Как работает «биосупермаркет»
Те, кто думает, что экология — это наука про окружающую среду и о том, как ее защитить, не правы. Если дать достаточно широкое и абстрактное определение, экология — это наука о сообществах организмов, о том, как они взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Чтобы уложить эти вопросы в иерархическую структуру, экологи выделяют несколько крупных направлений. Самое базовое — это направление, изучающее энергию, потоки энергии, потоки ресурсов и принципы их преобразования. Фактически все это работает как глобальный «биосупермаркет».
Все из нас периодически бывают в обычном супермаркете, где, как правило, набирают определенный набор продуктов: то, что вы привыкли и любите есть и то, на что у вас, к примеру, нет аллергии. Но вряд ли вы видели человека, который вынес бы из супермаркета все и сразу. Как минимум это не имеет смысла, ведь все сразу съесть невозможно. Несмотря на все разнообразие еды, которое вы видите на полках магазинов, с точки зрения биохимии мы с вами и все остальные животные — довольно скучные организмы. Вся еда, которую мы употребляем в пищу, по сути, всего лишь смесь довольно большого количества сахаров, жиров и белков.
Но, если смотреть глобальнее, количество источников ресурсов, которые можно использовать биологическими системами, невообразимо, и у меня вряд ли хватит всей лекции, чтобы даже перечислить все то, что можно есть. Вполне буквально можно есть камень, воздух, воду, солнечный свет или вовсе питаться теплом. Огромный спектр организмов, которые существуют вокруг нас, могут использовать энергию неорганических химических соединений, солнечный свет и так далее. Мы с вами так не можем. Люди и животные относятся к гетеротрофам — мы полагаемся только на то, что съели, и не способны самостоятельно синтезировать органику, получать энергию из неорганических соединений.
С точки зрения эволюции люди — многоклеточные сложные животные, как у нас принято самих себя называть, – возникли очень недавно. На протяжении многих миллиардов лет на этой планете не было ничего, кроме одноклеточных форм жизни. И до сих пор они остаются абсолютно доминирующими формами. Все вокруг нас наполнено одноклеточной жизнью. Поэтому всегда, изучая экологию, важно помнить, что значительной ее частью являются именно микроорганизмы. Они сопровождали нас во все периоды нашей эволюции, и это еще раз напоминает нам о том, что жить без них мы не в состоянии. Что характерно, в среднем люди носят на себе и в себе три килограмма бактерий, и большая часть из них необходима нам для выживания.
Как эволюция «прокачивает» живые организмы, или почему нам не нужны все ресурсы планеты
Наверняка каждый из вас когда-либо в жизни играл в ту или иную компьютерную игру, где вам достается персонаж. Вы помните, что на первых этапах он абсолютно лишен каких-либо навыков и способностей. Но постепенно, выполняя квесты, убивая соперников, вы получаете очки опыта, которые можете потратить на прокачку персонажа. Что делать дальше? Все, кто играл в такие игры достаточно долго, знают, что нет никакого смысла прокачивать абсолютно все способности. Ведь если вы захотите сделать именно так, ваш персонаж не будет успешен ни в одном из дел. Всегда есть смысл сконцентрироваться на какой-то группе характеристик.
Такая же аналогия работает и в эволюции, с точки зрения которой опыт — это время, за которое эволюционирует организм. Каждый раз, когда живые организмы размножаются, они получают очки опыта. В дальнейшем эти «эволюционные очки» можно вложить в те или иные характеристики. С одной стороны, поскольку, как мы уже выяснили, разнообразие потребляемых ресурсов огромно, а с другой — нужно научиться потреблять определенные из них, организмы вкладывают свои эволюционные очки именно в эти навыки. Опять же, почему нет смысла тратить очки на потребление абсолютно всех ресурсов на планете? В этом случае вы попросту будете неконкурентоспособны ни в одной из ниш, представители которых, заточенные на конкретное действие, переиграют вас. Имея такую систему, на выходе мы получаем огромное количество разнообразных организмов, прекрасно заточенных на свой конкретный ресурс.
Что делает сообщества сильнее?
Из-за того, что организмы заточены на выполнение лишь определенных эволюционных функций, им необходимо взаимодействовать друг с другом. В этом случае можно провести прямую аналогию с человеческим обществом. Неслучайно многие закономерности, касающиеся взаимодействия организмов между собой и впервые обнаруженные в экологии, применяются сейчас в социологии, политологии и других общественных науках. Это еще раз говорит о том, что мы — тоже своеобразная экологическая система.
Полагаю, что никто из вас не пойдет за обувью к программисту, а за программой к сапожнику. В человеческом обществе есть специализация по профессиям, в экологии существует специализация видов, которая приводит к тому, что взаимодействовать друг с другом становится неизбежно. Всем известен пример, когда пчела опыляет цветок и питается, а цветок, в свою очередь, получает возможность продолжить жизнь. На самом деле биологические системы гораздо сложнее: есть виды, которые конкурируют друг с другом за нишу, есть виды, которые занимают в нише более или менее нейтральную позицию, одни зависят от других, другие — нет и так далее. Спектр взаимодействия очень широк.
Если вернуться к микроорганизмам, на более низком уровне можно рассмотреть пример взаимодействия внутри биопленок. Биопленки — это микробные сообщества, у которых есть сахарный каркас, где живут всевозможные бактерии и где они могут защищаться от различных неблагоприятных факторов окружающей среды. Здесь тоже все подчинено специализации: какие-то бактерии синтезируют каркас, другие отвечают за синтез пищи для биопленки, третьи — за распределение этой еды и так далее. И если вы уберете один компонент биопленки, она попросту разрушится.
Понаблюдав за сообществами и подкрепив свои наблюдения математическими методами, экологи доказали, что более разнообразные сообщества более стабильны. Почему так происходит? Представим сообщество, в котором живет 99% особей одного вида и 1% - другого, и при этом они сильно друг от друга зависят. Если у нас каким-либо образом поменялись условия среды и 1% особей того вида, на котором все держалось, вымер, то мы лишаемся возможностей восполнить эти потери. Если же сообщество равномерно, можно достаточно долгое время терять представителей того или иного вида. При нормализации условий потери смогут восполниться. Это называется стабильным сообществом.
Уничтожить все бактерии — не выход, или почему не стоит перебарщивать с антибактериальными гелями
Но не всегда бывает так, что сообщества способны вернуться в изначальное состояние. Иногда факторы среды не исчезают, что, в свою очередь, провоцирует замену одного сообщества, адаптированного под определенные условия, на другое. Это называется сукцессия. Работает она по принципу «свято место пусто не бывает». Довольно простой пример сукцессии: наверняка все из вас видели на кассах в супермаркетах антибактериальные гели для рук, на которых написано, что они убивают 99,9% бактерий. Этими гелями пользуются очень многие люди, ведь еще со школы нас учат, что бактерии — это однозначно плохо.
Пару лет назад я общался с преподавателями с кафедры микробиологии СПбГУ. Они рассказали мне, что на занятиях обычно просят студентов оставить на чашке с питательной средой отпечаток ладони и посмотреть, что случится после. Этот нехитрый опыт сразу же позволяет студентам понять, что они — по сути, ходячие колонии с бактериями. Рука здорового человека имеет очень много разноцветных пятен всевозможной фактуры — это значит, что здесь можно увидеть разнообразное сообщество.
Как будет выглядеть рука нездорового человека? Мне рассказали, что как-то раз во время такого опыта одна из студенток также, как и все остальные, оставила отпечаток руки, но вместо цветастой картинки на чашке с питательной средой уже потом обнаружилось флюоресцентное сине-фиолетовое свечение и плотный слой сахарного матрикса сверху. Профессиональные микробиологи, которые взглянут на эту картинку, скажут, что это синегнойная палочка. Оказалось, что эта девушка очень любит пользоваться антибактериальными гелями для рук и делает это постоянно: после каждого приема еды, после того, как дотронется до чего либо, после любого контакта с тем или иным предметом. В результате у нее на руках не осталось ничего, кроме одного вида бактерий.
Синегнойная палочка — очень неприятная, опасная бактерия, она есть у всех нас, но из-за того, что в нормальном, разнообразном сообществе есть много других видов и они конкурируют друг с другом, она не может занять доминирующую позицию. Но в этом случае антибактериальный гель уничтожил всех конкурентов синегнойной палочки, а она по определенным причинам оказалось к нему устойчива. И теперь ее никак не свести — ни антибиотиками, ни другими средствами. На деле это означает, что обладатель такой однообразной среды может представлять серьезную опасность для своего новорожденного ребенка, у которого еще не сформировалась собственная иммунная система. Это большая проблема особенно в развитых странах, которая касается также слишком долгого использования антибиотиков. Тем, кто вынужден использовать антибиотики достаточно долгое время, всегда необходимо нормализовать микрофлору.
Сообщества и преимущественно микробные сообщества существуют везде вокруг нас. Когда вы слишком долго принимаете антибиотики, вы уменьшаете разнообразие своего микробиома, и ваша система потенциально может не восстановиться. После этого у вас возникнет огромный спектр заболеваний вроде язвенного колита, болезни Крона, диабета второго типа или очень неприятные аутоиммунные заболевания. Без нормального микробного сообщества человек может буквально умереть. Всегда помните, что вы играете с очень хрупкой системой, которая напрямую связана с качеством вашей жизни.
Как ученые исследуют сообщества?
Исторически, чтобы исследовать микробные сообщества, используют технику культивирования. Буквально она заключается в том, что вы берете бактерии из среды, заселяете их на чашку с питательной средой и смотрите, что там вырастет. Но проблема в том, что для бактерии чашка с питательной средой — это то же самое, что и зоопарк для животного. Какие-то животные неплохо размножаются в неволе, но многие — нет, они не готовы даже жить в зоопарках.
Доминирующая часть бактерий не хочет жить в искусственно созданной среде. Те, которые живут, являются в буквальном смысле «культурными бактериями» — они не имеют никакого фенотипического отношения к своим сородичам, которые существуют в дикой среде. Исследуя их таким образом, мы получаем очень искаженное, совершенно не репрезентативное представление о том, как выглядит сообщество на самом деле. Поэтому специалисты придумали методы, которые позволяют исследовать сообщества без культивирования.
Этих методов очень много, но в большинстве случаев используется секвенирование. Это технология, которая позволяет выделить ДНК, хранящую генетический материал, из среды и прочитать ее. Таким образом биологи получают информацию о генетических признаках участников сообщества. Или наоборот, зная генетические признаки, вы сможете понять, кто живет в этом сообществе. Уже имея эту информацию, ученые могут использовать и многомерную статистику, и другие методы.
Но есть проблемы и у этого метода. Одна из них заключается в следующем: если вы занимаетесь математикой, линейными моделями или в принципе когда-либо изучали высшую математику, наверняка слышали о недоопределенной системе. Это система, число уравнений в которой меньше числа неизвестных. Например, микробное сообщество человеческого кишечника (которое, к слову, является достаточно простым) содержит от 500 до 1500 разных бактерий. Все эти бактерии — это отдельные переменные в уравнении. Соответственно, когда у вас есть 1500 переменных, которые определенным образом друг с другом связаны, вам нужно получить примерно такое же количество образцов, чтобы нормально восстановить отношения между объектами системы. Это очень дорого стоит. Один метагеномный образец стоит порядка нескольких десятков тысяч рублей. Посчитайте, сколько выйдет, при условии, что вам нужно 500 или 1500 таких образцов только на одно состояние. Поэтому огромное количество статистики, которое имеется, появляется из экологии. Именно эта наука двигает вперед многие статистические методы.
Экология и биология в целом с математической точки зрения — это очень сложный объект. Но если кто-то хочет заниматься этой наукой, то сейчас самое время начинать, потому что все самые громкие, передовые открытия ждут нас впереди, в ближайшие 10-20 лет.
