Взаимодействие беспозвоночных и микроорганизмов (стр. 1 )

Взаимодействие беспозвоночных и микроорганизмов.

Роль беспозвоночных в почвообразовании во многом связана с регуляцией состава и активности микроорганизмов. Обратим внимание на селективное потребление животными микробов и на те события, которые происходят с микроорганизмами в пищеварительном тракте. Одна из фундаментальных закономерностей – изменение в соотношении мицелиальных грибов/бактерий: в почве бактерий становится больше, а грибов меньше. Беспозвоночные предпочитают в основном грибы. Однако не все группы, виды и даже штаммы микроорганизмов, попав в кишечник животного, ведут себя одинаково. С ними могут происходить разные события: гибель популяции (например, дрожжевых грибов), подавление роста, сохранение жизнеспособности, инициация прорастания спор, размножение. Животные почему-то предпочитают в пищу грибы, содержащие в гифах темный пигмент меланин. При оценке микробного загрязнения почв необходимо помнить, что генетически модифицированные человеком бактерии могут размножаться и даже передавать генетическую информацию диким бактериям в кишечнике, а возможно, и получать от почвенных бактерий новые гены, например устойчивости к антибиотика. Наш тезис – у каждого животного есть свой круг микробов-жертв. В этом и проявляется функциональное биологическое разнообразие – в трофических сетях животные не стоят в очереди за пищей, а каждый имеет свою, согласно со способностями переварить ее.
Для объяснения причин избирательной гибели микроорганизмов в кишечнике животных мы проверили активность пищеварительных экстрактов некоторых беспозвоночных (многоножек-кивсяков, мокриц, виноградной улитки). Получили предсказуемый результат: часть микроорганизмов гибнет, другие не чувствительны, беспозвоночные отличаются разной антимикробной активностью. Позже такую киллерную активность обнаружили и у дождевых червей. Под действием кишечной жидкости быстро, в течение нескольких минут, подавляется дыхание – гибнут клетки. Чувствительные к перевариванию клетки изменяются в облике уже через несколько секунд. В просвечивающем электронном микроскопе видно, что под действием кишечной жидкости многоножки кивсяка Pachyiulus flavipes цитоплазма дрожжевых грибов Saccharomyces cerevisiae становится гранулированной, исчезают ядро, митохондрии, вакуоли. Большинство клеток сохраняют целостность и клеточную стенку. Изменения внутриклеточной организации позволяет говорить о мембранотропном действии веществ кишечной жидкости.
Чувствительны к киллерной активности, как правило, обитатели листового опада или почвы, а устойчивы обитатели кишечника и экскрементов животных, что говорит об их адаптации к кишечной среде животного. Киллерные агенты имеют небелковую природу. Среди них обнаружено новое вещество – 16-сульфо-гидроксипальмити-новая кислота:-SO3-O-(CH2)15-COOH, имеющая свойство умеренного детергента. Скорость и степень разрушения клеток под действием пищеварительной жидкости мы исследовали по выходу в водный раствор 14С – меченых органических соединений. После нескольких минут пребывания в этой активной среде клетки теряют до 80% своего содержимого, причем киллерная фракция, хотя и не содержит ферментов, тоже вызывает лизис. Механизм такого переваривания микроорганизмов представляется нам следующим образом. Чувствительные микробные клетки быстро гибнут под действием киллерных веществ: они нарушают барьер проницаемости, и в раствор выходит часть содержимого цитоплазмы. Гидролиз клеточного материала осуществляют вместе автолитические ферменты микробной клетки и ферменты животного. Каждый вид животного, очевидно, имеет свой круг микробов-жертв – благодаря различному составу киллерных веществ.
Предложенный нами механизм сходен с описанным для позвоночных индуцированным автолизом: жертва обеспечивает собственное переваривание, индуцируемое веществами пищеварительного тракта хищника. При этом живые организмы перевариваются эффективнее мертвых. Известно, что состав автолитических ферментов любой клетки более широк, чем спектр пищеварительных ферментов животного, – это модель «искусственного удава». Причина селективности переваривания до сих пор не ясна. Возможно, киллерные вещества специфически взаимодействуют с мембранными фосфолипидами и, подобно детергентам, вызывают деструкцию мембран. Участие жирных кислот в переваривании микроорганизмов животными до сих пор не отмечалось. Индуцированный автолиз, видимо, существует и у других беспозвоночных – насекомых, нематод. Многие хищные насекомые парализуют и убивают жертву ядами, а переваривание происходит вне кишечника (внекишечное пищеварение) аналогично индуцированному автолизу. Значит, пищеварительный тракт беспозвоночного можно представить как селективный «фильтр» и одновременно как ферментер для микроорганизмов.
У всех позвоночных есть кишечные симбионты. Их значение в жизни макроорганизма огромно, и нарушения их функций (дисбиозы) приводят к сбою в работе организма. Наличие симбионтов у почвенных беспозвоночных пока строго не доказано. Здесь необходим не только поиск новых, не встречающихся в почве видов бактерий и грибов, но и выявление у них специальных функций симбионта, важных для жизни хозяина. Наиболее весомый знак – микроорганизмы прикреплены к стенкам кишечника. Так, у дождевых червей гифы актиномицетов врастают в стенку. Мы показали, что в кишечнике почвенных многоножек живет множество разнообразных бактерий: от очень мелких (менее 0.2 мкм) кокков до длинных палочек. Бактерии, выделенные из червей, на 80-90% представлены факультативно-анаэробными штаммами. В кишечнике дождевых червей обнаружены новые представители семейств Sphingomonadaceae (Alphaproteobacteria), а также Alcaligenes spp. (Betaproteobacteria).
Они живут и в почве, но, когда попадают в кишечник червей, их становится больше.
Пищеварительный тракт беспозвоночных можно рассматривать как анаэробную зону в почве, в которой бактерии осуществляют денитрификацию, диссимиляцию нитратов и детоксификацию нитритов; там активнее фиксируется атмосферный азот, а потребляемые микроорганизмы снабжают организм хозяина белком, незаменимыми аминокислотами и жирными кислотами. Такие микроорганизмы способны продуцировать гидролитические ферменты, целлюлазы и хитиназы. Кишечные актиномицеты в сравнении с почвенными обладают повышенной антибиотической активностью, что, возможно, служит беспозвоночным защитой от внешних врагов.
Большинство кишечных микроорганизмов хорошо переносят недостаток O2; у них при ассимиляции органических соединений преобладают простые углеводы; растут они быстрее почвенных; так же, как почвенные, могут расти на гуминовых кислотах. У дождевых червей обнаружены и микроскопические мицелиальные грибы. Экскреты червей обладают биологической активностью, действуя в очень низких концентрациях (мкг/мл) на рост бактерий, подавляя одних и стимулируя других. Наконец, гуминовые кислоты, потребляемые червями, приобретают иную биологическую активность по отношению к бактериям и грибам за счет биохимической трансформации в кишечнике.
Все эти факты вместе с новыми сведениями о функциях кишечных микроорганизмов, которые неизбежно появятся в ближайшее время, позволят составить функциональный «портрет» микробного сообщества пищеварительного тракта беспозвоночных и доказать их симбиотическую роль.
Сейчас мы можем утверждать, что сами взаимодействия несут функции, отличные от функций отдельных организмов. Их можно даже назвать биосферными функциями.
Мы видим, что связи почвенных беспозвоночных и микроорганизмов огромны, а их функции разнообразны. Здесь мы коснулись лишь нескольких. Уверены, что найдутся энтузиасты, которые займутся новыми вопросами этой обширной темы. Возможно, наиболее плодотворны будут поиски новых микробных симбионтов и познание эволюции симбиотических взаимоотношений на червях как наиболее древних почвенных беспозвоночных. Новые молекулярно-биологические методы дают возможность это делать. Работы по расшифровке селективного переваривания и киллерного воздействия пищеварительной среды животных приведут не только к новым находкам природных соединений с антимикробными свойствами, но и к расшифровке молекулярных механизмов межорганизменных взаимодействий. Изучение симбионтного пищеварения и питания важно не только для понимания механизмов коэволюции трофических взаимодействий микроорганизмов и животных. Оно поможет искать новые источники биологически активных веществ (ферментов, аминокислот, витаминов). Наконец, антибиотические взаимодействия, особенно сильно проявляющиеся в кишечнике животных, – стимул к направленному поиску микробов – продуцентов новых антибиотиков.

БАКТЕРИАЛЬНАЯ КЛЕТКА

  Большинство бактерий являются одноклеточными. Основные формы

бактериальных клеток — шаровидная, палочковидная и извитая (рис. 1).

  Нередко клетки после деления не расходятся, а остаются соединенными

между собой, образуя различные сочетания. Шаровидные бактерии могут

делиться одной, двух или трех плоскостях (рис. 1). Среди извитых различают

вибрионы — короткие, слегка изогнутые клетки наподобие запятой, спириллы,

имеющие 2—4 изгиба, и спирохеты — длинные сильно извитые клетки. Иногда

встречаются бактерии в форме тороида (замкнутого или незамкнутого кольца),

звезды, шестиугольника и др.

  Рис. 1. Основные формы бактерий: 1 — кокк; 2 — палочка; 3 — вибрион;

4 — спирилла 5 — спирохета; 6 — тороид, 7 — звездчатая; 8 — нитчатая.

Сочетание кокков: А — микрококк; Б — диплококк; В — стрептококк; Г —

тетракокк; Д — стафилококк; Е — сарцина.

  Особую группу образуют нитчатые бактерии, состоящие, как правило, из

одного ряда клеток, которые соединены в длинные нити (трихомы), нередко

одетые общим слизистым чехлом.

  Форма клеток большинства бактерий является устойчивым видовым

признаком. Размеры бактериальных клеток невелики. Длина большинства

палочковидных бактерий, вибрионов и спирилл составляет 0,5—3 мкм,

  3

толщина — 0,5—1 мкм. Диаметр шаровидных бактерий обычно не превышает 2