Как микробы управляют нами. Тайные властители жизни на Земле - Эд Йонг

Теперь о значении. Первые млекопитающие были хищниками – крошечными суетливыми поедателями насекомыми. Переход с мяса на растительную пищу стал для нас настоящим прорывом. Благодаря изобилию и разнообразию растений травоядные начали развиваться гораздо быстрее своих плотоядных сородичей и вскоре заняли экологические ниши, оставленные после себя крупными динозаврами. Большая часть ныне живущих млекопитающих едят растительную пищу, да и почти во всех отрядах есть хотя бы несколько травоядных видов. Даже в отряде хищных, куда входят кошки, собаки, медведи и гиены, есть также и панды, которые питаются бамбуком. Получается, что успех млекопитающих основан на вегетарианстве, а вегетарианство – на микробах. Разные группы млекопитающих снова и снова получали с пищей из среды микробов, способных расщеплять растительные ткани, и с помощью их ферментов расправлялись с листьями, стеблями и ветвями.

Просто завести у себя нужных микробов недостаточно. Им для работы требуется пространство и время. Травоядные млекопитающие предоставили им и то и другое. Они увеличили участки пищеварительного тракта, превратив их в отсеки для ферментации, чтобы поселить там своих помощников и замедлить ход пищи, благодаря чему те успевали ее переработать. У слонов, лошадей, носорогов, кроликов, горилл, свиней и некоторых грызунов эти отсеки находятся в нижней части пищеварительного тракта – в кишечнике. Они сначала получают из пищи как можно больше питательных веществ с помощью своих собственных ферментов, а потом уже отдают ее на растерзание микробам. У других млекопитающих – коров, оленей, овец, кенгуру, жирафов, бегемотов и верблюдов – ферментация пищи происходит в верхней части тракта: осуществляющие ее микробы обитают или в отделах, предшествующих желудку, или в первых же его камерах. Часть питательных веществ эти животные тратят на бактерий, зато потом сами же их переваривают. «Вот зачем помещать эти отсеки сверху – так можно и самих бактерий съесть, – объясняет Лей. – Это ведь логично. Можно спокойно жевать солому и все равно получать все необходимые питательные вещества». Некоторые из них – например, крупный рогатый скот – дают микробам дополнительное время с помощью руминации – это довольно неприятный, но эффективный цикл, во время которого пища отрыгивается, пережевывается и снова проглатывается.

В зависимости от расположения отсеков для ферментации пищи в них появляются разные микробы. Лей выяснила, что микробы животных, расщепляющих пищу в верхней части пищеварительного тракта, больше похожи друг на друга, чем на микробов млекопитающих, поселивших их в нижней части, и наоборот. Эти сходства выходят за границы, установленные общими предками. У кенгуру, прыгающего сумчатого из Австралии, и окапи, африканского родича жирафов в полосатых штанишках, микробиомы во многом схожи. У животных с отсеками для ферментации, расположенными в нижней части тракта, сходства такие же[291].

Другими словами, микробы повлияли на развитие пищеварительной системы млекопитающих, а пищеварительная система млекопитающих – на эволюцию микробов[292].

Во время следующего эксперимента Лей это стало еще заметнее. Они с Робом Найтом сравнили результаты секвенирования микробов животных из зоопарка и других животных из самых разных сред – почвы, морской воды, горячих источников и озер. Они обнаружили, что в желудочно-кишечных трактах позвоночных микробиом куда разнообразнее, чем где бы то ни было. Он отличается от микробиомов обитателей озер, источников и всего остального даже сильнее, чем эти места друг от друга. Существует, как решили ученые, «дихотомия ЖКТ и остального организма»[293]. «Довольно неожиданно, – говорит Найт. – Когда этот анализ провели впервые, я подумал, что они просто ошиблись». Причина такого противопоставления пока неясна, но Найт отмечает, что пищеварительный тракт – уникальная среда для микробов: темно, кислорода нет, жидкости полно, иммунными клетками охраняется, а питательных веществ – хоть лопни. Здесь способны выжить не все бактерии, но те, что выживают, оказываются перед множеством экологических возможностей, которыми сразу пользуются. Один представитель вида попадает в кишечник и, одурев от радости, дает начало новым родственным штаммам и видам. В итоге получается семейное древо с высоким и прочным стволом, но редкими и небольшими ветвями, смахивающее скорее на пальму, чем на дуб.

На островах дело обстоит примерно так же. Вот животное-первопроходец оказывается на суше – его сюда принес мощный ураган, или привезло упавшее в воду бревно, или доставила лодка… Оно вылетает, выбегает или выползает на берег, а его потомство начнет понемногу заселять различные местообитания на острове, формируя новые виды. Так появились гавайские цветочницы, галапагосские вьюрки, змеи Французской Полинезии, карибские анолисы… и, возможно, наши кишечные микробы.

Научная группа обнаружила, что желудочно-кишечные микробиомы растительноядных позвоночных животных отличались вообще от всего – от микробных сообществ внешней среды, от микробиома хищников, от микробиома других частей тела и от микробиома беспозвоночных. Пищеварительная система сама по себе особенна, пищеварительная система позвоночного особенна вдвойне, а пищеварительная система позвоночного-вегетарианца – так вообще в квадрате. Кусок прожеванных побегов и листьев с множеством углеводов, которые можно переварить, – словно остров, на котором пища в изобилии. Он даст поселенцам возможность выбирать, чем питаться, а также толчок к размножению и появлению новых видов[294]. Пищеварение, управляемое микробами, не раз позволило животным стать вегетарианцами – причем не только млекопитающим.

Среди насекомых рекорд по поеданию растений удерживают термиты. В 1889 году выдающийся американский натуралист Джозеф Лейди вскрыл кишечники термитов, чтобы выяснить, чем они питаются. Разглядывая разрезанных насекомых под микроскопом, он с удивлением обнаружил, что от их тел повсюду расползались крошечные точки, словно «толпа людей, расходящихся по домам с собрания». Он решил, что это паразиты, но сейчас мы знаем, что крошечные выселенцы – это протисты, микробы-эукариоты с более сложным строением, чем бактерии, но при этом одноклеточные. Протисты составляют до половины веса термита-хозяина, и тому есть причина: они вырабатывают ферменты для расщепления грубой клетчатки в древесине, которой термиты питаются[295].

Протисты в основном обитают в кишечниках термитов из самых ранних групп, пренебрежительно названных низшими. Так называемые высшие термиты – те еще снобы – появились позже. Они полагаются главным образом на бактерий, которые обитают у них в желудках, по устройству напоминающих коровьи[296]. А еще более напыщенные макротермиты появились совсем недавно, и стратегия по уничтожению древесины у них самая изощренная – они занимаются сельским хозяйством. В испещренных пещерами термитниках они выращивают грибы, удобряя их древесными щепками. Грибы расщепляют клетчатку на составляющие поменьше, которые потом поедаются термитами. Бактерии у них в кишечнике переваривают то, что осталось. Сами термиты, в общем-то, и не при делах: их задача – содержать бактерий и выращивать грибы. Если хоть один партнер исчезнет, термиты умрут от голода. У их королевы все еще интереснее. Она огромна: ее торс не длиннее ногтя, а вот брюшко размером с ладонь, эдакий пульсирующий яйцекладущий мешок, настолько раздутый, что королева и пошевелиться не может. И микробов в пищеварительном тракте у нее почти нет. Вместо них ее кормят подданные (и их микробы). Вся ее колония – тысячи рабочих, миллиарды микробов, огромные плантации расщепляющих древесину грибов – выполняют роль ее пищеварительной системы[297].