рефераты

Симбиоз червей и бактерий

Большинство живых существ, населяющих нашу планету, являются сложными симбиотическими комплексами. Их изучение значительно продвинулось в последние годы благодаря методу метагеномного анализа. Суть метода заключается в выделении из образца (например, из тканей какого-нибудь животного или из содержимого кишечника) всех имеющихся молекул ДНК. ДНК секвенируют (определяют последовательности нуклеотидов) и по этим последовательностям выясняют, какие организмы присутствовали в пробе. Генетические базы данных сегодня позволяют по набору выделенных из пробы генов определить, какие организмы присутствовали в пробе, даже если эти организмы до сих пор не были известны науке. Сравнивая найденные гены с известными, можно выяснить не только чьими родственниками являются эти существа, но и как они живут и чем дышат.

Группа ученых из США и Германии при помощи метагеномного анализа обнаружила и «расшифровала», возможно, самую удивительную симбиотическую систему из всех известных на сегодняшний день.

Объектом изучения стал малощетинковый червь Olavius algarvensis, обитающий в Средиземном море. Червь этот интересен прежде всего тем, что у него нет ни рта, ни кишечника, ни ануса, ни нефридиев. Некоторые другие морские черви тоже научились обходиться без органов пищеварения: например, у погонофор кишечник превратился в тяж, набитый симбиотическими бактериями, окисляющими сероводород или метан. Однако редукция еще и выделительной системы – это явление беспрецедентное для кольчатых червей. Неужели микробы-симбионты сумели заменить червю не только органы пищеварения, но и органы выделения? Безусловно, этот случай заслуживал пристального изучения.

Метагеномный анализ выявил присутствие в теле червя четырех видов симбиотических бактерий, два из которых относятся к группе гамма-протеобактерий, а два других – к дельта-протеобактериям. Обе гамма-протеобактерии, геном которых удалось реконструировать почти полностью, являются авто-трофами, т.е. синтезируют органические вещества из углекислого газа. Необходимую для этого энергию они получают за счет окисления сульфида (S2–). В качестве окислителя используется кислород, а при отсутствии кислорода – нитраты, а также некоторые органические вещества. В качестве конечных продуктов жизнедеятельности эти бактерии выделяют окисленные соединения серы (например, сульфаты).

Малощетинковый червь Olavius algarvensis

Дельта-протеобактерии тоже оказались автотрофами, но другого рода, а именно сульфат-редукторами. Они получают энергию, восстанавливая сульфат (или другие окисленные соединения серы) до сульфида. Таким образом, метаболизм гамма- и дельта-протеобактериальных симбионтов оказался взаимодополняемым: отходы первых служат пищей вторым, и наоборот.

В качестве восстановителя (донора электронов, необходимого для восстановления сульфата) симбиотические дельта-протеобактерии могут использовать молекулярный водород. В их геномах имеются гены ферментов гидрогеназ, необходимых для работы с молекулярным водородом. Возможно (хотя и не удалось доказать наверняка), что гамма-протеобактериальные симбионты производят некоторое количество H2 в процессе своей жизнедеятельности и таким образом снабжают дельта-протеобактерий не только окисленными соединениями серы, но и восстановителем.

Бактериальные симбионты живут не в глубине тканей, а прямо под наружной оболочкой (кутикулой) червя. Здесь они обмениваются друг с другом продуктами своего метаболизма. Всё прочее, чего им может недоставать, они получают из окружающей среды – в основном это вещества, просачивающиеся из морской воды под кутикулу хозяина. Микробы размножаются, а эпителиальные клетки червя тем временем потихоньку заглатывают их и переваривают. Этого источника питания, очевидно, червю вполне достаточно, чтобы не испытывать дискомфорта из-за отсутствия рта и кишечника.

Но как удается червю обходиться без выделительной системы? Оказалось, что в геномах бактерий-симбионтов присутствуют гены белков, обеспечивающих всасывание и утилизацию мочевины, аммония и других «отходов жизнедеятельности» червя. Эти вещества служат бактериям ценными источниками азота.

Очевидно, что червь-хозяин полностью зависит от своих симбионтов и жить без них не в состоянии. А могут ли бактерии обходиться без червя? Судя по строению их геномов, это вполне вероятно. Геномы бактерий, полностью перешедших к паразитическому или симбиотическому образу жизни, обычно упрощаются. В частности, в них исчезают или становятся «молчащими» гены, необходимые для синтеза некоторых веществ (например, аминокислот), которые можно позаимствовать у хозяина. Ничего подобного не наблюдается у симбионтов червя Olavius algarvensis.

Возможно, основная выгода, которую бактерии получают от сожительства с червем, состоит в том, что он подвижен и может по мере надобности переползать туда, где условия среды наиболее благоприятны для бактерий.

Таким образом, пять видов живых существ, объединившись, превратились в универсальный «сверх-организм», способный жить в самых разнообразных условиях – в том числе и там, где ни один из его «компонентов» не выжил бы в одиночку.

На юго-западе Канады находится Burgess Shale – одно из самых знаменитых среднекембрийских местонахождений, где сохранились отпечатки целых животных, в том числе мягкотелых. Именно там были обнаружены отпечатки нового необычного существа. Причудливое создание длиной 6–10 мм, жившее около 505 млн