Каждое новое поколение всех видов обзаводится микробиомом. В некотором смысле такой цикл очень похож на наследственность[903]. Новое животное не получает свои синтезированные с нуля гены из ниоткуда. Эти гены были в клетках его предков и неоднократно удваивались в ходе удивительного путешествия к каждому последующему животному. Человек, например, начинается с зиготы, наполненной генами, которые при каждом делении копируются. Сначала они оказываются в тотипотентных клетках, потом в плюрипотентных, а затем в тех, из которых образуются определенные ткани. Некоторые из них становятся клетками зародышевой линии. Они мигрируют по организму, доставляя свои гены туда, где позже сформируются семенники. Спустя годы из потомков этих клеток могут получиться длиннохвостые сперматозоиды, каждый из которых содержит только один набор генов. Хотя у мужчины в течение жизни образуются миллиарды сперматозоидов, лишь некоторые из них попадут из его тела в женские половые пути и уж совсем немногие доставят свои гены в яйцеклетку.
Гены бактерий могут передаваться похожим образом, когда следующее поколение хозяев получает свои микроорганизмы[904]. Один из самых изумительных таких переходов осуществляется на глубине сотен метров под водой, где вокруг разломов на морском дне разрастаются колонии моллюсков из семейства Vesicomyidae[905]. Моллюски поглощают поднимающийся из этих трещин сероводород – ядовитое химическое вещество, которое придает тухлым яйцам их характерный омерзительный запах. Газ впитывается в их мышцы, а затем кровеносная система переносит его к жабрам. В жабрах имеются специальные клетки, которых нет у других видов моллюсков, эти клетки отделяют атомы серы от молекул сероводорода, и при разрушении химической связи высвобождается энергия. Моллюски используют эту энергию, чтобы объединить углерод, водород и кислород в молекулу сахара. Они делают примерно то же, чем занимаются деревья, но вместо солнечного света пользуются подземной химической энергией.
Если точнее, моллюски не сами захватывают энергию с морского дна. Специализированные клетки в их жабрах – на самом деле бактериальные. У них есть ген, который кодирует белок, умеющий расщеплять сероводород. В обмен на эту услугу моллюски предоставляют бактериям хорошо оборудованный домик. Моллюски без бактерий будут голодать, бактерии без моллюсков вряд ли смогут существовать.
Эти взаимоотношения примечательны по многим причинам – и в том числе географическим. Поскольку упомянутые моллюски могут жить только там, где из морского дна просачивается сероводород, их колонии милями отделены друг от друга. Моллюски выбрасывают свои половые клетки в воду, и после оплодотворения их личинки дрейфуют в океан. Большинство из них осядет на пустынное дно и умрет. Лишь немногие окажутся в тех местах, где смогут расти. Они принесут с собой и бактерий, необходимых им для выживания, – так же, как делали их предки.
Поскольку практически невозможно выращивать глубоководных существ в лабораторных условиях, исследователям сложно понять, как моллюскам удается сохранять своих партнеров. Поэтому в поисках ответа ученые поднимают моллюсков с морского дна и вскрывают их мертвые тела. В 1993 г. Крейг Кэри и Стивен Джованнони из Университета штата Орегон использовали поиск бактериальной ДНК, чтобы выяснить, где внутри моллюска находятся бактерии[906]. Исследователи нашли их в клетках жабр. Но кроме того, бактериальная ДНК была найдена и в органах, где образуются яйцеклетки моллюсков. Каким-то образом бактерии перемещались по моллюску из жабр к яйцеклеткам, чтобы проникнуть в следующее поколение животных. Новые моллюски с рождения оказываются инфицированными, получив по наследству расширенный набор генов: как от животных, так и от бактерий.
Интересно, что бы подумал Дарвин об этих моллюсках? Представляя себе наследственность, он считал, что геммулы стекаются из всех частей тела к половым клеткам, где объединяются, чтобы передать свойства организма следующим поколениям. Его теория пангенезиса оказалась неверной, и биологи отказались от нее как от одной из немногих дарвиновских ошибок. Вместо этого они приняли предложенное Августом Вейсманом строгое разделение клеток на две линии – зародышевую и соматическую. Теперь же исследователи обнаружили, что глубоководные моллюски используют геммуло-подобную наследственность, чтобы передать потомкам бактериальных партнеров.
Если бы эти глубоководные моллюски оказались единственным на земле видом, наследующим жизненно необходимые ему свойства таким способом, можно было бы счесть это исключением и отмахнуться от него точно так же, как когда-то сочли случайностью и сначала проигнорировали заразный рак тасманийского дьявола. Но моллюски не одиноки. Попадание необходимых бактерий к своим яйцеклеткам обеспечивают многие животные. И некоторых из них, например тараканов, изучать гораздо проще[907].
К тем микробам, что живут внутри тараканов, относят, в частности,
Иногда клетки с
Бактерии, живущие строго внутри хозяина, называются эндосимбионтами, но они были такими не всегда. Их предки обитали некогда снаружи своих хозяев. Свободноживущие родственники эндосимбионтов помогают ученым выяснить, каким образом некоторые бактерии превратились в таких близких партнеров. Шаг за шагом микроорганизм постепенно приближался к тому, чтобы всегда жить внутри хозяина[908].
Исследования показывают, что когда свободноживущие предки эндосимбионтов вступали в контакт с хозяином, будь то таракан, моллюск или один из миллионов других видов, они могли расти на нем или даже внутри него. По чистой случайности эти бактерии оказались чем-то полезными своим хозяевам, возможно, выделяя в виде отходов нужную тем аминокислоту. Если в результате хозяева преуспевали, у бактерий появлялось больше шансов размножаться в их внутренностях. Естественный отбор благоприятствовал тем бактериям, которые для своих хозяев были полезнее, поскольку их интересы совпадали. Подобным же образом их хозяева эволюционировали, чтобы выращивать бактерий. Появление специальных клеток для них обеспечило животным возможность наслаждаться бактериальными услугами.
По мере того как бактерии становились все более избалованными, они переставали испытывать нужду в генах, необходимых для выживания во внешней среде. Мутации, портящие эти ставшие лишними гены, больше не приводили к вымиранию. Бактерии генетически упрощались, их геномы сокращались в размерах на 90 % и более. Некоторые эндосимбионты утратили способность вообще что-либо делать – за исключением того, что не умеют делать их хозяева.
И бактерии, и их хозяева-животные угодили в эволюционную ловушку, из которой нет выхода. Как только они оказались заперты в симбиозе, у них начался общий эволюционный путь. Когда насекомые разделяются на два вида, их эндосимбионты тоже разделяются. Их эволюционные деревья копируют друг друга, одинаково ветвясь на протяжении десятков миллионов лет.
Путь фонареглаза очень похож на тот, что прослеживается у моллюсков и тараканов. Он тоже организует специальные укрытия – светящиеся органы, – где могут благополучно жить бактерии. Каждое новое поколение фонареглазов наследует свежий запас бактерий того же вида. В сущности, рыба расширяет свой геном, включая туда гены, производящие свет. Просто эти гены принадлежат совсем другому виду. Поскольку эти бактерии приспособились к жизни в светящихся органах, они потеряли 80 % своего генома[909].
Однако есть одно важное различие. Самка фонареглаза не занимается аккуратным перемещением бактерий внутри своего тела, чтобы перенести их из светящегося органа в яйцеклетки. Ее потомки выходят из икринок без этих микробов, необходимых им для свечения. Чтобы завести свои собственные фонарики, мальки должны заразиться.
Каждый день, который взрослый фонареглаз проводит, затаившись в пещере, он теряет немного своих бактерий. И хотя
Такой способ наследования более свободный, чем точная передача бактерий у моллюсков и тараканов. И все же здесь тоже присутствуют некоторые важные свойства наследственности[910]. Передаваясь из поколения в поколение, бактерии и их гены не имеют прочной связи с генами хозяина. Но последствия те же: благодаря комбинированному геному на протяжении миллионов лет каждое последующее поколение рыб продолжает испускать кремовый свет в море Банда.
Наш собственный микробиом – еще одно отклонение от стандартной наследственности. У нас не формируется специальный карман для хранения в нем какого-то определенного вида бактерий. Если вы дадите антибиотик моллюску и убьете его потребляющих сероводород бактерий, то он умрет. Но какого-то одного вида бактерий, от которого бы зависела наша – человеческая – жизнь, не существует. На самом деле нет и никакого определенного вида бактерий, который присутствовал бы у всех людей. У каждого из нас свой персональный зоопарк.
Я проникся глубоким уважением к этому разнообразию несколько лет назад, посетив одну научную конференцию. Бродя среди беседующих людей, я наткнулся на биолога Роба Данна, который помахал перед моим носом ватной палочкой. Он спросил меня, не дам ли я ему образец содержимого моего пупка для проводимого им исследования. Я отношусь к тем людям, которые на подобную просьбу сразу отвечают «да», поэтому через несколько минут был уже в ближайшем мужском туалете, где сунул ватную палочку себе в пупок, а затем поместил ее в пластиковый пузырек со спиртом.
Данн и его коллеги собрали сотни таких пузырьков и выделили из каждого фрагменты ДНК. Большинство этих фрагментов были явно человеческими. Но некоторые принадлежали бактериям. Ученые искали совпадающие последовательности в базах данных в интернете, чтобы выяснить, к каким видам они относятся. В моем пупке они обнаружили 53 вида бактерий. Когда Данн прислал мне файл с моим личным каталогом пупковых бактерий, он сделал приписку: «Да ты, мой друг, страна чудес»[911].