Джон Тёрни - Я – суперорганизм! Человек и его микробиом
Так каково это – разделять жизнь с целой армией микроорганизмов? Для начала давайте посмотрим, как они живут. И пока основное внимание уделим бактериям.
Глава 2. Микробы – не мы… или все-таки мы?
Рассмотрим единичную бактерию. Пусть это будет все та же Escherichia coli. На краткий миг она оказывается в воздухе и затем падает на поверхность теплого, желеобразного, свежеприготовленного субстрата, богатого питательными веществами и находящегося в специальной лабораторной чашке для выращивания бактериальных культур. Бактерия может делать самые разные вещи, но главнейший приоритет для нее – при первой же возможности превратиться в две бактерии. В этих идеальных условиях, когда есть куда распространяться и нет конкуренции, такой процесс занимает всего 20 минут.
За это время бактерия полностью копирует ДНК своей единственной хромосомы и вырабатывает достаточно белков, каркасов клеточных стенок и других компонентов клетки, чтобы создать двойной запас всего необходимого. Затем она делится на две клетки, причем обе идентичны исходной. Спустя еще 20 минут каждая из новых клеток делится опять.
Этот процесс будет повторяться снова и снова. Микроб так стремится воспроизводить себя, что новая хромосома, полученная в результате удвоения, начинает очередной этап репликации еще до того, как происходит деление клетки, иначе ферменты, копирующие ДНК, не смогли бы делать свою работу с нужной быстротой.
Такой бешеный рост (в данном случае он называется экспоненциальным) приводит к весьма впечатляющим результатам – во всяком случае, с математической точки зрения. Через 7 часов у нас будет уже миллион E. coli, и они будут продолжать делиться. Один из персонажей «Штамма „Андромеда“» Майкла Крайтона говорит: «Можно показать, что всего за сутки одна клетка E. coli способна дать суперколонию, равную Земле по размерам и весу». Неверно: потребуется примерно два дня.
Впрочем, такого никогда не происходит, поскольку E. coli довольно скоро истощит запасы пищи и начнет задыхаться в собственных выделениях. Она среагирует на изменившуюся ситуацию, прекратив деление и перейдя в стационарную фазу, когда многие жизненные системы останавливают свою работу (или просто работают вхолостую), ожидая, пока представится новая возможность начать триумфальный рост.
Высочайшая скорость воспроизводства – одна из особенностей микробов, придающая им такую высокую приспособляемость. Существуют многие тысячи разновидностей бактерий. И любое конкретное место, будь то глубины океанских гидротермальных источников или глубины нашего кишечника, по существующим в нем условиям подходит для тех или иных бактерий. Другие бактерии тоже будут здесь присутствовать, но в значительно меньших количествах. Их обойдут конкуренты, лучше приспособленные к данной среде обитания. Но если условия изменятся, то эти неудачники, быть может, сами получат шанс совершить свой экспоненциальный рывок.
Эти две крайности – быстрое размножение и «сон» с почти полной остановкой жизненных процессов – помогают бактериям приспосабливаться к самым разным условиям и быть практически вездесущими. Они могут обитать едва ли не повсюду, питаясь едва ли не чем угодно. Они живут на Земле почти с самого начала и успели за это время перепробовать всевозможные метаболические фокусы. Даже если никто из них не интересовался бы жизнью на нас, о них стоило бы узнать побольше – хотя бы для того, чтобы понять основную часть истории жизни на Земле. Но их история не отделима от нашей. Есть большое искушение считать, что они очень отличаются от нас. Однако, как выясняется, у нас гораздо больше общего с нашими спутниками-микробами, чем мы думали.
Доминирующие виды
Крупное животное вроде Homo sapiens способно предоставлять убежище множеству других существ – желанных и нежеланных. Наше отношение к ним сложилось под влиянием ряда паразитов и червеобразных «пассажиров», которые слишком велики, чтобы стать частью микробиома, – от вшей до ленточных червей. На микроуровне, где численность населения гораздо больше, обнаруживается множество самых простых форм жизни – вирусов (о них позже). Попадаются и представители сравнительно сложной жизни – одноклеточные эукариоты (простейшие, протисты), клетки которых, судя по всему, являются более «организованными»: они снабжены ядром и другими субклеточными структурами, видимыми под микроскопом. Однако самый большой вклад в микробиом (как по совокупной массе, так и по количеству генов) вносят бактерии и в чем-то сходные с ними археи.
Мы склонны воспринимать их как что-то довольно простое, нечто среднее между забавной диковинкой и досадной помехой. Ну да, это прокариоты[15]. Их ДНК не упакована в клеточное ядро, они обладают единственной круговой хромосомой и обычно некоторыми другими разрозненными кусочками ДНК, и все это худо-бедно размещается в теле клетки. Кроме тела клетки у прокариот больше ничего и нет. Под микроскопом (при небольшом увеличении) прокариоты выглядят значительно менее сложными, чем одноклеточные эукариоты, внутренности которых устроены более изощренно. К появлению высокоразвитых многоклеточных организмов вроде нас с вами привели именно эукариоты.
Мнимая простота бактерий вроде бы отвечает их малым размерам. Бактерии – своего рода микромикроорганизмы. Объем типичной прокариоты в тысячи раз меньше, чем средней эукариотической клетки. У нее имеется геном, но он примерно в 10 тысяч раз меньше, чем у эукариоты. При беглом взгляде она вообще кажется менее организованной по внутренней структуре. Но дело в том, что эта структура оставалась по большей части невидимой вплоть до появления мощных электронных микроскопов. Долгое время внутренняя часть этих крошечных одноклеточных считалась по сути просто сосудом, где протекают реакции. Бактерию рассматривали как мешочек с биологически активными веществами; не более того.
В исторической перспективе бактерии тоже кажутся не такими уж интересными объектами. Эволюцию часто представляют в виде непрерывного и неуклонного прогрессивного развития, начавшегося с примитивных микробов и достигшего кульминации с появлением разумных приматов. Бактерии выполнили кое-какую тяжелую работу на заре жизни, но их подлинная судьба определилась, лишь когда они каким-то непонятным скачком превратились в клетки с ядрами, затем – в многоклеточные организмы, потом – в действительно интересные формы жизни, наделенные мозгом. Но как бы ни зародилась жизнь, на протяжении двух миллиардов лет бактерии наряду с другой разновидностью одноклеточной жизни, археями, оставались единственными игроками на поле. На смену поколений таким существам требуются лишь минуты, так что у них нашлось время для того, чтобы перепробовать невообразимое количество эволюционных стратегий.
Еще важнее то, что более сложная жизнь их не вытеснила. Они продолжали жить и развиваться в собственных экологических нишах, где в конце концов оказались и другие, более крупные организмы. Во многих отношениях они остались доминирующими формами жизни. Их совокупная биомасса сравнима с общей биомассой всех растений и животных на Земле. До тех пор пока некий высокоразвитый примат не начал извлекать из земли полезные ископаемые, получать из них топливо и сжигать его, обеспечивая энергией свою цивилизацию, жизнь влияла на окружающую среду в планетарном масштабе именно посредством деятельности этих видов[16].
Такой взгляд на значимость бактерий для биосферы в целом сложился лишь в последние десятилетия. Особенно этому способствовало то, что бактерии стали обнаруживать во все более экстремальных средах. В расширении наших знаний о бактериях есть два ключевых аспекта, важных для восприятия этих организмов как части нашего широкого клеточного сообщества. Во-первых, теперь мы лучшие понимаем, как они живут и на что способны. А во-вторых, мы стали лучше разбираться в том, что общего между нами и этими мельчайшими существами. Как подметил биолог и эссеист Льюис Томас, слова humus (гумус, изготовляемый триллионами бактерий почвы) и human (человек) не зря имеют от один корень.
Маленький – не значит простой
Чем так уж важны бактерии? Начнем с того, что это микробы, то есть существа очень-очень маленькие. Длина типичной бактерии по самой длинной оси – от одной до нескольких тысячных миллиметра. А значит, их легко не заметить. Почти все время нашего собственного (сравнительно краткого) пребывания на планете мы понятия не имели, что они вообще существуют. Судя по вполне достоверным оценкам, на Земле сейчас обитает около 1030 (миллиона триллионов триллионов) бактерий. Однако среди них есть крупные группы, о которых мы почти ничего не знаем. Возможно, мы никогда не установим не только общее количество микроорганизмов на Земле, но даже общее количество их видов.
