Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

Микробиотические сообщества, или консорции, представляют собой микроскопические джунгли, в которых десятки и даже сотни видов микроорганизмов обитают в пределах одного ареала. Следует отметить, что часто бывает трудно строго определить, что является «видом» для микроорганизма. Традиционное определение этого слова, исходящее из жизнеспособности потомка половой рекомбинации особей и легко проверяемое у животных и растений, для микроорганизмов чаще всего неприменимо. Дело не только в том, что у большинства микроорганизмов сложно определить пол – горизонтальный перенос генов делает само понятие «вида» несколько расплывчатым. Тем не менее для того чтобы лучше вникнуть в функционирование микробиотической консорции, мы будем говорить о «видах» микроорганизмов в контексте какой-либо наблюдаемой биологической функции, в первую очередь метаболизма. Представим себе, что один микроорганический вид выделяет в окружающую среду какой-либо секрет или газ, который другой вид может использовать как источник энергии. Затем второй вид выделяет собственные секреты и газы, которые могут быть возвращены первому виду или переданы дальше другим видам, или и то и другое одновременно. Результатом является возникновение микроскопического микробиотического сообщества, которое по сути представляет собой миниатюрный биологический рынок электронов.

Представление о рынке электронов в микробиотической консорции – не метафора. Микроорганизмы внутри консорции в буквальном смысле обмениваются газами и другими материалами, имеющими избыток или недостаток электронов. Например, и у метана, и у сероводорода избыток электронов. Эти восстановленные молекулы могут вырабатываться несколькими различными участниками консорции и выделяться в окружающую среду. Другие микроорганизмы используют такие богатые электронами молекулы как источник энергии. В свою очередь, продукты их секреции, например углекислый газ и сульфат, могут подвергнуться рециркуляции или же быть потеряны сообществом, уйдя во внешнюю среду. Микробиотические консорции могут сохранять стабильность на протяжении дней, декад или даже дольше; мы попросту не знаем этого, но ответ может скрываться в том, что написано выше. Тем не менее мы знаем кое-что об основных законах такой консорции.

Одно из правил микробиотической консорции состоит в том, что ни один ее член не может превзойти остальных вплоть до их исключения. Если эта установка будет нарушена, консорция развалится и «победивший» микроорганизм окажется в энергетическом проигрыше, ему придется закупать дефицитные питательные вещества на отдаленных рынках, вместо того чтобы жить и обедать, наслаждаясь роскошью прямой доставки продуктов местного производства прямо к своим микроорганическим дверям.

Означает ли это, что все микробы «играют честно»?

Микроорганизмы могут быть социальны, но также способны проявлять агрессию и стремиться победить. Часто они производят молекулы, убивающие другие микроорганизмы. Собственно, большая часть самых действенных антибиотиков, борющихся с инфекционными болезнями, производится микроорганизмами. Однако в контексте микробиотической консорции такие молекулы зачастую служат только для защиты от захватчиков и не применяются против членов самой консорции. Другими словами, чтобы нам было полностью понятно, существует джентльменское соглашение: определенные микробы с определенными функциями имеют допуск в клуб обедающих, в то время как все остальные из него исключены.

Эта гипотеза легко подвергается проверке. Люди рождаются без каких-либо микроорганизмов в своем кишечнике. Однако очень быстро мы приобретаем их из окружающей среды. Мы получаем их, когда, едва родившись, трогаем свою маму и сосем ее грудь; мы едим сырую пищу; мы едим грязь; мы даже можем попробовать на вкус свои какашки. Фактически одним из первых микроорганизмов, колонизирующих наш кишечник, является E. coli – будем надеяться, неболезнетворный штамм.

Со временем каждый из нас начинает выращивать в своем кишечнике микробиологический зоопарк, уникальный для каждого – возможно, даже более уникальный, нежели последовательность ДНК. Общее число микроорганизмов в кишечнике любого человека приблизительно в десять раз превышает общее количество клеток в его теле. Дело не только в том, что микрофлора нашего кишечника приспособлена к нашей персональной диете и окружению – состав консорции также чрезвычайно важен для нашего личного здоровья. Консорция помогает нам получать питательные вещества из пищи, способствуя расщеплению сложных углеводов и жиров, помогает производить для нас витамины, а также не дает «плохим» микроорганизмам вызывать у нас болезни, препятствуя их росту. Мы все так или иначе знаем об этом. Любой, кому случалось во время путешествия по незнакомой стране заболеть, попив воды из-под крана, удивлялся, почему все местные жители не умирают еще в детском возрасте. Фактически возможно, что для многих все тем и закончилось, но у выживших в кишечнике имелись микроорганизмы, защитившие их от болезнетворных микробов в воде, которую они пили. Вы же у себя дома не имели возможности получить из пищи или воды таких же защитников. Если бы вы прожили в чужой стране подольше или были там рождены, у вас бы они тоже были – в противном случае вас ждало бы истощение, смерть или по меньшей мере неудачи при попытках размножения.

В наше время часто случается так, что мы в какой-то момент нашей жизни заболеваем, и врач выписывает нам антибиотик или даже два. Мы принимаем курс антибиотиков, одним из побочных эффектов которого часто является гастроэнтерит – сопутствующий ущерб от приема антибиотиков состоит в гибели многих микроорганизмов в нашем кишечнике. Для нас это означает не просто плохое самочувствие; это также изменяет характер взаимодействия микроорганизмов в нашей кишечной консорции. Порой необходимо несколько месяцев для того, чтобы консорция вернулась к тому состоянию, в котором находилась до приема антибиотиков. У некоторых людей она может не восстановиться даже через год. В других случаях нам бывает сложно приспособиться, у кого-то возникает неадекватная реакция на пищу, которую мы привыкли употреблять, и это продолжается какое-то время после приема курса. Наши персональные взаимоотношения с нашими кишечными микроорганизмами, на которые в целом приходится около двух килограммов массы нашего тела, могут рассматриваться как микрокосм, миниатюрная модель того, что микроорганизмы делают в глобальном масштабе.

Консорции представляют собой микроскопический образ глобального электронного рынка; однако каждой конкретной группе микроорганизмов внутри консорции неизбежно не хватает одного или нескольких ключевых метаболических путей, чтобы соблюдать в группе энергетический баланс. Например, какая-либо группа может обладать способностью связывать азот, но эта функция может быть не востребована, если в консорции имеется избыток азота. Другая группа может связывать углерод, но этот элемент может не ограничивать рост консорции. Одной (а чаще нескольких) ключевых реакций всегда не хватает или же они не сбалансированы. Из этого следует, что кругооборот питательных веществ и газов внутри консорции всегда далек от совершенства, и консорция, чтобы сохранять жизнеспособность, принуждена постоянно копаться на электронном рынке.

Между микробиотической консорцией и окружающей ее средой всегда существует измеримый конечный обмен газами. Например, консорция может либо поглощать, либо производить кислород, углекислый газ, метан, сернистый газ, сероводород, азот или какой-либо другой газ. Фактически, отслеживая такой обмен газами с окружающей средой, часто можно определить, какого рода микроорганизмы составляют консорцию. Хотя консорции и обладают относительной независимостью, они неизменно выделяют газы во внешний мир. Эти газообразные отходы их жизнедеятельности затем распространяются через атмосферу или океаны, которые эффективно действуют как проводники, связывающие метаболизм микроорганизмов на всей поверхности планеты.

Давайте рассмотрим эту концепцию на локальном, персональном уровне – вновь заглянув в наш собственный кишечник. Не углубляясь в интимные подробности, скажем, что наши личные микробиотические консорции также явно не пребывают в сбалансированном состоянии. Большая часть нашего газообмена с внешним миром происходит через нос и рот. Тем не менее у нас имеется и другой путь обмена газами, и этот способ может очень много рассказать нам о наших микробиотических консорциях. Практически все газы, выходящие из анаэробных кишечников всех млекопитающих, являются окисленными – и здесь однозначно преобладают азот и углекислый газ. Однако некоторые из газов оказываются восстановленными, и из них сульфиды наиболее очевидны для нашей обонятельной системы. Два других восстановленных газа, не имеющие заметного запаха, – это метан и водород. Приблизительно у половины из нас в толстой кишке имеются метанообразующие бактерии, и почти все мы испускаем газообразный водород. Оба эти газа могут гореть. Все газы, произведенные микроорганизмами нашего кишечника, являются побочными продуктами метаболизма, не сбалансированного с окружающей средой. Если бы это было не так, газы были бы идентичны тем, что содержатся в планетарной атмосфере, а в данном случае ничего подобного не наблюдается. Если смесь газов в нашем кишечнике не находится в равновесии с атмосферой планеты, из этого следует, что совокупность всех консорций микроорганизмов в кишках всех животных не находится в равновесии с метаболическими путями на планете. Чтобы обмен электронами между триллионами микробиотических консорций был действенным в глобальном масштабе, необходимы какие-то глобальные же механизмы проверки и балансировки – ученые часто называют их метаболическими обратными связями.