Симбиоз: биотехнология удачного сожительства

В борьбе за свое существование побеждает сильнейший – так считалось с момента появления теории Дарвина. Но сегодня ученые выделили еще один не менее мощный двигатель эволюции. Это – симбиоз, или взаимовыгодное сотрудничество организмов. (от греч. symbiosis «совместная жизнь»). Оказывается, все основные этапы качественного усложнения животной и растительной организации взял на себя именно симбиоз.

Вы наверняка иногда обращаетесь за помощью к своим друзьям и родственникам, а затем, сразу или при необходимости, отвечаете им взаимностью? (В крайнем случае сразу дарите им коробку конфет!) В идеальном итоге – все довольны и счастливы. Этот «социальный бартер» тоже своего рода симбиоз – помощь одним, радость/пропитание другим. Забавный пример, правда? Но вот в природе все-все рассчитано до изысканных мелочей и функционирует на более постоянной основе. В природе симбиоз является важнейшим эволюционным механизмом, который вертит весь маховик жизни.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваЕще со времен Чарльза Дарвина взгляды на эволюцию видов основывались на таких фундаментальных идеях, как конкуренция и борьба. Другими словами, на извечных, неустранимо антагонистических отношениях между организмами. Но чуть позже обнаружилось, что в удивительном количестве случаев между живыми существами господствуют и партнерские отношения. И все по той же причине – отчаянное стремление выжить, съесть побольше и расплодиться сильнее, дабы увековечить в истории свою ДНК. Это не значит, что Дарвин был не прав и что существует какой-то особый закон эволюции, противоречащий принципу естественного отбора. Напротив, именно естественный отбор через конкуренцию и размножение наиболее приспособленных организмов приводит к тому, что на смену конкуренции часто приходит кооперация.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваБиологи обнаружили, что во многих случаях организмам просто выгоднее уменьшить или вовсе устранить конкуренцию, чтобы затем перейти к не столь нервозному взаимовыгодному сосуществованию или даже сожительству. (Либо с себе подобными организмами, либо с представителями совершенно других царств и видов.) И такая «прогрессивная» стратегия приносит свои плоды. Неконкурирующие виды оказываются более приспособленными, к примеру, в условиях изменения окружающей среды. В основе этого процесса лежит все тот же дарвиновский механизм, хотя при первом рассмотрении это и не так очевидно.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваВ свое время сенсацию в научном мире произвело открытие биоструктуры лишайника. Лишайник – это и есть удачный пример «брака по расчету» гриба и водоросли.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваКогда это обнаружили в середине XIX века, удивительное открытие (первое в своем роде!) восприняли как забавный курьез или даже чью-то неудачную шутку. Многие ученые отказывались верить, что природа может выкинуть такие штуки. Но в дальнейшем, по мере накопления фактов с такими «шутками» приходилось сталкиваться все чаще и чаще. Сегодня уже ясно, что подобные лишайнику симбиозы разных организмов (вплоть до полного физического слияния в единый организм) – весьма распространенное явление. Более того, оно, по мнению многих биологов, лежит в основе если не всех, то абсолютного большинства серьезных эволюционных преобразований.

Все есть симбиоз

По некоторым гипотезам, еще на заре химической эволюции (до появления жизни) симбиогенез мог играть главную роль, ибо первые живые структуры, скорее всего, синтезировались именно в результате симбиоза разных химических процессов, которые изначально протекали по отдельности, но затем, в силу не до конца ясных нам причин, начали взаимодействовать, образуя разные взаимовыгодные связи.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваВсе сколько-нибудь фундаментальные определения в биологии (как и в любой другой науке) на самом деле достаточно расплывчаты. Но большинство ученых сходятся, что симбиоз (в широком смысле) можно определить как любую форму взаимовыгодного сотрудничества нескольких организмов. Так или иначе, это отношения между двумя и более акторами, которые основаны на прямом извлечении пользы из подобных условий одной стороной либо одновременно обеими. (При этом в природе наиболее распространена именно взаимовыгодная форма.) В более узком понимании, когда разные организмы фактически сливаются в единый сверхорганизм, в биологии принято говорить о симбиогенезе – происхождении организмов в результате симбиоза.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваВ одном из выпусков мы уже писали о недавнем открытии микробиологов, обнаруживших, что один из частных случаев симбигенеза – это симбиоз микрофлоры нашего кишечника и нашего мозга. (Психобиом: как бактерии меняют наше сознание?)

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваИсследования, проведенные канадскими микробиологами из Университета МакМастера, позволили предположить, что бактерии кишечника существенно влияют на наше поведение и такие ключевые когнитивные процессы, как память, эмоции, мотивация, оказывая влияние на активность генов на начальном этапе развития мозга.

«Профессор Джереми Николсон из Имперского колледжа в Лондоне предложил ввести новое понятие – рассматривать комплексно не человека, а сверхорганизм, симбиоз человеческих и нечеловеческих клеток. Причем человеческий геном в этом симбиозе не преобладает. С подачи Николсона возник и новый термин – «психобиом» как качественно новое явление, которое характеризуется когнитивным воздействием всей нашей микрофлоры, всего микробиома на психологические аспекты нашей личности».

Кроме этого экзотического «биоментального симбиоза» можно привести и более классический пример, когда кишечные бактерии, например, обеспечивают оптимальное усвоение разнообразной пищи, получая для себя взамен комфортные условия проживания и стабильное питание. Однако надо отметить, взаимной выгодой такого рода взаимодействия не ограничиваются. Существует целая наука – симбиология, которая выделяет несколько ключевых видов симбиотических взаимоотношений, встречающихся в природе.

Каждый выбирает по себе

Cимбиология возникла в середине XIX века (сразу после открытия лишайника!) и с тех пор начала составлять пространные таблицы разных типов биотических взаимоотношений, которые наглядно показывают всю выгоду или вред симбиоза.

На сегодняшний день представители этой науки выделяют 3 основные разновидности, позволяющие во всей полноте представить все существующие в природе такие взаимоотношения. А наблюдательный читатель даже может попробовать провести параллели и аналогии уже с нашей общественно-социальной структурой. Психологи и философы уже давно заметили, что в общественной жизни подозрительно часто встречаются все основные типы симбиотов, что ,по их мнению, лишний раз подтверждает универсальность и сводимость многих явлений и феноменов природы.

Мутуализм – взаимовыгодная форма отношений, в которой каждый партнер получает существенную выгоду, и чаще всего это непременное условие выживаемости обоих партнеров. Однако не надо полагать, что в данном случае симбиоз зиждется на неких альтруистических порывах – каждый из партнеров преследует свои сугубо эгоистичные цели для улучшения собственной жизни (съесть побольше и увековечить ДНК, помните?). Например, к мутуализму относят известную всем связь «пчелка-цветочек»: собирая нектар для питания себе и своей колонии, насекомое опыляет его, чем обеспечивает появление семян.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваЕще одна пара – актиния-рак. Актиния, неспособная к передвижению, зачастую селится на раковине рака-отшельника, чем надежно защищает ее обитателя своими ядовитыми стрекальными щупальцами.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваРак, защищаемый актинией, безопасно передвигается по дну водоема, что позволяет актинии получить намного больше питательных веществ, чем близким к ней видам, которые до этого фокуса не додумались. Один из подвидов мутуализма – эндосимбиоз – такое взаимодействие, при котором в цветке растения поселяется грибок или бактерия, получающие питание и выделяющие особые вещества, своего рода «удобрения», способствующие росту основного «жилища».

Однако не всегда симбиоз устроен на такой оптимистичной основе. Нередко один из партнеров получает пользу, а второй – вред, однако избавиться от паразита он по каким-либо причинам не способен и вынужден терпеть его присутствие. Порой это приводит к гибели страдающей стороны.

Паразитизм может даже влиять на эволюцию паразитов, которым выгодна подобная стратегия, менять анатомию, физиологию, даже систему чувств и движений. Вместе с утратой прежних анатомических особенностей паразиты, развиваясь, приобретают свойства, помогающие им закрепить связь с жертвой. Например, усиливаются органы крепления и даже появляются новые.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваСвязь паразита и жертвы может быть постоянной или проявляться эпизодически. Например, комар, получающий питание от человека. Типичный пример паразитизма – кукушка, подкидывающая свои яйца в гнезда других видов пернатых, не желая затрачивать свою энергию на выведение потомства.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваНо неужели в природе существуют только две крайности – мутализм/паразитизм, при которых оба сожителя удовлетворены взаимной связью или же один из них не выражает особого восторга? Нет, симбиология указывает еще и на возможность равнодушия одного из партнеров к симбиозу. Все как в жизни.

Равнодушный комменсализм, при котором один из партнеров получает выгоду, а другому «ни жарко, ни холодно». В гнезде белохвостого орлана часто селится обыкновенный воробей, получая тем самым защиту от огромной хищной птицы, при этом сам хозяин гнезда абсолютно равнодушен к присутствию мелкой птахи.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваСовы иногда заводят в своих гнездах небольших змей. Змееныши питаются мелкими насекомыми, которые конкурируют с совятами за принесенную совой добычу. В результате такого симбиоза совята быстрее растут и меньше страдают от… паразитов! Круг замкнулся!

Симбиоз: биотехнология удачного сожительства

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваВ яйца, откладываемые саламандрами, научились проникать зеленые водоросли. Они великодушно снабжают эмбрион кислородом, взамен получая питательный азот от жизнедеятельности эмбриона. Недавно было обнаружено, что такой симбиоз даже передается по наследству, поскольку ДНК водорослей содержится непосредственно в половых органах взрослых саламандр. Даже так.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваИзвестный многим пример: «муравьиное животноводство» – когда лесные трудяги разводят тлей, которые затем сосут из растений сок и выделяют из него в виде капелек сахарозу. Тля выцеживает такое «молочко» прямо в рот муравья, после того как он «помассажирует» ее брюшко. Для «стада» тлей муравьи сооружают укрытия, которые защищают их от непогоды и нападения врагов.

Примеры симбиоза в живой природе встречаются практически на каждом шагу, при этом ученые сами признаются, что многообразие взаимных отношений изучены не досконально и впереди человечество, несомненно, ожидает масса интересных инсайтов, подобных открытию психобиома – совокупности микроорганизмов, влияющих на сознание человека.

Развивая технологию

Эволюция – каверзный путь миллионов компромиссов, с помощью которых можно сделать друзей даже из своих заклятых врагов. Это удивительно и прекрасно. Особенно в тех случаях, когда выбирать особо не приходится.

Неоспоримый факт: симбиоз является важнейшей составляющей частью всего эволюционного процесса, который постепенно изменяет виды, делая их более приспособленными к окружающему миру и защищенными от суровых реальных условий. Не к этому ли стремимся мы, Homo Sapiens, как вид и сможем ли мы когда-нибудь в итоге выбирать – с кем и как симбиотически сожительствовать?

Симбиоз: биотехнология удачного сожительстваИ хотя предсказывать перспективы эволюции занятие бесперспективное, но год от года ученым становится все очевиднее, что, например, роль генной инженерии будет все больше возрастать – уже искуственное объединение геномов разных организмов открывает потрясающие перспективы для защиты существующих и создания новых форм жизни, выводя разработанную природой технологию симбиоза на качественно иной уровень.

Симбиоз: биотехнология удачного сожительства

Дмитрий Бурлуцкий