Спасатели и убийцы: как грибы изменили жизнь на планете

Растения или животные?

Грибы — это уникальные живые организмы, которые обладают признаками как растений, так и животных. Именно поэтому даже еще во времена Карла Линнея ученые не знали, куда их отнести. В то время было популярно латинское высказывание Fungorum ordo chaos est («Царство грибов есть хаос»).

В 1729 году [1] итальянский ботаник и миколог Пьер Антонио Микели сделал важное открытие. Однажды вечером он оставил на бильярдном столе шляпку сыроежки, а утром заметил расходящиеся от центра белые полоски — мельчайшие грибные «семена». С этого момента стало понятно, что плодовое тело (то, что имеет шляпку и ножку) является органом размножения грибницы. После этого грибы начали сравнивать с папоротниками, мхами и другими организмами, которые размножаются спорами, а не семенами, как высшие растения.

В XX веке с появлением молекулярного и биохимического анализа ученые-микологи узнали о грибах гораздо больше. Оказалось, что внешне грибы часто ведут себя подобно так называемым низшим растениям, а их внутренняя часть, особенно состав и устройство клеток, а также наличие определенных органелл сопоставимы скорее с животными.

Например, оболочка клетки гриба твердая, как у растений, но при этом сделана из хитозана — вещества, очень похожего на хитин. Из последнего состоят панцири креветок и насекомых.

Так, совсем недавно, во второй половине XX века, «разоблачили» знаменитую фитофтору — злейшего врага картофеля и помидоров. Выяснилось, что это не гриб, как считали долгие годы. Клеточная стенка фитофторы и других представителей огромной группы оомицетов состоит не из хитина, а из целлюлозы. Сравнительный анализ ДНК показал: это древние паразитические водоросли, которые вышли на сушу и стали чрезвычайно похожи на паразитические грибы.

У грибов есть еще одна интересная особенность. С одной стороны, грибы — это эукариотические мицелиальные организмы, которые питаются путем осмоса, то есть всасывают питательные вещества, как растения. Но при этом сами синтезировать пищу с помощью солнца, воды и минералов они не могут, а получают ее разными способами из окружающей среды, как животные, то есть являются гетеротрофными. Некоторые грибы используют остатки любой гниющей органики и едят даже то, чем брезгуют бактерии.

Михаил Вишневский, кандидат биологических наук, миколог, натуралист и популяризатор науки

«Если рассматривать суммарный генотип, то грибы гораздо ближе к животным, чем к растениям. И тут хочется передать привет вегетарианцам, которые думают иначе. У человека и такого усредненного гриба (среднего грибного ДНК-пула) около 70% общей ДНК. Так что Сергей Курехин врал только на 30%, когда говорил, что Ленин — гриб (популярный телевизионный сюжет-мистификация)»

Сегодня ученые склоняются к тому, что у грибов и животных когда-то был общий предок. Предположительно, разделение произошло около 2,5 миллиардов лет назад. С точки зрения строгой науки это большой временной промежуток, но пока нет единого мнения о том, когда именно атмосфера стала кислородной, а эукариоты пришли на смену прокариотам.

Зато мы точно знаем, что все грибы — аэробные существа, то есть для выживания им нужен кислород. Правда, некоторым требуется совсем небольшое его количество, например хитридиомицетам, которые обитают в желудке жвачных животных (коров, верблюдов, оленей) и помогают им переваривать богатую клетчаткой пищу.

К 1970-м годам стало понятно, что грибы не имеют себе равных: у них специфическое строение, интересный способ питания, размножения и метаболизма. Это и позволило выделить им отдельную категорию в классификации биологических видов и присвоить ранг царства.

От одноклеточных мицелиев до гигантских грибниц

Грибы — это древние существа, их основные группы сложились более 800 миллионов лет назад. То есть в эпоху динозавров уже можно было собрать целый грибной букет.

Видов грибов, как и насекомых, очень много — несколько миллионов. Они живут и в глубоких подземельях, и в пресной и соленой воде, и в верхних слоях стратосферы.

Насколько сложным является грибной организм, определяет мицелий (грибница) — вегетативное тело гриба, состоящее из очень тонких переплетенных нитей. Предельно простой одноклеточный мицелий — это дрожжи, которые при этом являются вершиной в эволюции сумчатых грибов.

Привычная плесень тоже довольно простая форма, но это не дает нам права считать ее несовершенным грибом. В какой-то момент эти мицелии решили никогда больше не выпускать плодовые тела: шляпки, ножки или подобные структуры, как бы те ни выглядели. Они так приспособились к условиям окружающей среды, что споры у них возникают или прямо на самих нитях мицелия, или на особых выростах — базидиеносцах и кондиеносцах. Благодаря простоте существования плесень распространилась повсюду: уничтожает урожай, вредит продовольственным складам, прекрасно живет на картинах и шпалах. Были случаи, когда из-за плесени в керосиновых баках падали самолеты.

Некоторые грибы обладают определенной подвижностью. Например, те же хитридиомицеты — маленькие шарики с хвостиками, похожие на сперматозоиды и живущие в структурах сложного пищеварительного тракта всех жвачных животных. Но большинство подобных микроскопических грибов обитают в океане. И миллионы видов, которые только ждут своего открытия, — это как раз морские одноклеточные грибы — симбионты или паразиты водорослей и ракообразных.

Мы больше привыкли к представителям так называемых высших грибов — аскомицетам (сумчатым) и базидиомицетам. К сумчатым относятся в первую очередь сморчки, трюфели, разные паразиты садовых и сельхозкультур, включая спорынью — опасный галлюциноген. Базидиальные — это все то, за чем ходят в лес грибники: опята, подосиновики, лисички, трутовики и другие.

Описать многообразие грибов практически невозможно: найдутся любых цветов и размеров, стреляющие, растущие со скоростью сантиметр в секунду. Гигантские плодовые тела трутовиков в Юго-Восточной Азии достигают нескольких метров и сотен килограммов веса.

И даже самый большой в мире организм — это вовсе не синий кит, а грибница опенка темного (Armillaria ostoyae), которая развивается в заповеднике Малур в американском штате Орегон. Его площадь составляет более 770 гектаров, а возраст может превышать 8000 лет [2].

Грибы определяют существование и функционирование всей наземной биосферы

Благодаря грибам возникла биосфера в ее современном виде: именно они помогли первым растениям выйти на сушу, образовав с ними надежные симбионтные структуры.

У растений, живших изначально в водной среде, не было корней как таковых (только слабые корневые структуры водорослей — ризоиды), поэтому они не могли закрепиться на поверхности грунта и не умели всасывать питательные вещества. Эти функции взяли на себя грибы. Необходимую твердость ризоидам придал грибной хитин — очень прочная структура.

А когда первые растения на суше стали погибать и перегнивать, возникли грибы сапротрофы, что способствовало появлению почвы. Дальше эта наземная биота усложнялась: грибы, которые образовали еще и лишайники в симбиозе с цианобактериями, поделились ими с растениями, а последние с помощью симбионтов-бактерий научились напрямую фиксировать азот. Так наступила эпоха азотфиксации.

Сегодня грибы есть везде, они естественным образом проникли во все экологические ниши. Кроме того, это единственные организмы на планете, которые способны перерабатывать лигнин — вещество, входящее в состав коры и древесины. Лигнин — это сложный, очень прочный полимер, и, если его не утилизировать, леса погибнут от затенения в течение 10 лет: просто завалят себя мертвыми стволами и опавшими ветками.

Все растения и животные так или иначе взаимодействуют с грибами. Например, все основные лесообразующие породы в России — дуб, ель, сосна, береза, осина — растут только благодаря своим симбионтам-грибам. Часто грибы помогают усваивать минеральные вещества из почвы и защищают деревья от болезнетворных микробов, а взамен получают готовые органические вещества (белки, сахара).

Иногда симбиотические грибы живут непосредственно внутри растений. Как правило, это одноклеточные организмы, которые распределяются по различным тканям и системам, где синтезируют сложные биохимические вещества и поставляют витамины и аминокислоты.

Иногда выгоду от такого партнерства получает кто-то один. Например, раньше считалось, что лишайник — это полноценный симбиотический союз гриба и водоросли, в котором водоросль снабжает гриб кислородом и минералами, а гриб, в свою очередь, поставляет сахара и другие питательные вещества. Сейчас стало ясно, что водоросль прекрасно прожила бы одна, а вот гриб без нее — нет. Но таких случаев немного.

Многие насекомые, в первую очередь перепончатокрылые, очень сильно зависят от грибов. Например, термиты поглощают невероятные объемы древесины, но в их кишечнике разлагают ее как раз грибы-симбионты.

Можно сказать, что грибы — это организмы, которые создали наземную биосферу в ее современном виде и определяют ее существование и функционирование.

Грибы и человек

Люди эволюционно слишком молоды, поэтому грибы пока не обращают на нас особого внимания. Но отдельные виды уже паразитируют на человеке, а также вредят посевам. И во многом люди сами в этом виноваты.

Еще несколько тысячелетий назад баланс почвы нарушился из-за распространения пахотного земледелия. Почва увлажнилась и насытилась кислородом, что привело к появлению благоприятных условий существования для плесени. До этого верхний слой земли населяли преимущественно базидиомицетные грибы и дрожжи. Плесень быстро адаптировалась и превратилась в страшного врага зерновых, овощных и прочих культур.

До середины XX века человечеству более или менее удавалось избегать прямого медицинского столкновения с грибами. Все изменилось в 1950-е годы, когда был синтезирован первый антибиотик пенициллин (изначально выделен Александром Флемингом из плесневых грибов Penicillium notatum). Так мы впустили в себя грибы, которые пришли на смену убитым антибиотиками бактериям.

Внутри организма человека в норме грибы не живут, таких симбионтов у нас нет. Поэтому их наличие в органах и тканях всегда свидетельствует о заболевании. Например, часто страдают водители мусоровозов и сотрудники свалок: их легкие покрываются плесенью. В некоторых случаях паразитические грибы прорастают везде, и тогда фиксируют глубокий микоз или аспергиллому.

Зато на поверхности кожи у нас живет до десятка видов симбионтных дрожжей: они поддерживают определенный кислотный баланс, подъедают оседающую пыль, и мы их не замечаем. Но иногда и среди них встречаются патогены, которые могут вызвать лишай на волосах, ногтях, коже. Если у человека есть реальные проблемы с иммунной системой, это приводит к серьезным патологиям.

Михаил Вишневский, кандидат биологических наук, миколог, натуралист и популяризатор науки

«Есть смешной анекдот про врача-дерматомиколога, который рассказывает другому врачу о том, что у него работа мечты: пациенты никогда не будят по ночам, никогда не умирают и никогда не выздоравливают. И это практически правда. Если уж на вас сел какой-нибудь дрожжеподобный лишай, то это надолго. По статистике, у 50% выздоровевших спустя 2–5 лет случаются рецидивы»

Полезно ли есть грибы?

Употреблять грибы в пищу люди начали не так давно. Всеми любимые плодовые тела, которые жарят, тушат, сушат, — это не что иное, как естественные мусорные баки грибницы (мицелия). Грибница всасывает в себя все что угодно, а выделять ненужное не умеет, поэтому и загоняет это в шляпки и ножки.

Но это вовсе не значит, что грибы есть вредно. То, что для мицелия мусор, для нас может оказаться ценным продуктом. По сути мы получаем белково-витаминный концентрат, в котором почти нет жиров и углеводов.

Есть одно важное обстоятельство: каждая грибная клетка покрыта хитиновой оболочкой, а фермента хитиназы, который бы расщеплял эту прочную структуру, у нас очень мало, и он не того типа. Поэтому диетологи не рекомендуют употреблять грибы детям, пожилым и людям с нарушениями нормальной работы ЖКТ. Только измельчение, например, в блендере превращает грибы из тяжелой пищи не только в удобоваримый, но даже диетический продукт.

Возможно, через какое-то время произойдет случайная мутация, которая позволит людям получить хитиназу нового типа, и тогда мы сможем есть грибы в неограниченном количестве, как олени.

Сегодня при выборе потенциального деликатеса микологи советуют быть осторожными.

Михаил Вишневский, кандидат биологических наук, миколог, натуралист и популяризатор науки

«К сожалению, нет универсального признака, который бы позволил на 100% отличить любой съедобный гриб от любого ядовитого. Надо просто знать хорошо в лицо ядовитые грибы своего региона. Все советуют знать съедобные, но это не очень хороший совет, потому что съедобных несколько сотен видов, а реально опасных обычно всегда меньше десятка. Посмотреть в справочниках или интернете, как они выглядят, достаточно просто. И тем не менее стоит вести себя аккуратно. В Англии есть пословица: есть старые грибники, есть смелые грибники, но не бывает старых смелых грибников»

Могут ли грибы стать биологическим оружием?

Грибы способны очень быстро видоизменяться. Мутация, которая позже распространится по всей популяции, закрепляется за одно поколение. Например, если на одном участке пшеницу охватил грибок, пробив все защитные механизмы, то с этим сортом можно попрощаться: вскоре он захватит все поле, а через несколько сезонов — весь мир.

Именно поэтому уже давно нет планов использовать грибы как биологическое оружие. Это как выпустить джинна из бутылки: рано или поздно он будет везде.

В конце Второй мировой войны японцы проводили в Китае жестокие эксперименты с так называемыми диморфными грибами — это патогенные грибы, которые живут в почве или в экскрементах летучих мышей и птиц. Если вдохнуть их какое-то количество, эти дрожжи формируют в легких грибницу, которая все там пожирает, а потом проникает в мозг — летальный исход неизбежен.

Сегодня пытаются найти грибы, которые будут бороться с вездесущим пластиком. И один такой любитель полимеров нашелся [3] — это плесневый гриб Aspergillus tubingensis. Но не все так просто: где гарантия, что завтра он не поглотит весь пластик на планете, в том числе необходимый людям?

Как паразитические грибы управляют поведением хозяина

Грибы — отличные приспособленцы. Они быстро находят себе союзников, становясь симбионтами растений и животных, но точно так же хорошо чувствуют потенциальную жертву. Паразитизм в целом — один из основных механизмов эволюции, потому что в ответ на агрессию возникает целый спектр мутаций, который приводит к вспышкам видообразования.

Распространенная стратегия многих паразитических организмов — управление поведением хозяина. Больше всего среди грибов этим славится кордицепс однобокий, который подчиняет себе муравьев. Это кажется фантастикой, но наука дала ответ, как это происходит.

Поразив своего хозяина, гриб со временем заставляет его выбраться из муравейника и залезть на растущий кустик, причем выбрать такой лист, который располагается точно над муравейником. Когда дело окончено, кордицепс убивает жертву. После, как правило, из головы жертв начинает отрастать вниз плодовое тело. На муравейник сыпятся споры и заражают новых насекомых.

Исследования показали [4], что, прорастая внутри муравья, гриб прикрепляется к мускулатуре и заставляет хозяина совершать движения, например вертикально. Кроме того, определенные вещества, синтезируемые кордицепсом (углеводород, похожий на бензин), воздействуют на головные ганглии муравья как боевая химия, из-за чего тот совершает определенные действия (стремление забираться вверх и смыкать челюсти). Если плеснуть на муравейник бензином, получится примерно та же картина.

Есть и более необычные случаи управления поведением. Грибы способны вызывать изменения пола растений и насекомых — делать их трансгендерами и бисексуалами, а некоторых даже превращают в зомби.

Например, зигомицетные грибы выбирают себе жертву среди самок жуков-мягкотелок и добиваются того, что убитое насекомое внешне выглядит как готовое к спариванию — со вздутым брюхом и раскрытыми крыльями. Хотя на деле это труп, в котором просто разросся гриб-паразит. Самцы с радостью летят на эту «самку», растаскивают споры и заражают популяцию.

А дрожжеподобный гриб Massospora научился управлять поведением периодических цикад: заставляет самцов издавать щелкающие звуки самок. Это впоследствии приводит к хаотичному спариванию недосамцов с самцами, в результате чего из-за заражения последних может погибнуть до 80% популяции.

Некоторые грибы-патогены растений умеют превращать пестичные цветки в тычиночные, потому что именно вместе с пыльцой, которая образуется на тычинках, такие грибы распространяются насекомыми-опылителями.

Подобных случаев в природе довольно много. Даже примитивные грибы вроде зигомицетов справляются с этой задачей.

Дальнейшие перспективы использования грибов в технологиях и фармакологии

Микологи говорят о том, что совсем скоро нас накроет третья грибная волна: начнется новый этап освоения грибов на пользу людям.

Первая волна в начале XX века была связана с массовым использованием грибов в пище и культивированием. Вторая пришлась на середину и конец столетия, когда грибы стали активно применять в медицине. А третья — высокотехнологичное использование этих живых организмов. В большей степени речь идет о различных способах очистки, экологическом строительстве (умный бетон, мебель и одноразовая посуда) и разработке функционального питания (грибное мясо и оздоровительные продукты).

Кроме того, большое будущее у грибов в фармакологии. Уже сейчас из них получают вещества, которые обладают антиоксидантной и противоопухолевой активностью, а некоторые воздействуют на когнитивные функции — восстанавливают разрушенные нейроны и корректируют проблемы с памятью. Сегодня производители лекарств и БАДов вкладывают огромные деньги в исследования грибов, потому что уже давно ясно: почти нет заболеваний, включая рак, против которых грибы не имели бы своей «профильной» биохимии.

Грибы умеют синтезировать и разрушать (утилизировать) практически все за счет богатейшего набора ферментов. Возможно, эти их особенности тоже будут использовать в промышленности и нанотехнологиях.

Источник: Постнаука