Последняя крупная группа на диаграмме – Excavata. Этих одноклеточных когда-то называли жгутиковыми и объединяли с трипаносомами. Затем Excavata выделили в группу, которая теперь объединяет мерзких кишечных паразитов лямблий (Giardia), мерзкого, передаваемого половым путем вагинального паразита трихомонаду (Trichomonas), а также удивительно сложно устроенных одноклеточных, которые найдены лишь в кишечнике термитов. О них-то и пойдет речь.
Рассказ Миксотрихи
Латинское название Mixotricha paradoxa означает “неожиданное сочетание волосков”. Миксотриха живет в кишечнике австралийского термита Mastotermes darwiniensis – так называемого дарвинова термита. Забавно, что одним из мест его обитания является североавстралийский город Дарвин (впрочем, самим горожанам это, наверное, не кажется забавным).
Термиты широко распространены в тропиках. В тропических лесах и саваннах плотность их популяций достигает 10 тыс. особей на квадратный метр. Подсчитано, что они потребляют до трети ежегодной продукции мертвой древесины, листьев и травы. Их биомасса на единицу площади вдвое превышает биомассу мигрирующих стад антилоп в Серенгети и Масаи-Мара, однако она не сосредоточена в одном месте, а рассеяна по тропикам.
Каковы причины успеха термитов? Во-первых, они едят древесину, содержащую целлюлозу, лигнин и другие вещества, которые не могут переварить другие животные. Во-вторых, они высокосоциальны и извлекают огромную пользу из разделения труда. Термитник во многом похож на крупный (и весьма прожорливый) организм со своей анатомией, физиологией и вылепленными из земли “органами”, включая сложную систему вентиляции и охлаждения. Термитник сидит на месте, однако у него мириад ртов и шесть мириад ножек, которые регулярно обходят кормовой участок размером с футбольное поле.
Удивительные достижения термитов в области кооперации стали возможны в мире естественного отбора лишь благодаря тому, что большинство особей бесплодны. Однако они тесно взаимодействуют с меньшей, фертильной частью популяции. Стерильные рабочие выступают в роли родителей по отношению к младшим братьям и сестрам. Это позволяет одной особи стать царицей – специализированной, чрезвычайно эффективной фабрикой по производству яиц. Гены рабочего поведения передаются будущим поколениям через тех немногочисленных братьев и сестер рабочих особей, которым предстоит размножаться (в этом им помогают братья и сестры, которые остаются стерильными). Система удивительна по меньшей мере тем, что судьба молодого термита – станет ли он рабочей или репродуктивной особью – определяется вовсе не генетикой. Гены молодого термита позволяют ему участвовать в “лотерее”, и именно она определяет специализацию термита. Если бы гены стерильности существовали, они бы, очевидно, не могли передаваться потомкам. Поэтому вместо этого они включаются под влиянием условий. Оказавшись в телах “царицы” и “царя”, эти гены передаются потомкам, а оказавшись в телах рабочих термитов, заставляют их трудиться и воздерживаться от размножения.
Колонию этих насекомых часто сравнивают с человеческим телом. На мой взгляд, это неплохая аналогия. Большинство наших клеток отказываются от своей индивидуальности и посвящают жизнь обслуживанию способного к репродукции меньшинства: клеток “зародышевой линии” в яичках и яичниках, гены которых через сперматозоиды и яйцеклетки попадут в будущее. Но генетическое родство – не единственное основание для подчинения индивидуальности при разделении обязанностей. Любой тип взаимовыручки, при которой стороны взаимно компенсируют недостатки друг друга, может поощряться естественным отбором, воздействующим на обе стороны. Чтобы увидеть крайний пример такого сотрудничества, придется заглянуть в кишечник термита – бурлящий и, надо полагать, зловонный хемостат, который образует мир миксотрихи.
У термитов есть преимущество перед пчелами, осами и муравьями: у них невероятно мощное пищеварение. Нет почти ничего, что термиты не сумели бы съесть: от домов и бильярдных шаров до “Первого фолио” Шекспира. Древесина потенциально весьма питательна, но ее отвергают почти все животные, потому что целлюлозу и лигнин очень трудно переварить. Исключение составляют термиты и некоторые виды тараканов. Заметим, что термиты – это родственники тараканов, а вот дарвиновы термиты (как и другие “низшие термиты”) – своего рода живые ископаемые. Они где-то на полпути между тараканами и высшими термитами.
Для переваривания целлюлозы нужны ферменты целлюлазы. Большинство животных не способны вырабатывать целлюлазу, но некоторые микроорганизмы это умеют. Из “Рассказа Taq ” вы узнаете, что бактерии и археи биохимически более разнообразны, чем представители всех остальных царств, вместе взятые. Животным и растениям доступна малая часть того набора биохимических реакций, которые под силу бактериям. Переваривание целлюлозы травоядные животные полностью доверяют микробам, живущим в кишечнике. За время коэволюции животные научились сотрудничать с микробами, используя их отходы жизнедеятельности – например уксусную кислоту. Микробы, в свою очередь, получают от такого партнерства убежище и обильную пищу, обработанную и разделанную. У всех травоядных млекопитающих есть бактерии в нижней части кишечника, куда пища попадает после обработки пищеварительными ферментами. А ленивцы, кенгуру, колобусы и жвачные животные самостоятельно завели себе бактерий в верхней части кишечника, куда пища попадает еще до обработки ферментами.
В отличие от млекопитающих, термиты способны вырабатывать целлюлазу – по крайней мере высшие термиты. Низшие же термиты (то есть более “тараканообразные”), например дарвиновы, несут в кишечнике богатую микрофлору, включающую эукариотических протозоев и бактерий. Микрофлора может составлять до трети массы термита. Термиты пережевывают древесину, а микробы ее переваривают. Иными словами, микробы выполняют функцию инструмента. Как и в случае домашнего скота, термиты пользуются отходами жизнедеятельности микробов. Так что дарвиновы термиты и родственные им примитивные виды культивируют микроорганизмы в кишечниках.
Миксотриха – не бактерия. Как и многие другие микробы, живущие в кишечнике термитов, это крупное простейшее, длиной в полмиллиметра или даже больше. Размеры миксотрихи позволяют ей содержать сотни тысяч бактерий. Она обитает только в кишечнике дарвиновых термитов, где входит в состав сообщества микробов. Микроорганизмы в кишечнике термита столь же многочисленны, как термиты в термитнике или термитники в саванне. И если термитник – город термитов, то кишечник термита – это город микроорганизмов. Однако существует и третий уровень: миксотриха тоже представляет собой город. Этот факт был установлен Л. Р. Кливлендом и А. В. Гримстоуном. Но особую известность эта история получила благодаря американскому биологу Линн Маргулис, которая указала на значение миксотрихи для эволюции.
В начале 30-х годов, когда Дж. Л. Сазерленд впервые обследовала миксотриху, она увидела два типа “волосков” на поверхности. Почти всю поверхность клетки миксотрихи покрывали тысячи волосков, колеблющихся из стороны в сторону. Однако помимо них Сазерленд увидела несколько очень длинных и тонких, похожих на хлыст структур на переднем конце миксотрихи. Это показалось ей очень знакомым: маленькие волоски напоминали реснички, а большие – жгутики. Реснички имеются у многих клеток животных – например в клетках, выстилающих носовую полость человека. Также они покрывают поверхность простейших, которые по этой причине называются ресничными. Представители другой группы протозоев, жгутиковые, имеют гораздо более длинные кнутообразные “жгутики”. Ультраструктура ресничек и жгутиков идентична. И те, и другие похожи на многожильные кабели, где жилы образуют характерный рисунок: девять пар, кольцом окружающих центральную пару.
