Шанс совладать с парниковым эффектом и тем самым с изменением климата все еще существует. Не будем учитывать атомные электростанции, закачку CO₂ в какие-либо пласты горных пород, отказ от автомобилей, торговлю квотами на выброс вредных веществ. Все, что потребовалось бы наряду с дополнительным количеством возобновляемых источников энергии и несколькими вполне осуществимыми мерами по экономии, – это изменение выбросов вредных веществ. Его можно было бы реализовать благодаря новым кишечным бактериям для коров всего мира, а лучше и для остальных жвачных животных в хлевах и саваннах. Вместо метана, сильнодействующего газа, способствующего более выраженному парниковому эффекту, чем CO₂, все животные выделяли бы значительно меньше кишечных газов, наносящих вред окружающей среде при их выходе через рот или анальное отверстие.

Ученые работают над такой кишечной реформой, однако весьма маловероятно, что вскоре на выставке достижений сельского хозяйства будет представлена экологически чистая корова, а в супермаркете – ее молоко. Этой теме можно было бы посвятить целую главу или целую книгу. Здесь нам следует ограничиться рассмотрением сил желудочных и кишечных обитателей жвачных животных в качестве впечатляющего примера для утверждения значения микробов не только в жизни человека, но и также, вероятно, в жизни почти всех животных.

Стерильные животные, то есть те, которые никогда не были заселены микроорганизмами, в природе пока не обнаружены.

«Я исхожу из того, что вся многоклеточная жизнь находится во взаимодействии типа хозяин – бактерии», говорит, например, Себастиан Фрауне из биоцентра Кильского университета, «по имеющимся у меня сведениям не существует эукариотов, не демонстрирующих бактериальную колонизацию».

И правда: заселено все – от речного угря до цикады. Корова, которая, совсем не имея кишечных бактерий, паслась бы на лугу и пыталась бы прокормиться травой, довольно скоро упала бы замертво худой, как спичка. Лошадь, которая перед аптекой нечаянно съела бы весь транспортный автофургон с антибиотиками, по всей вероятности, вскоре извергла бы свою трапезу из травы и овса обратно. И даже термит со стерилизованным кишечником очень быстро протянул бы все свои шесть ног навсегда.

У других животных ситуация менее драматична. Например, у лабораторных мышей, кишечник которых был стерилизован в целях исследования кишечной флоры. В этом случае им можно передавать отдельные виды бактерий и изучать, какое воздействие это оказывает. Такие мыши абсолютно жизнеспособны, но они чувствуют себя не так хорошо, как сородичи с нормальной микрофлорой кишечника. Их иммунная система, их обмен веществ и еще несколько дополнительных физиологических функций значительно повреждены.

Окружающая среда заполнена микроорганизмами. Впрочем, она была такой и около 500 миллионов лет назад, когда появились первые животные с кишечником. Она была такой, когда появились первые живые организмы с клеточным ядром и когда эволюция делала первые шаги от одноклеточных к многоклеточным организмам, и все это происходило более двух миллиардов лет назад. Пара клеточных компонентов, делающих существование высших форм жизни возможным в принципе, – митохондрии и хлоропласты – произошли от бактерий, которые некогда жили в симбиозе с клетками-предшественниками (см. главу 4). А в Калифорнийском университете в Беркли в 2012 году Николь Кинг и ее коллеги даже обнаружили признаки того, что возникновение многоклеточных организмов зависело от бактерий. В рамках этих экспериментов бактерии побуждали животные одноклеточные организмы не только делиться, но и при этом также не отделяться друг от друга.

Сегодняшние растения живут, насколько известно, практически всегда в тесном взаимодействии с микроорганизмами, такими как почвенные бактерии и почвенные грибы. Самые известные и, безусловно, важные, пожалуй, клубеньковые бактерии бобовых, которые получают из воздуха азот и делают его пригодным для усваивания растениями и животными.

Насколько интимно взаимодействие между животными и микробами и насколько универсальны такие кооперации, обнаруживается только сейчас. Высшие животные разработали некоторые стратегии, чтобы не подпускать к себе и не впускать в себя тех, кто приносит вред. Барьеры, такие как кожа или кишечный эпителий, для них непроницаемы, а те, кто в качестве микроба все же попадает в кровеносное русло, готовы к встрече с фагоцитами и антителами. Кожа, рот, уши, нос, кишечник, пенис, влагалище, пупок, ногти на руках и ногах, волосы – все это ни один человек и ни одно животное не могут содержать в стерильных условиях. Единственное решение гласит: микробы могут селиться, и среди них более желательны те, которые не вредны и которые не допускают вредных. Это в большей степени мирное сосуществование, возникшее не за счет какого-либо романтично-эзотерического стремления к природной гармонии, а за счет миллиардов лет эволюции. Ее результат – это динамичное, часто также подверженное нарушениям равновесие.

Даже такие простые многоклеточные организмы, как гидра, внутри заполнены и снаружи покрыты большим количеством различных видов бактерий. В рамках новейших исследований было обнаружено от 150 до 250 вариантов бактерий, причем лишь немногие, вероятно, от пяти до десяти, селятся там в особо большом количестве. Такие кишечнополостные подхватывают какие-либо микроорганизмы, с которыми затем вынуждены жить, не случайно. Более того, каждый до сих пор исследованный вид обладает своим собственным, также достаточно постоянным для многих из своих сородичей составом бактериальной смеси. Гидры подбирают себе тех, с кем они хотят жить вместе, и для этого у них имеются свои инструменты. Уже упомянутый Себастиан Фрауне и его коллеги из биоцентра Кильского университета обнаружили у различных видов гидр вполне специфические мини-протеины, которые оказывают токсическое воздействие на определенные микробы, а на другие – нет.

Даже такие сравнительно не очень сложные, состоящие только из одного двухслойного тканевого мешка и пары рук животные обладают способностью удерживать именно те микробы, которые им нужны. Относящиеся к кишечнополостным кораллы выработали подобную кооперацию. Они используют микроскопически маленькие водоросли, осуществляющие фотосинтез, в качестве живых солнечных элементов, которые снабжают их собственные клетки хоть и не электроэнергией, но сахаристыми питательными веществами. Более тысячи различных видов бактерий живут внутри и на них. Многие из них встречаются только в и на кораллах. Они могут, например, делать азот пригодным для стрекательных животных, дополнительно поставлять сахар и оберегать от вредных бактерий.

Подобные далеко не случайно составленные микробные слои защищают кожу от амфибий, рыб, червей, варанов, китов. Некоторые морские нематоды позволяют бактериям, использующим серу, произрастать на себе, чтобы затем съедать их. Другие культивируют серобактерии внутри себя и за время эволюции избавились от каких-либо естественных отверстий, поскольку серосодержащие молекулы достаточно малы, чтобы усваиваться через кожу.

В животном царстве с помощью микробов не только используется световая энергия, но и также в обратном порядке производится свет. Головоногий моллюск Euprymna scolopes, например, в качестве личинок поглощает бактерии вида Aliivibrio fischeri. Эти микробы при помощи субстанций с такими многозначительными именами, как люциферин и люцифераза, могут генерировать свет. Головоногий моллюск кормит их аминокислотами и сахаридами. Он включает эти микробные лампы, когда светит луна. Вследствие этого небольшой головоногий на залитом лунным светом фоне становится незаметным для хищников, наблюдающих за жертвой снизу.

В желудке крупного рогатого скота живет великое множество бактерий, грибов и миниатюрных животных.

Они разлагают растительный материал, целлюлозу, для разложения которого у крупного рогатого скота не существует ни одного энзима. Точно так же в кишечнике термитов. Точно так же в кишечнике человека, только человек живет не только за счет трав или деревьев.

Первые животные одноклеточные организмы в рубце коров были обнаружены еще в 1843 году венгерским врачом Давидом Груби, который в том же году также открыл гриб Candida, причину самого частого и иногда угрожающего жизни грибкового заболевания у человека. Тем не менее, что конкретно они там делают, становится понятным только сейчас. Это исследование продолжалось примерно до 1998 года, пока наконец не выяснилось, что микробы вытворяют с целлюлозой. Они разбивают ее на короткоцепные жирные кислоты, которые становятся превосходными поставщиками энергии.

Про других сожителей жвачных животных почти ничего не известно. Что они делают, каким образом они это делают, а также приносят ли они пользу пищеварению своего хозяина или скорее паразитируют. Ясно только, что метан производится археями, схожими с бактериями первобытными микроорганизмами. Для этого они используют водород, вырабатываемый бактериями и одноклеточными животными.

Для того чтобы смастерить экологически чистую корову, саму корову можно полностью оставить в покое. При этом необходимо следить за бактериями, которые производят меньше водорода, или за тем, чтобы водород преобразовывался во что-либо, что наносит меньше вреда окружающей среде. И, конечно же, водород можно использовать в качестве, например, топлива. В лабораториях Университета штата Огайо биотехнологи занимались подобными экспериментами до тех пор, пока наконец не получили результат. Желудочная жидкость теперь «урчит» в биореакторе. Хотя представлять себе живых коров, которые дважды в день подвергаются не только доению, но и дегидрированию посредством желудочного зонда, удаляющего водород, пожалуй, все же не очень приятно. Более крупные «животные» – потребители целлюлозы и других растительных молекул – это термиты. В Германии их насчитывается лишь несколько видов, так как они были завезены извне. В тропической и субтропической зонах, напротив, почти 2600 видов типа Holotermes, Macrotermes, Zootermopsis, и от них едва ли ускользнет хотя бы одна вялая соломинка или кусок сухого дерева. Это также относится к деревьям, которые люди какое-то время считали невредимыми. Только в Южной Калифорнии ежегодный ущерб, причиняемый термитами, составляет более одного миллиарда долларов. Мини-кишечники этих насекомых заключают в себе больше микробов, чем в мире термитников. До сих пор до конца не ясно, как именно функционируют эти членистоногие биореакторы. У них насчитывается более ста видов микробов, среди них есть те, которые состоят в родстве с полезными человеческими кишечными бактериями из группы Bacteriodetes, а также те, которые сильно похожи на возбудителя сифилиса. Вместо метана, наносящего вред окружающей среде, они превращают водород и углекислый газ в питательную для термитов уксусную кислоту, важнейший источник углерода для целой группы животных.

В сентябре 2013 года экспертное сообщество открыло, что за бактерии образуют ту уксусную кислоту. И в отношении экспериментов, проведенных Джаредом Лидбеттером и его коллегами из Калифорнийского технологического университета в городе Пасадина, может возникнуть вопрос. Можно ли в принципе представлять термитов как хозяев таких ранее неизвестных вариантов дельта-протеобактерий. Поскольку они действительно живут в кишечнике термитов, но не где-нибудь, а на поверхности одноклеточных животных. Это именно те животные, которые производят большую часть водорода внутри термитов. Дельта-протеобактерии, таким образом, находятся, с одной стороны, прямо у истоков. С другой стороны, такие результаты лишний раз доказывают, что микробиологический кишечный процесс, будь то у насекомых или у людей, не кажется хаотичным смешением и клокотанием (см. главу 3). Вероятно, там протекают сложные, многоступенчатые, упорядоченные и согласованные программы с многими участниками, хозяевами и подчиненными, арендаторами и субарендаторами, производителями сырья, субпоставщиками, транспортными предприятиями и конечными производителями. Это пищевая сеть, или пищевая пирамида. Различные задействованные виды либо буквально, либо по крайней мере в рамках своих физиологических отношений сидят друг на друге, как Бременские музыканты. В конце концов посредством кооперации такого рода они смогли обеспечить себе еду, питье, надежное жилье и отстранить нежелательных гостей.

Людям больше не нужно представлять доказательства того, что микробиологическое производство вещей, которые необходимы, можно перевести на запасной склад. Другое социальное насекомое, хотя и состоящее в очень удаленном родстве с термитами, давно доказало это. Муравьи-листорезы питаются, как коровы или термиты, преимущественно целлюлозой. Необходимые для этого микробы-помощники живут в большинстве случаев не в их кишечниках. Гриб, культивированный в парниках величиной с небольшую хоккайдскую тыкву, разлагает разрезанные муравьями-листорезами листы. Принесенные бактерии снабжают гриб необходимым азотом, другие отстраняют неблагоприятные микроорганизмы, которые в противном случае покрыли бы грибной сад, как мокрицы – непрополотую грядку огурцов. Это не похоже на чистую эксплуатацию микроорганизмов с помощью муравьев. Бактерии в качестве вознаграждения получают корм, безопасность и возможности для размножения, грибы – несмотря на то что многие из них служат селекционерам в качестве пищи, получают то же самое.

Количество научно задокументированных примеров коопераций между животными и микроорганизмами увеличивается чуть ли не каждую неделю. Возрастает число гипотез и знаний о функциях, которые может иметь такая кооперация. Среди них достаточно важные – обеспечение питания и защита от микроорганизмов. Еще одну можно найти в до сих пор самом загадочном механизме эволюции – образовании и устойчивом делении видов. Вопросами о том, как возникают новые виды и каким образом получается так, что их предшествующие варианты – вне зависимости от того, называют ли их сейчас расами, сортами или подвидами, – при всем вездесущем сексуальном аппетите не скрещиваются без конца и тем самым снова не разрушают все тенденции расщепления видов, эволюционные биологи задаются со времен Дарвина. Время от времени шторм относит самку зяблика с животом, полным яиц, на далекий остров, где затем в новых условиях окружающей среды и без какой-либо возможности спаривания с подобными или похожими может образоваться новый вид. Многие виды, вероятно, разделились, хотя и не были отделены друг от друга географически достаточно долгое время. Они отличались друг от друга настолько, что действительно больше не могли принадлежать к одному виду.

Обзавестись другим микробиомом можно намного быстрее в том случае, если существует больше видов, не подходящих друг другу половыми органами, временем спаривания или аттрактантами.

До сих пор это означало: в зародышевых клетках размножающихся половым путем организмов происходят мутации. Некоторые из таких мутаций оказывают позитивное влияние на возможности выживания в определенной окружающей среде. Тот, кто является носителем мутации, имеет более высокие шансы на размножение, соответственно, изменившийся ген и вследствие этого изменившийся признак распространяются в популяции. Это длится долго, очень долго. Тем не менее, если многоклеточная жизнь является продуктом кооперации таких многоклеточных организмов с бактериями, необходимо также рассматривать бактерии как часть этой жизни. Именно об этом свидетельствует так называемая гипотеза о голобионтах, разработанная биологом Ойгеном Розенбергом.

Бактерии, функции, гены и их воздействие могут изменяться намного-намного быстрее. Поскольку, с одной стороны, бактериальная генерация, в которой может происходить та или иная мутация, иногда длится меньше чем один час. С другой стороны, вовсе не обязательно ждать новой благоприятной мутации, можно просто получить бактерии, у которых есть другие такие качества, из абсолютно неограниченного бактериального ассортимента, который существует в окружающей среде. А измененный за сравнительно короткое время микробиом мог бы привести к тому, что животные, которые в своих характерных группах едва ли отличаются в своих бактериальных генах настолько сильно, что больше не могут размножаться.

Сейчас это можно было бы назвать привлекательным тезисом. Но где доказательство, что именно это фактически происходит в природе?

Между тем такое доказательство есть – Ихневмониды Nasonia.

Если личинки различных типов этого рода разводить в стерильных условиях, лишая их любой кишечной микрофлоры, взрослые осы разных видов без проблем смогут иметь здоровое потомство.

Однако, если развить у животных естественную нормальную микрофлору кишечника, размножение по-прежнему будет возможным, но здорового потомства у ос не станет больше. На профессиональном жаргоне: различное бактериальное заселение привело к репродуктивной изоляции.

Немецкий эволюционный биолог Эрнст Майр вошел в историю науки прежде всего благодаря тому, что сформулировал так называемую биологическую концепцию вида. В соответствии с этим животные или растения относятся к тому или иному виду, если они фактически могут размножаться друг с другом в природе и при этом производить способное к размножению потомство. В этом заключается проблема видового понятия у бактерий и причина того, почему микробиологи охотнее придерживаются таких недоступных для понимания операционных таксономических единиц и подобных им. Поскольку, несмотря на то что бактерии при случае обмениваются генетическим материалом с другими, их основная цель – размножение. Однажды в одном из интервью Майр коротко сказал, что бактерии не образуют виды. Открытия в случае с Nasonia опровергают его предположения довольно причудливым способом.

Майр относится к числу великих ученых в истории биологии. В следующей главе речь пойдет об одном из направлений в биологии.