Мікроорганізми і їх роль в еволюції

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Барвистий і різноманітний світ живої природи… У нашій повсякденній свідомості він чітко ділиться на кілька сфер: людина, тварини, рослини, комахи і так далі. І десь там, на краю цієї картини — напівпримарна область мікроорганізмів. Напівпримарна – тому що, шкідливі або корисні, мікроорганізми все-таки залишаються організмами мікророзмірів, невидимими, невловимими. До того ж у них все «не як у людей». І навіть не так, як у найближчих до них за розмірами сусідів, — у одноклітинних.

Крихітна хромосома, носій спадкової інформації, згорнута у мікроорганізмів в колечко, плюс до межі економні системи обміну речовин – ось і все їх багатство. І хоча фахівці із захопленням і подивом пишуть про надзвичайну різноманітність форм в світі мікроорганізмів, на зовнішній, — правда, цілком непрофесійний погляд незрозуміло, про яку різноманітність тут можна говорити.

Дійсно, паличка, куля, спіраль, зірка — ось, мабуть, майже і все. Ні рогів і копит, ні кошлатих грив, ні щупалець медуз, ні риб’ячих плавників…

Втім, звичайно, фахівці іншими очима дивляться на мешканців мікросвіту. Але і для них – тим більше для них! – були несподіванкою звістки, які стали надходити.

Як це не дивно для нас, неспеціалістів, але, виявляється, більшість бактерій занадто примхлива, щоб жити на штучних середовищах, створюваних в лабораторіях. Тому співробітники відділу грунтових мікроорганізмів зробили справжнє полювання за зразками грунтів в надії, що пошуки відкриють їм нових, не відомих ще представників мікросвіту. Цей науковий проект отримав назву «Полігон».

І надії їх виправдалися! Більш того, серед новинок були виявлені такі, які змусили дослідників задуматися над досить серйозними проблемами еволюції — розвитку і ускладнення живої матерії.

В результаті, скажімо коротко, народилася гіпотеза, смілива і досить несподівана,— що в мікросвіті природа перевіряє багато пристроїв, систем, вузлів, які знаходять собі широке застосування в світі вищих організмів, в світі багатоклітинних. І, відповідно, «Полігон» – це не тільки назва дослідницької операції, а й позначення гіпотези вчених. «Полігон» – це мікросвіт як випробувальний стенд.

Щоб довести до досконалості деталі майбутніх живих систем, потрібно, принаймні, дві речі: суворе око майстра, що оцінює переваги і недоліки пропонованої конструкції, і полігон, на якому вона змогла б пройти перевірочні випробування.

Майстра ми знаємо – це природний відбір, що відкидає в процесі еволюції міріади недосконалих варіантів. Але ось де він, той перший стенд, на якому випробовувалися численні пристосування? Інакше кажучи, хто і де першим випробував небачені досі ногу, руку, крило, хто першим пішов, поповз, поплив, змахуючи плавниками, обмінявся інформацією з ближнім? Птеродактиль, черв’як, якому сто мільйонів років, викопна риба або величезний динозавр?..

І де він, той полігон, на якому вперше пройшли випробування настільки потрібні міріадам живих істот пристосування? Скільки мільйонів або мільярдів років тому він зник з обличчя нашої планети разом з недосконалими випробовуваними?

Зовсім не потрібно йти вглиб мільйонів років, вважають дослідники. Випробувальний майданчик, на якому йшла обкатка пристроїв, що стали потім «відомими всьому світу», не відокремлюють від нас ні тисячі кілометрів, ні мільйони років, — вона тут, поруч з нами. Це світ, з яким ми, здавалося, давно звиклися, і живуть в ньому не птеродактилі або динозаври, а бактерії.

Вакуолі, що працюють на зразок баластних цистерн у підводних човнів, колективне полювання на жертву, спроба промоделювати багатоклітинність і спосіб пересування, що нагадує спосіб руху черв’яка, — багато зовсім несподіваного відкрилося дослідникам в ході їх роботи.

Все, про що ми тут говоримо, так чи інакше потім, в ході еволюції знайшло собі застосування в світі вищих організмів. Але, можливо, в мікросвіті знайдуться конструкції і системи, які були тут випробувані, але потім не були реалізовані у вищих?

Часу у мешканців мікросвіту на обкатку унікальних, досі небачених вузлів і систем було цілком достатньо. Адже з чотирьох з половиною мільярдів років, які існує Земля, бактерії живуть на ній три, а то й три з половиною мільярди. Дивовижні істоти робили тут перші кроки. Але, можливо, цей процес не завершився? Бути може, вважають дослідники, в мікросвіті і сьогодні йдуть випробування нових важливих систем і вузлів. І вже, у всякому разі, стає очевидним, що на крихітних хромосомах бактерій записано багато більше ідей, ніж уявлялося раніше.

А тепер – знайомство з кількома сюжетами, які можуть показати закономірності, дивно загальні для мікро- і макросвітів.

Отже, перший сюжет

Що це? Десятки, сотні, тисячі довгастих тіл стикаються один з одним, розходяться, рояться. Але ось розділилася одна клітина, потім інша, третя і т. д., але — на відміну від звичайних подільних клітин, які негайно після поділу розходяться в сторони — ці бактерії залишаються з’єднаними одна з одною. З’єднують їх перемички – залишки клітинних стінок материнських клітин. І ось в розчині повисла витончена сітка, виткана з безлічі живих тіл. Вона здригалася і колихалася, ніби на вітрі. Незабаром з темряви з’явилася велика клітина «чужої» бактерії. Нічого не помічаючи, велетень йшов наміченим курсом і потрапив у пастку.

Жертва, немов муха в павутині, опинилася в живих мережах! Мережа клітин стала повільно виділяти фермент, розчиняючи свою жертву, а потім, розпрямляючись, викинула залишки і заколихалася в очікуванні нової здобичі. Ми мимоволі стали свідками захоплюючого поєдинку, в якому бактерії діяли подібно павукам або рибалці, що закидає мережу.

Але звідки мікроорганізми знають правила групового полювання та ще за допомогою мереж, яким чином досягають такої узгодженості дій? Це залишається загадкою.

Сюжет другий

Бактерії, які ніби «взялися за руки». Однак цю ситуацію дослідники тлумачать по-іншому, вони бачать тут зовсім інший хід подій. На їхню думку, ці мікроорганізми якимось чином відчули, що їх занадто багато для даного простору. Якщо вони зблизяться, то не вистачить кисню, їжі, та й просто «житлоплощі». І мікроби встановили розпірки-перегородки, які не дозволяють їм підійти на екологічно небезпечну відстань один до одного.

Сюжет третій

Сцена досить звичайна в мікросвіті – бактерії обмінюються генетичною інформацією. Одна бактерія, що має надійні засоби захисту від антибіотиків, передає іншій інформацію про них. Для цього вона наблизилася до своєї сусідки і протягнула трубочку, в яку зісковзнула плазміда — маленький відрізок ДНК, замкнутий в колечко. На колечку і зберігався запис про стійкість до антибіотика. Колечко прослизнуло з однієї бактерії в іншу, і та дізналася заповітну таємницю. Трубочка може служити для передачі і безлічі інших інформаційних повідомлень. Цей спосіб, дозволяючи мікроорганізмам швидко і у великих масштабах поширювати важливу генетичну інформацію, тим самим дає їм можливість оперативно пристосовуватися навіть до швидко мінливих умов зовнішнього середовища.

Автор: Д. І. Нікітіна.