Биологические основы возникновения симбиозов

Учитывая, что обсуждаемые вопросы касаются симбионтных отношений человека с различными представителями микромира, более подробное рассмотрение закономерностей возникновения симбионтных отношений и создания взаимополезных экологических систем можно считать оправданным.

Теория эволюции Ч.Дарвина построена на принципах конкуренции, однако реальные факты свидетельствуют, что наибольшей выживаемостью обладают организмы, вступившие не в борьбу, а в симбионтные отношения. Причем наиболее прочные и продуктивные симбиозы представлены между далекими друг от друга организмами, часто принадлежащими к различным царствам природы, например макроорганизмы – микроорганизмы.

В настоящее время установлено, что истинно гармоничный симбиоз формируется двумя путями: преодолевается либо "нахлебничество", либо настоящий паразитизм. Такой путь логически оправдан, так как при сглаживании антагонизма и возникновении каких-то преимуществ, которые может извлечь для себя хозяин нахлебника или паразита, союз становится более устойчивым и у него появляется больше возможностей быть сохраненным естественным отбором. Из этого следует, что взаимное приспособление и истоки симбиоза уходят своими корнями в очень давние времена.

Учитывая, что симбиозы – это союзы, связанные нитями взаимопомощи между разными и, как правило, далекими видами живых существ, они не могли возникнуть на начальных этапах эволюции, когда видовое разнообразие еще не было достигнуто. В дарвиновскую схему симбиоз можно вписать как продукт эволюции типа ее надстройки и продолжения. Однако, согласно теории Дарвина, и в данном случае конкуренция не исключается, и взаимоотношения партнеров по симбиозу представляют состояние равновесия не всегда.

Взаимоотношения участников симбиоза на принципах взаимных услуг сохраняются до тех пор, пока каждый находится в условиях, одинаково стабильных для их существования. При изменении условий кто-то из партнеров симбиоза получит преимущества и одностороннюю пользу, однако баланс сил в конечном итоге восстанавливается, и отношения вновь приобретают сбалансированный характер. О том, что в основе симбиоза лежат преобразованные антагонистические отношения, свидетельствуют начальные фазы развития многих форм симбиоза. Первые контакты эндосимбионта, в качестве которого часто выступает определенный вид микроорганизмов, с будущим хозяином (в его теле эндосимбионт находит свое убежище), начинаются с острого столкновения. Организм хозяина всеми силами сопротивляется постороннему вторжению, и его реакция на проникновение будущего симбионта ничем не отличается от реакции на обычную инфекцию.

В этом факте просматривается преобразование закона Дарвина с конкуренции и борьбе за существование как первом этапе взаимодействия живых существ. Однако в желании выжить возникает второй этап – этап сосуществования и взаимополезного взаимодействия.

Можно предполагать, что эволюция методом естественного отбора оставила жизнеспособными именно те живые существа, которые смогли найти компромиссные отношения с представителями других видов природы, например, макроорганизма и микроорганизмов, превратившихся в итоге в необходимых его помощников. Следует отметить, что одноклеточные микроорганизмы обладают уникальной способностью быстро реагировать на изменяющиеся условия окружающей среды. Их генетический аппарат немедленно перестраивается и продуцирует метаболиты – ферменты для прохождения биохимических реакций, необходимых в данное время. Вследствие этого многие из микроорганизмов нашли свое убежище в теле макроорганизмов как среде своего обитания, обладающей большей стабильностью и надежностью, чем внешняя окружающая среда.

В силу этих закономерностей семейство стрептококков представляет собой обширную и разнообразную по свойствам группу микроорганизмов, заселивших многие виды млекопитающих. Они функционируют как эндосимбионты, метаболизм которых дополняет и улучшает биохимические процессы в теле хозяина – макроорганизма. Можно предполагать, что одной из главных функций эндосимбионта является сохранение стабильности среды своего обитания и защита ее от проникновения чужеродных агентов. В частности, все стрептококки, населяющие организм человека и животных, домашних и диких, обладают необычайно выраженной нуклеазной активностью, т.е. способностью продуцировать ферменты, растворяющие вирусную нуклеиновую кислоту ДНК и РНК. В частности, И.М.Лямперт констатирует, что стрептококки группы А продуцируют огромное количество экзонуклеаз, превышающее в тысячу раз вес самой микробной клетки (бактериальной). Такая метаболическая активность бактерий может создать высокую концентрацию ДНазы и РНазы, растворяющих вирусы в межклеточном пространстве и лимфе, что исключает возможность персистенции вирусов и проникновения их в клетки хозяина.

Данное биологическое явление можно отнести к элементам функционирования симбиоза и способности бактерий сохранять стабильность среды их обитания. Достаточно убедительным примером необходимости симбиоза макроорганизма и симбионтных бактерий явилась трагедия с "коровьим бешенством". Симбионтами крупного рогатого скота являются стрептококки группы В. В целях повышения его продуктивности при стойловом содержании в рацион животных, по-видимому, вводились гормоны и антибиотики, что послужило причиной уничтожения симбионтной бактериальной микрофлоры и в том числе стрептококков группы В, продуцирующих растворяющие вирусы энзимы – экзонуклеазы. В отсутствие этих энзимов организм животных заполняется вирусами и прионами, которые поражают нервные клетки, вызывая характерные патологические симптомы.

Для организма человека также наступил период, связанный с утратой симбионтной микрофлоры и в том числе стрептококков группы А, что сопровождается заселением организма вирусами начиная от группы герпеса, включая многих других, таких как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Можно полагать, что выход из данного тяжелого положения есть только один – восстановление созданного в процессе эволюции состояния, обусловленного взаимовыгодным симбиозом с микроорганизмами, прошедшими вместе с ним строгий режим естественного отбора.

На первом этапе жизни, в детском возрасте, при формировании экосистемы и симбиоза при заселении эндосимбионтами возможно появление инфекционного процесса (ангина, рожистое воспаление, скарлатина), что следует направленно регулировать. Следует учитывать, что эндосимбионт "не заинтересован" в гибели хозяина и после заселения его функции направлены на стабилизацию и охрану среды своего обитания.

По этому поводу известный русский ученый И.В.Давыдовский писал в 50-х гг. XX в. следующее: "Единство организма и внешней среды – одно из важнейших положений жизнеспособности организма. Частым отображением этого единства является нормальный симбиоз человека, а также и животных с миром микробов, например с микрофлорой кишечника, дыхательных путей, кожи и др. Сущность симбионтных состояний заключается во взаимном приспособлении организма и микроорганизмов. Тем самым обеспечиваются их взаимные интересы в отношении факторов питания, размножения, иммунитета и т.д.". Данное положение подтверждается и высказыванием И.Ф.Гамалеи, который писал: "Невозможно допустить, чтобы естественный отбор на протяжении всей эволюции для всех живых существ сохранял огромные массы характерных для каждого органа микробов в определенных местах организма, если бы они были случайны или только вредны для него".

Наличие обильной, индивидуально изменчивой микрофлоры в кишечнике является жизненно необходимым фактором, и симбионты кишечника стали даже добавочным пищеварительным аппаратом очень большой мощности, так как, например, расщепление белков бактериальными ферментами идет глубже, чем аналогичными ферментами самого организма хозяина.

Взаимоотношения между организмом хозяина и микробами, установившиеся исторически в виде симбиоза, не позволяют говорить о какой-либо победе микроба при возникновении инфекционного заболевания, так как инфекционное заболевание возникает как исключение. Это связано не с какими-то агрессивными свойствами эндосимбионта и не с тем, что организм не смог справиться и перестроиться. Наоборот, инфекционная болезнь, особенно бактериального происхождения, свидетельствует о способности организма специфически реагировать и приспосабливаться, финалом такого приспособления является иммунитет. Таким образом, инфекционная болезнь – это не борьба до победного конца. Это своеобразный процесс приспособления, заканчивающийся чаще всего новой формой симбиоза организма и микроба. Сущность инфекционной болезни – это иммуногенез и выработка новых взаимоотношений эндосимбионта на новом, более высоком уровне защитных способностей организма хозяина. Человеческий организм в какой-то мере адаптирован почти ко всем существующим видам микроорганизмов. Однако эта адаптация в различных экологических, климатических и социальных условиях развивалась различно. Вследствие этого существует широкий диапазон вариаций факторов естественного иммунитета групп населения и отдельных организмов.

Степень естественного иммунитета, сформированного в онтогенезе, подвержена возрастным колебаниям. Высшего своего развития эта степень достигает лишь к периоду полового созревания, что подчеркивает общий биологический закон онтогенетического (индивидуального) развития и закрепления видовых (филогенетических) факторов. Эти положения объясняют относительную частоту и многообразие детских инфекций и своеобразие реакций у детей, которые выражаются либо в том, что у них в возрасте до одного года некоторые инфекции вообще не наблюдаются, либо протекают по-особому (И.В.Давыдовский. "Учение об инфекции", 1956).

В связи с данными положениями необходимо подчеркнуть, что наблюдения И.В.Давыдовского и И.Ф.Гамалеи относятся к периоду существования нормальных бактериальных инфекций, т.е. к 40-50-м гг. XX в., когда широкое распространение антибиотиков не привело еще к образованию форм бактерий – бесстеночных, утративших иммуногенные свойства. Исследования этих ученых, касающиеся формирования иммунитета под влиянием инфекции, могли произойти только при взаимодействии с бактериями, имеющими на своей поверхности нормальную клеточную стенку, состоящую из полисахаридов, тейхоевой кислоты и пептидоглюкана, которые являются естественными и непременными иммуностимуляторами макроорганизма.

В настоящее время в связи с утратой нормального микробиоценоза и разрушением симбиоза с исторически адаптированными к организму человека бактериями формирования иммунитета в онтогенезе не происходит. Биологические закономерности, определявшие прежние взаимоотношения макро- и микроорганизмов, неприменимы в современных ситуациях. Взаимоотношения с изменившимся микроокружением не носят характера взаимовыгодного симбиоза. Более всего смена микроокружения сказалась на неполноценности иммунитета: повышенной чувствительности к привычным антигенам окружающей среды, которые теперь приобрели функции аллергенов. В связи с недоразвитостью и незавершенностью иммунного статуса его защитная роль утрачена. Уже у трех поколений матерей сняты функции антимикробного и антитоксического иммунитета, который защищал новорожденных на первом году жизни. Теперь новорожденные и дети раннего возраста расплачиваются за это тяжелыми инфекционными заболеваниями и высокой летальностью. Им, слабым и незащищенным, приходится адаптироваться к новому для организма человека микроокружению (микоплазмы, уреоплазмы, L-формы бактерий, вирусы). Таким образом, разрушение исторически сложившихся симбиозов изменяет и ухудшает механизмы адаптации участников симбиоза, заставляя их вновь приспосабливаться к окружающей среде, практически заново проходить процессы естественного отбора.

Для одноклеточных организмов, таких как бактерии, механизмы адаптации осуществляются относительно быстро за счет способности приспосабливать свой метаболизм и выработку новых ферментов при новых условиях их существования. Многие бактерии уже приспособились жить в среде, наполненной антибиотиками, и не реагируют почти на их присутствие, перейдя в морфологически другое бесстеночное L-форменное состояние, но не утратив способности к существованию и размножению.

Для многоклеточного организма разрушение симбиоза и утрата метаболических помощников – бактерий – представляет большую проблему, так как без биокатализаторов, вырабатываемых бактериальной клеткой, ход некоторых биохимических процессов в организме, который был исторически адаптирован к включению их в свой метаболизм, не происходит.

С утратой фибринолитического фермента стрептокиназы организм человека теряет способность к быстрому растворению тромбов и поддержанию в кровеносных сосудах жидкого состояния крови. Кроме того, снижение концентрации в жидкостях организма бактериальных нуклеолитических энзимов дает возможность вирусам длительно персистировать и внедряться в клетки организма, определяемые тропизмом вируса.

Все это завершается состоянием иммунодепрессии и аллергией, утратой способности к защите организма от инфекционных агентов. В целом жизнеспособность макроорганизма, утратившего симбиоз с привычной, исторически адаптированной к нему микрофлорой, снижается.

Итак, если сравнивать эволюцию форм жизни с движущимся конвейером, то в его начале жизнь все время бросает на него новые формы, еще не приспособленные одна к другой и не готовые к совместному проживанию на планете. Далее, в общем потоке жизни, общаясь с множеством других организмов и со средой, они либо оказываются преображенными и готовыми к сотрудничеству и симбиозу, либо великий контролер жизнеспособности – естественный отбор – отбрасывает их из общего потока жизни. Кстати, естественный отбор всегда покровительствует симбиозам и дружественным природным союзам, в то же время действуя в двух направлениях:

1. Устраняет из популяции все генотипы с пониженной жизнеспособностью и плодовитостью.

2. Повышает концентрацию генотипов повышенной жизнеспособности и плодовитости.

Положительный и отрицательный отбор является одновременным процессом, когда одна часть особей отсевается, другая сохраняется. При положительном отборе создается соответствие между живыми организмами и средой обитания, что определяется как полная адаптация. У многоклеточных организмов она проявляется на морфофизиологическом уровне, у одноклеточных (бактерий) – только на биохимическом.

Таким образом, в организме человека и окружающей его микросреде произошли глубинные сдвиги, изменившие его адаптивные свойства и саму жизнеспособность. Чтобы сохранить жизнеспособность, человеку потребуется возобновить взаимодействие с эволюционно сформированным микроокружением и восстановить прежний естественный микробиоценоз. Согласно законам эволюции, других решений выживания макроорганизмов на Земле нет.

Приложение

В свете эволюционной истории инфекционных процессов, которую рассматривает известный русский инфекционист А.Ф.Билибин (1964), отмечается, что самой ранней и, следовательно, самой древней формой реакции на внедрение микроорганизмов была клеточная иммунная реакция за счет фагоцитоза.

Схема основных вариантов инфекционного процесса

Гуморальные механизмы иммунитета появились уже у высших беспозвоночных. Для организма человека, стоящего на самой высокой ступени эволюционной лестницы, характерны уже три основных механизма реакций на внешний мир: клеточный, гуморальный и нервный.

Типы выражения инфекционного процесса хорошо интерпретирует схема Топли (Topley), в которой обобщены варианты распространения микробов в теле человека (Билибин А.Ф., 1964, с. 23).

На схеме (рис. А) изображена первоначальная фаза инфекционного процесса, когда микроорганизмы, пройдя через кожные покровы, оседают лишь в регионарных лимфатических узлах. Положение Б на схеме характеризуется размножением микробов в лимфатических узлах и началом их проникновения в кровь, где они быстро погибают в силу присущей ей очистительной функции. Микроорганизмы, не успевшие погибнуть в крови, собираются в печени и селезенке, которые богаты ретикулоэндотелиальной тканью и своим участием полностью очищают кровь (позиция В).

Дозированное внутрикожное введение живых симбионтных бактерий при восстановлении микробиоценоза по схеме Топли ограничивается их присутствием в лимфатических узлах (позиция А).

Ученый считает, что "старая грубая концепция борьбы за существование уступает место другой концепции – зависимости организмов друг от друга".

Еще в начале 60-х гг. ученый-инфекционист предупреждал о том, что "широкое применение антибактериальных препаратов, и особенно антибиотиков, приведет к нарушению нормальной микрофлоры организма и ухудшению функций защитных механизмов, что способствует появлению вторичной инфекции (кандидомикоз, стафилококковая инфекция и др.)".

Можно считать, что предупреждение это оправдалось в самом худшем варианте: бактериальные инфекции уступили место вирусным, против которых нет эффективных медикаментозных средств защиты.