Микролетопись планеты: что простейшие знают о прошлом Земли и нашем будущем? Интервью с биологом Юрием Мазеем

История Земли записана не только в ледниках или горных породах, но и в разнообразии простейших. Амебы, жгутиконосцы, инфузории и другие протисты ― это настоящие живые архивы древней истории нашей планеты. В интервью с биологом Юрием Мазеем мы разбирались в том, как они помогают понимать глобальные процессы прошлого, почему многоклеточность могла начаться с их совместной охоты и последующего «обеда» и так ли уж просты эти простейшие?

Справка: Юрий Александрович Мазей ― российский ученый-протозоолог, палеоэколог, биоценолог, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, профессор кафедры общей экологии и гидробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, проректор по международной деятельности МГУ. Работы группы Ю.А. Мазея поддержаны грантом Российского научного фонда (грант № 24-14-00065).

― Как простейшие помогают реконструировать климат в прошлом?

― Для понимания того, что происходит с нашим климатом, недостаточно изучать только современность. Необходимо знать, как климат менялся в прошлом и как эти изменения зависели от процессов, протекавших как в отдельных экосистемах, так и в биосфере в целом. Разобраться в этом ученым помогают различные методы реконструкции, а остатки древних организмов выступают в роли своеобразных индикаторов климатических условий и состояния экосистем далекого прошлого. В природных «архивах» Земли особенно хорошо сохранились простейшие, объединенные под названием «раковинные амебы». Мы находим остатки этих организмов в отложениях озер, в торфяных болотах по всему земному шару.

― Это чем-то схоже с работой палеонтологов?

― Да. На самом деле палеоэкология ― это часть палеонтологии, исследующая организмы, их сообщества и экосистемы далекого прошлого во взаимосвязи с окружающей средой. Мы, в свою очередь, занимаемся голоценом ― этапом развития Земли, начавшимся после последнего оледенения, около 11 тыс. лет назад, когда ледник стал таять и свое формирование начало подавляющее большинство современных болот. Эти болота находятся в основном в Северном полушарии, но встречаются они также и в Южном полушарии, в горах и в тропиках. За 11 тыс. лет в болотах накопился огромный слой неразложившейся органики. Там законсервированы остатки растений: их споры, пыльца, фрагменты тканей, а также остатки очень многих организмов ― беспозвоночных животных, водорослей, простейших и т.д.

― Что представляют собой эти остатки древних простейших?

― Находки простейших представлены в основном раковинными амебами. Амебы знакомы нам еще со школьной скамьи: бесформенные одноклеточные существа, передвигающиеся с помощью ложноножек. Многие виды этих организмов имеют твердые раковины, состоящие из органического вещества и покрытые в основном кремнеземом. Именно они чаще всего и сохраняются в ископаемой летописи, помогая ученым реконструировать условия жизни на древней Земле.

― А какие следы оставляли простейшие, не имевшие раковин?

― Чаще всего никаких, разве что фрагменты ДНК. Сегодня у ученых есть возможность выделять природную ДНК из древних отложений, проводить секвенирование определенных маркерных генов и определять по этим последовательностям, к каким группам организмов они принадлежат.

― Вы изучаете только то, что происходило около 11 тыс. лет назад, или современные процессы тоже?

― Мы изучаем весь голоцен вплоть до настоящего времени. Однако есть важный открытый вопрос: а где, собственно, заканчивается голоцен? Или он продолжается по сей день? Согласно одному из мнений, в середине XX в. голоцен сменился на так называемый антропоцен ― новую геологическую эпоху, в которой доминирует влияние человека. Официальная геологическая комиссия по стратиграфии тем не менее пока не приняла эту идею.

Возвращаясь к вашему вопросу: изучать современные процессы необходимо, ведь для разработки методов палеореконструкции критически важно понимать, как в настоящее время организмы связаны с факторами окружающей среды, и уметь описывать эти связи количественно и корректно. Это имеет принципиальное значение, поскольку неточности современных климатических моделей зачастую обусловлены неточностью методов палеореконструкций, что приводит к ошибкам в реконструированных долгосрочных климатических рядах. Мировое научное сообщество работает над тем, чтобы сделать эти методы как можно более точными.

― Где обитают простейшие?

― Физиологически простейшие ― это водные организмы. Для того чтобы жить активно, им нужна вода. Многие виды простейших живут в океане, и, скорее всего, именно там они впервые и появились. Немало их и в пресных водах, причем как в толще воды, так и на дне, в том числе на поверхности растений. Кроме того, вода есть не только в водоемах, но и в почве, и это тоже одно из излюбленных мест обитания простейших. Для их выживания в почве достаточно даже простой тонкой пленки воды.

― Человек тоже может служить средой обитания для них?

― Конечно. Человек ― это симбиотическая система, состоящая из килограммов симбионтов, в том числе простейших. Но у нас их все равно не так много, как у некоторых других позвоночных животных, например жвачных, у которых есть специальные отделы желудка, где в огромном количестве обитают специфические инфузории и жгутиконосцы, обеспечивающие переваривание целлюлозы.

― Вы создали определитель мировой фауны раковинных амеб 20 лет назад. Сегодня он по-прежнему остается единственным подобным пособием в мире? Что побудило вас заняться этой работой?

― Первые раковины амеб были описаны давно, в 1816 г., когда клеточной теории еще даже не существовало. С тех пор описания видов накапливались, но для них не было единого, общего определителя. В начале XX в. вышла знаменитая работа Сергея Васильевича Аверинцева «Rhizopoda пресных вод», в которой удалось собрать очень много видов раковинных амеб. Такие же сводки издавались на французском, английском и других языках мира. Затем случился настоящий бум изучения раковинных амеб, в том числе потому, что их начали использовать в палеоэкологии. Я, в свою очередь, начал заниматься амебами, будучи студентом, в 1990-е гг. Именно тогда я и обнаружил, что у нас до сих пор нет единого определителя.

Чтобы познакомиться со всем разнообразием раковинных амеб (а их около 2 тыс. видов), приходилось тратить много времени, изучая публикации с первоописанием видов, причем 90% этих источников даже не были русскоязычными. Ко мне пришло понимание, что пора исправлять этот пробел.

Результатом стала книга «Пресноводные раковинные амебы», написанная совместно с моим учеником, тогда еще студентом, Андреем Николаевичем Цыгановым. Нашими главными задачами было собрать все имеющиеся описания раковинных амеб, перевести их на русский язык и привести к единообразию. Детальность этого определителя, если говорить о таксонах, доходит вплоть до видов и даже подвидов, и это действительно позволяет считать его единственным в своем роде. Практически все наши зарубежные коллеги, изучающие простейших, пользуются этим русскоязычным определителем. Эта книга до сих пор остается самой цитируемой работой нашей научной группы.

― Могут ли амебы быть перспективными кандидатами для освоения космоса, ведь они умеют впадать в состояние анабиоза?

― Действительно, амебы, как и многие другие простейшие, могут образовывать покоящиеся стадии ― так называемые цисты. Помимо простейших, это характерно и для ряда других организмов (самые яркие примеры ― тихоходки и коловратки). При наличии неблагоприятных условий, например недостатке влаги в почве, амеба за пару часов может образовать цисту. Такое состояние будет очень устойчивым и поможет организму пережить сложный период. Я не знаю, проводили ли эксперименты с амебами в космосе, но то, что эти животные способны выживать даже в крайне жестких условиях, очевидно.

Наши коллеги из лаборатории криологии почв Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН в своих экспериментах размораживают вечную мерзлоту, в которой «спят» амебы в состоянии цисты. Попав в благоприятные лабораторные условия, они оживают и начинают размножаться. Таким образом, ученые успешно выводят культуры этих амеб, пролежавших во льдах десятки тысяч лет.

― Есть еще одна, не менее интересная группа простейших ― жгутиконосцы. Правда ли, что они, собираясь в колонии и совместно нападая на добычу, по сути, стали предшественниками многоклеточности на Земле?

― Вопрос появления многоклеточности был и остается одним из центральных в биологии. Начиная с XIX в. в попытках ответить на него ученые выдвигали различные теории. Так, например, наш великий соотечественник Илья Ильич Мечников предложил теорию фагоцителлы, которая гласит, что предком многоклеточных был колониальный одноклеточный организм — фагоцителла. Прямых доказательств этой теории было не так много, и даже сегодня мы имеем в основном лишь косвенные свидетельства. Еще один мой ученик Денис Викторович Тихоненков (Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН) совместно с нами и коллегами из Канады организовал серию очень интересных исследований [1, 2], проливающих свет на ваш вопрос. Был изучен жизненный цикл группы жгутиконосцев под названием Tunicaptor, и оказалось, что он абсолютно уникален. Казалось бы, это обычное одноклеточное существо, передвигающееся, как ему и полагается, с помощью жгутика, способное, как и многие простейшие, образовывать цисту, и ничего особенного собой не представляющее… Но когда оно начинает питаться, происходит нечто удивительное: если потенциальная добыча этих жгутиконосцев крупная, то они, словно стая микроскопических волков, объединяются в некое подобие многоклеточного организма, становятся крупными, нападают на нее и совместно поедают.

― Что это за пища и во сколько раз она превосходит их самих?

― Это могут быть, например, другие, более крупные простейшие. Сами же жгутиконосцы очень малы, их характерный размер ― 5–20 мкм. Для сравнения: размер инфузории составляет порядка 200 мкм. Крупные раковинные амебы, в свою очередь, могут достигать даже 300 мкм. По сравнению со жгутиконосцами это просто гиганты! Это примерно как мыши и слон. И этим «мышам» нужно каким-то образом поймать и съесть огромного «слона», а для этого приходится объединяться в колонии. Кстати, подобное поведение — не такая уж большая редкость в природе. Еще интереснее то, что, как оказалось, у этих жгутиконосцев присутствует очень много генов, кодирующих белки, которые есть только у многоклеточных организмов (у многоклеточных они обеспечивают контакты между клетками или даже передачу нервных импульсов).

Таким образом, то, что мы обычно считали характерными признаками многоклеточных животных, частично присутствует и у этих, казалось бы, примитивных организмов.

― А после того как они съели свою добычу, эти жгутиконосцы опять расходятся кто куда?

― Да. Они не остаются вместе, а расползаются, и дальше каждый переваривает свою часть пищи. Изучение простейших, особенно подобных малоисследованных групп, в первую очередь жгутиконосцев, ― это очень интересное научное направление, помогающее найти самые древние корни всех групп эукариотных организмов, то есть понять, как на Земле появилось нынешнее биоразнообразие. Не менее интересен и вопрос происхождения растений на нашей планете. И здесь на помощь тоже могут прийти жгутиконосцы.

― Они ведь тоже умеют фотосинтезировать и, по сути, сочетают в себе черты и животных, и растений?

― На самом деле ни растения, ни животные сегодня не представляют собой таксоны наиболее высокого ранга. В XIX в. Эрнст Генрих Геккель предложил систематику эукариот (Eukarya) ― организмов, в клетках которых есть ядро (в отличие от прокариот: бактерий и архей). Всех эукариот он разделил на отдельные царства: растения, животные и протисты. Ученый уже тогда понимал, что простейшие представляют собой нечто особенное, и объединил организмы, имеющие нетканевое строение, под новым термином «протисты».

Одни группы протистов дали начало многоклеточным животным, другие ― растениям, еще одни ― грибам. Но были и те, что остались на прежнем уровне организации жизни. 

Примечательно, что с началом активного изучения геномов в мировой науке выяснилось: генетические различия между одноклеточными организмами намного превышают таковые между животными, растениями и грибами, то есть традиционными высокоранговыми таксонами, известными нам еще со школы.

― Очень интересно!

― Да. Геномы говорят о глубинном филогенетическом сходстве групп намного больше, нежели знания о типе питания, которые и легли в основу упомянутой выше классической систематики (впервые созданной Карлом фон Линнеем в XVIII в.). Когда ученые измеряют так называемые генетические расстояния между отдельными организмами, оказывается, что различные группы простейших отличаются друг от друга гораздо сильнее, чем, например, животные и грибы. Эти различия имеют критический характер.

― Удивительно и то, что в случае простейших одна клетка, по сути, выполняет функции всего организма: умеет двигаться, переваривать пищу, имеет выделительную систему… То есть это полностью самодостаточная система, сконцентрированная при этом в столь крошечном объеме.

― Так и есть. И ваше удивление не ново. Так, например, еще в 1838 г. немецкий естествоиспытатель Христиан Готфрид Эренберг опубликовал ключевую для протистологии книгу, которая была посвящена микроскопическим существам и называлась «Наливочные животные как совершенные организмы». Отсюда, кстати, и взялось название «инфузория». Сам термин происходит от латинского «инфузия» (infusio), что означает «наливка» или «настой». В XVIII в. ученые заметили, что в настоях из трав или сена, оставленных в воде, начинают активно размножаться микроорганизмы. Их и назвали «наливочными животными». Термин закрепился благодаря Х.Г. Эренбергу. На немецком языке название этих существ звучало как Infusionstierchen (где Tierchen — «животное» или «зверек»). Именно из немецкого языка через перевод название «инфузория» пришло в русский язык для обозначения одной из групп простейших и стало общепринятым. Удивление Эренберга было очень схоже с вашим, когда он находил у простейших (которых относил к многоклеточным) и у некоторых настоящих многоклеточных (например, коловраток) некие подобия органов более сложноустроенных животных: сердца, глотки, выделительной и кровеносной систем и др. Если разобраться, в этом нет ничего удивительного, потому что все физиологические функции, необходимые для того, чтобы жизнь была жизнью, сводятся к получению энергии и вещества, их использованию, переработке и выделению непереработанных остатков. На уровне крупного организма для этого есть пищеварительная и выделительная системы и т.д. На уровне одной клетки эти функции выполняют разные ее части ― компартменты. А бактерии, например, делают это на уровне биохимии одной клетки с минимальной внутренней морфологической компартментализацией: отдельные биохимические системы работают в разных частях в разное время, обеспечивая целостность организма.

― Может быть, тогда у простейших есть и некие примитивные зачатки, аналоги нервной системы? Или это уже из области фантастики?

― Нервная система ― это лишь один из механизмов передачи импульсов (или информации, если говорить шире). Такой механизм реализовался у многоклеточных животных. У растений, например, нет нервной системы, но это не значит, что там нет регуляции: она происходит на уровне гормонов, на уровне изменения электрохимических потенциалов, не сформированных в нервную систему. У простейших тоже есть регуляция, работающая на уровне одной клетки. Практически все протисты реагируют на внешние воздействия. Еще Иван Петрович Павлов в свое время изучал поведение инфузорий и показывал, что они могут реагировать на определенные стимулы.

Недавно мы провели эксперимент (его результаты еще ожидают публикации) вместе с японскими коллегами, в котором изучили поведение одного из видов инфузорий ― трубача. Мы хотели понять, какие стимулы и как именно влияют на этот организм. Трубачи ― достаточно крупные организмы, могут плавать в воде и прикрепляться к поверхности. Мы проверяли, реагирует ли инфузория на различные стимулы: например, воздействовали на нее электрическим током. Почувствовав неприятный стимул, инфузория откреплялась и начинала двигаться в поисках более подходящего (безопасного) места. Если негативный стимул продолжался в течение длительного времени, у нее возникала модификация поведения ― сенсибилизация — и она начинала быстрее удаляться от источника раздражения, повторяя это действие. С другой стороны, если стимул не имел физиологического смысла, например, когда мы просто потрясывали предметное стекло, на котором находился микроаквариум, инфузория через пять-десять подобных событий переставала открепляться, происходило привыкание.

Таким образом, инфузория оказалась способной определять, какой стимул для нее значим, а какой нет, и реагировала на это соответствующим образом. Это свидетельствует о более сложном поведении, чем предполагалось ранее.

― Чем еще вам интересны простейшие?

― Помимо того что мы уже обсудили, есть много других важных тем, например паразитические формы простейших, связанные с развитием различных заболеваний у животных и человека. Кроме них существует еще один интересный пласт исследований простейших, связанный с изучением переноса простейшими потенциальных патогенов. Простейшие содержат внутри себя огромное количество бактерий и вирусов, и это отдельная очень увлекательная область знания. Не менее перспективно изучение простейших, которые живут вокруг нас, то есть в зеленых зонах городов. Даже если взять небольшую цветочную клумбу у дороги, вы обнаружите там множество этих организмов.

В последние годы ввели даже специальный научный термин urban microbiome, то есть микробиом, связанный с городами, с нашим сообществом, которое, несомненно, оказывает влияние на жизнь простейших, но и наоборот: городской микробиом существенно влияет и на человека.

Нам необходимо понимать, какие факторы приводят к тому, что разные виды простейших живут вместе и реализуют функцию экосистемы. Важно и то, что простейшие выступают одним из ключевых элементов пищевых цепей в экосистемах. То, как вещество превращается внутри экосистемы, и то, как можно повысить эффективность его использования, во многом зависит именно от них. Это называется микробными пищевыми петлями. И, конечно, нельзя обойти стороной проблему появления эукариот ― организмов, состоящих из клеток, имеющих ядро и другие сложные органеллы.

Ответ на вопрос о том, как выглядел самый первый эукариотический организм, в конечном счете давший начало и нам с вами, лежит в области изучения самых примитивных простейших, а это различные группы жгутиконосцев, и самых сложно организованных прокариот ― архей.

Не менее важна и роль простейших как индикаторов состояния экосистем в прошлом. Мы должны понимать, что происходило на более ранних этапах развития Земли, чтобы иметь правильную базу для математического моделирования климата в будущем.

Фотографии в материале: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия», Юрий Мазей / МГУ