Что такое симбиоз? Эволюция и примеры симбиоза

Симбиоз — тесное взаимодействие между особями различных видов, которое влияет на численность и распространение связанных между собой популяций.

Любая связь между двумя популяциями сосуществующих видов является симбиотической независимо от того, приносят ли эти виды друг другу пользу, вред или не оказывают никакого взаимного влияния.

Большинство ученых принимают это определение, но некоторые из них ограничивают его только теми видами, между которыми существуют взаимовыгодные отношения.

Симбиоз и антибиоз

Сущность жизни, как действующего и четко обозначенного правила, — это взаимосвязь. Ни один организм не может жить сам по себе. Он должен жить бок о бок со всеми другими формами жизни.

Рассматривая Землю как сложную адаптивную систему, подобную живому организму, можно сказать, что все организмы на ней выступают ее симбиотами.

Каждый многоклеточный организм одного вида живет в симбиозе с другими существами, а внутри него в симбиозе друг с другом живут несколько видов.  

Вирусы могут жить внутри одноклеточного микроба и способствовать общей жизнеспособности микробиома, обмениваясь с ним генетическим материалом.

В природе встречается немало случаев, когда виды объединяются, чтобы помочь друг другу. Ресурсы или услуги, которых может недоставать одному организму, вполне могут быть легкодоступными для другого.

Существует пять основных симбиотических отношений: мутуализм, комменсализм, хищничество, паразитизм и аменсализм.

В первых четырех типах ассоциации выигрывают либо оба вида, либо один из них.  Аменсализм стоит особняком, так как это самое печальное взаимодействие между видами.

Аменсализм — это тип взаимодействия между особями разных видов, в котором одной из них причиняется вред, в то время как другая не получает ни пользы, ни вреда.

Аменсализм распространен, но не считается важным процессом, который влияет на структуру сообществ, поскольку эти отношения «случайны» и не приносят пользу ни одному из видов.

Примеры аменсализма:

• цветение водорослей может привести к гибели многих видов рыб и других животных, от смерти которых они не получают никакой выгоды;
• виды, которым угрожает исчезновение в результате человеческой деятельности, таких как: разрушение среды обитания в результате пожаров, экологических катастроф, загрязнения воды и прочее;
• при передвижении слонов под пресс попадают трава и мелкие наземные беспозвоночные. Слон не получает от этого ни вреда, ни пользы.

Существует два основных типа аменсализма:

• конкуренция, при которой больший и сильный организм вытесняет меньший и более слабый из своего жизненного пространства или лишает его пищи. Это обусловлено тем, что ресурсы на Земле ограничены и недостаточны для всех;
• антибиоз — биологическое взаимодействие между двумя организмами, которое губительно для одного из них. Обычно оно возникает тогда, когда один организм выделяет химическое соединение, неблагоприятное для другого организма, в процессе своего нормального метаболизма.

Слово «антибиотик» происходит о французского «антибиоз». Этот термин был введен Вюйлеменом в 1889-1890 гг. для определения антагонистических отношений между различными организмами внутри экосистемы.

Классическим проявлением антибиоза является разрушительное воздействие плесневого гриба Penicillium на некоторые виды бактерий. Так был открыт пенициллин.

Отдельные высшие растения выделяют вещества, которые препятствуют росту или полностью уничтожают соседние близлежащие растения. Примером этого может служить черный грецкий орех (Juglans nigra), который секретирует юглон — вещество, способное уничтожать многие травянистые растения в пределах его корневой зоны.

Мутуализм

Отношения между организмами двух разных видов, в которых они оба получают выгоду от союза, называется мутуализмом. Подобные связи наиболее вероятны между организмами с очень разными жизненными потребностями.

Симбиотические отношения между анемоном (Heteractis magnifica) и рыбой-клоуном (Amphiron ocellaris) являются известным примером взаимодействия двух организмов, приносящим пользу друг другу.

Пример симбиотической связи

Анемон предоставляет рыбе-клоуну защиту и убежище, в то время как рыба-клоун обеспечивает анемона питательными веществами и отпугивает потенциальных хищных рыб.

Морские анемоны обитают, прикрепившись к поверхности коралловых рифов. Они ловят свою жертву с помощью жалящих клеток, называемыми нематоцистами, которые расположены на их щупальцах. Нематоцисты выделяют токсины, когда небольшое животное контактирует с щупальцем анемона. Это парализует ужаленное животное, что позволяет анемону легко поднести его ко рту для употребления.

В то время как другие рыбы гибнут от этих ядовитых укусов, рыбы-клоуны выделяют в слизь, покрывающую их тела, вещество, которое нейтрализует токсины нематоцист. Это позволяет им комфортно плавать между щупальцами анемонов, создавая для себя защищенную среду, в которой потенциальных хищников парализуют жалящие клетки анемонов.

Рыба-клоун явно получает пользу, но как насчет морских анемонов? Ярко окрашенная рыба-клоун привлекает других рыб в поисках еды. Затем этих ничего не подозревающих хищников ловят и съедают анемоны.

Существует два основных типа мутуалистических отношений: облигатный и факультативный.

Иногда взаимозависимость бывает настолько сильна, что ни один вид не может выжить без другого. Это называется облигатным мутуализмом.

Примером облигатного мутуализма являются отношения между муравьями и растением акация. Растение обеспечивает муравьев как пищей, так и укрытием.

Взамен муравьи:

• защищают ее от других травоядных или вредителей, которые повреждают листья, молодые побеги и ветки;
• удаляют другие виды растений из непосредственной близости от акации, обеспечивая ей лучший рост.

Другой пример — микоризные грибы, которые живут на корнях растений. Корни растений извлекают выгоду из-за повышенного поглощения воды грибами, а грибы получают от растения-хозяина углеводы, сахарозу и глюкозу.

Симбиоз грибов и деревьев

При факультативном мутуализме каждый организм может выжить независимо от другого, но для обоих выгодно оставаться вместе.

В нем можно выделить три типа: ресурс-ресурс, ресурс-услуга и, реже, услуга-услуга:

• Ресурс-ресурс. Описывает отношения, при которых один ресурс обменивается на другой.

Примером являются отношения между кораллами и симбиотическими водорослями zooxanthellae. Водоросли получают неорганические питательные вещества от кораллов, а кораллы — сахар, который является побочным продуктом фотосинтеза водорослей.

• Ресурс-услуга. Эти отношения возникают между двумя организмами, в которых один получает ресурс, а другой услугу.

Медоносная пчела получает пыльцу от цветка (ресурс), а цветок распространяет свою пыльцу на другие территории (услуга).

Их можно легко наблюдать и в животном мире. Существует множество видов птиц и рыб, которые избавляют от паразитов других животных.

Волококлюи очищают слонов и других крупных млекопитающих от вшей и подобных паразитов.

Губаны-чистильщики выполняют аналогичную функцию для более крупных рыб.

В результате животные-клиенты избавляются от насекомых (услуга), а грумеры получают пищу (ресурс).

• Услуга-услуга. Этот тип встречается реже, чем два предыдущих.

В этой форме симбиоза каждый партнер предоставляет другому услугу, например, убежище или защиту. Взаимоотношения между анемонами и рыбой-клоуном — часто упоминаемый пример этого типа мутуализма. Анемон получает защиту от хищников, а рыба-клоун — безопасное место для жизни и размножения.

Комменсализм

Комменсализм — тип отношений, при которых один вид живет с другим, на нем или в нем. Другой вид называется хозяином. Отношения не приносят хозяину никакой пользы, но и не причиняют ему вреда.

Можно выразиться короче: комменсализм – тип отношений, когда один организм получает пользу от другого, не влияя на него.

Примерами могут служить:

• киты, которые обрастают ракушками;
• рыба Титан; в поисках добычи она переворачивает камни и разбивает кораллы, позволяя мелким рыбам под ними находить себе пищу.

Цапли и крупный рогатый скот тоже являются образцом такого симбиоза. Когда скот пасется, передвигаясь по траве, он поднимает насекомых, которые служат кормом для цапель. Скот не получает никакой пользы или вреда. Цапли же получают пищу.

Как и большинство взаимодействий между организмами, комменсализм различается по силе и продолжительности от тесного, долговременного симбиоза до кратковременных, слабых взаимодействий.

Типы комменсализма

Существует 3 различных типа комменсализма: форезия, инквилинизм и метабиоз.

В случае форезии одно животное прикрепляется к другому для транспортировки. Этот тип комменсализма чаще всего встречается у членистоногих, например, клещей, которые живут на насекомых. Другие примеры: прикрепление анемона к панцирям рака-отшельника; псевдоскорпионы, которые обитают на млекопитающих; многоножки, путешествующие на птицах.

Форезия может быть как облигатной (обязательной), так и факультативной (происходящей при определенных условиях).

При инквилинизме один организм использует другой для постоянного проживания. Примером может служить птица, которая живет в дупле дерева; орхидеи, живущие на деревьях; ракушки, обитающие на китах.

Иногда эпифиты, растущие на деревьях, считаются инквилинизмом, в то время как в других случаях это может рассматриваться как паразитизм. Это обусловлено тем, что эпифит может ослабить дерево или забрать питательные вещества, которые в противном случае попали бы к хозяину.

При метабиозе один организм формирует среду обитания для другого. Примером может служить рак-отшельник, который использует для защиты панцирь от мертвого брюхоногого моллюска. Другой пример — личинки, живущие на мертвом организме.

Симбиоз и эволюция

Идеи о симбиозе внесли важный вклад в теории, которые помогают объяснить эволюцию сложных форм жизни на Земле.

Первыми организмами на Земле были прокариоты — вирусы и сине-зеленые бактерии. Они не имели оформленного ядра. Клетки эукариот более сложны, поскольку они содержат органеллы, в частности: рибосомы, хлоропласты, реснички, жгутики и другие важные структуры, которые отделены от цитоплазмы одной или несколькими мембранами. Генетический материал эукариот — молекулы ДНК — заключен внутри ядра.

Увлекательная теория происхождения эукариотической клеточной организации предполагает возникновение серии симбиозов, в которых прокариотические клетки оказались неразрывно связаны друг с другом. В итоге отдельные функции клетки стали мутуалистически распределены между симбионтами.

Возможно, некоторые мельчайшие симбионты отвечали за большую часть дыхательной функции и впоследствии эволюционировали в митохондрии.

Другие симбионты, такие как сине-зеленые бактерии, предположительно отвечали за фотосинтез в клетке, а позднее превратились в хлоропласты.

В какой-то степени эти гипотезы подтверждаются данными, что и рибосомы, и хлоропласты содержат небольшое количество генетического материала (ДНК). Вполне вероятно, что они могут быть пережитком более раннего, независимого существования.

Другая недавняя и весьма противоречивая теория, называемая гипотезой Гайи, предполагает, что Земля может представлять собой огромное, квазиорганическое образование.

В нем все виды образуют глобальную физиологическую симбиотическую систему, которая поддерживает условия окружающей среды в приемлемых для жизни пределах.

Эта гипотеза основана на предположении, что кислород в атмосфере Земли имеет биологическое происхождение, поскольку он вырабатывается фотосинтезирующими организмами.

Большинство видов не смогли бы выжить без кислорода. По мнению некоторых экологов, концентрация углекислого газа в атмосфере Земли в значительной степени регулируется комплексом совокупных биологических и физических процессов, с помощью которых происходит выброс и поглощение CO2.

Хорошо известно, что этот парниковый газ играет не последнюю роль в воздействии на тепловой баланс Земли, влияние которого имеет критическое значение для поддержания средней температуры поверхности в диапазоне, пригодном для жизни организмов.

Примеры симбиоза

Люди живут в симбиозе со множеством видов домашних животных и растений. В той или иной степени от этого выигрывают все стороны.

Все основные сельскохозяйственные растения существуют в тесном взаимодействии с человеком. В частности, сельскохозяйственные сорта кукурузы или маиса (Zea mays) больше не способны к размножению без вмешательства человека.

Когда-то зерна кукурузы легко опадали с початка, что приводило к частичной потере урожая. После селекции данной культуры эта проблема была решена.

Без посева человеком этот вид быстро бы исчез, так как он больше не встречается в диких популяциях. Взаимовыгода здесь налицо.

То же самое можно сказать и о большинстве агрокультурных растений, которые в результате селекции претерпели значительные изменения.

Это позволило им выжить, а человечеству извлечь огромную выгоду из такого мутуалистического отношения в виде провизии, клетчатки и других продуктов растениеводства.

Подобным образом сельскохозяйственные животные живут в симбиотическом мутуализме с человеком. Коровы получают доступ к кормам, ветеринарным услугам и защите от хищников, а люди — молоко и мясо.

Даже содержание животных в качестве домашних питомцев есть ничто иное, как разновидность мутуализма.

Домашние собаки и кошки получают пищу и безопасность при одомашнивании, в то время как человек получает пользу от общения с ними. Иногда люди выигрывают и от других их услуг, как в случае с кошками, которые убивают грызунов-вредителей.

Менее известны другие формы жизни, которые находятся в самом близком симбиозе с людьми, а именно микробиота человеческого кишечника.

Кишечник человека содержит множество микробов, которые играют основополагающую роль в благополучии своего хозяина.

Доказано, что компоненты микробиоты — бактерии, вирусы и эукариоты —взаимодействуют с иммунной системой, подавая сигналы, которые способствуют созреванию иммунных клеток и нормальному развитию иммунных функций.

Микробиота участвует в накоплении и хранении энергии, а также в различных метаболических функциях, таких как ферментация и усвоение непереваренных углеводов.

Она играет настолько важную роль в здоровье и болезнях человека, что ее иногда называют «забытым органом».
Человечество не сможет выжить без этих дружелюбных микроорганизмов точно также, как и они без него.