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

иммунной системы, порой зависят от микробов. Нам также известно, что некоторые микробы награждают хозяев уникальными способностями – от светящегося камуфляжного костюма гавайской эупримны до мастерства регенерации плоского червя Paracatenula. А сейчас мы узнаем, как полученные от микробов способности превратили некоторые группы животных в победителей эволюционной гонки, способных переваривать неперевариваемую пищу, выживать в самых суровых условиях, не погибать от смертельных веществ и вообще добиваться успеха там, где другие виды сдаются. Лучше всего, конечно, начать с полужесткокрылых.

Немецкий зоолог Пауль Бухнер занялся изучением их симбионтов в 1910 году во время своего путешествия по миру насекомых[275]. Проанализировав вдоль и поперек бессчетное количество видов, он пришел к выводу, что симбиоз животных и микробов случается далеко не так редко, как на тот момент считалось. Оказалось, что это не исключение, а правило – «широко распространенное, хоть и всегда второстепенное приспособление, что дает животным-хозяевам множество новых возможностей». Результатом десятилетий работы стал величайший труд под названием «Эндосимбиоз животных и микроорганизмов растений»[276], переведенный на английский язык и напечатанный как раз перед восьмидесятилетием Бухнера. Моран достает экземпляр с полки в своем кабинете и с благоговением перелистывает страницы. «Это библия нашей области науки», – с почтением объясняет она.

Букашки интересуют Моран не один десяток лет. Когда-то она была из тех детей, что коллекционируют насекомых и хранят их в баночках. Сейчас она одна из ведущих ученых в области симбиоза, и краеугольным камнем ее карьеры стали тли. В 1991 году она помогала секвенировать гены симбионтов одиннадцати видов тлей – на тот момент это была та еще задачка, ведь технология секвенирования только начинала развиваться и ей с коллегами приходилось «таскать дискеты туда-сюда». Тогда они выяснили, что все симбионты тлей принадлежат к одному и тому же неизвестному виду. По традиции только что открытых микробов называют в честь особенно крутых микробиологов – это что-то вроде автографа. Имя Симеона Берта Вольбаха, например, навсегда увековечено вольбахией. Луи Пастер продолжает жить как Pasteurella. Вряд ли вы слыхали о Дэниеле Элмере Салмоне, малоизвестном американском ветеринаре, а вот с сальмонеллой – его «тезкой» – вы наверняка знакомы. Как же назвать симбионта тли? Моран и выбирать не пришлось – разумеется, Buchnera[277].

Buchnera – партнер тли с древних времен. Семейное древо разных штаммов Buchneraточно такое же, как у ее хозяев тлей: нарисуете одно – получите заодно и другое[278]. Это означает, что Buchnera заселила организм тли лишь однажды (ну или лишь одно заражение оказалось успешным). Случилось это 200–250 миллионов лет назад, когда динозавры только начали появляться, а млекопитающие и цветы еще не существовали. Чем же все это время занималась Buchnera? Бухнер предположил, что симбионты главным образом помогают хозяевам переваривать пищу. Ведь именно так ведут себя симбионты многих изученных им насекомых. Однако с Buchnera дело обстоит немного иначе. Она не расщепляет питательные вещества тли. Она их дополняет.

Тли питаются флоэмным соком – текущей по стеблю сладкой жидкостью. Это во многом отличный источник пищи: сахаров много, токсинов мало, да и другие животные на него не покушаются. Но, увы, в нем не хватает некоторых питательных веществ, в том числе десяти незаменимых аминокислот, необходимых животным для выживания. Нехватка хоть одной из них может привести к непоправимым последствиям. Нехватка всех десяти была бы вообще несовместима с жизнью, если бы им не было достойной замены. Сейчас имеются веские доказательства того, что эта замена и есть Buchnera[279]. Ученые выяснили, что если избавиться от Buchnera в организме тли с помощью антибиотиков, то для того, чтобы выжить, тле потребуются искусственные заменители аминокислот. Они отследили перемещения питательных веществ от микроба к хозяину с помощью радиоактивных веществ и обнаружили, что аминокислоты двигаются именно в этом направлении. И они доказали, что в геноме Buchnera, каким бы измельчавшим он ни был, сохранились многие гены, необходимые для создания незаменимых аминокислот.

Многие, но не все. Создание аминокислот – задача не из легких, и в нее входит прогон начальных составляющих через серию химических реакций, каждую из которых ускоряют разные ферменты. Представьте себе конвейер на автомобильном заводе, проходящий через несколько устройств. Одно устанавливает сиденья, другое – раму, третье ставит колеса. В конце с конвейера сходит готовая машина. Биохимические конвейеры по производству аминокислот работают примерно так же, но ни тля, ни Buchnera не способны сами создать все необходимые ферменты. Им приходится работать вместе, чтобы построить конвейер, идущий по обоим заводам сразу, один из которых находится в другом. Только вместе они способны прожить на одном флоэмном соке[280].

Связь между питанием соком растений и дополняющими симбионтами подчеркивают те полужесткокрылые, что утратили и то и другое. Некоторые виды поедают клетки растений целиком, а раз аминокислот с питанием в их организм теперь поступает достаточно, то и от симбионтов они избавились. В их отношениях нет места ностальгии и сентиментальности. Жесткие условия естественного отбора диктуют, что если партнер больше не нужен, то он изгоняется. К генам это тоже относится – потому-то полужесткокрылые изначально и оказались в таком опасном положении в плане питания. Они – животные, а все животные происходят от одноклеточных хищников, поедающих все вокруг. Пища обеспечивала их большей частью необходимых питательных веществ, так что они утратили гены, необходимые для их создания. Нас – тлей, панголинов, людей и всех остальных – это наследие обременяет до сих пор. Никто из нас не умеет создавать десять незаменимых аминокислот самостоятельно, так что нам приходится получать их с пищей. А если мы решим соригинальничать и начнем питаться скудной пищей, например флоэмным соком, нам потребуется помощь.

И тут за дело берутся бактерии. Они не раз позволили полужесткокрылым пересечь границу, за которой находится все царство животных, и начать питаться тем, что почти никто не ест[281]. Когда сушу заселили растения, вместе с ними появились и питающиеся их соком букашки. Сейчас среди них насчитывается около 5000 видов тли, 1600 видов белокрылок, 3000 листоблошек, 8000 червецов, 2500 цикад, 3000 церкопоидов, 13 тысяч фулгороидов и больше 20 тысяч цикадок – и это лишь те, о которых мы уже знаем. Благодаря своим симбионтам полужесткокрылые стали настоящим воплощением успеха.

Полужесткокрылые – далеко не единственные животные с симбионтами, связанными с питанием. На таких микробов полагаются от 10 до 20 % насекомых – они обеспечивают насекомых витаминами, аминокислотами для создания белков и стеринами для создания гормонов[282]. Благодаря своим живым дополнениям животные имеют возможность прокормить себя даже неполноценной пищей, от сока растений до крови. Муравьи-древоточцы – разнообразная группа, состоящая где-то