Джон Тёрни - Я – суперорганизм! Человек и его микробиом
Наши высокоорганизованные, крупные по объему эукариотические клетки обладают значительно большей энергетической подпиткой по сравнению с прокариотами, даже если пересчитать энергию на их размеры. Кардинально новый взгляд на эволюцию клеток помогает понять, как такое могло получиться[18]. Эукариоты получают энергию от внутриклеточных «электростанций» – митохондрий. Митохондрии чем-то похожи на бактерии. Почему? Потому что это и есть бактерии. Точнее, когда-то они были бактериями. Они давно утратили способность к независимому существованию, но по-прежнему обладают небольшим собственным геномом, кодирующим (помимо всего прочего) копирование ДНК и аппарат чтения информации; это больше напоминает бактериальные механизмы, а не те сильно отличающиеся от них макромолекулярные чудеса, которые выполняют ту же работу в клеточном ядре.
Объяснение предложила выдающийся американский биолог Линн Маргулис (1938–2011) еще в 1960-е годы. По ее мнению, некий бактериальный флирт миллиарды лет назад привел к симбиозу, при котором одна бактерия стала жить внутри другой. Внутренний колонист затем адаптировался к новым условиям: получает все необходимое для жизни из окружающей его клетки в обмен на ту энергию, которую он высвобождал, химически расщепляя сахара с помощью кислорода. Результатом стало появление специализированной органеллы («очень маленького органа») в самой настоящей, вполне полноценной эукариотической клетке. Эта органелла – митохондрия – действовала как своего рода миниатюрная электростанция. То, что когда-то было бактерией, сперва стало внутриклеточным паразитом, а затем – более простым по структуре мешочком складчатых мембран, предназначенным для выработки энергии.
Маргулис рассматривала эту необратимую кооперацию (эндосимбиоз) как один из ключевых эволюционных механизмов и полагала, что некоторые другие части эукариотических клеток имеют такое же происхождение. Гипотеза по-прежнему считается противоречивой, но сейчас уже мало кто спорит с тем, что и митохондрии, и хлоропласты (выполняющие сходные задачи у растений) возникли именно так. Странно думать, что все наши клетки содержат эти древние останки. Иной раз число таких реликтов доходит до тысяч. Они до сих пор делятся и размножаются независимо. Все мы до сих пор живы благодаря этой колоссальной коллекции деградировавших бактерий.
Наконец, есть бактериальные останки, выполняющие другую важную работу во всех прочих разновидностях клеток. В сущности это просто следствие хода истории жизни и эволюции по нисходящей. Все дарвиновские «бесконечные прекраснейшие формы жизни» имеют общего предка; он, вероятно, весьма походил на некоторые бактерии, существующие и поныне. Этот наш древний прародитель уже успел приобрести многие необходимые гены и многие важные функции, которые белки выполняют в клетках; это говорит, что белки, а значит, и гены, где хранится информация для их синтеза, очень мало меняются в ходе эволюции. Когда белки уже действуют, любые изменения, происходящие посредством мутаций ДНК, имеют тенденцию ухудшать их работу, так что это изменение исчезает в ходе естественного отбора, неустанно отсеивающего неподходящие новые идеи.
В принципе-то мы все это знали, но недавние подвиги генных расшифровщиков, давшие нам возможность исследовать целые геномы крупных и малых организмов, показали, сколь важны эти факторы и как тесно взаимосвязаны все обитатели нашей планеты. Сравните генетические цепочки и вы обнаружите, что 37 % генов человека очень похожи на гены бактерий. А значит, эти гены уже появились у нашего общего предка больше двух миллиардов лет назад. Между тем мы делим с другими эукариотами 28 % генов, с другими животными – 16 % генов, а с другими приматами (у нас тоже есть соответствующий общий предок) – всего 6 %[19]. Так что какой бы вклад сожительствующие с нами бактерии ни вносили в нашу жизнь сегодня, в эволюционном смысле более трети наших генов (в числе прочих даров) предоставлены нам бактериями.
Как давать имена
Человек узнал о бактериях достаточно много, чтобы с легкостью скроить пеструю систему впечатляющих обобщений. Мы уже познакомились с некоторыми из таких систем. Впрочем, более подробное их описание может оказаться куда труднее не только из-за присущей им сложности, не только из-за того, что многие виды бактерий часто путают друг с другом. Нет, дело тут главным образом в названиях. Вот где настоящая путаница. Мне, как вы понимаете, в дальнейшем неизбежно придется использовать и другие названия, кроме E. coli. Так что позвольте вкратце объяснить, почему такая номенклатура – дурная реклама для науки.
Сегодня нам известно, что вид для бактерий – несколько иная номенклатурная единица по сравнению с другими организмами, у которых термин «вид» означает некую отдельную совокупность похожих существ. (Честно говоря, определение вида для других организмов тоже не очень-то прямолинейно, но сейчас не об этом речь.) Тем не менее система номенклатуры бактерий следует общепринятым в биологии правилам. Иными словами, каждый вид получает название из двух слов, как и предложил Линней еще в XVIII столетии. Первое слово пишется с большой буквы и обозначает род (набор родственных видов). Второе слово более… э-э… специфично.
Линнеева система классификации создавалась для растений. Многие из них тогда уже обладали общепринятыми названиями, которые в той или иной форме перекочевали в новую систему. Микроорганизмы тоже постепенно получали имена, по мере того как все новые обитатели микромира идентифицировались в течение столетия, прошедшего после самого первого включения микробов в Линнееву систему («инфузории», 1758 год). Бактерии, существа, которых явно никто не наблюдал прежде, именовались довольно-таки произвольно, как кому взбредет в голову: латинским словом, описывающим их форму, видимую под микроскопом, или ссылкой на то, где их впервые обнаружили, или именем их первооткрывателя, или чем-нибудь более причудливым.
В некоторых таких названиях все-таки содержатся крупицы полезной информации. Скажем, bacillus – палочкообразное существо, coccus – сферическое, vibrio – напоминающее запятую. Так что холерный вибрион Vibrio cholerae – это организм, имеющий форму запятой и как-то связанный с холерой. Большое спасибо за такие невероятно подробные сведения.
Лишь немногие описательные названия приносят еще кое-какие данные. Виды, образующие цепочку сфер наподобие ожерелья, именуются Streptococci, но если они соединяются в своего рода виноградную гроздь, это уже Staphylococci; обе разновидности широко распространены, большинство из вас наверняка о них слышали.
Но это лишь начало. Названий видов, конечно, неизмеримо больше. Есть и названия для более высоких классификационных уровней. Например, филум – набор родов. К примеру, филум Firmicutes (имеющих относительно твердую (firm) кутикулу[20] или клеточную стенку) включает такие роды, как Lactobacillus, Clostridium, Eubacterium и Ruminococcus, в каждом из которых имеется свой набор видов. При этом у каждого вида может иметься множество подвидов, или штаммов. На этом этапе наступает своего рода таксономическая усталость, и новоописанной разновидности обычно просто присваивают порядковый номер.
Разнообразие известных нам бактерий неуклонно растет. А значит, соответствующих названий требуется много. И я намерен использовать их здесь, чтобы интересующиеся могли потом почитать о них подробнее. Впрочем, обычно вполне достаточно представлять себе этих существ как бактерии X, Y или Z. Их названия зачастую почти ничего вам не скажут. Важно то, что делают эти бактерии и какие у них гены. К тому же, откровенно говоря, иногда микроорганизмы носят совершенно идиотские названия. Вряд ли мы наградим похвальными баллами того, кто решил дать одному из родов филума Bacterioidetes название Bacterioides (за этим наверняка стоит какая-то своя история, но мне на нее, признаться, наплевать). Стоило бы снять баллы с того, кто назвал род, чьей метаболической виртуозности нам еще предстоит подивиться в главе 5. Род этот именуется так: Bacteroides thetaiotaomicron. Звучит красиво, если вы не знаете, что Тета-Йота-Омикрон – название одного из студенческих братств американского Виргинского политехнического института.
Специалистов учат ориентироваться в этой трясине исторических палимпсестов и мелких тщеславий. Всем остальным приходится справляться с таксономической неразберихой по мере своих скромных сил. Но в наши дни, как правило, незачем сопоставлять названия: у нас имеются куда более точные методы выяснения того, насколько тесны родственные связи между теми или иными бактериями, где они обитают и за счет чего живут. Быстрое появление целого ряда новых методов позволило нам в полной мере оценить богатство собственного микробного груза. Давайте же обратимся к имеющимся в нашем распоряжении инструментам, которые позволяют ученым исследовать микробиом, а потом уж подробнее поговорим о том, какие открытия сделаны с их помощью.
