Биология голобионтов: новая концепция о роли микробиома в эволюции видимой жизни
Согласно Сету Борденштейну и международной группе из 21 ученого, опубликовавших статью в Science, микроорганизмы (бактерии, вирусы и другие мельчайшие формы жизни) могут влиять на биологическую изменчивость видимых организмов не меньше, а иногда и больше, чем генетические мутации, создавая новые линии и даже новые виды животных и растений.
Новая концепция — биология голобионтов — лежит в основе междисциплинарного и целостного понимания того, как формы и функции жизни, от болезней человека до урожайности в сельском хозяйстве, зависят от взаимоотношений между микроорганизмами и их хозяевами.
Что было упущено в изучении жизни?
Традиционно биологи изучали видимую и невидимую жизнь по отдельности. Микробы часто считали фоновым шумом, хотя микробные клетки в человеческом теле и на нем могут превосходить по числу человеческие клетки.
Исследования последнего десятилетия показывают, что иногда микробы объясняют больше изменчивости биологических признаков, чем гены. Это касается, например, риска рака толстой кишки, уровня холестерина и индекса массы тела у человека. Совместное рассмотрение генетики хозяина и микробов дает более полную картину изменчивости жизни.
Микробы — основа биосферы. Они существуют четыре миллиарда лет, и их численность на порядки превышает количество звезд во Вселенной. Каждый организм-хозяин существует в контакте и ассоциации с микробами, которые влияют на изменчивость признаков — от хронических болезней и урожайности до биоразнообразия.
Как биология голобионтов соотносится с классической таксономией?
Биология голобионтов утверждает, что организмы не автономны. Они по определению всегда существуют в ассоциации и контакте с микробами. Микробы фундаментальны для объяснения изменчивости форм жизни хозяев (животных и растений).
Этот целостный подход открывает возможности для использования силы микробиома:
- Повышение устойчивости сельского хозяйства и аквакультуры к изменению климата.
- Содействие сохранению биоразнообразия.
- Улучшение здоровья человека за счет использования микробов для борьбы с хроническими заболеваниями (рак, воспалительные заболевания кишечника, сердечно-сосудистые заболевания, болезни, связанные со старением).
Почему важно пересмотреть классические работы Дарвина и Менделя?
- Дарвин в «Происхождении видов» (1859) объяснил, почему силы эволюции формируют новые виды, но не знал о механизмах этих изменений — ни о генетических мутациях, ни о роли микробных сил.
- Современный синтез (1920-1940-е гг.) объединил генетику Менделя и теорию эволюции Дарвина. Сегодня многие ученые считают, что мы находимся в пост-Современном синтезе, добавляя микробиологию к пониманию генетики и эволюции хозяина. Микробы, подобно генетическим мутациям, являются источниками новых форм, функций и вариантов жизни хозяина.
Как осуществить этот сдвиг парадигмы в науках о жизни?
- Переопределение и обучение: Необходимо переосмыслить описание животных и растений. Они представляют собой консорциум клеток хозяина и микробных клеток, влияющих на анатомию и физиологию. Нельзя рассматривать геномы животных или растений отдельно от микробных геномов, так как оба геномных компартмента являются частью функциональной единицы.
- Аналитика и базы данных: Потребуются новые аналитические инструменты и базы данных (аналогичные существующим для генетики) для определения вклада микробов и их взаимодействия с генами в формирование признаков.
- Инженерия: После создания баз данных и инструментов анализа станет возможным инженерия микробов и микробиомов (наряду с инженерией генов) для улучшения результатов в сельском хозяйстве, экологии и здоровье человека.