Удивительная биология

Значение бактерий-симбионтов было ясно продемонстрировано на крысах с убитой микрофлорой, которым давали корм, лишенный то одного, то другого витамина. Так, при отсутствии витамина K, необходимого для нормальной свертываемости крови, у них через неделю возникали кровотечения, которые прекращались, как только им вводили кишечную палочку или сарцину. Если крысам не давали тиамина (витамина В1), но позволяли поедать свои экскременты, то все оставалось нормальным. Стоило их лишить такой возможности, как у них начинали развиваться болезненные симптомы – исключительно от нехватки этого витамина.

Что за странность, скажете вы, поедать собственные испражнения?! Не иначе как поголовное патологическое извращение, вполне достойное этих многими презираемых тварей. Однако если поинтересоваться, где у крыс живут бактерии-симбионты, этот врожденный «порок» получит ясное и простое объяснение. У большинства животных бактериальная флора концентрируется в желудке или в основной части кишечника, где происходит всасывание пищи. У крыс же она сосредоточена главным образом в задней кишке, то есть уже позади зоны максимального всасывания. Вот и получается, что все витамины, выработанные бактериями, попадают в экскременты и вместе с ними выводятся наружу. Чтобы эти витамины даром не пропадали, животные и вынуждены исправлять оплошность природы – заглатывать в качестве витаминизированных «пилюль» собственные экскременты.

Можно сказать, что жизнь наших буренок и вообще рогатого скота целиком зависит от микробного населения их желудка. Не было бы у них симбионтов – не быть бы им сытыми травой и не быть жвачными!

Из школьного курса зоологии многие, наверное, помнят, какой большой и сложно устроенный желудок у коров. Четыре пятых его объема занимает самый важный первый отдел – рубец. Вместимость рубца около 100 л. Фактически это огромный бактериальный бродильный чан. В нем растительная пища, смешанная со слюной, в течение 12 ч остается всецело во власти богатого микробного населения. Желудочный же сок выделяется у коровы только в последнем отделе желудка – сычуге.

Благодаря ферментам главных обитателей рубца – руминококков, бактероидов и бутиривибрионов, «работающих» без доступа кислорода, основа растительной пищи – клетчатка, или целлюлоза, разлагается на сравнительно простые продукты, которые тут же всасываются стенками рубца. Микробы снабжают животное белками и всеми необходимыми витаминами. Поэтому жвачные могут нормально расти и существовать без белковой пищи. Коровам можно давать, например, в качестве источника азота такой дешевый продукт, как мочевина. Из нее эндосимбионты сами вырабатывают нужный их хозяину белок, причем он ничем не хуже белка, содержащегося в пищевых продуктах. Кормовые белки бактериального происхождения давно выпускаются промышленностью.

Вместе с бактериями в рубце жвачных обитает несколько родов жгутиконосцев и инфузорий, которые больше нигде в природе не встречаются (исключая пищеварительный тракт бегемотов и лошадей). Они тоже способны расщеплять клетчатку и вносят свой вклад в общее дело.

Спустимся теперь сразу на много ступенек вниз по «животной лестнице» и присмотримся повнимательнее к насекомым. У них микросимбионтов для изучения более чем достаточно.

Давно известно, что тараканы могут месяцами, а то и всю жизнь питаться бумагой, тряпьем, ватой, картоном, оставаясь при этом абсолютно здоровыми и продолжая регулярно размножаться. Что это за удивительная способность? И какие питательные вещества могут быть в бумаге?

Разгадка секрета все та же. В кишечнике тараканов обитает масса помощников-симбионтов, облегчающих суровую жизнь своих хозяев. Это всевозможные микробы и простейшие. Бактериями, кроме того, буквально забита часть клеток (их называют мицетоцитами) так называемого жирового тела, активно участвующих в обмене веществ. А у самок они концентрируются также в яичнике, где незадолго до откладки кокона ими заражаются яйца. Молодые личинки, едва появившиеся на свет, уже заражены бактериями в полном ассортименте.

От бактерий зависит еще одно удивительное свойство тараканов, которого нет у высших животных: они способны использовать для постройки своего тела минеральную серу. Насекомым специально добавляли в пищу сульфаты, содержащие радиоактивный изотоп серы. Вскоре такую меченую серу находили уже в составе их белков. Прусаки, лишенные симбионтов, подобную способность утрачивали.

Еще интереснее симбиоз у близких родственников тараканов – термитов. Термиты способны питаться древесиной благодаря помощи жгутиконосцев. Впервые об этом поведал миру в начале 30-х гг. ХХ в. американский протозоолог Лемюэль Кливленд. Его открытие было подлинной научной сенсацией, которая неожиданно привлекла к миру шестиногих внимание многих исследователей с совершенно новой стороны. Теперь стало легче подбирать ключи к тайнам однообразного «меню» других насекомых, потому что руководящая идея уже была найдена и торжествовала: надо искать симбионтов!

Термиты «отвели» для своих постояльцев заднюю кишку. Она у них сильно расширена и буквально набита жгутиконосцами, бактериями и спирохетами. Большинство видов этих жгутиконосцев нигде, кроме как у термитов (и еще одного вида тараканов), до сих пор не обнаружено.

Кливленд убивал жгутиконосцев, помещая термитов на несколько часов в камеру с повышенным давлением и достаточным количеством кислорода, что не причиняло насекомым непосредственного вреда, но губительно воздействовало на жгутиконосцев. Таких термитов он продолжал кормить обычной пищей – древесными опилками и фильтровальной бумагой, соблюдая и прочие необходимые условия. Через две-три недели все подопытные термиты, лишенные жгутиконосцев, погибли. Смерть удавалось предотвратить, если в садок к неполноценным насекомым подсаживали несколько нормальных, у которых те слизывали капельки выделений из задней кишки. Жизнь термитов можно было также продлить, давая им глюкозу.

Вывод, сделанный из этих опытов, совершенно очевиден: жгутиконосцы играют в жизни термитов ту же роль, что бактерии у жвачных. Кливленду удалось даже наблюдать в микроскоп, как эти неутомимые «работяги» захватывали кусочки древесины. Затем из их компании выделили первый вид из рода трихомонас и заставили его расти в специальной среде вне тела хозяина. От него получили и чистый фермент, разлагающий клетчатку, – целлюлозу. Секрет питания термитов был окончательно раскрыт.

Ученые стали изучать симбионтов обстоятельнее и, в частности, обратили внимание на одного жгутиконосца, выделенного из австралийских термитов. Кажется, весь он покрыт жгутиками. На переднем конце клетки торчит пучок из четырех жгутиков, которые постоянно колышутся. Исследователи рассмотрели жгутики в электронный микроскоп – и тут их ждало открытие. Оказалось, что из четырех жгутиков только один, самый длинный, действительно настоящий и принадлежит этому одноклеточному существу; остальные три – вовсе не жгутики, а отдельные бактериоподобные организмы, прозванные за спиральную форму тела спирохетами.

Подобными организмами оказались и все остальные «жгутики», покрывающие клетку симбионта. По поверхности этой клетки выстроились небольшие выросты в виде полукруглых петелек. С задней стороны на них сидит по одной спирохете, с передней – по одной бактерии-палочке. Внутри самого жгутиконосца обитают еще какие-то бактерии.

О назначении обоих типов бактерий ничего не известно. Что же касается спирохет, то они играют роль основных «двигателей»: с помощью их волнообразных движений, каким-то образом точно скоординированных, жгутиконосец энергично передвигается.

Странного симбионта со «жгутиками», «смонтированными» из других организмов, удачно назвали «миксотриха парадокса», что в переводе с латинского означает «парадоксальный организм с разными жгутиками». С его открытием обнаружилось, что симбиоз строится у термитов как бы в два «этажа» и по своей идее напоминает русскую матрешку: внутри главной фигуры симбиоза – термита – обитают жгутиконосцы, а внутри и на теле жгутиконосцев – бактерии и спирохеты.