Вселенная внутри нас. Как микробы обогащают наш взгляд на жизнь - Эд Йонг

микробов столь для нас важен, что мы продолжаем это делать, даже когда не едим сами. Когда животное заболевает, у него, как правило, пропадает аппетит – здравая тактика, позволяющая не тратить энергию на поиски пищи, а вместо этого направить ее на выздоровление. Это значит, что у наших микробов начинается временный кризис – они голодают. Больные мыши в таких случаях вырабатывают для них резервный паек – моносахарид фукозу. Кишечные микробы могут понемногу отъедать кусочки от нее, чтобы дожить до той поры, когда хозяин начнет кормить их в прежнем режиме[170].

Бактерии из группы Bacteroides, обожающие гликаны, вскоре становятся самой распространенной группой микробов во всем кишечнике. Однако следует учесть то, что гликаны настолько разнообразны, что приспособлений, необходимых для того, чтобы съесть их все, нет ни у одного вида бактерий. Это означает, что, употребляя с пищей или производя достаточно гликанов, мы способны поддерживать изобилие разных бактерий. Одни из них едят что придется, словно голуби или еноты, а другие привередничают, как, например, панды или муравьеды. Они образуют пищевые сети, в которых одни микробы расщепляют самые крупные и прочные молекулы на кусочки поменьше, которые затем подъедают другие микробы. Они вступают в соглашения, по условиям которых два вида кормят друг друга, переваривая разную пищу и оставляя огрызки, которые сможет съесть партнер. Они объявляют перемирие и регулируют свои предпочтения в еде так, чтобы не конкурировать с соседями[171].

Их взаимодействия для нас важны, ведь они способствуют стабильности. Если бы одна бактерия слишком усердно поедала гликаны, возможно, она проела бы в слизистом барьере дыру, через которую могли бы пробраться и другие микробы. А вот сотни соперничающих видов не дают друг другу объесться и присвоить себе все пищевые ресурсы. Предоставляя бактериям питательные вещества в широком ассортименте, мы кормим множество их видов и укрепляем огромные и разнообразные сообщества. А эти сообщества, в свою очередь, мешают патогенам захватить кишечник. Если мы правильно накроем стол, на ужин пожалуют те, кого мы ждем, а незваные гости останутся за дверью. Эту традицию начали наши матери, вскормив нас своим молоком, когда мы родились, а мы продолжаем их правое дело.

У хозяев есть и другой способ свести борьбу со своими микробами на нет, причем весьма радикальный: в результате их зависимость друг от друга может достичь такого уровня, что, по сути, они станут одним организмом[172]. Это происходит, когда бактерии забираются прямо в клетки организма-хозяина и затем добросовестно передаются потомству. Теперь их судьбы накрепко связаны. У них все еще есть собственные интересы, но они настолько схожи, что различия уже не имеют значения.

Такие взаимоотношения наиболее популярны у насекомых, и они заманивают микробов в ловушку примитивизации. В клетках хозяина микробы ограничены маленькими популяциями и лишены общения с другими бактериями. Из-за изоляции в их ДНК накапливаются вредные мутации. Все гены не первой необходимости портятся, становятся бесполезными и в конце концов исчезают[173]. Если засунуть симбионта в клетку насекомого и ускорить время, можно будет увидеть, как его геном искажается, коверкается и сокращается. В конце концов в нем останется минимум генов – в основном лишь те, что необходимы для поддержания жизни. У обычного свободного микроба, например у кишечной палочки, геном состоит примерно из 4,6 миллиона нуклеотидов. У Nasuia, самого мелкого из известных симбионтов, их всего 112 тысяч. Если бы геном кишечной палочки был размером с эту книгу, то, чтобы сделать из него Nasuia, вам пришлось бы вырвать все страницы, оставив лишь пролог. Такие симбионты полностью одомашнены: самостоятельно им не выжить, они навсегда заперты в хоромах тел своих хозяев-насекомых[174]. А те, в свою очередь, начинают полагаться на сморщенных симбионтов, которые предоставляют им питательные вещества и другие плюшки. Именно в результате этого процесса древние бактерии превратились в митохондрии – важнейшие органеллы, без которых нам не выжить.

Такие слияния успешно решают все конфликты хозяев с микробами, но и у них есть побочные эффекты. Джон Маккатчен, высокий лысый биолог в очках и хорошем настроении, понял это при исследовании периодической цикады Magicicada tredecim. У этой букашки черное тельце и красные глаза, а большую часть жизни она проводит в стадии нимфы, проживая под землей и питаясь жидкостью с корней растений. Через тринадцать лет праздного существования все цикады разом выбираются и устраивают всеобщую какофонию. А после нескольких часов бурного секса они все разом умирают, устилая землю разлагающимися трупиками. Раз уж образ жизни у них такой чудной, подумал Маккатчен, то и симбионты у них, наверное, такие же чудные. И он оказался прав – вот только ему и в голову не приходило, насколько чудными они окажутся.

Последовательности ДНК симбионтов цикад продемонстрировали полный бардак. Казалось, что они должны принадлежать одному и тому же геному, только Маккатчену словно выдали вперемешку фрагменты нескольких одинаковых, но неполных наборов паззлов. Окончательно запутавшись, он принялся за изучение другого вида цикад, Tettigades undata из Южной Америки, с меньшей продолжительностью жизни, но более пушистых. И тут он столкнулся с той же проблемой: фрагменты ДНК никак не хотели собираться в один цельный геном. Зато в два – запросто.

Эти два генома принадлежали бактериям, произошедшим от симбионта Hodgkinia. Забравшись в пушистика, бактерия каким-то образом разделилась на два разных «вида» – прямо внутри насекомого[175]. Оба дочерних вида утратили по части исходных генов Hodgkinia, но каждый избавился от тех генов, что остались у другого. Хоть их нынешние геномы и не такие полные, как были раньше, они идеально друг друга дополняют. Они – словно две половинки того, что когда-то было целым: все, что умела первоначальная Hodgkinia, умеют и две ее дочки, когда работают вместе.

Чтобы понять, что же там у них творится, Маккатчену потребовался почти год, зато, когда он наконец разобрался, стала понятнее и путаница в симбиотических ДНК M. tredecim. В организме этой цикады тоже обитает Hodgkinia, вот только вместо того, чтобы разделиться на два вида, она разделилась на неизвестно сколько. Ее ДНК в итоге сложилась по меньшей мере в 17 отдельных колец, а может, и во все 50. Является ли обладатель каждого генома отдельным видом? Или это разные бактериальные линии, чьи геномы распределились по разным кольцам? Никто не знает. Как бы там ни было, научная группа Маккатчена уже исследовала множество других цикад и не раз столкнулась со схожим расщеплением. В одной из чилийских цикад Hodgkiniaразделилась на шесть взаимодополняемых геномов[176].

Гены, отвечающие за создание необходимых для жизни витаминов, во всех подобных случаях раскиданы по геномам