Некоторые животные спокойно живут без микробиома
Ученые получают все больше данных о триллионах бактерий, живущих внутри, но это лишь верхушка айсберга
Здоровье человека и некоторых других животных зависит от их микробиома – огромного разнообразия бактерий, проживающих в организме. Кишечный микробиом настолько важен для здоровья и выживания, что некоторые ученые считают логичным думать о животных как о «сумме населяющих их микробов». Однако последние исследования показывают, сообщает журнал Quanta, что эта связь – не распространенное правило, а скорее исключение. У некоторых животных и вовсе нет микробиома в нашем понимании этого слова.
Летом 2011 года микробиолог из Корнеллского университета Джон Сандерс в тропическом лесу Перу нашел несколько видов муравьев и с помощью микроскопа попытался изучить их микробиомы. Внутри некоторых муравьев он обнаружил «настоящие галактики микробов», но примерно у двух третей во внутренностях он не нашел ничего, хотя бы отдаленно напоминающего бактерии. Еда, различный мусор, клетки слизистой оболочки кишечника насекомых – все это было на месте. Но микробов, которые бы участвовали в симбиотических отношениях с организмом – то, что мы принимаем как само собой разумеющееся, – было очень мало или не было вовсе.
По мере улучшения способов и средств анализа микробных сообществ, проживающих в том или ином организме, становилось понятно, что в животном мире микробиом на самом деле не настолько распространен (а следовательно, и важен), как было принято считать. У многих животных сложились более гибкие отношения с микробами, а каким-то они и вовсе не нужны. По иронии судьбы, изучение именно последних позволяет ученым получать все новые знания о том, как и почему развивается микробиом, информацию о его важности, плюсах и минусах симбиоза с триллионами бактерий.
С начала XX века биологи начали совершать удивительные открытия о том, как связаны сложные организмы (от кольчатых червей и термитов до коров) и населяющие их микробы. Отсутствие микробов-помощников у того или иного животного не вызывало интереса у ученых. Так, публикация 1978 года в Science об отсутствии стабильной популяции бактерий у питающихся древесиной ракообразных прошла ниже радаров.
Новой нормой стало представление о том, что у каждого животного должен быть микробиом, без которого он попросту исчезнет. Лишь немногие ученые пытались бороться с этим упрощением. Еще в 1953-м немецкий зоолог Пауль Бухнер сетовал на то, что ему постоянно встречаются авторы, которые настаивают на том, что эндосимбиоз – элементарный принцип устройства всех организмов. Примеры обратного тонули в изобилии работ о важности сосуществования хозяина и микробов, особенно тех, что проводили параллель между микробиомом человека и состоянием его здоровья.
«Человеческий микробиом сильнее всего повлиял на наше представление о том, как работают микробы. Мы часто проецируем то, что верно для нас, на других животных», – говорит Тобин Хаммер, исследователь в области экологии и эволюционной биологии из Техасского университета в Остине. Однако, по словам его коллеги Сары Хирд из Коннектикутского университета, человек – далеко не лучшая модель для понимания того, что происходит с другими животными. Их микробиом необязательно так же сильно влияет на хозяина, как в случае с человеком. «Взаимодействие более сложное и запутанное», – говорит биолог.
У некоторых видов тропических муравьев, которых изучил (ему удалось секвенировать бактериальную ДНК насекомых) Сандерс в своей университетской лаборатории, был весьма «плотный, насыщенный» микробиом – по грубым подсчетам, у некоторых муравьев было в 10 тысяч раз больше кишечных бактерий, чем у других. Если масштабировать муравья до размера человека, то одни будут носить в себе пару килограммов бактерий (примерно как и средний человек), а другие – в тысячу раз меньше.
Этой «огромной разнице» была посвящена статья в Integrative & Comparative Biology (2017). Сандерс предположил, что она обусловлена режимом питания насекомых. У исключительно травоядных живущих на деревьях муравьев микробиом был довольно обширный и разнообразный – возможно, для того, чтобы «компенсировать» недостаточно богатую белком пищу. Рацион питания всеядных и плотоядных муравьев был более сбалансирован, и микробиом их был заметно беднее. Но этот паттерн нельзя назвать общим правилом: Сандерс обнаружил отсутствие микробиома у некоторых травоядных муравьев. Кроме того, у насекомых с микробиомом нельзя было выявить связь с определенными видами бактерий, как у млекопитающих. До недавних пор причины этого оставались загадкой.
Примерно в то же время, когда Сандерс изучал муравьев в Перу, Хаммер находился в Коста-Рике, исследуя микробиом гусениц. Как ученый ни старался, ему не удалось собрать достаточно образцов бактериальной ДНК из кишечника и фекалий насекомых. Спустя месяцы «фрустрирующей работы в лаборатории» он понял, что у гусениц просто нет стабильного микробиома.
Для биолога это стало «неожиданным сдвигом в мышлении». В итоге он пришел к выводу, что, как и у некоторых муравьев Сандерса, у гусениц куда меньше микробов, чем считалось нормой. Более того, эти микробы были разновидностью тех, которые были найдены в еде гусениц: то есть некоторые микробы не задерживались в организме гусеницы, а некоторые переваривались, но их было недостаточно для образования постоянного микробиома. Чтобы определить, благотворно ли эти бактерии влияли на здоровье гусениц, исследователи уничтожили первых с помощью антибиотиков. Это привело к остановке развития, а то и смерти в случае с другими насекомыми и животными. Но – не оказало никакого эффекта на гусениц Хаммера.
Эколог и эволюционный биолог из Национального центра биологических наук в Бангалоре (Индия) Дипа Агаше увидела некоторые схожие черты у различных насекомых, которых ее коллеги собрали в кампусе. Состав микробиома стрекоз и бабочек сильно коррелировал с их режимом питания, а не с принадлежностью насекомого к тому или иному виду или с его стадией развития. Большая часть бактериальных сообществ стрекоз, казалось, сформировалась у них случайно. По словам биолога, насекомые не выбирают какие-либо определенные виды бактерий.
Повторяемые эксперименты, в ходе которых нарушался состав популяций микробов внутри бабочек, не показали никакого эффекта на рост и развитие насекомых. Равно как и повторное внедрение этих бактерий. «Такое ощущение, что им все равно», – утверждает Агаше. Хотя, казалось бы, именно бабочки, зачастую питающиеся ядовитыми растениями, должны были развить в себе полноценный микробиом, которые помогал бы им в детоксикации пищи.
Ученых под руководством Агаше (как и Хаммера с Сандерсом) удивили результаты исследования. Хотя, возможно, они и не такие уж поразительные. Биологи выяснили, что если микробиом и присутствует в организме, то его часто можно найти в определенных тканях. Например, у бобтейл-кальмаров симбиотические отношения только с одним видом светящихся бактерий, и они изолированы в одном органе. То есть микробов нет ни во внутренностях, ни на коже кальмара. Для взрослых медоносных пчел очень важен их микробиом, но не для их личинок. Так что вполне логично предположить, что у некоторых животных подобных отношений с микробами не будет вообще или что они будут развиваться по другим правилам. «Сейчас наступает понимание того, что тут можно найти целый спектр связей между носителем и микробами», – говорит Агаше. Хаммер согласен с ней: «Мы мельком увидели лишь верхушку айсберга».
При этом биологи предполагают, что на взаимоотношения микробов и их хозяев влияет сложность образа жизни последних. Возможно, присутствующие в малом количестве микробы делают что-то, пока что незаметное нам, или представляют раннюю ступень более стабильной эволюционной связи. Может, они по большей части остаются нейтральными и «активизируются» только в определенном контексте. Некоторые ученые, к примеру, выдвинули гипотезу о том, что такие микробы могут защитить хозяина от инфекции – заняв место во внутренностях и блокировав доступ патогенам. Более того, бактерия, адаптировавшаяся к ядовитому растению или другой угрозе здоровью, может быть полезна, даже если оказалась в микробиоме временно, даже если не вступила с хозяином в симбиоз, утверждает энтомолог и эколог-микробиолог из Техасского университета в Арлингтоне Элисон Рэйвенскрафт. Даже у людей, отмечает она, состав микробиома меняется согласно изменениям в режиме питания и поведении. Изучение живых организмов, которые не зависят от постоянности микробиома, может помочь исследователям понять смысл этих изменений в организме человека, а также получить новые ценные знания о микробиоме, его пользе и эволюции.
«Если задуматься, то полно причин жить без микробиома, – говорит Агаше. – Неудивительно, что некоторые животные так и делают. Но тут ключевой момент в том, что мы пока не знаем, почему так происходит». Ученые не установили факторы, которые приводят к образованию и поддержанию стабильного микробиома у одних и отсутствию – у других животных. Гусеницы, стрекозы и другие животные предлагают ученым разобраться с потенциальными проблемами симбиотической связи с живущими внутри них микробами, и сделать это будет непросто. Некоторые биологи подозревают, что животные «сознательно» избегают симбиоза, так как бактерии могут соперничать с хозяином за питательные вещества или ухудшать иммунитет.
Для некоторых животных эти риски могут перевесить возможную пользу. Если они уже достаточно эволюционировали для того, чтобы выжить, возможно, им и не нужно давление естественного отбора в виде микробиома. Вероятно, так и произошло с гусеницами Хаммера, которые компенсировали свой травоядный образ жизни, поедая огромные объемы растительности. В теории микробиом мог бы помочь им получить дополнительные нутриенты или поглощать более питательные растения, но насекомые предпочли количество качеству.
Еще один фактор, который может иметь отношение к наличию или отсутствию микробов, – анатомия (хотя, к примеру, Агаше не считает это объяснение логичным из-за отсутствия четкой причинно-следственной связи). У многих организмов с малым количеством бактерий простая структура кишечника, и он не отличается длиной. У микробов просто нет ни места, ни времени для того, чтобы осесть и начать строить свое сообщество.
Стоит учесть и экологические факторы появления симбиоза. Организм должен был долго – поколение за поколением – встречаться с другими организмами, чтобы получилось это обоюдовыгодное сотрудничество. Бабочки и стрекозы, за которыми наблюдала Агаше, перелетали с места на место. Со временем года менялся и их рацион, поэтому они не могли настолько часто «встречаться» с одними и теми же бактериями, чтобы их микробиом был устойчив.
Исследователи считают, что, возможно, нет никакого единого правила или принципа, управляющего эволюцией микробиома. По словам Сандерса, в разных организмах эволюция идет по совершенно разным маршрутам. Хирд соглашается с ним: «Большинство наших представлений о микробиоме основано на исследованиях млекопитающих, – говорит она. – Хотя может статься, что именно млекопитающие – исключение из правила».
Даже у млекопитающих наблюдается разнообразие в плане микробиома. У большинства из них есть четкая связь с какой-нибудь определенной бактерией, но, как показало недавнее исследование Сандерса и его коллег, это не распространяется на летучих мышей. Их микробиом не отличался устойчивым составом и скорее напоминал микробиом птиц, чем млекопитающих. Это различие, предполагают ученые, может быть обусловлено тем, что и летучим мышам, и птицам необходимо быть легкими – «они не могут позволить себе лишний багаж».
Исследования показывают, что биологам предстоит узнать еще многое, сравнивая разные виды. Главное – избегать скоропалительных выводов об их микробиоме. В частности, соблюдать максимальную осторожность при переносе результатов исследований мух, мышей и других животных моделей на людей. Уже обнаружены значительные различия в микробиомах дикой и лабораторной мышей – интересно, что именно первая считается более точной моделью для испытания экспериментальных лекарств для людей.
Разнообразные отношения организмов с микробами должны заставить биологов более осторожно подходить к интерпретированию результатов исследований с животными моделями – в том, что касается их микробиома. «Нужно быть внимательнее. Нам еще многое предстоит узнать, изучая существующее в природе видовое разнообразие», – считает Сандерс.
Ученые уже постепенно начинают признавать, что в случае с микробиомом все не так просто, как считалось ранее. Впрочем, это не помогает Сандерсу и его коллегам – они по-прежнему сталкиваются со сложностями при публикации своих работ. Чем скорее мейнстримное отношение к изучению микробиома изменится, тем больше мы узнаем. «Мы с трудом начинаем постигать всю сложность ситуации, когда в ограниченном пространстве находятся сотни видов животных и все они взаимодействуют как со средой, так и друг с другом, и с их носителем. Возможен любой сценарий», – делает вывод Хирд.