Микроорганизмы и их роль в эволюции

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Красочный и многообразный мир живой природы… В нашем обыденном сознании он четко делится на несколько сфер: человек, животные, растения, насекомые и так далее. И где-то там, на краю этой картины, — полупризрачная область микроорганизмов. Полупризрачная — потому что, вредные или полезные, микроорганизмы все-таки остаются организмами микроразмеров, невидимыми, неосязаемыми. К тому же у них все «не как у людей». И даже не так, как у ближайших к ним по размерам соседей, — у одноклеточных.

Крошечная хромосома, носительница наследственной информации, свернутая у микроорганизмов в колечко, плюс до предела экономные системы обмена веществ — вот и все их богатство. И хотя специалисты с восторгом и удивлением пишут о необычайном разнообразии форм в мире микроорганизмов, на внешний, — правда, вполне непросвещенный взгляд непонятно, о каком разнообразии тут можно говорить.

Действительно, палочка, шар, спираль, звезда — вот, пожалуй, почти и все. Ни рогов и копыт, ни лохматых грив, ни щупалец медуз, ни рыбьих плавников…

Впрочем, конечно, специалисты иными глазами смотрят на обитателей микромира. Но и для них — тем более для них! — были неожиданностью известия, которые стали поступать.

Как это ни странно для нас, неспециалистов, но, оказывается, большинство бактерий слишком капризно, чтобы жить на искусственных средах, создаваемых в лабораториях. Поэтому сотрудники отдела почвенных микроорганизмов предприняли настоящую охоту за образцами почв в надежде, что поиски откроют им новых, не известных еще представителей микромира. Этот научный проект получил название «Полигон».

И надежды их оправдались! Более того, среди новинок были обнаружены такие, которые заставили исследователей задуматься над весьма серьезными проблемами эволюции — развития и усложнения живой материи.

В результате, скажем коротко, родилась гипотеза, смелая и достаточно неожиданная,— что в микромире природа испытывает многие устройства, системы, узлы, которые находят себе широкое применение в мире высших организмов, в мире многоклеточных. И, соответственно, «Полигон» — это не только название исследовательской операции, но и обозначение гипотезы ученых. «Полигон» — это микромир как испытательный стенд.

Чтобы довести до совершенства детали будущих живых систем, нужно, по крайней мере, две вещи: строгий глаз мастера, оценивающий достоинства и недостатки предлагаемой конструкции, и полигон, на котором она смогла бы пройти проверочные испытания.

Мастера мы знаем — это естественный отбор, отбрасывающий в процессе эволюции мириады несовершенных вариантов. Но вот где он, тот первый стенд, на котором испытывались многочисленные приспособления? Иначе говоря, кто и где первым опробовал невиданные доселе ногу, руку, крыло, кто первым пошел, пополз, поплыл, взмахивая плавниками, обменялся информацией с ближним? Птеродактиль, червь, которому сто миллионов лет, ископаемая рыба или огромный динозавр?..

И где он, тот полигон, на котором впервые прошли испытания столь нужные мириадам живых существ приспособления? Сколько миллионов или миллиардов лет назад он исчез с лица нашей планеты вместе с несовершенными испытуемыми?

Вовсе не нужно уходить в глубь миллионолетий, считают исследователи. Испытательную площадку, на которой шла обкатка устройств, ставших затем «известными всему миру», не отделяют от нас ни тысячи километров, ни миллионы лет, — она тут, рядом с нами. Это мир, с которым мы, казалось, давно свыклись, и живут в нем не птеродактили или динозавры, а бактерии.

Вакуоли, работающие наподобие балластных цистерн у подводных лодок, коллективная охота на жертву, попытка промоделировать многоклеточность и способ передвижения, напоминающий способ движения червяка,— многое совершенно неожиданное открылось исследователям в ходе их работы.

Все, о чем мы тут говорим, так или иначе потом, в ходе эволюции нашло себе применение в мире высших организмов. Но, быть может, в микромире найдутся конструкции и системы, которые были здесь опробованы, но потом не были реализованы у высших?

Времени у обитателей микромира на обкатку уникальных, дотоле невиданных узлов и систем было вполне достаточно. Ведь из четырех с половиной миллиардов лет, которые существует Земля, бактерии живут на ней три, а то и три с половиной миллиарда. Удивительные существа делали тут первые шаги. Но, быть может, этот процесс не завершился? Быть может, считают исследователи, в микромире и сегодня идут испытания новых важных систем и узлов. И уж, во всяком случае, становится очевидным, что на крошечных хромосомах бактерий записано много больше идей, чем представлялось раньше.

А теперь — знакомство с несколькими сюжетами, которые могут показать закономерности, удивительно общие для микро- и макромиров.

Итак, первый сюжет

Что это? Десятки, сотни, тысячи продолговатых тел сталкиваются друг с другом, расходятся, роятся. Но вот разделилась одна клетка, потом другая, третья и т. д. Но — в отличие от обычных делящих клеток, которые немедленно после деления расходятся в стороны — эти бактерии остаются соединенными друг с другом. Соединяют их перемычки — остатки клеточных стенок материнских клеток. И вот в растворе повисла изящная сетка, сотканная из множества живых тел. Она вздрагивала и колыхалась, будто на ветру. Вскоре из темноты показалась крупная клетка «чужой» бактерии. Ничего не замечая, великан шел намеченным курсом и попал в ловушку.

Жертва, словно муха в паутине, оказалась в живых сетях! Сеть клеток стала медленно выделять фермент, растворяя свою жертву, а затем, распрямляясь, выкинула остатки и заколыхалась в ожидании новой добычи. Мы невольно стали свидетелями захватывающего поединка, в котором бактерии действовали подобно паукам или рыболову, закидывающему сеть.

Но откуда микроорганизмы знают правила групповой охоты да еще с помощью сетей, каким образом достигают такой согласованности действий? Это остается загадкой.

Сюжет второй

Бактерии, которые как будто «взялись за руки». Однако эту ситуацию исследователи толкуют по-иному, они видят здесь совершенно другой ход событий. По их мнению, эти микроорганизмы каким-то образом почуяли, что их слишком много для данного пространства. Если они сблизятся, то не хватит кислорода, пищи, да и просто «жилплощади». И микробы установили распорки-перегородки, которые не позволяют им подойти на экологически опасное расстояние друг к другу.

Сюжет третий

Сцена довольно обычная в микромире — бактерии обмениваются генетической информацией. Одна бактерия, имеющая надежные средства защиты от антибиотиков, передает другой информацию о них. Для этого она приблизилась к своей соседке и протянула трубочку, в которую соскользнула плазмида — маленький отрезок ДНК, замкнутый в колечко. На колечке и хранилась запись об устойчивости к антибиотику. Колечко проскользнуло из одной бактерии в другую, и та узнала заветную тайну. Трубочка может служить для передачи и множества других информационных сообщений. Этот способ, позволяя микроорганизмам быстро и в больших масштабах распространять важную генетическую информацию, тем самым дает им возможность оперативно приспосабливаться даже к быстро меняющимся условиям внешней среды.

Автор: Д. И. Никитина.