Кто с кем дружит в природе, или Причуды симбиоза: читать начало книги онлайн

Научный редактор доктор биологических наук В.Н. Орлов

Фото автора из его архива.

© Климов В., текст, 2020

© Климов В., иллюстрации, 2020

© ФГУП Издательство «Наука», 2020

Введение

Откуда взялись первые рыбы, насекомые, прочие животные и человек? Как они менялись и почему? Все мы знаем, что на эти вопросы когда-то ответил великий англичанин Чарльз Дарвин. Во всех своих книгах он говорил об эволюции, процессе медленных изменений всех живых организмов, и естественном отборе, который сопровождается борьбой за существование, приспособлением к меняющейся среде и конкуренцией. С тех пор прошло почти 150 лет, и современные ученые, наблюдая за жизнью живых существ, выяснили еще один интересный момент! Оказывается, эволюцией всего живого на нашей планете движет не только борьба, но и дружба! Или, говоря научным языком, симбиоз. Это не значит, что речь идет о каком-то особом законе эволюции. Нет, как раз естественный отбор, на основе конкуренции, избирательного выживания и размножения более приспособленных организмов и ведет к тому, что на смену борьбе нередко приходит сотрудничество: в ряде случаев организмам выгоднее перейти к взаимовыгодному сосуществованию и даже сожительству – либо с себе подобными, либо с представителями других видов. Ведь, подумайте сами, драться и воевать долго очень трудно, тут каждый устанет! Поэтому легче и удобнее дружить! В итоге организмы, которые сумели подружиться, оказываются более приспособленными и лучше выживают в условиях изменений окружающей среды.

Так что же это такое – симбиоз? Ученые называют симбиозом сосуществование двух или нескольких разных видов растений или животных, когда их отношения друг с другом очень тесны и обычно взаимовыгодны. Так им легче питаться и преодолевать неблагоприятные воздействия окружающей среды. В широком смысле симбиоз – любая форма взаимовыгодного сотрудничества нескольких живых существ. Когда же разные организмы фактически сливаются в единый сверхорганизм, принято говорить о симбиогенезе – происхождении новых организмов в результате симбиоза.

Преимущества, которые получает организм, вступающий в симбиотические отношения, могут быть разными. Бывает, один из партнёров использует другого в качестве пищи, а второй получает защиту от врагов или благоприятные для роста и размножения условия. В других случаях организм, выигрывающий в пище, освобождает партнёра от паразитов, опыляет растения или распространяет семена. Каждый из участников дружеской пары действует эгоистично, и их отношения возникают лишь потому, что они выгодны обоим, получаемая польза перевешивает затраты, требуемые на поддержание взаимоотношений.

В широком смысле симбиоз охватывает все формы тесного сожительства организмов разных видов, включая и паразитизм, который в этом случае называется антагонистическим симбиозом. В природе встречается широкий спектр примеров взаимовыгодного симбиоза (мутуализм). От желудочных и кишечных бактерий, без которых было бы невозможно наше пищеварение, до растений (примером служат некоторые орхидеи, чью пыльцу может распространять только один определённый вид насекомых). Такие отношения возникают тогда, когда они увеличивают шансы обоих партнёров на выживание. Осуществляемые в ходе симбиоза действия или производимые вещества для партнёров существенны и незаменимы. В обобщённом понимании такой симбиоз – промежуточное звено между взаимодействием и слиянием.

Следует также помнить, что симбиоз – это не только сосуществование разных видов живых организмов. На заре эволюции именно благодаря ему одноклеточные организмы одного вида объединились в многоклеточный организм, колонию, которая со временем превратилась в единый организм, – так рождалось разнообразие современной флоры и фауны.

Всю свою жизнь я, как биолог и путешественник, провел в мире природы, ныряя в глубины океанов, блуждая по тропическим лесам и саваннам, поднимаясь в горы и забираясь в пустыни. Мне повезло – я сам, своими глазами видел многих из описанных здесь существ, наблюдал особенности их поведения. И они стали моими друзьями – все эти чудесные муравьи, рыбки, птицы, крокодилы и многие другие обитатели нашей планеты.

Совместное проживание, кооперация и сотрудничество! Что может быть лучше в отношениях с соседями по планете? Вот именно так и нужно жить каждому из нас! Мы же всё время с кем-то воюем! То с ближними соседями, то с дальними… Зачем? А вот вечная природа даёт нам совершенно иные примеры. Там все стараются дружить со всеми. К примеру, обычный ленивец из лесов Южной Америки представляет собой целую экосистему, с тысячами организмов, живущими внутри него и снаружи. Причем они отнюдь не паразиты, а настоящие друзья, помогают жить этому чудесному медлительному зверю. И так – во многих, многих случаях, своего благополучия животные и растения достигают только сообща, вместе!

В природе известны три формы симбиоза – мутуализм, комменсализм и паразитизм. И мы расскажем вам о каждом из них.

Мутуализм

Мутуализм – форма симбиоза, при которой два разных вида сливаются воедино, сохраняя свои видовые особенности. Они обязательно должны участвовать в совместной кооперации, и каждый из них получает относительно равную пользу. При этом партнёры, как правило, не могут существовать друг без друга. Взаимовыгодные связи нередко формируются на основе поведенческих реакций, например, у птиц, совмещающих собственное питание с распространением семян. Иногда виды-мутуалисты вступают в тесное физическое взаимодействие – как при образовании микоризы (грибокорня) между грибами и корнями растений.

Тесный контакт видов-мутуалистов стимулирует их совместную эволюцию. Характерным примером служат взаимные приспособления, которые сформировались у цветковых растений и их опылителей. Часто виды-мутуалисты совместно расселяются и совместно эволюционируют!

Типичный пример мутуализма – отношения термитов и жгутиковых простейших, обитающих в их кишечнике. Термиты питаются древесиной, однако у них нет ферментов для переваривания целлюлозы. Жгутиконосцы вырабатывают такие ферменты и переводят клетчатку в сахара, которые термиты уже способны усваивать. Без жгутиконосцев – симбионтов – термиты погибли бы от голода. Сами же жгутиконосцы помимо благоприятного микроклимата получают в кишечнике своих друзей-хозяев пищу и условия для размножения.

Много примеров мутуализма есть и в жизни растений.

Зарождение жизни

Симбиоз сыграл огромную роль на заре жизни, когда в безбрежном и тёплом Мировом океане появились первые живые создания – археи и бактерии. Как известно, в первые 2 млрд лет Землю населяли только простые, примитивные создания, которых учёные называют прокариоты. В отличие от эукариот, сложных клеток, из которых состоим и мы с вами, это более просто устроенные клетки. У них нет ядра, митохондрий, нет других внутриклеточных структур, окружённых мембранами. Все прокариоты – это бактерии и археи.

Ясно, что они просто не могли обойтись без взаимодействия друг с другом. Впрочем, не могут и сейчас. В архейскую и протерозойскую эры основной формой жизни были микробные сообщества, так называемые бактериальные маты. В некоторых экстремальных местах обитания планеты они сохранились и по сей день. Такой бактериальный мат похож на многослойный коврик. Его верхний слой образуют фотосинтезирующие бактерии (обычно цианобактерии), которые выделяют кислород и производят органику. Под ними расположен слой, образуемый пурпурными бактериями, – они тоже «фотосинтезируют», но используют при фотосинтезе в качестве донора электрона не воду, а сероводород и выделяют не кислород, а серу и сульфаты. Там же живут бактерии, использующие кислород для разложения органики. Благодаря их деятельности кислород не проникает в нижний слой бактериального мата – анаэробный слой, где кислорода почти нет.

Этот анаэробный слой чёрного цвета населён бродильщиками, вызывающими брожение органики (её ферментативное разложение в отсутствие кислорода). Побочный продукт их обмена веществ – молекулярный водород, который другие обитатели нижнего слоя бактериальных матов – сульфат-редукторы – используют для восстановления сульфатов, выделенных пурпурными бактериями. В результате образуется сероводород, необходимый пурпурным бактериям. Получается замкнутый химический цикл, в котором участвуют как минимум три компонента – три разные группы микроорганизмов. Все вместе они напоминают единый организм – отдельные его части не могут существовать друг без друга (а если и могут, то растут гораздо хуже).