Microbiology

Термит-грибовод Macrotermes и его урожай — плодовые тела грибов Termitomyces. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Развитию взаимовыгодных симбиозов мешает эгоистическая эволюция симбионтов, порождающая «обманщиков», которые хотят только брать, ничего не давая взамен. До сих пор оставалось загадкой, почему нет обманщиков среди грибов, выращиваемых термитами. Как выяснилось, причина в том, что эти грибы в термитниках всегда растут в виде монокультур. Это исключает конкуренцию между грибами внутри термитника и не позволяет им эволюционировать эгоистически.

1. Обманщики — главное препятствие на пути развития кооперации

Если бы не проблема «обманщиков», порождаемая отсутствием у эволюции дара предвидения и заботы о «благе вида» (а не особи или гена), наша планета, вероятно, была бы похожа на рай земной — царство всеобщей любви и дружбы. Но эволюция слепа, и поэтому кооперация развивается только там, где то или иное стечение специфических эволюционных обстоятельств помогает обуздать обманщиков или предотвратить их появление.

Существует не так уж много удачных «инженерных решений», позволяющих справиться с проблемой обманщиков в симбиотических системах. На каждое из этих решений эволюция неоднократно «натыкалась» в своих блужданиях по пространству возможного (см. ссылки внизу). Одна из эффективных стратегий состоит в том, чтобы обеспечить генетическое однообразие симбионтов внутри каждой отдельной симбиотической системы. Это исключает возможность конкуренции между генетически различающимися разновидностями симбионтов за то, кто из них более эффективно будет эксплуатировать общие ресурсы (ухватит себе больший кусок общего пирога). Если все симбионты генетически идентичны, эгоистическая эволюция внутри системы становится невозможной, потому что из минимального набора условий, необходимых для эволюции, — дарвиновской триады «наследственность, изменчивость, отбор» — исключается один из компонентов, а именно изменчивость. Симбионтам-близнецам не важно, кто из них ухватит для себя больший кусок, ведь с точки зрения естественного отбора они все — просто одно и то же. Их эволюционные «интересы» автоматически отождествляются с интересами всей системы. При этом отбор перестает действовать на уровне индивидуальных симбионтов и начинает действовать на уровне целых симбиотических систем (см.:Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007).

Именно поэтому эволюции так и не удалось, несмотря на многократные «попытки», создать нормальный многоклеточный организм из генетически разнородных клеток. Все настоящие многоклеточные организмы образуются из клонов — потомков одной-единственной клетки. Но опасность появления обманщиков продолжает висеть, как дамоклов меч, даже над самыми совершенными кооперативными системами, такими как многоклеточные животные. Если в результате мутации одна из клеток приобретает способность размножаться независимо от организма, последствия могут быть ужасны (см.: Тасманийских дьяволов губят вампирские наклонности, «Элементы», 03.02.2006).

Если система состоит из крупного многоклеточного «хозяина» и маленького «симбионта», то для хозяина самый простой путь обеспечить генетическую идентичность симбионтов — это передавать их вертикально, то есть по наследству, причем заниматься этим должен только один из полов — либо самцы, либо самки. Именно так передаются, например, митохондрии у всех эукариот — строго по материнской линии, причем сами митохондрии размножаются клонально. Так же передают из поколения в поколения свои сельскохозяйственные культуры муравьи-листорезы. При вертикальной передаче генетическое разнообразие симбионтов автоматически поддерживается на близком к нулю уровне за счет генетического дрейфа и «бутылочных горлышек» (см.: Дрейф генов как фактор эволюции).

Существуют, однако, и симбиотические системы с горизонтальной передачей симбионтов. В таких системах симбионты у каждого хозяина генетически разнородны, они сохраняют способность к эгоистической эволюции, и поэтому среди них то и дело появляются обманщики. Например, известны штаммы обманщиков среди светящихся бактерий (симбионтов рыб и кальмаров), азотфиксирующих бактерий-ризобий (симбионтов растений), микоризных грибов, зооксантелл (симбионтов кораллов). Во всех этих случаях эволюции «не удалось» обеспечить генетическую однородность симбионтов, и поэтому хозяевам приходится бороться с обманщиками иными методами — например, иммунологическими. Это не так эффективно, но что поделаешь: естественный отбор замечает только сиюминутную выгоду и совершенно не интересуется отдаленными эволюционными перспективами.

Для того чтобы развился механизм, обеспечивающий генетическую однородность симбионтов, этот механизм должен давать немедленную выгоду, иначе отбор его не поддержит. Та выгода, о которой мы говорили до сих пор, — лишение симбионтов возможности эволюционировать в обманщиков — как раз относится к категории «отдаленных перспектив» и поэтому не может работать как эволюционный фактор на микроэволюционном уровне. Но если уж какому-то виду так повезет, что вертикальная передача симбионтов будет для него сопряжена с какой-то сиюминутной выгодой и поэтому будет закреплена отбором, это может обеспечить его отдаленным потомкам триумфальный успех.

Камеры для выращивания грибов в гнезде термитов Macrotermes. Фото из обсуждаемой статьи в Science

2. Загадка термитов-грибоводов

Термиты подсемейства Macrotermitinae, освоившие эффективное сельское хозяйство (выращивание грибов), до сих пор казались исключением из вышеописанных правил. Передача симбионтов (одомашненных грибных культур) у них не вертикальная, а горизонтальная, однако грибы-обманщики в их огородах полностью отсутствуют.

Симбиоз термитов с грибами возник единожды свыше 30 млн. лет назад в экваториальной Африке и оказался очень успешным. В настоящее время подсемейство термитов-грибоводов включает 10 родов и около 330 видов, играющих важнейшую роль в круговороте веществ и функционировании тропических сообществ Старого Света. В отличие от грибов, выращиваемых муравьями-листорезами, одомашненные термитами грибы уже утратили способность к самостоятельному существованию. Они растут только в термитниках на специально обустроенных грядках из растительного материала, пропущенного через кишечник термитов. Эти окультуренные грибы образуют особый род Termitomyces, все виды которого неразрывно связаны с термитами.

Основав новую колонию, термиты собирают в окрестностях споры грибов Termitomyces и засевают ими свои плантации. Естественно, исходный посевной материал оказывается генетически весьма разнородным. Грибы образуют в термитнике особые маленькие плодовые тела (нодулы), содержащие бесполые споры (конидии). «Бесполыми» эти споры называют потому, что они образуются без мейоза, а их геном идентичен геному родительской грибницы. Конидии служат исключительно для размножения грибов внутри термитника. Термиты питаются нодулами, а споры проходят через их кишечник неповрежденными и используются для засева новых плантаций. Термиты сооружают «грядки» из собственных испражнений, в которых измельченный растительный материал оказывается смешан в нужной пропорции со спорами грибов. Грибы не только снабжают термитов питательными плодовыми телами, но и перерабатывают непереваренный растительный материал таким образом, что и сами грядки в итоге становятся съедобными для термитов.

Грибам нужно позаботиться и о том, чтобы попасть в новые термитники. Конидии за пределы термитника обычно не распространяются. Для этого используются половые споры (базидиоспоры). Они образуются в плодовых телах другого типа — больших, прорастающих сквозь стены термитника наружу. Это «нормальные», обычные плодовые тела, характерные для грибов-базидиомицетов (к базидиомицетам относятся почти все съедобные грибы, плодовые тела которых мы собираем в лесу).

Из базидиоспор, принесенных термитами в новое гнездо, вырастают маленькие гаплоидные мицелии (грибницы). Клеткиразных гаплоидных мицелиев сливаются и превращаются в дикарионы — клетки с двумя гаплоидными ядрами. Из них вырастают уже «настоящие», большие дикариотические мицелии, способные образовывать плодовые тела. Слияние ядер у базидиомицетов происходит только при образовании базидиоспор, непосредственно перед мейозом. Конидии содержат по два гаплоидных ядра, как и клетки мицелия, а базидиоспоры — по одному.

Таким образом, грибы производят маленькие плодовые тела в основном для термитов («альтруизм»), а большие — в основном для себя («эгоизм»). Стратегия грибов-обманщиков могла бы состоять в том, чтобы производить побольше больших плодовых тел и поменьше маленьких, переложив тяжкое бремя кормления термитов на менее расторопных соседей, растущих на тех же грядках. Но среди Termitomyces обманщиков нет, и до сих пор никто не знал, почему.

3. Удачный симбионт — залог успеха

Эту загадку разгадали нидерландские и датские ученые, опубликовавшие результаты своих исследований в последнем номере журнала Science. Они взяли несколько сотен проб грибных культур из 63 термитников, принадлежащих трем видам южноафриканских термитов-грибоводов. Генетический анализ этих проб показал, что в каждом термитнике выращивается только один штамм грибов. При этом в разных термитниках культивируются разные штаммы.

Таким образом, стало ясно, что термиты предотвращают появление обманщиков стандартным способом — при помощи монокультурного разведения симбионтов. Осталось только понять, как им удается создавать монокультуру из изначально разнородного посева. При этом нужно еще учитывать неизбежные случайные заносы «посторонних» базидиоспор из внешней среды в течение жизни колонии.

Оказалось, что всё объясняется особенностями взаимоотношений между штаммами грибов при плотном посеве — в сочетании с тем фактом, что размножение грибов внутри термитника полностью контролируется термитами. Авторы предположили, что у Termitomyces может существовать положительная корреляция между частотой встречаемости штамма в смешанной культуре и эффективностью его бесполого размножения. Иными словами, генетически идентичные мицелии, возможно, каким-то образом помогают друг другу — но не другим мицелиям — производить конидии.

Чтобы проверить это предположение, исследователи проращивали на искусственной среде конидии пяти грибных штаммов, взятые из пяти термитников. Пять типов спор смешивали в разных пропорциях. В каждом опыте 50% высеваемых спор принадлежало одному из пяти штаммов, а остальных было по 12,5%. Грибы растили до тех пор, пока они не давали первый урожай нодул с конидиями. Результаты полностью подтвердили ожидания исследователей. Оказалось, что тот штамм, который изначально преобладал в посеве, размножается гораздо эффективнее всех остальных. Среди образовавшихся конидий первого урожая в среднем 84% спор принадлежало доминирующему штамму (против 50%, ожидаемых при отсутствии зависимости размножения от численности).

Таким образом, между относительной численностью штамма в смешанной культуре и эффективностью его размножения существует положительная обратная связь. Это неизбежно должно приводить к формированию монокультуры уже через несколько циклов «пересевов», осуществляемых термитами.

Схема, объясняющая повышенную урожайность монокультур Termitomyces по сравнению со смешанными культурами. В смешанной культуре (слева) отдельным дикариотическим мицелиям редко удается срастись, потому что срастаться могут только генетически идентичные мицелии. Маленькие изолированные мицелии производят много маленьких плодовых тел. В монокультуре (справа) мицелии срастаются в мощные сети, способные выделить большую долю суммарных ресурсов на производство плодовых тел. В результате суммарная масса плодовых тел (и число спор) в монокультуре оказывается гораздо выше, чем в смешанной. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Теперь нужно было выяснить, какова природа этой положительной обратной связи. С одной стороны, известно, что контакт с генетически отличающимся дикариотическим мицелием может стимулировать образование плодовых тел у базидиомицетов. Это, казалось бы, должно вести к повышению «урожайности» в смешанных культурах — и препятствовать формированию монокультуры. С другой стороны, отростки дикариотических мицелиев могут срастаться друг с другом, но только в том случае, если эти мицелии генетически идентичны. Чем крупнее мицелий, тем больше ресурсов он может направить на производство нодул и конидий. Это должно способствовать росту урожайности в монокультуре и вытеснению «меньшинств». Какой из двух факторов перевешивает?

Оказалось, что в смешанных культурах действительно образуется в 3–4 раза больше нодул, чем в монокультурах. В монокультуре нодул меньше, зато каждая нодула гораздо крупнее. В результате суммарный выход конидий в смешанных культурах составляет лишь около 15% от производительности монокультуры. Кроме того, суммарная масса нодул в монокультуре выше. Это, конечно, выгодно «земледельцам» — термитам.

Можно предположить, что дикий предок грибов Termitomyces оказался удачным кандидатом для доместикации (одомашнивания) как раз потому, что был склонен образовывать монокультуры при плотном посеве. Повышенная урожайность монокультур могла стать тем самым «сиюминутным преимуществом», которое позволило отбору поддержать и развить эту склонность на ранних этапах формирования симбиоза. В долгосрочной (макроэволюционной) перспективе она оказалась решающей, потому что избавила термитов-грибоводов от угрозы появления грибов-обманщиков. В конечном счете это обеспечило симбиотической системе эволюционный успех.

Некоторые виды термитов-грибоводов впоследствии всё-таки перешли к вертикальной передаче грибных культур, как у муравьев листорезов. Это могло способствовать дальнейшему повышению эффективности агрикультуры, потому что при вертикальной передаче грибам вообще не обязательно размножаться самостоятельно, и термиты могут, например, просто съедать большие плодовые тела. Однако до сих пор среди Macrotermitinae преобладают виды с горизонтальной передачей симбионтов.

Между прочим, при переходе людей от охоты и собирательства к производству продовольствия (в ходе «неолитической революции», начавшейся 10–12 тысяч лет назад) проблема выбора кандидатов для доместикации тоже стояла крайне остро. Хороший симбионт — большая редкость, и во многих регионах просто не нашлось подходящих видов животных и растений. Там, где их случайно оказалось больше всего, человеческая цивилизация стала развиваться с наибольшей скоростью. Об этом подробно рассказано в замечательной книге Джареда Даймонда «Ружья, микробы и сталь» (doc-файл, 2,66 Мб).

 Источник: Duur K. Aanen, Henrik H. de Fine Licht, Alfons J. M. Debets, Niels A. G. Kerstes, Rolf F. Hoekstra, Jacobus J. Boomsma. High Symbiont Relatedness Stabilizes Mutualistic Cooperation in Fungus-Growing Termites // Science. 2009. V. 326. P. 1103–1106.