20.02.2013

Мы живем в мире бактерий, и они влияют на нас больше, чем мы думаем

Всю свою жизнь микробиолог Лин Маргулис (1938-2011) пыталась доказать, что мир микроорганизмов влияет на внутреннюю биосферу – мир живых существ – гораздо больше, чем констатируют ученые.

Недавно группа ученых со всего мира провела и проанализировала сотни исследований (большинство – за прошлое десятилетие), касающихся сферы взаимодействий «животное – бактерия», и доказала, что выводы Маргулис были верны. Полученные результаты стали поворотным пунктом, после которого ученые будут вынуждены пересмотреть некоторые фундаментальные понятия в сфере взаимоотношений бактерий и других форм жизни.

Сама идея проекта зародилась тогда, когда несколько ученых самостоятельно пришли к осознанию важности бактерий во многих сферах деятельности. Например, профессор биологии из Университета Гавайев в Маноа Майкл Хэдвилд многие годы занимался изучением метаморфоз морских животных. Он обнаружил, что определенный вид бактерий способствует тому, чтобы личинки червей оседали на определенные места на морском дне и чтобы впоследствии именно на этих территориях они развивались во взрослые особи и жили всю свою жизнь.

Бактерии вокруг нас

В целом легко понять, почему бактерии играют очень важную роль в мире живого. Бактерии были одними из первых появившихся на Земле видов (они появились примерно 3,8 триллиона лет назад), и более чем вероятно, что они переживут и нас, людей. В древе жизни бактерии занимают одно из трех главных ответвлений, два других – это археи и эукариоты, животные относятся к последним. Несмотря на их огромное разнообразие и на то, что они расселены практически везде на Земле – и на дне океана, и даже в нашем кишечнике, – у бактерий все же есть нечто общее. Все бактерии обладают приблизительно одинаковым размером (несколько микрометров) и состоят из одной-двух безъядерных клеток.

Безусловно, ученые уже многие годы учитывают, что животные служат своеобразным «домом», местом обитания для бактерий: в частности, они живут в желудке, во рту или на коже. Последние же исследования еще ярче показали, насколько многочисленны бактерии. Было выявлено, что в наших телах клеток бактерий в 10 раз больше, чем собственно человеческих клеток (однако общий вес бактерий составляет менее полуфунта, так как их клетки значительно меньше человеческих). В то время как одни бактерии просто живут бок о бок с животными, не пытаясь взаимодействовать с ними, другие бактерии достаточно активно вступают во взаимодействие. Мы часто говорим, что бактерии являются своеобразными зародышами, или патогенами, болезней, в частности таких, как туберкулез, бубонная чума и стафилококк. Однако бактерии выполняют и много нужных нам функций, и последние исследования показали, что фактически жизнь без бактерий была бы совсем иной.

«Истинное число видов бактерий ошеломляюще огромно. Примите во внимание последние открытые виды в высоких слоях атмосферы и в камне глубоко под морским дном, – рассказывает Хэдвилд. – К их числу добавьте виды бактерий, которые способны обитать во всех возможных средах, от выгребных ям до горячих источников, а также тех, которые способны обитать практически в любом живом организме. Таким образом, количество видов, вызывающих болезни, невелико в соотношении с их основной массой. Я подозреваю, что количество полезных и необходимых живым организмам бактерий также невелико, а их основная масса по отношению к живым существам просто нейтральна. Однако я также убежден в том, что количество полезных видов превышает количество патогенных».

Происхождение животных и коэволюция

Опираясь на последние исследования, можно даже предположить, что именно бактерии стали причиной появления на Земле многоклеточных организмов (примерно 1-2 триллиона лет назад) и животных (примерно 700 миллионов лет назад). Однако такой подход пока вызывает интенсивные споры и признан не всеми учеными.

Сыграв свою роль в появлении животных, бактерии продолжали принимать участие и в процессе их эволюции, или, правильнее сказать, коэволюции – совместной эволюции живых организмов и бактерий. Это четко видно на примере развития у млекопитающих эндотермии – способности поддерживать постоянную температуру на уровне примерно 40 °С (100 градусов по Фаренгейту) с помощью метаболизма. И это как раз та температура, при которой бактерии млекопитающих максимально эффективно производят энергию и снижают потребность организма в пище. Данное открытие определило, что именно бактерии стали причиной появления у животных эндотермии.

Сигналы бактерий

Свидетельства прочного союза животных и бактерий присутствуют в геномах обоих видов. Исследователи подсчитали, что около 37% генов человека имеют гомологи с бактериями и археями; это значит, что гены бактерий и архей произошли от общего предка. Многие из этих генов способны обмениваться информацией друг с другом, а значит, они в состоянии влиять на развитие друг друга. Исследовательская группа под руководством Хэдфилда открыла, что взаимное бактериальное сигнализирование играет важную роль в стимулировании метаморфозы у некоторых морских беспозвоночных, личинок; в этих случаях бактерии производят сигналы, «рассказывающие» о конкретных экологических факторах.

Другие исследования показали, что бактериальное сигнализирование влияет на нормальное развитие мозга у млекопитающих, на репродуктивное поведение как позвоночных, так и беспозвоночных.

Разрыв бактериальных сигнальных путей может привести к таким заболеваниям, как диабет, воспаление кишечника, а также к инфекционным заболеваниям.

В кишечнике

Испокон веков бактерии играли важную роль в питании животных, помогая им переваривать пищу. Возможно, они также влияли и на развитие других близлежащих органов и систем, таких как дыхательная и мочеполовая системы. Кроме того, эволюция животных и бактерий, вероятно, шла параллельно и приводила к специализации последних. Например, 90% видов бактерий, встречающихся в кишечнике термитов, не встречаются больше нигде. Это значит, что при вымирании одного вида животных вымирает и определенное количество видов бактерий.

Ученые обнаружили, что бактерии в кишечнике человека адаптируются к изменению диеты. Например, у большинства американцев кишечные бактерии адаптированы для переваривания пищи с высоким содержанием жиров, в то время как бактерии сельского населения в Венесуэле больше расположены к разрушению сложных углеводов, а у отдельных японцев даже есть бактерии, способные переваривать водоросли.

Общая картина

В целом новейшие исследования показали, что бактерии и животный мир тесно связаны между собой, они способны повлиять на здоровье и благополучие друг друга. На основании полученных данных исследователи приходят к выводу, что подобные взаимодействия должны существовать и между другими видами, такими как археи, грибы, растения и животные. Предположения Маргулис сегодня подтверждены, и ученые предлагают в корне изменить подход к биологическим наукам и, возможно, даже их изложению в школьных учебниках.

В свете последних открытий планируется провести и ряд исследований бактерий в сфере их взаимодействия с человеком. Ученые надеются, что в конечном итоге результаты исследований позволят развить междисциплинарное сотрудничество между учеными и инженерами разных областей, что позволит изучать микроорганизмы во все новых и новых ракурсах.

Александр Федоров

Источники:

1. KM.RU