Ученые обнаружили животных, способных к самостоятельному усвоению энергии солнца. По крайней мере, так говорится в статье, опубликованной в журнале из авторитетного издания Nature Publishing Group. Этим удивительным животным оказалась обыкновенная тля. Внешне неказистое насекомое в последнее время исправно поставляет биологам научные сенсации. В чем заключаются ее уникальные способности и существуют ли в действительности животные, не нуждающиеся в поиске пропитания, попыталась выяснить "Лента.ру"
Мутуализм - существование партнеров взаимовыгодно, не обязательно подразумевает совместное проживание. Конкуренция - существование партнеров взаимно невыгодно. Комменсализм - одному из видов выгодно, а другому - безразлично существование партнера. Аменсализм - одному из видов вредно, а другому - безразлично существование партнера. Если одному из видов вредно то, что выгодно другому, то говорят о хищничестве или паразитизме. Разница между ними только в совместном или раздельном проживании. При этом совместное проживание в широком смысле называется симбиозом. Под него попадает и паразитизм и узко понимаемый симбиоз - симбиоз мутуалистический.
Вообще говоря, самостоятельно фотосинтезирующее многоклеточное животное - это сенсация. Причем, сенсация такого рода, которая вызывает у биологов реакцию "этого не может быть, потому что этого не может быть никогда". Тем не менее, статья об удивительной тле опубликована в рецензируемом журнале, а значит, не содержит очевидных ошибок. С другой стороны, она появилась не в самом Nature, а в ее "младшем брате", молодом журнале Scientific Reports. Прежде чем понять, в чем заключается суть работы и насколько справедливо называть ее сенсацией, необходимо разобраться, что дало изучение неприметной тли для современной биологии.
В это сложно поверить, но биологи совершенно серьезно называют бобовую тлю сверхорганизмом. Термин этот во многом искусственный и в случае многих животных выглядит натянуто. Им называют "организмы, состоящие из множества организмов" и подразумевают обычно колониальных насекомых. Тля, впрочем, колониальным насекомым никак не является, но при этом она, безусловно, - сверхорганизм.
Это скромное насекомое питается соком растений, высасывая его напрямую из сосудов, транспортирующих сахар от листьев к корню. Хорошо известно, что тля тесно взаимодействует с муравьями. Последние обеспечивают ей защиту от врагов в обмен на капельки сахарного сиропа. Сладкой дани для муравьев тлям не жалко - они все равно не могут усвоить то количество сахара, которое содержится в растительном соке.
В этом заключается один из парадоксов питания тли - несмотря на то, что сахара животные потребляют намного больше, чем могут усвоить, в некотором смысле они постоянно голодают. Дело в том, что в растительном соке не содержится почти ничего кроме сахара, и насекомые живут в условиях постоянной нехватки аминокислот, жиров, витаминов и микроэлементов. Даже когда поблизости нет муравьев, тля все равно выделяет сладкий раствор, предварительно отфильтровав из него полезные для нее вещества.
Муравьи, "пасущие" тлю. Фото Flickr/aroid
Тля, однако, научилась остроумно справляться с проблемой недостатка нужных питательных веществ. Она использовала для этого бактерий-помощников из рода Buchnera. По-видимому, когда-то они были внутриклеточными паразитами, с которыми не справилась иммунная система, но насекомому удалось приручить нахлебников. Тля снабжает их сахаром и комфортным жильем внутри специализированных клеток-бактериоцитов. В обмен на это насекомое получает аминокислоты и витамины, которые вооруженный всей мощью прокариотического генома микроб самостоятельно синтезирует.
Сожительство между бухнериями и насекомыми началось около 200 миллионов лет назад. За это время микробы-помощники, как и всякие постоянные паразиты, стали весьма изнеженными существами и потеряли способность жить самостоятельно. Кроме того, они стали очень плохо переносить жару. Даже в норме их гены термостойкости работают в стрессовом режиме, пытаясь компенсировать многочисленные мутации, накопившиеся за время беззаботного паразитизма. Недавно ученые показали, что именно термочувствительность бухнерий определяет пределы климатических зон, в которых возможно распространение самой тли. Заменив один из живущих в насекомых штамм бухнерий на более термоустойчивый, исследователям удалось сделать выносливыми и самих хозяев. Хотя в данном случае вопрос о том, кто является хозяином, становится еще более спорным.
В скором времени после обнаружения у тлей симбиотических бухнерий энтомологи нашли их соседей. Ими оказались бактерии Serratia symbiotica, которые поселились в тле существенно позднее бухнерий и пока не потеряли способности жить вне хозяина. У некоторых тлей, впрочем, сотрудничество тли, бухнерии и серратии уже сильно продвинулось - оказалось, что некоторые аминокислоты серратии помогают синтезировать изнеженным бухнериям, потерявшим эту способность.
Третьим квартирантом сверхорганизма-тли оказались бактерии-защитники. Ученые установили, что Hamiltonella defensa помогает тле в борьбе против наездников. Эти осы являются, наряду с божьими коровками, одними из главных врагов тли. Наездники откладывают яйца в их тела. Личинка наездника, когда вылупляется из яйца, съедает тлю изнутри, а их мумифицированное тело использует вместо кокона. В свое время эта жестокость наездников произвела на Чарльза Дарвина настолько сильное впечатление, что он выдвинул их существование как один из аргументов против существования всеблагого Бога.
У тлей нашелся остроумный ответ и наездникам. Оказалось, что они предоставляют дом для бактерий Hamiltonella defensa, которые вырабатывают токсин, убивающий личинок паразитических ос. Но самое интересно заключается в том, что гамильтонелла вырабатывает токсин не сама по себе, а благодаря своему внутреннему паразиту - вирусу APSE, родственному бактериофагам. Когда-то он тоже был паразитом и заражал гамильтонеллы, но благодаря токсину научился защищать от паразитов своего хозяина.
Мумифицированная тля после заражения наездником. Фото Gilles San Martin
Тли, зараженные гамильтонеллой, у которой из генома была удалена ДНК бактериофага, погибали от наездников в 80 процентах случаев - так же, как и насекомые, вовсе не содержащие гамильтонелл. В то же время те тли, что содержали микроб, "оснащенный" бактериофагом, выживали с вероятностью в 94 процента (поскольку тля сама по себе является паразитом растений, получается, что паразит паразита паразита помогает паразиту избавиться от собственных паразитов).
Словно бы этого мало, биологи выяснили, что и сами наездники используют вирусы для борьбы с иммунитетом тли. Самки паразитических ос используют "одомашенных" вирусов PDV, упаковывают в них часть своей ДНК и впрыскивают их частицы в тело насекомого вместе с яйцом. Между наездниками и защищающими тлей гамильтонеллами, ведется, таким образом "вирусная война".
Последним же из известных на данный момент квартирантов тли оказались бактерии, которые помогают синтезировать яркие пигменты. Оказалось, что ярко зеленая окраска тлей определяется внутриклеточными бактериями Ricketsiella, которые помогают тлям синтезировать их специфические полициклические красители - афины. Зачем она необходима насекомым, пока сказать сложно, однако известно, что окраска играет важную роль при взаимодействии насекомого с хищниками. Из особей одного и того же вида наездники, например, предпочитают зеленых, а божьи коровки - красных тлей.
Зеленые технологии
Говоря о животных с необычным способом питания, нельзя не упомянуть об уникальном моллюске Elysia chlorotica, освоившим "зеленые технологии”. На ранних этапах своего развития он выглядит и ведет себя как обычный морской слизень - питается водорослями и имеет буроватую окраску. Однако, в отличие от всех остальных растительноядных животных, он, как сказали бы экономисты, предпочитает рыбе удочку. Проще говоря, моллюск поглощает фотосинтетезирующие хлоропласты водоросли Vaucheria litorea, и сохраняет их внутри своих клеток живыми. Так же на заре своей эволюции поступили растения, поглотив однажды сине-зеленые водоросли. Разница заключается в том, что хлоропласты попадают в клетки моллюска беспомощными - за миллионы лет коэволюции они передали синтез девяноста процентов необходимых белков на откуп своим хозяевам. Поэтому моллюску приходится идти на ухищрения, чтобы сохранить хрупких эндосимбионтов. Он скопировал некоторые отвечающие за фотосинтез гены непосредственно из генома Vaucheria, в результате чего оказался способен поддерживать жизнь хлоропластов на протяжении примерно девяти месяцев. Именно столько длится его жизненный цикл.
С окраской тлей тоже не все просто. Частично она определяется афинами, а частично - каротиноидами. За синтез первых отвечают, как уже было сказано, риккетсиеллы, а вот ситуация с каротиноидами еще интереснее. Дело в том, что каротиноиды - очень распространенные пигменты, но синтезировать их ни одно животное не может. Ретинол, или витамин А представляет собой половины молекулы каротина. Как пигмент, который непосредственно воспринимает свет, он используется в глазах абсолютно всех организмов - от одноклеточных и до человека. Кроме того, каротиноиды играют важную и до сих пор не до конца понятную роль при взаимодействии с активными формами кислорода. Тем не менее, все животные вынуждены получать каротиноиды с пищей.
В 2010 году ученые выяснили, что, в отличие от всех известных животных, тли научились синтезировать каротиноиды самостоятельно. Оказалось, что они скопировали у грибов (вероятно, когда-то бывших их паразитами) целый кусок ДНК, содержащий 7 генов, кодирующих ферменты синтеза каротиноидов. В работе был надежно показан крайне редкий горизонтальный перенос генов у многоклеточных. Статья появилась в авторитетном Science.
Тем не менее, даже самим авторам статьи осталось непонятно - зачем тлям самостоятельно синтезировать каротиноиды и почему в их теле содержится такое количество этих веществ. Спустя два года французские ученые объявили, что знают зачем - по их мнению, тли используют каротиноиды для питания солнечной энергией.
Необходимо сразу сказать, что фотосинтезом биологи называют фиксацию углекислого газа из воздуха и перевод его в органические вещества за счет энергии солнца. Само по себе использование энергии света называют фототрофией, а организмы, у которых оно встречается - фотогетеротрофами. Впрочем, это явление настолько редкое по сравнению с фотосинтезом, что ошибку в заголовке допустили даже научные редакторы Nature News.
Именно о фототрофии шла речь в последней статье французских ученых. Они установили, что насекомые, которых выращивают при различной температуре окружающей среды, приобретают различную окраску. Это, по словам авторов, происходит при помощи эпигенетических механизмов - внесения изменения не в саму ДНК, а в способ ее прочтения. Как бы то ни было, те животные, которых выращивали при 8 градусах Цельсия, становились зелеными, а те, что росли при 22 градусах - оранжевыми. Была еще группа просто бледных насекомых, которые жили в условиях повышенной скученности и недостатка ресурсов. Зеленые тли содержали наибольшее количество каротиноидов среди всех собратьев.
Elysia pusilla. Нажмите, чтобы увеличить. Фото с сайта blogs.ngm.com
Elysia pusilla. Нажмите, чтобы увеличить. Фото с сайта blogs.ngm.com
Так вот, оказалось, что если тлю после заточения в темноте вынести на свет, в ее теле существенно повышается концентрация АТФ - энергетической валюты всякой клетки. Причем у зеленой тли энергетическая подзарядка происходит существенно быстрее, чем у оранжевой. У бледных насекомых, лишенных всяких пигментов, понятно, разницы в запасах АТФ в темноте и на свету не наблюдалось. Кроме того, пигмент оказался распределен непосредственно под поверхностью кутикулы насекомого, там, где наибольшее проникновение солнечных лучей.
Получается, тли все-таки научились извлекать энергию солнца? Да еще и обогнали в этом специалистов - растения, так как вовсе обходятся при этом без хлоропластов и хлорофилла, а используют для этого обычные каротиноиды, синтезированные семью украденными у грибов генами?
Честно говоря, в это очень сложно поверить. К чести авторов, возможность фототрофии они только предлагают в качестве гипотезы, а не считают ее доказанной. У всякого читателя статьи в Scientific Reports сразу возникает множество вопросов. Во-первых, не понятно, как именно передается электронное возбуждение, накапливаемое каротином. Авторы считают, что возбужденные электроны передаются на АТФ-синтазу, но никаких доказательств этому пока нет. Во-вторых, не ясно, какие гены участвуют в процессе. В-третьих, не показано, в каких именно клетках возрастает содержание АТФ - в тех же, что содержат каротиноиды или нет. В-четвертых, не показано - наблюдаемые изменения происходят в клетках тли или внутри ее многочисленных, как мы видели, эндосимбионтов?
Впрочем, все эти вопросы кажутся обычными придирками после того, как вспомнишь самый главный факт о жизни тли - то, чем она питается. Один из авторов той самой статьи в Science, где был показан горизонтальный перенос генов синтеза каротиноидов, прокомментировал новую работу следующим образом: "Получение энергии - самая незначительная проблема в жизни тли. Ее диета чуть менее чем полностью состоит из сахара, большую часть которого она не способна использовать". В свете этого факта обнаружение у насекомого растительных способностей выглядит весьма подозрительно.
