История иммунной системы

Водоросли: пионеры коммуницирующих иммунных систем

Эвглена представляет собой любимый объект изучения биологов, поскольку она особенно остро реагирует на воздействия окружающей среды. Она перемещается в толще воды при помощи активных движений жгутика. При этом стремится к источнику света и способна ориентироваться в пространстве, так как реагирует на силу тяжести. Поэтому при изучении движений одноклеточных эвглену часто выбирают в качестве модели. Под микроскопом она зеленого цвета, так как содержит в себе хлорофилл. Именно это вещество делает зелеными листья растений. С его помощью происходит фотосинтез, в результате которого из двуокиси углерода и воды под воздействием солнечного света образуются различные виды сахаров, то есть углеводы. Как известно, побочным продуктом этого процесса, имеющим важное значение для экологии, является кислород. Эвглена, относящаяся к одноклеточным водорослям (жгутиконосцам), также обладает возможностью такого автономного получения энергии с помощью фотосинтеза.

Растение борется с вредителем

Водоросли представляют собой форму жизни, близкую к растениям. Они появились уже 2,5 миллиарда лет назад, в раннюю протерозойскую эру. Некоторые водоросли образуют колонии, что роднит их с уже описанными амебами. Такие колонии можно увидеть в водоемах. Некоторые виды водорослей объединяются и срастаются в некие вегетационные образования, достигающие 60 метров в длину. Однако водоросли, в отличие от высших растений, не имеют специализированных органов в виде листьев, корней, стеблей или стволов. Они относятся к низшим растениям, представляющим собой более древнюю форму растительной жизни.

Особый интерес в мире водорослей вызывает вольвокс. Это переходная форма от одноклеточных водорослей к многоклеточным. Клетки вольвокса объединяются, образуя микроскопическую сферу, и делят между собой различные функции, как в некоем квазиорганизме. Одни клетки отвечают за передвижение, другие — за питание, третьи — за размножение. Если сфера распадается, то составлявшие ее клетки способны выжить самостоятельно. Это отличает их от настоящих многоклеточных существ, клетки которых способны жить только сообща.

Независимо от того, живут ли одноклеточные водоросли поодиночке, как эвглена, образуют колонии или объединяются в сферу, как вольвокс, им требуются механизмы для защиты от болезнетворных воздействий извне. Они обладают способностями, которые можно назвать активным иммунитетом. Например, водоросли подвергаются атакам бактерий, обитающих в любом водоеме и в любой экосистеме. Некоторые из них представляют опасность. Так, бактерии, носящие название вибрионов, могут вызывать отмирание частей водорослей. К этому же семейству бактерий принадлежат и возбудители холеры. Другой вид бактерий, Pseudoalteromonas, вызывает появление на водорослях красных пятен. Кроме того, эти возбудители способны разрушать клеточные мембраны всех водорослей, что способствует их гибели. Водоросли обороняются, вырабатывая антибактериальные вещества, которые образуют на них защитную наружную пленку.

В этом иммунном ответе уже прослеживаются целенаправленные защитные механизмы, потому что антибактериальные средства защиты производятся не в качестве профилактики, а как реакция на определенные возбудители, которые воспринимаются водорослью как угроза. Водоросли умеют проводить различие между «своим» и «чужим». Это различие лежит в основе высшей иммунной активности и свойственно в том числе и нашей иммунной системе. 2,5 миллиарда лет назад водоросли, будучи самой древней растительной формой жизни, научились с большой точностью отличать свои ткани от чужих.

«Свое» по определению не таит в себе никакой угрозы. «Чужое» распределяется иммунной системой водорослей и других живых существ по трем категориям. В первую входят эпибионты — нейтральные микроорганизмы, которые просто присутствуют в окружающей среде и не причиняют никакого вреда. Они обитают на поверхности водорослей, точно так же как различные микробы живут на слизистой оболочке нашего кишечника.

Вторую категорию образуют симбионты — организмы, которых иммунная система признает полезными и потому не атакует, а, наоборот, терпит и поддерживает. Так, например, известная водоросль хлорелла, продаваемая в качестве пищевой биодобавки, тесно сотрудничает с бактериями рода Bacillus, образуя с ними консорциумы[9]. Бактерии живут на внешней поверхности клеток водорослей и осуществляют с ними взаимовыгодный обмен питательными веществами. Партнерам по симбиозу удается совместными усилиями полностью освоить и поделить кормовую базу водоема. При этом бактерии получают от водорослей еще и сахар как продукт фотосинтеза. Симбиоз бактерий Bacillus и хлореллы настолько эффективен, что этот дуэт используется как биотехнологическое средство очистки сточных вод: удается удалить из отходов производства избыток азота и фосфора, которые в противном случае скапливались бы в водоемах в чересчур высокой концентрации.

Наконец, третью категорию «чужих» субстанций представляют патогены. Против них водоросли, как и другие живые существа, задействуют защитные механизмы.

Чтобы отличать «свое» от «чужого» и полезное от вредного, водоросли, даже будучи низшими растениями, способны распознавать различные клеточные структуры микроорганизмов и оценивать степень их опасности для себя. Эти структуры носят название MAMP (от англ. microbe-associated molecular pattern — молекулярные паттерны, ассоциирующиеся с микроорганизмами). Опасные МАМР называются РАМР — pathogen-associated molecular patterns, то есть молекулярные паттерны, ассоциирующиеся с патогенами. Молекулярно-биологические механизмы такого распознавания находятся пока в стадии изучения. Однако уже ясно, что в процессе «ощупывания» чужеродных субстанций участвуют определенные белки. Поэтому можно с уверенностью сказать, что водоросли располагают специализированными иммунопротеинами. Как мы увидим несколько ниже, похожие иммунопротеины играют центральную роль и в нашей врожденной иммунной системе.

После того как иммунопротеины водорослей распознали опасные РАМР, происходит выброс гормонов стресса и сигнальных веществ, которые запускают процесс выработки подходящих антибактериальных средств для защиты от возбудителей. Такая взаимосвязь между растительными гормонами и иммунной реакцией позволяет предположить, что уже у водорослей в процессе эволюции возникло взаимодействие между гормональной и иммунной системами, которое мы находим у высших организмов, включая и нас самих. Взаимосвязь гормональных и иммунных функций изучает иммуноэндокринология. Как мы видим, предмет ее исследований зародился еще на этапе водорослей.

Кроме того, водоросли способны получать и расшифровывать сигналы от своих соседей[10]. Если возбудители болезней нападают на соседние водоросли, те предупреждают окружающих об опасности. Для этого используются, в частности, вещества из класса терпенов. В него входит большое количество вторичных веществ растительного происхождения, обладающих биоактивными функциями. Молекулы терпенов представляют собой своего рода «слова химического языка». Они находятся в растворенном состоянии в воде, но могут также переходить в газообразное состояние и поступать в атмосферу. Водоросли, получившие через терпены сигнал об опасности заражения, вырабатывают в профилактических целях защитные вещества. Такая биохимическая коммуникация позволяет узнать, какие именно патогены вторглись в общую среду обитания, насколько велика их концентрация и какие защитные стратегии необходимо активизировать.

Наряду с терпенами микроорганизмы и растения используют для коммуникации и другие биохимические вещества, но терпены представляют собой наиболее распространенные «слова» этого общения. Поскольку бóльшую часть живых существ на Земле представляют микроорганизмы, водоросли и растения, можно без всякого преувеличения сказать, что самым распространенным языком в мире является «язык» терпенов.

Мы видим, что даже иммунная система самых простых и древних организмов явно тяготеет к коммуникации. Она общается с окружающей средой и другими формами жизни, с которыми ей приходится делить биотоп. Имейте это в виду, потому что на протяжении всей книги мы будем сталкиваться с коммуникативными способностями нашей собственной иммунной системы, которая интенсивно обменивается данными с окружающей средой. В связи с этим некоторые биологи даже включают иммунную систему в число органов чувств. Водоросли демонстрируют, что это свойство иммунной системы зародилось уже миллиарды лет назад.

Для того чтобы инфицировать водоросли, вирусы ищут на их клеточных мембранах особые белки, которые служат им как бы местом «причаливания». Для предотвращения атаки вирусов водоросли изменяют белки, по-новому выстраивая их компоненты. Белки состоят из аминокислот, расположенных в определенном порядке. Вирусы специализируются на присоединении к этим молекулярным структурам. Если изменить белки, находящиеся на поверхности клеточных мембран растений, вирусам не удастся присоединиться к ним. При этом иммунная система растений может опираться на опыт предыдущих поколений, так как механизмы блокады вирусов передаются по наследству и представляют собой типичный пример врожденной защитной стратегии, которая имеется и у людей.

Кроме того, многие водоросли располагают возможностью вырабатывать вещества, снижающие активность вирусов и бактерий, например полисахариды[11]. Правда, и для этого иммунной системе водорослей надо сначала с помощью иммунопротеинов распознать присутствие «чужого».

О защитных механизмах водорослей, который они используют в борьбе с вирусами, известно пока меньше, чем о стратегиях борьбы бактерий с бактериофагами. Биологам еще предстоит множество открытий в этой области. Но одно можно сказать уже сейчас: водоросли обладают выкованным в ходе эволюции оружием против вирусных возбудителей и от поколения к поколению совершенствуют его. При этом они используют иммунопротеины для идентификации вирусов и бактерий.