Кишечная палочка и человек отношения симбиоза

Слово «симбионт» происходит от древнегреческого «совместная жизнь, сожительство» и обозначает различные живые организмы, поддерживающие существование друг друга. Процесс тесного и длительного сожительства разных видов живых организмов называют симбиозом. Такие взаимоотношения между симбионтами успешны в том случае, если они приносят пользу всем участникам процесса и повышают их шансы на выживание. Яркий пример – бактерии-симбионты, живущие в кишечнике человека, без которых процесс пищеварения, а, следовательно, и наша жизнь были бы невозможны.

В том случае, если симбиоз приносит пользу одному из «сожителей» и вредит другому, говорят о паразитизме. Например, блохи используют собаку как источник питания, поэтому они являются паразитами. Но собака вполне спокойно проживет и без блох, а вот блохи без собаки никак не обойдутся.

Симбиоз как залог выживания

В отличие от паразитов симбионты работают на общий успех. Это может быть сотрудничество:

• двух животных (бегемот и птичка, которая чистит ему зубы);
• растений и насекомых (цветы, опыляемые только одним видом насекомых);
• микроорганизмов и растений (клубеньковые бактерии, участвующие в процессе получения пищи бобовыми);
• человека и бактерий (микроорганизмы, которые обитают в нашем кишечнике, помогают выжить нам и радуются жизни сами);
• даже отдельных клеток друг с другом (симбиоз доядерных клеток-прокариотов породил полноценную клетку-эукариота с четко оформленным ядром, что положило начало процессу эволюции на нашей планете).

А есть еще лишайники как результат симбиоза гриба и водоросли, которые выживают там, где по отдельности ни грибы, ни водоросли жить не смогут. Есть сосуществование краба и актинии, когда первый является средством передвижения, а вторая – оборонительным оружием. И таких примеров не счесть.

Рассмотрим два примера симбиоза микроорганизмов с человеком и растениями – бактерии-симбионты человека и клубеньковые бактерии, участвующие в процессе питания бобовых.

Макроорганизм + микроорганизм = человек

Мы привыкли считать, что бактерии – это плохо. Однако, как и люди, бактерии бывают всякие. Если избавить человека от всех микробов и бактерий, живущих в нем и на нем, то долго этот несчастный не протянет.

Связь человека с окружающим миром сложилась в процессе эволюции и представляет собой стройную систему взаимоотношений симбионтов. Без существования бактерий, вирусов, сапрофитов (утилизация отходов) и даже паразитов невозможно существование единой системы под названием «человек».

Бактерии-симбионты живут в нашем кишечнике, на слизистых, на коже и составляют так называемую нормальную микрофлору. Наши родные микроорганизмы:

1. Дают защиту всему организму, убивая или лишая пищи «пришлые» бактерии. Они не дают возможности расселиться на коже или слизистых опасным микробам или вирусам, пришедшим извне, тем самым создавая иммунную систему организма.
2. Участвуют в пищеварении. Бактерии, живущие в кишечнике человека, вырабатывают пищеварительные ферменты, без которых невозможно усвоение некоторых видов пищи.

В формировании нормальной микрофлоры человека принимают участие около 500 видов различных бактерий. Так, наличие в организме человека кишечной палочки (в определенных количествах) – непременное условие для переваривания лактозы. В свою очередь лактобактерии перерабатывают полученную лактозу и другие углеводы в молочную кислоту, участвуя в процессе получения энергии.

Где и чем живут наши маленькие друзья?

Бактерии есть практически по всей длине желудочно-кишечного тракта, начиная от ротовой полости до прямой кишки. Но самые важные обитают именно в кишечнике. Здесь они вырабатывают ферменты и витамины, без которых процесс пищеварения попросту невозможен.

На каждом участке кишечника живут именно те микроорганизмы, которые приспособлены к определенным условиям обитания и содержанию питательных веществ. Например, в слепой кишке самой многочисленной группой являются бактерии, расщепляющие целлюлозу, что делает возможным переработку клетчатки.

Бактериям тонкого кишечника приходится выживать в довольно жестких условиях. Именно здесь находятся агрессивные вещества, смертельные для многих микроорганизмов. Например, соляная кислота, необходимая для пищеварения, убивает значительное количество микробов. Только несколько видов бактерий и дрожжей способны выжить в такой среде.

Кроме того, именно в тонком кишечнике процесс поглощения питательных веществ идет полным ходом. Это значит, что бактериям приходится сражаться за пищу с самим организмом. А еще сюда попадают не до конца обработанные вещества, не всегда пригодные для питания бактерий.

Тонкий кишечник связан с кровеносной и лимфатической системами, переносящими полученные питательные вещества. А нервная система по сигналу тонкого кишечника регулирует состав и количество гормонов, необходимых организму. То есть тонкий кишечник, благодаря своим симбионтам, является энергетической станцией и поставщиком питательных веществ.

В толстом кишечнике бактериям живется значительно привольней, поэтому их количество и видовое разнообразие гораздо больше. В толстый кишечник организм отправляет непереваренные остатки пищи и другие отходы (осколки до размеров молекул) для дальнейшего вывода наружу.

Враги наших друзей

Антибиотики – относительно недавнее изобретение человечества. Сложно подсчитать, сколько жизней было спасено благодаря этому открытию. Однако, как известно, за все нужно платить. Антибиотики уничтожают все бактерии, не делая различий на хороших и плохих.

Именно поэтому после приема антибиотиков микрофлора кишечника выглядит весьма печально. Это моментально сказывается не только на нашем пищеварении, но и сильно снижает иммунитет. То есть, получается, опасность подцепить следующее заболевание становится больше после приема лекарств, предназначенных защитить наше здоровье.

Ученые пытаются разрушить этот замкнутый круг, разрабатывая все новые, узконаправленные, препараты. Но долгие годы широкого использования антибиотиков привели к тому, что микрофлора человека становится все более слабой. А отсутствие или недостаточное количество бактерий-симбионтов влечет за собой целый букет хронических заболеваний: диабет, рак, ожирение и т.д.

Симбионты в растительном царстве

Растения в своем стремлении выжить тоже не стесняются использовать симбионты. Например, хорошо известный лишайник, по сути, не является отдельным растением. Это симбиотическая система зеленых водорослей и грибов.

Как известно, водоросли не могут выжить без воды, а грибы не способны самостоятельно синтезировать питательные вещества (они используют то, что произвели другие микроорганизмы). Но эти недостатки взаимно уничтожаются в симбиотической группе. Водоросли с помощью фотосинтеза создают питательные вещества для грибов, а взамен получают комфортную среду обитания: необходимую влажность, кислотность почвы, защиту от ультрафиолета. В результате лишайники умудряются не просто выживать, но весьма уверенно чувствовать себя в довольно суровых условиях, где у них нет конкурентов за место под солнцем.

Еще одним примером симбиоза служат орхидеи, в корневой системе которых живут грибы и микроорганизмы. В этом тройственном союзе бактерии отвечают за тесную взаимосвязь растения-хозяина и гриба-симбионта. Самое поразительное, что не только грибы и микроорганизмы не могут существовать без растения, но и орхидея погибает, если уничтожить ее симбионтов.

Но самым, пожалуй, ярким примером растительной симбиотической системы являются клубеньковые бактерии в союзе с растениями семейства бобовых.

Как вырастить хороший урожай бобовых

В воздухе, которым мы дышим, есть азот (аж 78% от общего объема). Этот химический элемент в обязательном порядке входит в состав белков и нуклеиновых кислот, а значит, жизненно необходим все живым организмам на Земле.

Человек и животные получают азот вместе с пищей, в основном из белков животного и растительного происхождения. Но откуда же берут азот растения?

Получать азот напрямую из атмосферного воздуха самостоятельно растения не умеют. В почве тоже есть азот, но, во-первых, его очень мало, во-вторых, значительная его часть содержится в органических соединениях, усваивать которые растения не в состоянии.

И вот здесь вступают в игру азотфиксирующие бактерии. Они умеют превращать органические соединения, содержащие азот, в минеральные (нитраты), доступные для питания растений.

Отдельное место в ряду азотфиксирующих бактерий занимают так называемые клубеньковые. Эти микроорганизмы-симбионты образуют клубеньки на корнях бобовых растений (клевера, люпина, гороха, вики). Клубеньковые бактерии связывают свободный атмосферный азот и доставляют его прямо к столу своего растительного хозяина.

Таким образом, с помощью клубеньков-симбионтов растения получают возможность получать азот, а микроорганизмы, в свою очередь, берут от растений питательные вещества (продукты углеводного обмена и минеральные соли) для собственного роста и развития.

Для успешного развития системы симбионтов (растение + микроорганизм) необходимы определенные условия:

• температура;
• влажность;
• реакция почвы;
• штамм бактерий.

В природных условиях встречаются клубеньковые бактерии различных видов, и не все они достаточно эффективны. Поэтому в сельском хозяйстве используют выведенные штаммы микроорганизмов, инфицируя ими бобовые растения, что приводит к увеличению урожая.

Однако в случае с бобовыми симбиоз – вынужденная необходимость. Если в почве будет достаточно азота (например, азотные удобрения), то клубеньковые бактерии потеряют для хозяина свою значимость, и их колонии будут разрушены самим растением.

Итак, симбиоз – вещь важная, нужная и иногда жизненно необходимая. Симбионтные системы есть у высших животных, растений, грибов, бактерий, водорослей… Словом, практически везде. И мы не смогли бы не то что выжить, но даже появиться на свет, не создай природа такого мощного орудия для выживания, как система симбионтов.

Экологию человека нельзя рассматривать без учета симбиоза с бактериями, поскольку, оказавшись стерильным, человеческий организм погибнет в считаные дни. Сейчас биологи уже говорят о том, что для продвижения в решении вопросов здоровья нашего организма важен не только геном тех клеток, которые непосредственно являются человеческими, а и расшифровка генома бактерий, входящих в состав нашего организма. У этого сборного генома даже есть свое название – метагеном. На фоне изучения метагенома исследователи получают ответы на вопросы о том, как бактерии попадают в организм, как живут в нем и какое оказывают влияние на состояние всего организма.

Формирование содружества

Организм человека буквально населен полезными микробными сообществами. Кроме факта симбиоза человека с микробами, интересен также тот факт, что общая микрофлора каждого человека уникальна, более того, уникальными являются и отдельные ее группы.

В разных отделах кишечника, в разных отделах носоглотки, в разных отделах урогенитального тракта успешно сосуществуют разные по своему составу и природе микробные сообщества. Если рассматривать состав микрофлоры рта, то микрофлора зуба имеет состав, отличающийся от микрофлоры языка, в свою очередь, микрофлора внутренней поверхности щек также индивидуальна.

Как же формируются эти бактериальные сообщества, живущие в симбиозе с нашим организмом, как они выстраивают взаимоотношения друг с другом и с человеческими клетками-эукариотами?

Полезные бактерии поселяются в человеке такими путями:

1. До тех пор, пока ребенок находится в утробе матери, бактерии к нему не имеют доступа, плацента непроницаема для микробов.
2. Первый контакт новорожденного и микрофлоры происходит в момент прохождения по родовым путям и при контакте с кожей матери.
3. В ЖКТ ребенка бактерии попадают при кормлении и при других контактах с внешним миром. Бактерии, содержащиеся в материнском молоке, становятся основой микрофлоры кишечника ребенка. В сети есть много материалов на тему стерильности материнского молока. Судя по содержанию, в этих материалах даются рекомендации о том, как уберечь ребенка от попадания патогенов вместе с молоком. Однако нормальное материнское молоко содержит до 700 видов бактерий и одноклеточных грибов, среди которых преобладают лактобактерии и бифидобактерии. Они и составляют основу полезной микрофлоры кишечника ребенка.
4. Ротовую полость и носоглотку ребенка заселяют стафилококки, стрептококки, микрококки, которые также входят в состав материнского молока.
5. На коже ребенка микробное сообщество формируется из микроорганизмов, которые входят в состав микрофлоры кожи близких родственников малыша. Вот почему так важно в первые недели, пока естественный защитный барьер новорожденного не обретет прочную основу для активных действий и не начнет бороться с возбудителями, оградить ребенка от контактов с другими людьми (кроме родителей).

Бактериальные сообщества, сформировавшиеся в первые дни жизни, могут коренным образом изменяться только в результате перенесенных ребенком или уже взрослым человеком серьезных заболеваний и прохождения им курсов химиотерапии.

Так выглядит заложенный природой процесс симбиоза с микробами, в результате которого у человека постепенно появляются элементы естественной защиты. Пусть эта защитная система и является самостоятельной формой жизни, но ее эффективность – факт, до сих пор поражающий изящностью того решения, которое нашла живая природа, разрешая проблему защиты человека.

Влияние биологической защиты на патогенных микробов

Студентам-микробиологам, которые только начинают изучать, почему и как строятся взаимоотношения между болезнетворной и полезной микрофлорой человека, объясняют процесс этих отношений на примитивном примере.

Нужно представить себе рынок, на котором торгует костяк местных хозяйственников, и чужака, решившего торговать своим товаром на этом рынке.

От чего будет зависеть успех предприятия торговца?

1. От того, насколько влиятельно, сильно и многочисленно сообщество местных торговцев;
2. И от того, будет ли у этого чужака поддержка в лице других чужаков. Один чужак не сможет победить в борьбе с сообществом, а вот если борьба завяжется между двумя сообществами – итог не так очевиден.

Качество нашей биологической защиты зависит от того, сколько полезных бактерий задействовано в защитном симбиозе, и от того, сколько чужеродных патогенов решило этот барьер преодолеть.

Симбиоз человека и бактерий в нашем сложном организме не ограничивается только защитной функцией. Микробы в ЖКТ могут не только бороться с вредителями, а и способны синтезировать для человека ряд витаминов, которые из пищи могут поступать только в очень малых количествах.

Бактерии в ЖКТ помогают человеку переваривать пищу растительного происхождения. Ферменты, вырабатываемые самим организмом человека, целлюлозу (основу клеточной стенки растений) разобрать на молекулы не могут.

Жизнь в условиях симбиоза

Общий вес бактерий, живущих в симбиозе с одним человеком, составляет около 2 килограммов. В этот показатель веса входят и микробы ЖКТ, и микробы, живущие на коже (самые массовые микробные сообщества). Вес одной бактерии составляет одну миллиардную грамма. Если вывести количество микробов из общего веса сообщества и веса его одного представителя, то получится, что человек живет в симбиозе с триллионами бактерий.

Эта симбиотическая микрофлора не очень разнообразна. Несмотря на индивидуальные черты микробного сообщества, населяющего разные участки организма, эти сообщества сформированы по большей части из:

• стафилококков;
• стрептококков;
• кишечных палочек;
• микрококков;
• энтерококков;
• лактобактерий;
• бифидобактерий;
• коринебактерий;
• протеусов.

Среди перечисленных видов есть как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы, у них разные обмены веществ, но размножаются они по большей части одинаково.

Особенности каждой группы бактерий перечисленных видов можно определить, если выделить их отдельных представителей и идентифицировать. Отличаться они будут по предпочтениям в рационе. Такие отличия объясняются тем, что для выживания в разных условиях одним и тем же бактериям необходимо синтезировать разные белки. Простая природа бактерии позволяет в считаные дни приспосабливаться к специфике условий.

Сложно спорить с тем, что бактерии, живущие на коже лица, и бактерии, живущие на коже живота, находятся в разных условиях. А при тех микроскопических размерах, которые характерны для микробов, такая разница является глобальной.

Интенсивность размножения бактерий по большей части зависит от наличия питательных веществ. При благоприятных условиях одна бактериальная клетка делится раз в 20 минут. За этот 20-минутный период клетка проходит несколько форм. Эти формы связаны с формированием перетяжки, в результате которой одна клетка делится на две и к концу 20-й минуты количество бактерий удваивается. Однако если бы все бактерии через 20 минут удваивались, их биомасса давно бы вышла за более-менее стабильные 2 килограмма.

Есть механизмы, которые контролируют 20-минутное размножение каждой бактерии. И этот механизм связан с количеством еды. Только имея неограниченный доступ к питательным веществам, бактерии размножаются каждые 20 минут. Но это идеальная ситуация, а в реальных условиях пищи не так уж и много.

Цикл размножения бактериального сообщества на графике будет иметь S-образную форму, которую можно разделить на четыре фазы. От того, в какой фазе находится все сообщество, и зависит, сколько бактерий могут себе позволить делиться к концу 20-минуты после очередного деления.

1. Привыкание к внешней среде.
2. Быстрое поглощение питательных веществ.
3. Нехватки питательных веществ и замедление всех внутриклеточных процессов.
4. Если питание так и не поступит, бактерии займутся каннибализмом.

Следующие 20 минут можно будет отсчитывать с того момента, как бактерии получат необходимое питание.

Таким образом все бактериальное сообщество само регулирует свое количество и человеку можно не бояться, что в следующие 20 минут количество бактерий, живущих с ним в симбиозе, удвоится, а к концу 20-го часа общий вес бактерий превысит общий вес человека.

Вне организма жизнь бактерий также определяется наличием питания. Если вне организма есть доступ к органическим сахарам, бактерия может прожить очень долго. Такие бактерии, как кишечная палочка, вне организма могут существовать неделями. Если вне организма на нее не будет сильного воздействия ультрафиолета, кишечная палочка может прожить до 2 месяцев. Лактобактерии и бифидобактерии вне организма без питания живут около суток.

Микробы – причина болезней

Мир бактерий оказывает человеку огромную услугу, но он же, мир бактерий, действует на нас и разрушающе: является источником огромного количества болезней.

Избавиться от этой угрозы человек так и не смог, хотя и пытается всю свою историю противостоять природе.

Антибиотики во многом улучшили положение человечества, но вывести методику безопасного и высокоэффективного противостояния микробам, а также окончательного избавления от бактериальных инфекций пока не удалось.

Основные причины неудач:

1. Невозможность предотвратить попадание чужеродных микробов в организм человека (те же овощи и фрукты невозможно досконально очистить от условно-патогенной микрофлоры).
2. Отсутствие возможности бороться только с чужеродной патогенной микрофлорой, не причиняя при этом вред полезной.
3. Высокая приспосабливаемость бактерий к быстро меняющимся условиям окружающей среды.

В таких условиях одной из наиболее эффективных тактик является укрепление собственной полезной микрофлоры, чтобы чужеродные патогенные агенты не имели никакой возможности закрепиться на здоровых тканях.

Но даже эта тактика не всегда срабатывает. Ярким примером служит болезнетворное влияние на организм человека микроба хеликобактер пилори.

Хеликобактер живет в слизистой желудка и двенадцатиперстной кишки. Хеликобактер является причиной язв, гастритов и даже раковых опухолей. Попадает в желудок хеликобактер через ротовую полость.

Очень долго хеликобактер не признавался научным сообществом как одна из главных угроз здоровью ЖКТ. Считалось, что в кислой среде желудка не могут выживать ни бактерии, ни вирусы, ни грибы.

Относительная ясность наступила после эксперимента американского ученого Барри Маршалла, который в 1994 году выпил содержимое чашки Петри со штаммом хеликобактера, и через короткое время у ученого диагностировали гастрит.

Особенность хеликобактера в том, что им заражены 2/3 населения Земли. При этом только в 10% случаев хеликобактер развивает свою патогенную деятельность. Вывести хеликобактера можно, только используя антибиотики. Однако нет никакой гарантии, что после курса лечения хеликобактер не вернется снова.

Еще одним биологическим агентом, представляющим серьезную опасность для человека, являются вирусы. Вирусы попадают в организм человека с едой, с водой, с воздухом, с другими бактериями.

Как известно, вирусы – внутриклеточные жильцы. Вирус – часть молекулы ДНК или РНК, которая стремится встроиться в ДНК живой клетки. После того как вирус получил возможность встроиться, вся ДНК начинает работать не на сборку белков, необходимых клетке, а на штамповку новых и новых вирусов.

Когда число новых вирусов превышает объем клетки, клеточная мембрана разрывается, и получившие свободу вирусы ищут возможность встраиваться в ДНК здоровых клеток.

Единственный эффективный способ бороться с вирусами – укрепление собственного иммунитета. Собственные иммунные системы должны быстро идентифицировать клетки-носители вируса и убить инфицированные клетки, чтобы вирус не успел распространиться.