Откуда мы взялись?

Мир микробов гораздо обширнее, сложнее и разнообразнее, чем мы привыкли считать. В почве и тканях некоторых растений живут бактерии, способные «фиксировать» атмосферный азот. Они могут поглощать этот газ из воздуха и превращать его в соединения (например, аммонийные), которые могут усваивать горох, соя, люцерна и другие бобовые растения, обогащая ими почву. В свою очередь, эти мутуалистические азотфиксирующие бактерии, живущие в клубеньках на корнях растений (за что их обычно называют клубеньковыми бактериями), получают от растения источник энергии – сахара.

Без преувеличения можно сказать, что сама Земля находится внутри гигантского «микробного пузыря». Как показали недавние исследования, область распространения микробов простирается до верхних слоев атмосферы с невероятно суровыми жизненными условиями. Более того, по мнению многих ученых, микробы, по-видимому, могут влиять на климат нашей планеты (а быть может, даже управлять им). Анализ недавно бушевавших на планете ураганов показал, что бактериальные сообщества в центре вращающейся воронки воздуха сильно отличаются по своему составу от обычной бактериальной флоры верхних слоев атмосферы. Ураганы – это сильные возмущения атмосферы, вызывающие резкие сдвиги в распределении атмосферных микробов по сравнению с нормой; не исключено, что события, происходящие в человеческом теле при различных «пертурбациях» микробиома, сходным образом приводят к возникновению «ураганов» в виде неинфекционных болезней.

Один из актуальных вопросов современной науки – способность микробов жить в космосе. Одну из недавно открытых бактерий, отличающуюся невероятной выносливостью, ученые дважды обнаруживали в различных установках космических агентств, которые подготавливали к отправке в космос тщательнейшим образом стерилизованные материалы. Первый из этих случаев произошел в Космическом центре Кеннеди во Флориде, второй – в Европейском космическом агентстве во Французской Гвиане. Недаром ученые присвоили этой новой бактерии название, часть которого на латинском языке означает «чистый». Имеются свидетельства, что некоторые бактерии способны выживать в суровых космических условиях. Эксперименты, проведенные на Международной космической станции, показали, что споры бактерий Bacillus pumilus, предварительно выделенных из образцов материалов ее внутренней отделки, и в самом деле сохраняли жизнеспособность после длительного пребывания в открытом космосе. Бактериальные клетки, в которые впоследствии превратились эти споры, обнаружили повышенную устойчивость к большинству повреждающих воздействий ультрафиолетового излучения.

Независимо от того, являемся ли мы суперорганизмами, возникшими здесь, на Земле, или в каких-то других местах Вселенной, ясно одно: микробы были неотъемлемой частью жизни наших древнейших предков. Необычная команда дотошных исследователей с антропологических, информационно-технологических, экологических и биохимических факультетов нескольких американских университетов изучила микробы, присутствующие в образцах экскрементов, которые были найдены во время археологических раскопок поселений древнейших человекоподобных существ. Ученые установили, что содержащиеся в этих образцах микробы во многом соответствовали микробиомам современных людей. При этом самое большое сходство было выявлено между микробиомами наших вымерших древних предшественников и современных людей, живущих в земледельческих общинах. Городской образ жизни, похоже, вызвал значительные изменения нашего микробиома, так что он стал сильно отличаться от микробиома наших самых древних из найденных до сих пор предков.

И неудивительно: ведь по мере того как на заре развития человечества менялось наше поведение и источники пищи, изменялся и наш микробиом. Австралийские ученые провели анализ ДНК микробиома ротовой полости людей на разных стадиях развития человеческой цивилизации, использовав в качестве лабораторного материала археологические находки древних зубов. Они обнаружили, что переход первобытных людей от охоты и собирательства к земледелию и скотоводству был напрямую связан с изменением бактериальных сообществ в их ротовой полости. Наш микробиом как нельзя лучше соответствует нашему образу жизни – и так было испокон века.

Смелое утверждение, что человечество обязано своим непрерывным существованием микробам и без своих микробных партнеров перестанет эффективно функционировать и даже утратит здоровье, совсем не так крамольно, как может показаться на первый взгляд. Надежный фундамент для такого представления заложила своими работами Линн Маргулис – знаменитый биолог, член Национальной академии наук США, а затем и профессор Бостонского университета. Одно время Маргулис была замужем за Карлом Саганом – астрономом, физиком и биологом, профессором Корнеллского университета и популяризатором науки, впоследствии прославившимся на весь мир благодаря телесериалу «Космос». А теперь попробуйте представить себе, какие разговоры вели эти супруги за обеденным столом! В течение нескольких лет Маргулис и Саган составляли типичную «ученую» чету, но еще до того, как к каждому из них пришла настоящая слава, их жизненные пути разошлись…

В 1967 г. Маргулис предположила, что древние бактерии имели столь критическое значение для функционирования наших собственных клеток, что последние начали поглощать их и включать в собственную структуру. Эндосимбиоз – это взаимовыгодное сосуществование двух организмов, относящихся к разным доменам жизни, при котором один из организмов обитает внутри другого. Люди, как и все другие млекопитающие, имеют клетки с ядром и относятся к домену эукариот (Eukaryota). Нашими клетками в буквальном смысле поедались одноклеточные организмы, относящиеся к домену бактерий, но не переваривались ими, а сохранялись вместе с их генами в своей цитоплазме как часть новых гибридных клеток. Такими «останками» древних бактерий являются митохондрии, находящиеся в каждой человеческой клетке за пределами ядра, где «живут» наши хромосомы и гены. Все клетки живых существ, имеющие ядро, имеют и митохондрии.

Клетки растений оснащены не только митохондриями, но хлоропластами – зелеными органеллами, осуществляющими фотосинтез, которые в незапамятные времена тоже, по-видимому, были бактериями. Как митохондрии, так и хлоропласты обеспечивают клетки энергией, но делают это совершенно иначе, нежели сами клетки. В результате вновь возникшие гибридные клетки обрели дополнительную жизнеспособность и приспособляемость.

Суть этой концепции изложена в книге «Обретение геномов» (Acquiring Genomes), написанной Линн Маргулис совместно со своим сыном Дорионом Саганом. Маргулис считала, что виды, установившие эндосимбиотические отношения с другими видами, прогрессировали в эволюционном отношении гораздо быстрее, чем «виды-одиночки». Это утверждение, очевидно, не могло прийтись по нраву сторонникам строгого дарвинизма, традиционно отстаивавших идею медленного, скучного эволюционного развития на основе мутаций. Но, в самом деле, зачем так долго ждать и надеяться на сомнительные мутации, когда можно выпросить, позаимствовать или попросту украсть полезный геном либо, на худой конец, некоторые полезные бактериальные гены? В конце концов, существуют убедительные свидетельства того, что живые существа нередко обмениваются своими генами. Результаты молекулярных исследований указывают и на то, что многие хромосомные гены эукариот, возможно, изначально возникли у архей и бактерий. Иными словами, люди – химеры. И похоже, некоторые функции, осуществляемые человеческим геномом, возникли еще у наших бактериальных прапрапредков.

Если учесть, что человеческое тело служит обиталищем мириадам микробов, и добавить к этому возможность горизонтального переноса бактериальных генов млекопитающим (включая людей), становится понятным, какой впечатляющей системой является наш суперорганизм. Человек – такой же холобионт, как и коралловый риф с его фантастическим многообразием живых существ, совместная деятельность которых создает нечто неизмеримо большее, чем просто сумма составляющих его компонентов.