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.
Примерно в то же время, когда открыли этот двойной симбиоз у термитов (казавшийся тогда уникальным), была разгадана и непонятная способность тараканов довольствоваться скудной диетой. Тогда же обратили внимание на их тропических сородичей, питающихся одной древесиной. В их задней кишке без особого труда обнаружили массу бактерий, а у крупного яванского таракана панестии прибежищем для бактерий служила передняя кишка.
Но если у тараканов клетчатку помогают переваривать бактерии, то, может быть, и у термитов главные помощники – не сами жгутиконосцы, а их микробы? Тем более, что термиты и тараканы – довольно близкие родственники. Действительно, вопрос этот возник сразу, однако окончательный ответ на него до сих пор не получен. Судя по некоторым фактам, бактерии жгутиконосцев не остаются простыми «нахлебниками»: они доступными только им средствами помогают своим хозяевам в их нелегком «труде».
В дополнение ко всем рассказанным «чудесам» из жизни термитов стоит еще отметить, что в этих с виду жалких обитателях темных подземелий, лишенных радости видеть красоту мира, обнаружены еще и бактерии-азот-фиксаторы, поставляющие им материал для постройки белков.
У самых разных насекомых – да и не только у них – были открыты и описаны сотни всевозможных симбионтов. Выяснилось, что без микроскопических квартирантов не могут обходиться клопы, вши, комары, мошки, клещи и даже некоторые пиявки – все те животные, которые питаются кровью. Лучше всех в этом убедила ученых африканская муха цеце.
То, что кровососы действительно нуждаются в определенных сожителях, можно косвенно подтвердить, сравнивая их с ближайшими сородичами, для которых кровь – не постоянная пища. У многих таких сородичей сожителей нет. Все дело в том, что в крови животных и человека кровососам не хватает витаминов и еще некоторых веществ, необходимых им для роста. Все это они и получают от своих симбионтов.
В симбионты выбираются чаще всего актиномицеты, или дрожжи. Еще в начале прошлого века немецкий протистолог Фриц Шаудин обнаружил в теле обыкновенного комара особые мешкообразные расширения пищевода, заполненные грибками. Допущены они сюда не про сто так. Когда комар вонзает свой тонкий хоботок в кожу человека, он делает сильное дыхательное движение, повышает давление собственной крови и с силой впрыскивает в ранку небольшую порцию слюны, углекислого газа, выделенного грибками, и часть самих грибков. Углекислота препятствует свертыванию крови, а грибки, попавшие в ранку, благодаря особым ферментам увеличивают приток крови к хоботку комара и вызывают на коже сильное местное раздражение. Под действием выделяемых грибками веществ на месте укуса вскакивает зудящий волдырь. Роль грибков в этом деле Шаудин доказал вполне убедительно: вводя в кожу тонкую иглу, смоченную эмульсией из комариных грибков, он искусственно получал точно такие же волдыри. Значит, грибки, обильно размножающиеся в пищеводе комара, несут вполне определенную функцию – облегчают ему сосание крови.
