Что такое микробиом
На изучение микробиома человека развитые государства всего мира тратят намного больше денег, чем на исследования ризосферы растений. Поэтому новых открытий здесь достаточно много. Сейчас, с началом масштабных геномных исследований самых разных бактериальных сообществ (например, дна океанов или сточных вод), термин «микробном» стал более популярным. Он подразумевает совокупность не столько самих микробов, сколько всех микробных генов, оказывающих влияние на среду, в которой они существуют. Оказывается, и ворсинки кишечника человека, и корневые волоски у растений взаимодействуют с окружающими их микроорганизмами по одним и тем же законам, контролируются сходными древнейшими генами. Именно по результатам генетического анализа было установлено, что в организме человека обитает более 10 тысяч различных видов микробов.
Такое обилие микробов обеспечивает жизнедеятельность человека гораздо большим количеством генов, чем может предоставить сам по себе человеческий организм. По подсчетам ученых, если в геноме человека 22 тысячи генов, кодирующих белки для обслуживания нашего метаболизма, микробном привносит еще около восьми миллионов уникальных кодирующих генов; иными словами, бактериальных генов в человеке в 360 раз больше, чем собственно человеческих.
Такие же процессы происходят и в почве, в ризосфере растений, где ферменты микроорганизмов кормят растения. У людей нет всех ферментов, необходимых для переваривания того, что мы едим, а у корней растений нет многих ферментов для усвоения элементов питания из почвы, отмечают ученые. Большая часть белков, липидов и углеводов нашего рациона расщепляется до способных всасываться кишечником питательных веществ теми микробами, которые обитают в кишечнике. Более того, микробы производят полезные вещества вроде витаминов и противовоспалительных соединений, синтез которых наш геном обеспечить не может. Окружающая среда, наш здоровый сад, формирует здоровый микробном нашего организма.
Все ли знают, кто такие археи?
Итак, попытаемся разобраться в этой невидимой биологической составляющей. Раньше почвенные микроорганизмы ученые изучали с помощью микроскопов и размножали в чашках Петри. Последние пару десятков лет появилась новая наука – молекулярная генетика. И оказалось, что с помощью генетического анализа можно обнаружить в почве на два порядка больше микроорганизмов, чем предполагали раньше. Ученые, основываясь на методах молекулярной генетики, пришли к единому мнению, что в одном грамме хорошей почвы, хорошего компоста или вермикомпоста может содержаться миллиард бактерий и миллион грибов, не считая другие группы микроорганизмов. Современным биологам стало понятно, что экологические взаимодействия между этими группами организмов очень сложны и многообразны. Они осознали проблему, что подавляющее большинство из микроорганизмов (по некоторым оценкам это не менее 99,9 %) не могут быть выделены, выращены и идентифицированы при их культивировании даже с помощью современных лабораторных методов.
В западной литературе уже не пишут просто о бактериях, а всегда пишут «бактерии и археи» (археи не могут быть идентифицированы при их культивировании, они не обладают ядром, имеют свою независимую эволюцию и характеризуются многими особенностями биохимии, отличающими их от других форм жизни). Другими словами, мы знаем, что в почве живут и взаимодействуют между собой миллиарды живых существ, но мы только начинаем понимать, чем всего лишь 0,1 % из этих миллиардов микроорганизмов действительно занимается в почвенной экосистеме.
Наука экология нам подсказывает, что чем больше индивидуальных цепочек «хищник – жертва» содержится в почве, тем сильнее они будут подавлять фитопатогены и защищать наши растения. Это показывает и практика.
Зачем нужны мелкие почвенные хищники?
О роли бактерий и грибов для жизни почвы написано много. О функции дождевых червей знает каждый садовод. Но если спросить, кто играет роль «волка в лесу», т. е. является главным хищником в почве, ответят не все. Оказывается – это простейшие и другие мелкие почвенные хищники. Именно они определяют главный экологический тезис о том, что «целое» – всегда больше «суммы частей». Миллиарды бактерий, миллионы грибов, которые разрушают почвенный опад, контролируются гораздо меньшим числом мелких (микро-), средних (мезо-) и больших (макро-) хищников. Их размеры варьируются в диапазоне от нескольких микрометров до более метра. Список включает в себя: простейших (жгутиковые, амебы, инфузории), нематод, клещей, коллембол, моллюсков, мелких червей – энхитрей, дождевых червей, многоножек, сороконожек, изопод, муравьев, термитов, жуков, личинок двукрылых и пауков. И вот когда в эту живую почву с миллиардами живых существ проникает живой корень со своими выделениями, то система усложняется многократно.
Приведу лишь один пример, который стал известен мне совсем недавно. Концентрация азота в клетках простейших (и круглых червей) ниже, чем в бактериях, которых они поедают (соотношение углерода к азоту в клетках простейших составляет 10:1 и более, а у бактерий – от 3:1). Бактерии, потребляемые простейшими, содержат слишком много азота в соотношении с количеством углерода, необходимого им для питания. Поэтому простейшие высвобождают излишки азота в виде иона аммония (NH4+). И человек, и корова выделяют мочу, пахнущую аммиаком. Так и простейшие выделяют лишний аммиак в ризосфере корней, и это лучшая азотистая подкормка для растений. Так как концентрация бактерий и хищников с их выделениями резко повышается в миллиметровых слоях у корневой системы растения, то, хотя почвенные бактерии и другие организмы быстро перехватывают и поглощают большую часть аммиака, все же часть его потребляется и растением. Таким образом, в реальной живой почве корни не берут азот непосредственно «из трупов погибающих бактерий», а получают через выделения простейших. Задача корня сводится лишь к регулированию бактерий и простейших своими выделениями.
Еще одна роль, которую играют простейшие, – регулирование популяций бактерий. Когда простейшие поедают бактерии, они стимулируют рост их популяции (следовательно, и темпы разложения и агрегации почвы). Этот процесс можно сравнить с обрезкой дерева: если обрезать немного – это улучшает рост, переусердствовать – снижает. Простейшие к тому же – важнейшее звено в системе почвенных пищевых цепочек. Они помогают снизить заболеваемость растений, поскольку конкурируют с патогенами или питаются ими. Все это налаживалось и регулировалось миллиарды лет совместной эволюции растений и почвенных животных.
О некоторых малоизвестных микроорганизмах
О роли бактерий и грибов мы кратко поговорили. А сейчас я продолжу рассказ о самом важном и ценном для практики, что стало известно науке касательно роли отдельных малоизвестных садоводам микроорганизмов, таких, например, как тионовые бактерии, фотосинтезирующие бактерии и почвенные водоросли.
