На поверхности Земли микробы заведуют почвой одним из самых драгоценных ресурсов. Запущены проекты по сбору почвенных бактерий в разных уголках мира, некоторые эксперты называют это «поисками темной материи Земли» по аналогии с изучением природы неизведанных просторов космоса.
Живут они и в горных породах. Например, на золотом прииске Мпоненг в ЮАР выживают благодаря радиоактивному распаду: уран разделяет молекулы воды, а получившийся свободный водород объединяют с сульфат-ионами, получая пищу. Больше того, они едят даже золото. Delftia acidovorans с помощью особого белка превращает ионы золота, ядовитые для нее, в инертную форму, которая осаждается из окружающей воды и формирует минеральные залежи. Самая же живучая бактерия в мире, Deinococcus radiodurans, живет в радиоактивных отходах.
Живут они и в горных породах. Например, на золотом прииске Мпоненг в ЮАР выживают благодаря радиоактивному распаду: уран разделяет молекулы воды, а получившийся свободный водород объединяют с сульфат-ионами, получая пищу. Больше того, они едят даже золото. Delftia acidovorans с помощью особого белка превращает ионы золота, ядовитые для нее, в инертную форму, которая осаждается из окружающей воды и формирует минеральные залежи. Самая же живучая бактерия в мире, Deinococcus radiodurans, живет в радиоактивных отходах.
Но мой любимый пример описали несколько лет назад. Геологи бурили исследовательскую скважину и изучали извлеченные оттуда керны. Один, который достали с глубины в милю, состоял всего из трех компонентов: базальта (коренной породы), воды и бактерий множества бактерий [6, см. с. 26]. Они жили и размножались на диете из камней и воды.
Мы знаем, что наша планета обитаема благодаря микроорганизмам. Они разлагают мертвую материю это очень ценная услуга. Кроме того, превращают инертный азот из атмосферы в свободный, которым могут пользоваться живые клетки. И тем самым приносят пользу растениям и животным. После утечки нефти в скважине Deep Water Horizon в Мексиканском заливе бактерии съели большую часть загрязняющих веществ, потому что сумели приправить питательные вещества в нефти азотом из воздуха, устроив себе комплексный обед.
Наконец, целые отрасли промышленности основаны на их работе: изготовление хлеба, который мы едим, алкогольных напитков, которые пьем, современных лекарств, разработанных биотехнологической отраслью. Вполне можно утверждать, что микроорганизмы способны провести любой необходимый нам химический процесс. В огромном разнообразии кроются неслыханные возможности. Нужно лишь четко определить проблему и найти бактерии, которые могут ее решить, или изменить их с помощью генной инженерии.
История микроорганизмов это сага о бесконечных войнах и сотрудничестве. Поскольку многие знакомы с дарвиновскими идеями о конкуренции и выживании наиболее приспособленных видов, начнем именно оттуда.
Тщательные наблюдения Дарвина показали, что индивидуальные представители вида всегда отличаются, в качестве примера возьмем птиц или людей. Ученый разработал теорию эволюции, выдвинув постулат, что при существовании различных вариантов природа «отберет» тот (или тех), кто наиболее адаптирован («приспособлен»), кто лучше всего использовал свой цикл жизни и оставил потомство. Именно они побеждают в конкуренции с другими видами и со временем начнут количественно превосходить их. Возможно, даже вызовут вымирание последних. Естественный отбор причина часто упоминаемого «выживания наиболее приспособленных». Но Дарвин не знал, что тот же принцип можно отнести к микробам. Как и мы, он сосредоточился в первую очередь на том, что видел своими глазами, растениях и животных. Но на деле едва ли не лучшие доказательства естественного отбора удалось получить с помощью наблюдений и экспериментов именно над микроорганизмами.
Например, я могу вырастить культуру распространенной кишечной бактерии Е. coli [7, см. с. 26], поместив немного существующих клеток в чашку с питательным веществом. За ночь в теплом инкубаторе она может дать до 10 миллиардов новых клеток. Вся чашка будет покрыта настолько плотным ковром, что отдельные колонии различить невозможно. А теперь предположим, что я сделал такой же посев в другую чашку, но добавил стрептомицин антибиотик, убивающий большинство штаммов Е. coli. На следующее утро я увижу всего десяток изолированных колоний размером с миниатюрный прыщик, в каждой из которых будет от силы миллион клеток. Каждое скопление происходит от одной-единственной, которая пережила контакт с антибиотиком, а затем размножилась. Как объяснить разницу в результатах между посевом со стрептомицином и без него?
Во-первых, мы видим, что антибиотик сработал. Вместо 10 миллиардов клеток всего 10 миллионов, то есть в тысячу раз меньше. Можно сказать, что антибиотик убил 99,9 % клеток, позволив выжить лишь малому количеству. Но все же лекарство сработало не полностью. Некоторым удалось выжить. Так почему же одни клетки уцелели, а другие нет? Просто повезло? И да и нет.
Везение состоит в том, что клетки, резистентные к стрептомицину, имеют вариант гена, необходимого всем Е. coli для выработки белков, без которых они не смогут существовать. Он не очень эффективен, но его хватает, чтобы помочь резистентным штаммам выжить и произвести потомство. Остальные же умирают, потому что антибиотик вмешивается в действие обычной версии того же белка.
Генетические варианты, обеспечивающие это свойство, появляются интересным образом. Вполне возможно, что у некоторых клеток (в данном примере десяти) из исходной культуры в миллиард был подобный вариант гена. Эти клетки существовали изначально. Описывая эксперимент в дарвиновских терминах, можно сказать, что стрептомицин «отбирает» в популяции варианты с резистентной формой гена, а вот отсутствие антибиотика в окружающей среде «отбирает» более эффективную, но уязвимую к нему обычную форму. Количество Е. coli с данным свойством зависит от того, как часто и как давно они контактировали со стрептомицином. Это простой пример естественного отбора, но конкуренция вечна. Пусть победит сильнейший микроб.
Одни конкурируют с другими, охотятся на них и даже эксплуатируют, но есть и бесчисленные примеры сотрудничества и синергии. Например, если кишечная бактерия Bacteroides может очистить химическое вещество в окружающей среде, мешающее развитию Е. coli, то это выгодно второй. Одностороннее полезное отношение такого рода называется комменсализмом.
Еще более сильным бывает взаимодействие, если оно выгодно обеим сторонам. Представьте, что выделения Е. coli служат хорошим источником пищи для Bacteroides. В таком случае два этих вида будут собираться в одной среде. Оба всего лишь следуют собственной программе, но при этом помогают друг другу. Это симбиоз.
В иных условиях создают симбиоз другие бактерии. Например, в быстром ручье бактерия А поедает выделения бактерии Б, а также прилипает к острым краям камней. Бактерия В прилипать не умеет, но может прицепляться к бактерии А. Бактерия Б производит вещество, питательное для В. Вот вам и ситуация, где бактерии А, Б и В будут встречаться вместе, причем к выгоде для всех трех.
За более чем 4 миллиарда лет эволюции бактерий, учитывая, что некоторые делятся каждые двенадцать минут, а также их астрономическое количество, вариантов было практически бесконечное множество. Благодаря этому постоянному процессу появились отдельные бактерии, населившие все доступные ниши на Земле.
Иногда они стабильно живут вместе, формируя консорциум. Подобные кооперативные группы в изобилии встречаются в окружающей среде в почве, ручьях, гниющих бревнах, горячих источниках практически везде, где есть жизнь. Самое древнее однозначное доказательство существования жизни это окаменевшие цианобактериальные маты возрастом 3,5 миллиарда лет, найденные в Австралии. Консорциумы, состоявшие из огромных лежащих друг на друге листов, полноценные миниатюрные экосистемы. Скорее всего, одни занимались фотосинтезом, другие дышали кислородом, третьи осуществляли ферментацию, четвертые ели необычные неорганические соединения. То, что для одного вида еда, для другого яд. Собравшись в слои и объединив усилия, они смогли обеспечить выживание для всех.
Существуют микроорганизмы, которые умеют создавать вокруг себя слои вещества, похожего на желатин. Этот плотный гель называется биопленкой. Состав бывает разным, но он защищает бактерию от высыхания, избыточной жары, нападения иммунной системы. Его существование объясняет присутствие бактерий в самых жестоких условиях.
Микробы образуют консорциумы и огромные сети сотрудничества не только в почве, океане или каменистых поверхностях, но и в животных. В человеческом теле это главные персонажи моей истории про «пропавших микробов». Великий биолог Стивен Джей Гоулд дал нам точку отсчета для всей земной биологии, написав:
Мы живем в эпоху бактерий (как было вначале, как есть сейчас и как должно быть всегда, пока миру не настанет конец) [8, см. с. 26]
Вот контекст человеческой жизни и передний, и задний ее план.
1. «и вы сотрете всю человеческую историю» (см. с. 18): J. McPhee, Basin and Range, book 1 in Annals of the Former World (New York: Farrar, Straus & Giroux, 1998).
2. «за несколькими исключениями, лишь подтверждающими правило»(см. с. 18): Н. N. Schulz et al., «Dense populations of a giant sulfur bacterium in Namibian shelf sediments,» Science 284 (1999): 493-95. Но такие большие микробы аномалия в мире, где доминируют микроскопические формы.
3. «между нами и кукурузой» (см. с. 19): N. Расе, «A molecular view of microbial diversity and the biosphere,» Science 276 (1997): 734 40. Карл Вёзе, Норман Пэйс и другие считают, что бактерии первая форма жизни, зародившаяся на Земле.
3. «между нами и кукурузой» (см. с. 19): N. Расе, «A molecular view of microbial diversity and the biosphere,» Science 276 (1997): 734 40. Карл Вёзе, Норман Пэйс и другие считают, что бактерии первая форма жизни, зародившаяся на Земле.
4. «240 миллиардов африканских слонов» (см. с. 20): W. В. Whitman et al., «Prokaryotes: The unseen majority,» Proceedings of the National Academy of Sciences 95 (1998): 6578-83; J. S. Lipp et al., «Signifi cant contribution of Archaea to extant biomass in marine subsurface sediments,» Nature 454 (2008): 991-94; M. L. Sogin et al., "Microbial diversity in the deep sea and the underexplored rare biosphere, " Proceedings of the National Academy of Sciences 103(2006): 12115-20.
5. «отбор в действии» (см. с. 21): Бактерии, поедающие пластик. T. Suyama et al., «Phylogenetic affiliation of soil bacteria that degrade aliphatic polyesters available commercially as biodegradable plastics,» Applied and Environmental Microbiology 64 (1998): 5008-11; E. R. Zettler et al., «Life in the plastisphere: microbial communities on plastic marine debris,» Environmental Science and Technology 47 (2013): 7137-46.