, більше подібні один на одного, чим на мікробів ссавців, що оселили їх у нижній частині, і навпаки. Ці подібності виходять за межі, установлені загальними предками. У кенгуру, стрибаючого сумчастого з Австралії, і окапи, африканського родича жирафів у смугастих штанцях, мікробіоми багато в чому подібні. У тварин з відсіками для ферментації, розташованими в нижній частині тракту, подібності такі ж [291] .

Інакше кажучи, мікроби вплинули на розвиток травної системи ссавців, а травна система ссавців – на еволюцію мікробів [292] .

Під час наступного експерименту Лій це стало ще помітніше. Вони з Робом Найтом порівняли результати секвенування мікробів тварин з зоопарку й інших тварин з самих різних середовищ – ґрунту, морської води, гарячих джерел і озер. Вони виявили, що в шлунково-кишкових трактах хребетних мікробіом куди різноманітніший, чим будь-де. Він відрізняється від мікробіомів мешканців озер, джерел і всього іншого навіть сильніше, чим ці місця одне від одного. Існує, як вирішили вчені, «дихотомія ЖКТ і іншого організму» [293] . «Досить зненацька, – говорить Найт. – Коли цей аналіз провели вперше, я подумав, що вони просто помилилися». Причина такого протиставлення поки неясна, але Найт відзначає, що травний тракт – унікальне середовище для мікробів: темно, кисню немає, рідини повно, імунними клітинами опікуване, а живильних речовин – хоч лопни. Тут здатні вижити не все бактерії, але ті, що виживають, виявляються перед безліччю екологічних можливостей, якими відразу користуються. Один представник виду попадає в кишечник і, одурівши від радості, дає початок новим родинним штамам і видам. У підсумку виходить сімейне древо з високим і міцним стовбуром, але рідкими й невеликими вітками, що змахує швидше на пальму, чим на дуб.

На островах інша справа приблизно так само. Ось тварина-першопрохідник виявляється на суші – її сюди приніс потужний ураган, або привезла упала у воду колода, або доправив човен… Вона вилітає, вибігає або виповзає на берег, а її потомство почне потроху заселяти різні місцеперебування на острові, формуючи нові види. Так з'явилися гавайські квіткарки, галапагоські в’юрки, змії Французької Полінезії, карибські аноліси… і, можливо, наші кишкові мікроби.

Наукова група виявила, що шлунково-кишкові мікробіоми рослирнноїдних хребетних тварин відрізнялися взагалі від усього – від мікробних співтовариств зовнішнього середовища, від мікробіома хижаків, від мікробіома інших частин тіла й від мікробіома безхребетних. Травна система сама по собі особлива, травна система хребетного особлива подвійно, а травна система хребетного-вегетаріанця – так взагалі у квадраті. Шматок прожованих пагонів і листів з безліччю вуглеводнів, які можна перетравити, – немов острів, на якому їжі удосталь. Він дасть поселенцям можливість вибирати, чим харчуватися, а також поштовх до розмноження й появи нових видів [294] . Травлення, кероване мікробами, не раз дозволило тваринам стати вегетаріанцями – при чому не тільки ссавцями.

Серед комах рекорд по поїданню рослин утримують терміти. В 1889 році видатний американський натураліст Джозеф Лейді розкрив кишечники термітів, щоб з'ясувати, чим вони харчуються. Розглядаючи розрізаних комах під мікроскопом, він з подивом виявив, що від їхніх тіл усюди розповзалися малюсінькі точки, немов «юрба людей, що розходяться по будинках зі зборів». Він вирішив, що це паразити, але зараз ми знаємо, що малюсінькі виселенці – це протісти, мікроби-еукаріоти з більш складною будовою, чим бактерії, але при цьому одноклітинні. Протісти становлять до половини ваги терміта-хазяїна, і тому є причина: вони виробляють ферменти для розщеплення грубої клітковини в деревині, якою терміти харчуються [295] .

Протісти в основному живуть у кишечниках термітів з самих ранніх груп, зневажливо названих нижчими. Так звані вищі терміти – ті ще сноби – з'явилися пізніше. Вони покладаються головним чином на бактерій, які живуть у них у шлунках, котрі за будовою, нагадують коров'ячі [296] . А ще більш пихаті макротерміти з'явилися зовсім недавно, і стратегія по знищенню деревини в них найвитонченіша – вони займаються сільським господарством. У поцяткованих печерами термітниках вони вирощують гриби, удобрюючи їх деревними друзками. Гриби розщеплюють клітковину на складові менші, які потім поїдаються термітами. Бактерії в них у кишечнику перетравлюють те, що залишилося. Самі терміти, у загальному- то, і не при справах: їх завдання – містити бактерії і вирощувати гриби. Якщо хоч один партнер зникне, терміти помруть від голоду. У їхньої королеви усе ще цікавіше. Вона величезна: її торс не довший нігтя, а ось черевце розміром з долоню, такий пульсуючий яйцекладучий мішок, настільки роздутий, що королева й поворухнутися не може. І мікробів у травному тракті в неї майже немає. Замість них її годують піддані (і

їхні


мікроби). Уся її колонія – тисячі робітників, мільярди мікробів, величезні плантації, що розщеплюють деревину грибів – виконують роль її травної системи [297] .

Відправившись в Африку, ви й самі переконаєтеся, наскільки така стратегія ефективна. Там макротерміти будують просто величезні термітники. Деякі з них досягають у висоту дев'яти метрів, підпираючи небеса готичними шпилями й виступами. Найбільш прадавньому з них – нині покинутому – 2200 років. У термітниках селяться й багато інших тварин, а когось терміти навіть годують. Крім того, вони поїдають такі, що розкладаютьться рослини й у такий спосіб переганяють через своє середовище живильні речовини й воду. Вони – інженери екосистеми. У савані вони нишком усім заправляють – точніше, не вони, а їхні мікроби. Без бактерій, що розщеплюють клітковину, африканські пейзажі виглядали б зовсім по-іншому. Зникли б не тільки терміти, але й колосальні череди антилоп, буйволів, зебр, жирафів і слонів, без яких тваринний світ Африки й уявити не можна.

Я якось побував у Кенії саме під час великої міграції гну – щорічного марафону, під час якого мільйони антилоп, зовні подібних на корів, долають величезні відстані в пошуках пасовищ. Один раз нам довелося зупинити джип більше чим на півгодини, щоб дати пройти немислимо довгій юрбі антилоп. Без мікробів, що дозволяють отримувати живильні речовини з грубої неперетравлюваної їжі, цих травоїдних би не було. Нас, до речі, також. Складно уявити собі, що без приручених бактерій ми ніколи б не просунулися далі полювання, збирання й простенького сільського господарства, не говорячи вже про те, щоб винайти міжконтинентальні перельоти й сафарі. Замість туристів, роззявивши рот ферментативних камер, що розглядають череду, що несеться повз із голосним тупотом копита, тут була б пустельна рівнина. І тиша.

Катерина Амато протягом тридцяти тижнів займалася тим самим. Вона вставала до світанку, відправлялася в мексиканський національний парк Паленке й вслуховувалася. З першими променями сонця гілки дерев оголошувалися глибоким і дуже голосним гортанним ревінням. Цей заклик виходив з глоток мексиканських ревунів – великих чорних мавп з чіпким хвостом, що живуть на деревах і відомих своїм потужним голосом. Амато цілий день стежила за ними, слідуючи за звуками їх ревіння, і, доки вони лазили по верхівках дерев, намагалася не відставати на землі. Її цікавив кишковий мікробіом ревунів, так що їй потрібно було зібрати їхній кал. Ревуни, що досить зручно, завжди випорожнюються одночасно. « Як тільки в одного процес пішов, уже знаєш, що зараз почнеться», – посміхається Амато.

А навіщо їй усе це? Справа в тому, що ревуни протягом року харчуються по-різному. Приблизно півроку вони в основному їдять фіги й інші фрукти – калорійно й перетравити кілька дрібниць. Коли фрукти закінчуються, мавпи переходять на листя й квітки – калорій менше, перетравити складніше. Деякі вчені припускали, що ревуни ведуть менш активний спосіб життя й у такий спосіб переживають голодування, але спостереження Амато це не підтвердили – її ревуни поводилися активно за всіх часів року. А ось кишкові мікроби в них змінюються. Що особливо помітно, під час відсутності фруктів вони виробляли більше коротколанцюгових жирних кислот. Ці речовини живлять клітини мавп, так що мікроби постачали хазяїв більшою кількістю енергії в період, коли калорій у їжі було мало. Завдяки їм ревуни, незважаючи на капризи пір року, харчуються стабільно [298] .

Було б занадто просто вважати, що кожний вид тварин постійно харчується чимсь одним. Насправді наше харчування змінюється залежно від пори року, а іноді навіть день у день. Ось ревун улаштовує собі фруктовий бенкет, а через місяць жує несмачне листя. У деякий час року білка об'їдається горіхами, а в інший взагалі нічого не їсть. Сьогодні я зжеру круасан, а завтра буду длубатися в салаті. І з кожним обідом і шматком ми вибірково годуємо мікробів, які найкраще перетравлюють те, що ми тільки що з'їли. Швидкість реакції в них відмінна. В одному дослідженні десять добровольців по п'ять днів просиділи на двох різних дієтах: одна містила в собі фрукти, городину і злаки, а друга – м'ясо, яйця й сир. Разом з харчуванням змінилися й мікробіоми учасників, при чому дуже швидко. Усього за день вони перемкнулися з рослинного режиму, розрахованого на вуглеводи, на м'ясний, розрахований на білки [299] . Власне кажучи, ці співтовариства мікробів сильно нагадували кишковий мікробіом травоїдних ссавців і, відповідно, м'ясоїдних. Мільйони років еволюції повторилися менше ніж за тиждень.

Так мікроби в нашому кишечнику дозволяють нам харчуватися найрізноманітнішою їжею. Жителям розвинених країн і тваринам у зоопарках це не так вже важливо – вони харчуються регулярно й у достатніх кількостях. Але для наших предків, що здобували їжу полюванням і збиранням, це напевно мало величезне значення, а дикі тварини, такі як ревуни, можливо, тільки завдяки цьому й виживають. Вони харчуються тим, чим дозволяє пора року. Достаток їжі в них нерідко змінюється голодом. Іноді їм доводиться пробувати нову, незнайому їжу. Упоратися з цими завданнями допомагає, що швидко адаптується мікробіом. Він надає стійкість і гнучкість у мінливому й ненадійному світі.

Для тварин така гнучкість, звичайно, перевага, зате для нас – проклін. Західний кукурудзяний кореневий жук, що живе в Північній Америці, – небезпечний шкідник. Дорослі особини відкладають яйця на полях кукурудзи, а на наступний рік їхні личинки об'їдають коріння рослин. Такий життєвий цикл робить комах уразливими: якщо рік у рік чергувати посів кукурудзи й соєвих бобів, дорослі особини відкладуть яйця в кукурудзі, а личинки вилупляться в сої й загинуть. Цей процес відомий як чергування культур і для винищування кукурудзяного жука він досить ефективний. Тільки ось деякі лінії за допомогою мікробів розвили стійкість до чергування. Кишкові бактерії таких жуків навчилися перетравлювати соєві боби. Так дорослі особини розірвали прадавній зв'язок з кукурудзою й почали відкладати яйця на полях з соєвими бобами, щоб їх личинки лупилися посередині золота кукурудзи. Завдяки мікробіому, здатному швидко адаптуватися, ці шкідники продовжують нам шкодити [300] .

Живі істоти, як правило, не дуже прагнуть, щоб їх з'їли. Вони захищаються. У тварин є вибір – боротися або втекти. Рослини не настільки рухливі, так що вони покладаються на хімічний захист. Їхні тканини заповнюються речовинами, відлякуючими рослиноїдних тварин, – отрутами, які шкодять здоров'ю, позбавляють можливості мати потомство, приводять до втрати ваги або неврологічним розладам, провокують появу пухлин або викидні й просто вбивають.

Креозотовий кущ – одна з найпоширеніших рослин у пустелях Південного Заходу США. Він досягнув успіху завдяки своїй стійкості до посухи, старіння й щелеп тварин. Його листи покрите смолою, у якій утримуються сотні хімічних речовин, разом складаючих до чверті сухої маси чагарника. Ця суміш виливає різкий запах, що запам'ятовується, який особливо відчувається, коли листя мокне під дощем. Говорять, що креозот пахне дощем, але насправді швидше дощ пахне креозотом. Як би там не було, запах смоли не шкідливий, зате при влученні усередину вона шкодить печінці й ниркам. Лабораторний пацюк, поївши листів креозотового куща, помирає. А ось з пустельним хом'яком нічого не відбувається. Він ще з'їсть. І ще. У пустелі Мохаве гризунам так подобаються ці листи, що взимку й навесні вони в основному ними й харчуються. Щодня вони з'їдають стільки смоли, що будь-який інший гризун уже давно б склеїв лапки. Як їм це вдається?

У тварин існує безліч способів обійти отрутний захист рослин, але в кожного способу є своя ціна. Можна їсти лише найменш отрутні частини, але чим тварина вибаглива, тим менше в неї можливостей. Можна вживати в їжу нейтралізуючі речовини, наприклад глину, але для пошуку протиотрути потрібні зусилля й час. Можна самим створювати знешкоджуючі ферменти, але на це потрібна енергія. Бактерії пропонують альтернативний розв'язок. Вони – майстри біохімії, здатні розщепити що завгодно, від важких металів до неочищеної нафти. Отрути рослинного походження? Так запросто! Ще в 1970 році вчені висунули припущення, що мікроби в травному тракті знешкоджують усі отрути в їжі ще до того, як вони потраплять у кишечник [301] . Завдяки тому, що мікроби обеззброюють їжу заздалегідь, тваринам не доводиться думати про протиотрути. Еколог Кевін Коль припустив, що своєю стійкістю пустельний хом'як зобов'язаний саме бактеріям, а перевірити цю теорію йому допомогли кілька тисячоліть кліматичних змін.

Приблизно 17 тисяч років тому на півдні сучасних США почало теплішати, і незабаром з Південної Америки туди переселився креозотовий кущ. Він затишно влаштувався в теплій пустелі Мохаве, де його й виявили пустельні хом'яки. Але до пустелі Великого Басейну до півночі від Мохаве він так і не добрався – там холодніше. Там пустельні хом'яки креозотовий кущ в очі не бачили й харчувалися в основному ялівцем. Якщо здогад Коля був вірний, у кишечнику досвідчених пустельних хом'яків Мохаве повинне було бути досить бактерій, що знешкоджують отруту, яких не було в непідготовлених гризунів Великого Басейну. Колі впіймав у кожній пустелі по кілька особин – і все підтвердилося. Зіштовхнувшись з токсинами креозотової смоли, кишкові бактерії непідготовлених особин поняття не мали, що робити, а ось мікроби досвідчених хом'яків перемикалися на гени, що розщеплюють токсини, і швиденько з ними розправлялися. Щоб остаточно довести, що досвідчені особини зобов'язані своєю майстерністю мікробам, Коль додав у їхній корм антибіотики. Хом'яки всі так само спокійно їли звичайний лабораторний корм, а от креозотові листи заподіювали їм біль. Без кишкових мікробів вони реагували на креозотову смолу навіть гірше, чим їхні побратими з Великого Басейну, жодного разу, що не пробували її в природних умовах. Хом'яки почали посилено втрачати вагу, так що Коль був змушено закінчити експеримент достроково. Усього за пару тижнів він змінив напрямок 17 тисяч років еволюції й перетворив професійних поїдачів креозотових кущів у повних дилетантів [302] .

І навпаки також. Він зібрав кал досвідчених хом'яків, перетворив його в кашку в блендері й згодував непідготовленим гризунам, щоб знешкоджуючі мікроби поселилися в них у кишечнику. І ось ці особини почали спокійно уплітати креозотові листи. Їхні новоявлені здатності особливо відбилися на сечі: через токсини в креозотовій смолі вона темніє, а колись недосвідчені хом'яки тепер розщеплювали токсини в таких кількостях, що мочилися золотавою, чистою рідиною. За кілька обідів вони набралися досвіду, який їх побратими накопичували багато тисяч років.

Очевидно, коли креозотові кущі вперше з'явилися в Мохаве, відбулося щось подібне. Пустельний хом'як наткнувся на незнайомий йому кущик і вирішив спробувати. Фу, гидота яка! Між тим, узимку їжі й так мало, так що вибирати не доводиться. Ну, тоді ще шматочок. З кожним шматком в організм хом'яка попадали мікроби, що живуть на креозотових листах, – можливо, вони вже тоді вміли розщеплювати токсини смоли. З'ївши цих мікробів, хом'як і сам став краще підготовленим. Потім він тікає й справляє потребу, залишаючи після себе кульку калу, наповнену бактеріями. Цю кульку знаходить і з'їдає інший хом'як – так суперсила поширюється. Зрештою здатність їсти листи рослини з'являється у всіх хом'яків, і швидко вона пошириться по всій пустелі. Можливо, саме своїй готовності приймати нових мікробів ці гризуни зобов'язані своїм успіхом і невибагливістю [303] .

І таких прикладів багато – мікроби нерідко дають хазяям можливість уживати в їжу щось потенційно смертельне [304] . Лишайники – усім відомі ікони симбіозу – повні отруйної уснінової кислоти. А північні олені, що харчуються в основному лишайниками, уміють розщеплювати її так, що в екскрементах від неї й сліду майже не залишається. Очевидно, і тут справа в кишкових мікробах. Багато рослинноїдних ссавців, від коал до хом'яків, є переносниками мікробів, що розщеплюють таніни – гіркі з'єднання, що надають в'язкий смак червоному вину, але, що шкодять печінці й ниркам. Кишкові мікроби кавового жучка 

Hypothenemus hampei


уміють розщеплювати кофеїн – речовину, що дозволяє кофеманам прокинутися й отруюючу будь-якого шкідника, що бажає поласувати кавовими зернами. Кожного, крім кавового жучка. Завдяки бактеріям, що розщеплюють кофеїн, він став єдиною у світі твариною, здатною харчуватися лише кавовими зернами, і однією з головних загроз світової індустрії кави.

Знешкодження поряд з перетравлюванням, виживання не тільки завдяки їжі, але й всупереч їй – травоїдним без таких прийомів не прожити. Сполучивши здатності мікробів і власні харчові стратегії, рослиноїдні отримали можливість харчуватися будь-якою зеленню, що знайдуть. Рослинам доводиться все це терпіти, але вони начебто б справляються. Креозотові кущі, буваючи основною їжею пустельних хом'яків, залишаються головною рослиною пустелі Мохаве. Скільки б північні олені не щипали лишайники, вони однаково ростуть по всій тундрі. Евкаліпти постійно втрачають листя через коал, але в Австралії й прогулятися не можна так, щоб хоч на один не натрапити. Навіть з кавою, на щастя, усе буде в порядку. Але іноді мікроби заходять зі своїм знешкодженням занадто далеко. Іноді рослинам доводиться зовсім несолодко.

Пролітаючи над лісами на заході Північної Америки, ви, швидше за все, помітите великі ділянки дерев з поруділими кронами або голими гілками. На перший погляд вони, може, і подібні на мальовничий осінній пейзаж, ось тільки насправді це натюрморт. Ці дерева – 

сосни .


У них не повинні рудіти голки. Це вічнозелені рослини – точніше, були б такими, якби не гинули в настільки величезних кількостях. А хто вбивця? Сосновий лубоїд 

Dendroctonus ponderosae


- синювато-чорна комаха розміром з зернятко рису. Він проникає під кору дерева й створює там довгі коридори, по шляху відкладаючи в них яйця. Личинки, вилупившись з яєць, пробираються усередину до луб'яного шару, щоб харчуватися його соком. Один жук – не проблема, але в одному дереві поселяються відразу тисячі. Віддерши шматок кори, ви побачите їхній утвір – цілий лабіринт тунелів, що проходять по всьому стовбуру. Лубоїди позбавляють дерево більшої частини живильних речовин, так що воно починає гинути. А заодно й дерево поруч з ним. І всі їхні сусіди. Цілі акри дерев рудіють і помирають [305] .

Спільники лубоїда ще менші, чим він сам, – куди б він не направився, його супроводжують два види грибів. Вони для жука – харчові добавки, як 


Buchnera


для попелиць. Самі жуки живуть прямо під корою, живильних речовин там небагато. Гриби ж вростають у стовбур і добираються до недоступних жукам запасів азоту й інших необхідних для життя речовин. Добравшись, вони починають переганяти речовини ближче до поверхні стовбура – у межі досяжності личинок. «Ці жуки їдять усяку дурницю, а гриби постачають їх живильними речовинами», – пояснює ентомолог Діана Сікс, багато років вивчаюча лубоїдів. Коли личинка жука нарешті перетворюється в лялечку, гриби роблять спори – міцні репродуктивні капсули. Доросла особина, вилупившись, укладає спори в порожнини в роті, що нагадують валізи, і тягне їх до наступної бідолахи-сосни.

Навали жуків починаються й затихають, але ось остання виявилася вдесятеро масштабніше будь-якого попереднього – не в останню чергу завдяки глобальному потеплінню. З 1999 року лубоїди і їхні грибкові офіціанти згубили більш половини дорослих сосен у Британській Колумбії й уразили більш 15 тисяч квадратних кілометрів у США. Вони навіть якимось чином переправилися через Скелясті гори, що багато років утримували їх на західній окраїні континенту, і тепер поширюються на схід. А на шляху в них величезні, пишні й уразливі лісові масиви.

Але дерева просто так не здаються. При нападі жуків вони починають посилено виробляти терпени – вуглеводні, здатні при достатній концентрації й жуків убити, і грибок знищити. Вважається, що жуки з цією перешкодою справляються грубою силою – за один раз їх нападає стільки, що дерево просте не встигає виробляти терпени в потрібних кількостях. Ентомологові Кену Раффі таке пояснення здалося нелогічним. Якби все було так, дерева б робили відразу багато терпенів і їх рівень швидко падав би з настанням усі нових і нових армій лубоїда. На ділі ж усе відбувається по-іншому: дерева утримують хімзахист на високому рівні принаймні з місяць. Виходить, що личинкам жука доводиться боротися з ще більшою кількістю токсинів, чим їхнім батькам. Як у них це виходить?

Наукова група Раффи з'ясувала, що лубоїди співробітничають не тільки з грибами, але й з бактеріями, такими як 


Pseudomonas


і 

Rahnella


- вони були знайдені у всіх уражених лубоїдами деревах. Вони всюди – на екзоскелетах комах, на стінах їх лабіринтів, у їхніх ротових органах і кишечниках. Вони – свого роду еліта: їх набагато менше, чим у кишечниках термітів, та й з травленням вони не допомагають. Зате вони мають цілий набір генів для розщеплення терпенів, і в лабораторних умовах вони успішно з цими речовинами розправляються. Різні види бактерій уміють розщеплювати різні речовини, так що разом вони справляються з усіма [306] .

Хотілося б заявити, що розв'язок знайдений: бактерії обеззброюють дерева, а жуки переносять їх від одного стовбура до іншого. Але, як ми вже знаємо, світ симбіозу складніший, чим здається, і прості пояснення, при всій своїй принадності, нерідко виявляються невірними. Відомо, що ці ж бактерії живуть і на здорових хвойних деревах – не виключено, що вони є частиною мікробіома


дерева .


При нападі жуків і підвищенні рівня терпенів бактерії починають бенкетувати. Обід у них виходить відмінний, але в підсумку вони, самі того не бажаючи, шкодять дереву – своєму хазяїнові – і допомагають лубоїдам. Також з'ясувалося, що й жуки здатні виробляти деякі ферменти, що розщеплюють терпени. Так у якому же ступені їм допомагають бактерії – беруть на себе більшу частину роботи або ділять обов'язки з комахами так само, як попелиці й 

Buchnera


разом створюють амінокислоти? І що найголовніше – чи дійсно вони збільшують шанси лубоїдів вижити?

Поки ясно ось що: на ліс зрушується союз тварин, грибів і бактерій, і дерева, незважаючи на всі свої зусилля по самозахисту, поступово помирають. Їхня загибель свідчить про міць симбіозу – сили, що дозволяє найсмирнішим істотам здолати найсильніших. Щоб розглянути жуків, вам доведеться прищуритися, а щоб побачити їхніх мікробів – озброїтися мікроскопом, хоча прояви їхнього взаємогарантованого успіху помітні аж з небес.

Завдяки отриманим від мікробів здатностям напівжорсткокрилі навчилися харчуватися соком рослин, а терміти й травоїдні ссавці – жувати їхні стебла й листя. Трубчасті хробаки поселилися на найглибших ділянках океанського дна, пустельні хом'яки поширюються по американських пустелях, а соснові лубоїди влаштовують у вічнозелених лісах розруху континентального масштабу [307] .

Звичайний павутинний кліщ до пафосу й хвалебностей не схильний – він капостить непомітно. Малюсіньке павукоподібне червоного кольору розміром менше цієї коми, як і лубоїд, губить рослини, нападаючи на них незліченними арміями. Розповсюджений цей шкідник по усьому світу. Такому успіху він зобов'язаний стійкості до пестицидів і різноманітним перевагам: він харчується більш ніж 1100 видами рослин, від помідорів до полуниці, від кукурудзи до сої. Для такої смакової палітри потрібні неслабі навички по знешкодженню токсинів, адже кожна рослина озброєна своєю сумішшю захисних речовин і павутинному кліщеві потрібно з ними всіма вміти справлятися. На щастя для нього, він має цілий арсенал знешкоджуючих генів, які активуються залежно від того, соком якої рослини кліщ збирається поласувати.

І тут, зважаючи на все, мікроби не відіграють ніякої ролі. Павутинний кліщ, на відміну від пустельного хом'яка й соснового лубоїда, не розраховує на кишкових бактерій і сам робить свою їжу придатною до вживання. Усе необхідне уже є в нього в геномі. Але бактерії важливі навіть тоді, коли їх немає.

Багато рослин, соком яких харчується павутинний кліщ, при ушкодженні своїх тканин виробляють синильну кислоту. До всього живого ця речовина напрочуд недружелюбна. Дератизатори отруювали синильною кислотою пацюків і інших гризунів, китолови змазували нею гарпуни, нацисти використовували її в концтаборах – а павутинному кліщеві до лампочки. Один з його генів виробляє фермент, що перетворює синильну кислоту в зовсім нешкідливу речовину. Цим же геном володіють гусениці різних метеликів і молей – для них синильна кислота також безпечна. Ні павутинний кліщ, ні гусениці цей ген не винайшли й не успадкували від загального предка.


Цей ген їм дали бактерії [308] .





Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   31


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет