Новий погляд вчених на світ: ідея метаорганізмів – "голобіонтів" кардинально змінює парадигму в біології

"Скільки клітин в організмі людини?" Це звучить як запитання з вікторини. Але це також глибоке філософське питання. Одна з відповідей – близько 37 трильйонів. Саме стільки клітин у звичайній дорослій людині вагою 70 кг походять від заплідненої яйцеклітини, яка дала початок людині.

Однак, якщо поглянути на це з іншого боку, то вийде цифра приблизно вдвічі більша. Сюди додаються археї, бактерії, гриби та найпростіші клітини, які займають рот, кишківник, шкіру, легені та майже кожну іншу поверхню, куточок і щілину людського тіла. Ці клітини становлять лише близько 0,3% від маси тіла людини. Але будучи в цілому набагато меншими, ніж "правильні" людські клітини, вони майже так само численні.

Те, що люди мають цей супровідний мікробіом, не є новиною. Як і те, що деякі з цих додаткових клітин є просто "пасажирами", а інші приносять активну користь. Ідея симбіозу, в якому різні види живуть разом, тісно співпрацюючи, сягає корінням у 19 століття. Але те, що починалося з обмеженого переліку незвичайних випадків, поступово розрослося до рівня, коли стало зрозуміло, що майже кожен багатоклітинний організм – і навіть деякі одноклітинні – мають симбіонтів.

Це наводить деяких біологів на думку, що настав час для "зміни парадигми" – нового погляду вчених на світ.

Покінчити, кажуть вони, зі старою ідеєю про те, що рослини і тварини "мають мікробіом", і прийти до думки, що і ті, і інші є лише частинами єдиного метаорганізму, компоненти якого еволюціонують узгоджено один з одним. А також з назвою для цих спільних істот: голобіонти.

Одним із прихильників такого способу мислення є Томас Белл, керівник Левергальмського центру голобіонтів Імперського коледжу в Лондоні, який відкрився в січні. Зміна парадигми має багато причин. Але одна з них, яка допомогла перехилити чашу терезів у цьому випадку, – це технологія під назвою метагеноміка. Метагеноміка одночасно аналізує геноми всього, що міститься у зразку – ґрунту, води, листового опаду або подрібненої частини рослини чи тварини.

І ліси, і коралові рифи чутливі до температури, а отже, перебувають під загрозою глобального потепління. Розглядаючи їхніх мешканців як голобіонтів, екологи можуть допомогти їм пристосуватися.

Доктор Белл та його колеги досліджують, зокрема, комах, земноводних та рослини. Окрім того, що вони є еукаріотами, тобто їхні клітини мають правильні ядра і містять складні структури, які називаються органелами, вони мають досить мало спільного з еволюційної точки зору. Кожна група була обрана для дослідження тому, що погляд на її представників як на голобіонтів, а не як на окремих істот, є показовим.

Серед комах центр починає з короїдів та медоносних бджіл. Голобіонтна природа короїдів підкреслюється тим, що у деяких з них розвинулися спеціальні структури, які називаються мікангіями, що несуть спори грибів. Тоді як медоносні бджоли є важливими запилювачами, що може призвести до того, що вулики обмінюються мікробіомами через квіти, які відвідують їхні члени.

Амфібії потрапили до списку через те, що багатьом з них загрожує вимирання через шкірні грибки під назвою хітриди, які були занесені людиною з їхньої азійської батьківщини. Рослини опинилися в центрі уваги центру, оскільки більшість з них супроводжуються "ризосферою" бактерій і грибів, що прикріплені до їхнього коріння або навіть проникають у нього.

Такі дослідження, як робота доктора Белла, означають, що ідея голобіонтів як значущої категорії привертає увагу. Але для того, щоб вона була повністю прийнята, її потрібно розкласти по поличках і дати їй визначення. Як каже Скотт Гілберт, біолог з розвитку з Свортморського коледжу, "Це поняття [голобіонтів] кидає виклик і прагне замінити концепцію моногеномної особини, чия сутнісна ідентичність виникає під час розвитку, підтримується імунною системою і відбирається в процесі еволюції". Це серйозна заява.

Найбільш вивченим тваринним голобіонтом є Homo sapiens.

Топологічно людина є тором – тривимірним об'єктом з отвором посередині. Цей отвір є травним каналом. Майже вся поверхня цього тору є домом для мікробів, хоча різні частини мають різних мешканців. Найбільше їх живе в нижньому відділі кишківника.

Ці кишкові мікроби розширюють травні можливості людського голобіонта так само (хоча й не такою мірою), як це відбувається у термітів, розщеплюючи волокнисті рослинні полімери на менші молекули, які можуть метаболізувати інші 37 трильйонів клітин. Але вони також виробляють багато інших молекул, деякі з яких посилають сигнали тваринним клітинам голобіонта. Ці клітини, до того ж, часто надсилають сигнали у відповідь.

Ця сигналізація, здається, особливо впливає на частини нервової системи. Серед молекул, які виділяють кишкові бактерії, є серотонін, габа та катехоламіни. Всі вони є нейромедіаторами – хімічними речовинами, які передають імпульси між нервовими клітинами. Таким чином, мікробіом є невіддільною частиною осі "кишківник-мозок", постійного нейронного спілкування між найбільшою групою нервових клітин в організмі (центральною нервовою системою) і другою за величиною (ентеральною нервовою системою).

Третя велика взаємодія між хазяїном і мікробіомом відбувається за участю імунної системи. Вона виступає посередником, запобігаючи бунту будь-якої частини мікробіому – завдання не менш важливе, ніж боротьба з інфекційними захворюваннями. Своєю чергою, добре збалансований мікробіом допомагає імунній системі, запобігаючи розмноженню патогенних бактерій у кишківнику.

Селекціонери також починають серйозно ставитися до концепції голобіонтів.

Польові агенти компанії Indigo Ag у Бостоні, штат Массачусетс, виявляють на полях фермерів рідкісні рослини, які виживають після посух та заражень, і відправляють їх на дослідження. Припускають, що в таких рослинах є щось особливе. Фундаментальне припущення Indigo полягало в тому, що це щось особливе часто знаходиться в ризосфері (вузька зона ґрунту, що безпосередньо оточує корінь – ред.).

Дотримуючись цієї думки, компанія знайшла – і тепер виводить на ринок – ризосферних жуків, які підвищують посухостійкість бавовни, кукурудзи, сої та пшениці; покращують стійкість до грибків у кукурудзі, сої та пшениці; захищають від нападу нематод; вивільняють фосфор і калій з ґрунту; "фіксують" атмосферний азот, перетворюючи його на молекули, такі як нітрати, які рослини можуть використовувати для створення амінокислот.

Інша фірма, Pivot Bio з Берклі, Каліфорнія, зосереджується на фіксації азоту. Дослідники Pivot відредагували гени двох типів азотфіксувальних бактерій таким чином, що вони продовжують працювати навіть тоді, коли в ґрунті його вже достатньо, а також виробляють більше фіксованого азоту, ніж зазвичай. При посадці поряд з такою культурою, як кукурудза, коктейль з цих бактерій забезпечує миттєву азотфіксувальну ризосферу для кожного саджанця. Це може зменшити використання добрив на п'яту частину.

Велика рогата худоба та інші домашні тварини також перебувають під пильною увагою. Їхні травні системи, подібні до термітів, генерують понад 100 мільйонів тонн метану на рік, що становить близько 6% викидів парникових газів, за які несе відповідальність людина. З цим можна боротися, додаючи до корму великої рогатої худоби одну з двох речовин – хімічну речовину під назвою 3-нітрооксипропанол або морську водорість Asparagopsis taxiformis. Дійсно, додавання A. taxiformis не лише зменшує виділення метану, але й збільшує коефіцієнт перетворення корму на молоко або м'ясо.

Природоохоронці бачать перспективу в тому, щоб розглядати організми як голобіонти, прагнучи допомогти цілим екосистемам. І ліси, і коралові рифи чутливі до температури, а отже, перебувають під загрозою глобального потепління. Розглядаючи їхніх мешканців як голобіонтів, екологи можуть допомогти їм пристосуватися.

homo sapiens дослідження біологія наука екологія