Как микробы управляют нами. Тайные властители жизни на Земле - Эд Йонг

Для этих животных жизнь в глубине океана – это пункт назначения обратного пути эволюции, занявшего миллиарды лет. Жизнь на Земле появилась у глубоководных источников, и первыми живыми созданиями стали хемосинтезирующие микробы (кстати, один из участков в Галапагосском рифте назван «Эдемским садом»). Первые микробы со временем развились в бесчисленные формы, замечательные и причудливые, которые выбрались из глубин туда, где помельче. Некоторые дали начало более сложным существам – животным. И некоторые из животных объединились с хемосинтезирующими бактериями и отправились обратно в бездну – в мир, где без бактерий они бы не смогли себя прокормить. Все животные, обитающие в районе гидротермальных источников, в том числе и Riftia, эволюционировали из видов, живших на мелководье, которые стали хозяевами глубоководных микробов. Установив с ними прочную связь, эти животные получили пропуск назад в катархейские глубины, где когда-то зародилась жизнь.

Хемосинтез появился в глубине океана, но встречается он не только там. Кавано обнаружила хемосинтезирующих бактерий в моллюсках, обитающих в богатом серой иле у берегов Новой Англии, что на северо-востоке США. Другие нашли подобные союзы на мангровых болотах, в затопляемых местностях, в загрязненном сточными водами иле и даже в грунте вокруг коралловых рифов – в общем, в экосистемах, больше всего похожих на мелководье. Николь Дюбилье, когда-то работавшая вместе с Кавано, исследует хемосинтез в месте, меньше всего на свете похожем на бурные гидротермальные источники, – на острове Эльба, прекрасном, как на открытке.

Эльба нежится в солнечных лучах, и эта энергия не пропадает впустую. В бухтах неподалеку от берега пышно произрастает морская трава. Хоть фотосинтез и кажется здесь главным, хемосинтезу тут тоже место есть. Дюбилье ныряет под заросли морской травы, зачерпывает горстку ила и из нее тут же высовываются ярко-белые веревочки. Это черви Olavius algarvensis, близкие родственники дождевых червей. В длину они несколько сантиметров, в ширину – полмиллиметра, и у них нет ни кишечника, ни рта. «По-моему, они лапушки, – умиляется Дюбилье. – Они белые, потому что у них под кожей бактерии-симбионты, в которых содержатся частицы серы. Их легко заметить». Эти бактерии хемосинтезирующие, как и во многих местных нематодах, моллюсках и плоских червях. Здесь, в средиземноморском иле, живущих на сульфидах организмов не меньше, чем на глубине. «В Италии! – торжественно заявляет Дюбилье. – Нам пришлось отправиться к неизведанным источникам на немыслимой глубине, чтобы понять, что симбиоз на основе хемосинтеза встречается прямо у нас под носом. Мы на каждой полевой вылазке открываем новые виды и новые симбиозы».

Эльба, может, и кажется идеальным местом, но хемосинтезирующим существам тут приходится несладко. Не забывайте, что бактерии Riftia высвобождают энергию, окисляя сульфиды. В иле у Эльбы сульфидов крайне мало, а значит, типичный хемосинтез там вроде бы вообще не должен происходить. Как тогда выживают черви Olavius? Дюбилье это выяснила в 2001 году, обнаружив, что у них два разных симбионта – большой и маленький, и оба под кожей[287]. Бактерия поменьше захватывает сульфаты, которых в иле Эльбы полно, и превращает их в сульфиды. Бактерия побольше затем окисляет сульфиды и запускает хемосинтез, прямо как микробы червя Riftia. В процессе она вырабатывает сульфаты, которые затем снова перерабатывает ее мелкая соседка. Два микроба по очереди кормят друг друга серой, благодаря чему питается и червь – эдакий симбиоз на троих. Приняв в союз маленьких бактерий, захватывающих сульфаты, черви Olavius сумели поселиться в иле, который иначе был бы слишком скудным для их обычных хемосинтезирующих товарищей.

С тех пор Дюбилье выяснила, что этот союз на самом деле еще сложнее, чем кажется. У Olavius, оказывается, аж пять симбионтов – двое перерабатывают сульфаты, двое занимаются сульфидами, а что делает пятый спиралеобразный симбионт – пока неясно. «Нам, наверное, еще лет тридцать понадобится, чтобы в этом разобраться!» – смеется Дюбилье. На самом деле ей повезло. Она занимается исследованием мелководных симбиозов, а значит, для сбора образцов ей не приходится втискиваться в тесный батискаф. Нужно всего лишь нырять на пляжах солнечной Эльбы, у Карибских островов, у Большого Барьерного рифа… Ох, нелегкая это штука, все эти исследования, но нужно же кому-то ими заниматься.

А вот у Рут Лей со сбором микробов возникли сложности. Проблема не в том, что ей нужны были образцы стула животных – в мире микробиомной науки к работе с испражнениями привыкаешь быстро. И не в обитателях зоопарка, чей стул она собирала, – от клыков и когтей ее всегда отделяли решетки, стены и смотрители зоопарка с палками наготове. Нет, проблему представляла бумажная волокита.

Лей – специалист по микробной экологии, и ей нужно было сравнить бактерий в кишечниках различных млекопитающих, чтобы понять, как их питание и эволюция повлияли на микробиом. Для этого ей требовалось много животных и много фекалий – и того и другого было предостаточно в зоопарке Сент-Луиса неподалеку. В перерывах между другими опытами Лей забегала туда с перчатками, мешочками и ведром сухого льда. Приветливый смотритель возил ее по зоопарку и отвлекал животных, пока она пробиралась в клетку и собирала помет. «Я просто туда ходила, когда понадобится, а потом кто-то заметил, что мы там бегаем и собираем какашки, и решил, что это должно быть официально», – жалуется она. На смену приветливому смотрителю и приключениям без всяких формальностей пришли официальный договор, бланк для сбора кала и строжайшее следование регламенту. Как-то зимним днем Лей заметила, что бегемот только что справил большую нужду на пол вольера. «Там во-о-от такая куча была! – восклицает она. – А они все твердили, что о бегемотах договоренности не было. А потом ко мне подошел уборщик и сказал, что через десять минут все это окажется в закоулке прямо за зоопарком и тогда я смогу взять, сколько мне надо». Ну, она и взяла.

Еще она собирала фекалии медведей (гималайских, белых и очковых), слонов (африканских и индийских), носорогов (индийских и черных), лемуров (черных, мангустовых и кошачьих) и панд (больших и малых). За четыре года посещений зоопарка она собрала кал 106 особей, принадлежащих к 60 видам. Она высушивала каждый образец в микроволновке, перетирала в блендере и толкла в ступке. Амбре получалось незабываемое. Наградой стала ДНК, позволившая Лей описать микробов, живущих в кишечнике автора образца.

Лей выяснила, что кишечные микробы у всех млекопитающих индивидуальны и при этом делятся на определенные группы в зависимости от происхождения их владельца и, что особенно важно, его питания[288]. У травоядных было больше всего разновидностей бактерий, а у хищников – меньше всего. Всеядные со всем своим разнообразием пищи оказались посередине. Были и исключения: так, кишечные микробы малых и больших панд больше напоминали микробов их хищных родичей – медведей, кошек и собак, – чем травоядных, коими они, собственно, являются[289]. Однако в целом все совпадало. Объяснение тому было простым, а значение – крайне важным.

Для начала разберем объяснение. Растения – самый распространенный источник пищи на суше, но для того, чтобы их переварить, требуется больше ферментов. В растительных тканях по сравнению с мясом животных содержится больше сложных углеводов, таких как клетчатка, гемицеллюлоза, лигнин и резистентный крахмал. У позвоночных нет молекулярных приборов, чтобы их расщепить, а у бактерий есть. У широко распространенной кишечной бактерии B-theta нужных ферментов более 250, а у нас и сотни нет, и это притом, что наш геном в 500 раз больше. Раскалывая растительные углеводы на части своими инструментами, B-theta и другие микробы высвобождают вещества, что питают наши клетки напрямую. Вместе они производят 10 % потребляемой нами энергии и аж 70 % энергии коровы или овцы. Чтобы питаться растительной пищей, животному необходимо множество микробов, причем самых разных[290].