Симбиотические отношения в биологии¶

Симбиоз — это форма длительного сосуществования организмов разных видов, при которой оба партнёра (или хотя бы один из них) извлекают пользу из взаимодействия. Термин происходит от греческих слов σύν («вместе») и βίος («жизнь»). Симбиоз является одним из ключевых понятий экологии и эволюционной биологии, поскольку такие отношения формируют структуру экосистем, влияют на видообразование и лежат в основе многих жизненно важных процессов — от питания растений до работы иммунной системы животных.

¶Определение и границы понятия

В широком смысле симбиоз охватывает любые формы тесного сожительства организмов, включая паразитизм и комменсализм. В узком смысле под симбиозом понимают только взаимовыгодные (мутуалистические) отношения. Такое расхождение в трактовке связано с историей термина: он был введён в 1879 году немецким ботаником Антоном де Бари для обозначения сожительства разных организмов, а позднее его значение сузилось до взаимовыгодных связей.

¶Классификация

По характеру выгоды для партнёров выделяют несколько типов отношений:

Знак «+» обозначает пользу, «−» — вред, «0» — отсутствие значимого эффекта.

По степени обязательности различают:

• Облигатный симбиоз — отношения, без которых существование хотя бы одного из партнёров невозможно (например, лишайники — союз гриба и водоросли или цианобактерии).
• Факультативный симбиоз — партнёры могут существовать и по отдельности, но вместе получают преимущество.

По пространственной организации выделяют эктосимбиоз (партнёры находятся снаружи друг друга) и эндосимбиоз (один организм живёт внутри другого или внутри его клеток).

¶Примеры в природе

¶Лишайники

Лишайник представляет собой симбиоз гриба и фотосинтезирующего организма — водоросли или цианобактерии. Гриб обеспечивает защиту, снабжение водой и минеральными веществами, а фотобионт поставляет органические соединения, синтезируемые за счёт фотосинтеза. Лишайники заселяют крайне суровые местообитания — скалы, тундру, кору деревьев.

¶Микориза

Микориза — симбиоз корней растений с грибами. Грибные нити увеличивают площадь всасывания воды и минеральных элементов (особенно фосфора), а растение снабжает гриб углеводами. Микоризу образуют около 90 % наземных растений, включая большинство деревьев умеренных лесов.

¶Кишечная микрофлора

В пищеварительном тракте животных и человека обитают миллиарды микроорганизмов. Они участвуют в расщеплении трудноперевариваемых компонентов пищи, синтезе витаминов (например, витамина K и некоторых витаминов группы B) и защите от патогенов. У жвачных животных симбиотические бактерии и простейшие в рубце обеспечивают переваривание целлюлозы.

¶Клубеньковые бактерии

Бобовые растения образуют симбиоз с азотфиксирующими бактериями рода Rhizobium, которые живут в клубеньках на корнях. Бактерии переводят атмосферный азот в доступные для растения соединения, а растение снабжает их органическими веществами. Это явление широко используется в сельском хозяйстве для повышения плодородия почв.

¶Коралловые рифы

Коралловые полипы живут в симбиозе с одноклеточными водорослями зооксантеллами. Водоросли обеспечивают полипов продуктами фотосинтеза, а те предоставляют им убежище и питательные вещества. Обесцвечивание кораллов при повышении температуры воды связано с потерей симбионтов.

¶Эволюционное значение

Симбиоз рассматривается как один из движущих факторов эволюции. Согласно теории эндосимбиоза, предложенной в начале XX века и развитой Линн Маргулис в 1960–1970-х годах, митохондрии и пластиды эукариотических клеток произошли от свободноживущих бактерий, вступивших в симбиоз с клеткой-хозяином. Митохондрии ведут происхождение от альфа-протеобактерий, а хлоропласты — от цианобактерий. Эта теория подтверждается наличием у органелл собственной ДНК, рибосом и двойной мембраны.

Симбиоз также способствует расширению экологических ниш: организмы получают доступ к ресурсам, недоступным им в одиночку.

¶Изучение и применение

Изучением симбиоза занимаются такие разделы биологии, как симбиология, экология, микробиология и эволюционная биология. Практические приложения включают:

• использование микоризы и азотфиксирующих бактерий в агрономии для снижения потребности в удобрениях;
• применение симбиотических микроорганизмов в биоремедиации загрязнённых сред;
• исследования кишечного микробиома в медицине, связанные с обменом веществ и иммунитетом.

¶Трудности и дискуссии

Чёткое разграничение типов симбиоза не всегда возможно: характер отношений может меняться в зависимости от условий среды. Например, некоторые комменсалы при определённых обстоятельствах становятся паразитами. Кроме того, границы между мутуализмом и паразитизмом условны, поскольку выгода и издержки взаимодействия зависят от баланса ресурсов. Эти вопросы остаются предметом активных исследований в современной биологии.