Мы живём в мире бактерий, и их влияние сильнее, чем считалось ранее

Известный биолог Линн Маргулис (1938–2011) утверждала, что мир микроорганизмов оказывает гораздо большее влияние на всю биосферу, чем обычно признают учёные. Международная команда исследователей, проанализировав сотни работ (в основном за последнее десятилетие), подтвердила её правоту. Собранные данные указывают на переломный момент, требующий пересмотра фундаментальных представлений о жизни через призму сложных взаимозависимых отношений между бактериями и другими формами жизни.

Идея обзора исследований по взаимодействию животных и бактерий возникла у учёных, которые сами наблюдали важность бактерий в своей работе. Например, профессор Майкл Хэдфилд (Университет Гавайев) изучал метаморфоз морских животных и обнаружил, что определённые бактерии влияют на оседание личинок на конкретных участках морского дна для последующего превращения во взрослые особи.

Бактерии повсюду

Бактерии — одна из древнейших форм жизни на Земле (около 3.8 млрд лет). Они невероятно разнообразны и обитают повсюду: от океанских глубин до нашего кишечника. Хотя они малы (несколько микрометров) и обычно одноклеточны, их количество в организме человека примерно в 10 раз превышает число человеческих клеток (хотя их общая масса менее 0.5 кг).

Не все бактерии — болезнетворные «микробы». Многие из них жизненно необходимы, и без них животный мир был бы иным.

«Доля патогенных бактерий для растений и животных, несомненно, мала по сравнению с общим числом видов. Я убеждён, что количество полезных и даже необходимых микробов гораздо, гораздо больше числа патогенов», — отмечает Майкл Хэдфилд.

Происхождение животных и коэволюция

Бактерии могли сыграть ключевую роль в возникновении многоклеточных организмов (_{1–2 млрд лет назад) и животных (}700 млн лет назад). Например, сигналы от бактерий-жертв заставляют клетки хоанофлагеллят (ближайших одноклеточных родственников животных) образовывать скоординированные колонии, что могло стать шагом к многоклеточности.

Бактерии также влияли на эволюционный путь животных. Развитие животного — это результат оркестровки между его геномом, средой и коэволюцией с многочисленными микробными видами. Пример: млекопитающие развили эндотермию (способность поддерживать постоянную температуру ~40 °C), которая совпадает с температурой оптимальной работы их бактериальных партнёров, обеспечивающих энергией и снижающих потребность в пище.

Бактериальная сигнализация

Около 37% из 23 000 человеческих генов имеют гомологи (общее происхождение) с генами бактерий и архей. Многие из этих генов обеспечивают сигнализацию между животными и бактериями, что указывает на их давнюю способность к коммуникации и взаимному влиянию.

Примеры бактериальной сигнализации:

• Индукция метаморфоза у личинок морских беспозвоночных.
• Влияние на нормальное развитие мозга млекопитающих.
• Воздействие на репродуктивное поведение позвоночных и беспозвоночных.
• Активация иммунной системы у мух цеце.
• Производство бактериями резидентной микрофлоры пахучих химических веществ, привлекающих партнёров.

Эта сигнализация также помогает поддерживать гомеостаз. Бактерии в кишечнике могут общаться с мозгом через ЦНС. Нарушение этих путей сигнализации может привести к диабету, воспалительным заболеваниям кишечника и инфекциям. Многие патогены «захватывают» эти каналы связи, изначально evolved для поддержания баланса.

В кишечнике

У древнейших животных кишечные бактерии играли важную роль в питании, помогая переваривать пищу, и могли влиять на развитие соседних систем органов (дыхательной, мочеполовой). Эволюция животных, в свою очередь, двигала эволюцию бактерий, создавая узкоспециализированные ниши. Например, 90% видов бактерий в кишечнике термитов не встречаются больше нигде. Это означает, что вымирание каждого вида животных ведёт к вымиранию неизвестного числа coevolved бактериальных линий.

Микробиом кишечника человека адаптируется к диете. Например, у большинства американцев он оптимизирован для переваривания пищи с высоким содержанием жиров и белков, а у жителей сельской местности Венесуэлы — для расщепления сложных углеводов. Некоторые японцы имеют бактерии, способные переваривать морские водоросли. Адаптация происходит двумя путями: сменой видового состава бактерий и горизонтальным переносом генов между бактериями.

Общая картина

Животные и бактерии глубоко взаимосвязаны и зависят друг от друга для здоровья и благополучия, как и их среды обитания. Учёные ожидают, что подобная взаимозависимость и симбиоз универсальны и для других групп (архей, грибов, растений). То, что раньше считалось исключением, теперь становится правилом — как и предсказывала Маргулис.

Из-за этих симбиотических отношений сами определения организма, среды, популяции и генома становятся размытыми и требуют пересмотра. Возможно, животных правильнее рассматривать как экосистемы «хозяин-микроб», а не как отдельных особей.

Крупные проекты, такие как Human Microbiome Project и Earth Microbiome Project, уже изучают разнообразие бактерий в индивидуальных и глобальных системах. Учёные надеются, что новые данные стимулируют междисциплинарное сотрудничество и революционизируют преподавание биологии, сместив фокус на взаимоотношения между бактериями, их животными партнёрами и всеми другими формами жизни.

«Какой бы процесс вы ни изучали — от поведения до физиологии, экологии и молекулярной биологии — вы должны искать и учитывать важную роль бактерий. Это потребует партнёрства через традиционные границы исследований», — подчёркивает Майкл Хэдфилд.