Еще недавно симбиоз считался сравнительно редким явлением в природе, скорее курьезом, чем правилом. Но в последние десятилетия ученые пришли к выводу, что симбиотические комплексы являются основой многих экосистем Земли и многих живых организмов, и именно они в значительной степени определяют круговорот веществ и энергии.

О роли симбиозов в структуре биосферы рассказывает доктор биологических наук Александр Марков:

— Александр, мы уже говорили о том, что основные этапы эволюции происходили с участием симбиоза . Давайте сегодня остановимся на роли симбиоза в формировании экосистем.

— Действительно, симбиозы лежат в основе всех важнейших экосистем и основных блоков круговорота глобального вещества и энергии. Это относится и к морским, и к наземным экосистемам, и к животным, и к растениям, и к позвоночным, и к беспозвоночным. Чтобы в огромном многообразии симбиотических систем разобраться, мы их условно поделим на группы, хотя это не научная классификация, но так будет проще разобраться во всем многообразии.

Я воспользуюсь классификацией, которая предложена в обзорной статье Проворова и Долгих по системам симбиоза, недавно опубликованной в журнале «Общая биология».

Были выделены такие группы: симбиозы между азотофиксирующие растениями и азотофиксирующими бактериями; симбиозы производителей органических веществ и их потребителей; симбиозы животных с микроорганизмами, которые помогают переваривать растительную пищу; симбиозы с участием различных вирусов и мобильных генетических элементов; наконец, остается огромная группа «разное», в нее включаются самые разные симбиозы, которые ни в какую классификацию не помещаются, которые возникают благодаря объединению самых разных и неожиданных интересов и потребностей разных видов.

— Давайте начнем с такого примера как жвачные животные. Они, как и люди, относятся к симбиозу животных с микроорганизмами, которые помогают переваривать растительную пищу.

— Что такое животные с точки зрения биосферы и баланса биосферного круговорота? Это — прежде всего потребители растительной пищи. Растения производят органику из углекислого газа, а животные поедают эту органику, переваривают и возвращают в углерод в виде углекислого газа, то есть они замыкают вот этот цикл вместе с растениями.

Главная экологическая роль животных поедать растения. Но парадокс заключается в том, что животные практически не могут переваривать растительную пищу. И они справляются с этой задачей, исключительно благодаря симбиозу с разнообразными микроорганизмами, которые живут в кишечнике животных. Собственно, именно микроорганизмы и переваривают вот эту трудноусваиваемую растительную пищу. Если говорить о человеке, то в каждом из нас занимается этой работой порядка килограмма микробов.

У коровы их, конечно, гораздо больше. У нее есть специальный отдел желудка — рубец жвачных, специально служащий инкубатором для микроорганизмов. У коровы ситуация гораздо сложнее, чем у человека, потому что корова питается той самой растительной пищей, которая не переваривается животными, она — питается травой. А человек все-таки употребляет легкоусваиваемую животную пищу, например, сочные плоды. Но если бы животные могли питаться только другими животными или сочными плодами и семенами, то животный мир был бы несравненно меньше, беднее и не играл бы такой заметной роли в биосфере. Он был бы довольно жалким.

А у бактерий репертуар ферментов гораздо шире, чем у нас с вами. Сегодня стало модно говорить, что человек — как и все животные — на самом деле не единый организм, а сверхорганизм. Потому обмен веществ человека определяется не только человеческими генами, но и генами тех микробов, которые живут с нами в симбиозе. Это не только гены ферментов, переваривающих те вещества, которые мы сами не можем переварить, но это еще и гены белков, которые синтезируют различные витамины, незаменимые аминокислоты, те компоненты, которых может не хватать в пище — их для нас синтезируют те же микробы, чем очень сильно нам облегчают жизнь и укрепляют здоровье.

— Удивительно, насколько изменился наш взгляд на микроорганизмы. В начале XX века, многие люди боялись любых микробов. А оказывается, многие их виды помогают нам выживать.

— В начале XX века один действительно замечательный ученый, нобелевский лауреат, предлагал просто удалять прямую кишку при рождении, потому что в ней очень много микробов. А в ней как раз происходит сбраживание углеводов и синтез витаминов.

— О каких ярких примерах симбиозов стоит еще рассказать?

— Поразительные вещи сегодня открывают в связи с насекомыми. Насекомые очень важная группа животного мира, гораздо более многочисленная и многообразная, чем, скажем, позвоночные, и они тоже питаются растениями. Есть хищные формы насекомых, но основная масса питается растительной пищей, в том числе многие насекомые питаются чистыми растительными соками. А что такое сок растения? Это чуть подслащенная водичка и все, там кроме углеродов фактически ничего нет, это немногим лучше, чем грызть химически чистую целлюлозу, как это делают термиты. Тля и многие клопы просто высасывают сок у растений. И у всех таких насекомых есть симбиотические бактерии, которые живут обычно внутри клеток. У многих насекомых есть специальные органы бактериосомы, и в них специальные клетки бактериоциты, в которых живут эти бактерии.

Недавно был исследован симбиоз клопов, которые питаются соками растений, и бактерий. У этих клопов кишка является инкубатором для бактерий. Она пережимается, сок, который они всасывают, не может пройти насквозь, и бактерии, которые живут в бывшей средней кишке, синтезируют все недостающее для этого клопа элементы. И что самое интересное — самка обеспечивает свое потомство этими бесценными бактериями. Она откладывает яйца и в каждую кладку обязательно откладывает так называемые симбиотические капсулы — это специальные упаковочки с бактериями. Когда потомства вылупляется из яйца, первым делом оно ищет эти капсулы и их съедает.

— Какие симбиозы существует в море?

— Самые яркие и впечатляющие морские экосистемы – это коралловые рифы. И они тоже основаны на симбиозе, потому что коралловые полипы — это симбиотические сверхорганизмы: это кишечнополостный полип, в его тканях живут симбиотические водоросли. В тропиках, где живут коралловые полипы, в воде очень мало зоопланктона, которым могут питаться сами полипы, и поэтому они фактически используют для питания фотосинтез: они питаются той органикой, которую производят их симбиотические водоросли. Сегодня из-за изменений климата вода нагревается выше критического уровня — выше 30 градусов, — это приводит к тому, что симбиотические водоросли гибнут. Это называется выбеливанием кораллов. А следом за водорослями гибнут и сами коралловые рифы.

— Как используют синтез растения?

— Очень важный пример – это наземные растения. Все они замечательно приспособлены для того, чтобы производить органику: листья, стебли, замечательные системы размножения, цветы – это великолепное произведение эволюции. Но у растений есть одно слабое место– они не умеют переводить атмосферный азот в удобоваримое для себя состояние.

Усваивание азота — это очень сложная и энергоемкая задача, но жизнь сумела ее решить. Это умеют делать только прокариоты — некоторые бактерии. А высшие организмы этого делать не умеют. Тот способ, которым пользуются бактерии, требует отсутствия кислорода. Природе не удалось создать такой способ работы с азотом, который бы шел в кислородных условиях.

Доступного азота не хватает в почве, он там есть в виде отмерших органических веществ, но растения не могут из них извлечь азот, потому что у них нет пищеварительных ферментов, чтобы эту органику разложить.

Как же была решена проблема? Опять же при помощи симбиоза с азотфиксирующими бактериями. Этот симбиоз замечательно развит у очень многих высших растений, а другие могут пользоваться плодами их трудов. Причем интеграция между азотфиксирующими бактериями и растениями достигла потрясающей степени. У растений, например, у бобовых на корнях образуются специальные органы — клубеньки, в середине которых развиваются азотфиксирующие бактерии ризобии. И там настолько все связано, что растительные клетки, составляющие этот клубенек, специально заботятся, чтобы в середину клубенька не попал кислород, они убирают кислород оттуда, чтобы создать условия для развития ризобий. Растения и бактерии обмениваются химическими сигналами, и доходит даже до того, что работа некоторых растительных генов, управляется бактериальными белками-регуляторными.

Бактерии отдают команды растению, но и растения посылают управляющие сигналы бактериям. Фактически эта симбиотическая система работает, как единый организм.