Симбиоз ( др.-греч. συμβίωσις symbíōsis : проживание вместе, товарищество < σύν sýn : вместе; и βίωσις bíōsis : проживание) [2] — это любой тип тесного и долгосрочного биологического взаимодействия между двумя организмами разных видов . Два организма, называемые симбионтами , могут находиться либо в мутуалистических , либо в комменсалистических , либо в паразитических отношениях. [3] В 1879 году Генрих Антон де Бари определил симбиоз как «совместное проживание непохожих организмов».
Термин иногда используется в более узком, мутуалистическом смысле, когда оба симбионта способствуют существованию друг друга. [3]
Симбиоз может быть обязательным , когда один или оба симбионта зависят друг от друга для выживания, или факультативным (необязательным), когда они могут существовать и независимо.
Симбиоз также классифицируется по физическому прикреплению. Симбионты, образующие единое тело, живут в конъюнктивном симбиозе, в то время как все другие расположения называются дизъюнктивным симбиозом. [4] Когда один организм живет на поверхности другого, например, головные вши на людях, это называется эктосимбиозом ; когда один партнер живет внутри тканей другого, например, Symbiodinium внутри коралла , это называется эндосимбиозом . [5] [6]
Определение симбиоза было предметом споров в течение 130 лет. [7] В 1877 году Альберт Бернхард Франк использовал термин симбиоз для описания мутуалистических отношений в лишайниках . [8] [9] В 1878 году немецкий миколог Генрих Антон де Бари определил его как «совместное проживание непохожих организмов». [10] [11] [12] Определение различалось среди ученых: некоторые выступали за то, чтобы оно относилось только к стойким мутуализмам , в то время как другие считали, что оно должно применяться ко всем стойким биологическим взаимодействиям (другими словами, к мутуализму, комменсализму и паразитизму , но исключая кратковременные взаимодействия, такие как хищничество ). В 21 веке последнее стало определением, широко принятым биологами. [13]
В 1949 году Эдвард Хаскелл предложил интегративный подход с классификацией «совместных действий», [14] позднее принятый биологами как «взаимодействия». [15] [16] [17] [18]
Отношения могут быть облигатными, что означает, что один или оба симбионта полностью зависят друг от друга для выживания. Например, в лишайниках , которые состоят из грибковых и фотосинтетических симбионтов, грибковые партнеры не могут жить сами по себе. [11] [19] [20] [21] Водорослевые или цианобактериальные симбионты в лишайниках, таких как Trentepohlia , обычно могут жить независимо, и поэтому их часть отношений описывается как факультативная (необязательная) или необязательная. [22] Когда один из участников симбиотических отношений способен к фотосинтезу, как в случае с лишайниками, это называется фотосимбиозом. [23] [24]
Эктосимбиоз — это любые симбиотические отношения, при которых симбионт живёт на поверхности тела хозяина , включая внутреннюю поверхность пищеварительного тракта или протоки экзокринных желёз . [6] [25] Примерами этого являются эктопаразиты , такие как вши ; комменсальные эктосимбионты, такие как морские желуди , которые прикрепляются к челюстям усатых китов ; и мутуалистические эктосимбионты, такие как рыбы-чистильщики .
Напротив, эндосимбиоз — это любые симбиотические отношения, в которых один симбионт живет внутри тканей другого, либо внутри клеток, либо внеклеточно. [6] [26] Примерами служат разнообразные микробиомы : ризобии , азотфиксирующие бактерии , которые живут в корневых клубеньках на корнях бобовых ; актиномицеты , азотфиксирующие бактерии, такие как Frankia , которые живут в корневых клубеньках ольхи ; одноклеточные водоросли внутри рифообразующих кораллов ; и бактериальные эндосимбионты , которые обеспечивают необходимыми питательными веществами около 10%–15% насекомых. [27]
При эндосимбиозе клетка-хозяин испытывает недостаток в некоторых питательных веществах, которые предоставляет эндосимбионт . В результате хозяин благоприятствует процессам роста эндосимбионта внутри себя, производя некоторые специализированные клетки. Эти клетки влияют на генетический состав хозяина, чтобы регулировать растущую популяцию эндосимбионтов и гарантировать, что эти генетические изменения передаются потомству посредством вертикальной передачи ( наследственности ). [28]
По мере того, как эндосимбионт адаптируется к образу жизни хозяина, эндосимбионт резко меняется. Происходит резкое сокращение размера его генома , поскольку многие гены теряются в процессе метаболизма , а также восстановления и рекомбинации ДНК , в то время как важные гены, участвующие в транскрипции ДНК в РНК , трансляции белков и репликации ДНК/РНК, сохраняются. Уменьшение размера генома происходит из-за потери генов, кодирующих белки, а не из-за уменьшения межгенных областей или размера открытой рамки считывания (ORF). Виды, которые эволюционируют естественным образом и содержат уменьшенные размеры генов, можно объяснить увеличением числа заметных различий между ними, что приводит к изменению их эволюционных темпов. Когда эндосимбиотические бактерии, связанные с насекомыми, передаются потомству строго посредством вертикальной генетической передачи, внутриклеточные бактерии преодолевают множество препятствий в ходе этого процесса, что приводит к уменьшению эффективных размеров популяции по сравнению со свободноживущими бактериями. Неспособность эндосимбиотических бактерий восстановить свой фенотип дикого типа посредством процесса рекомбинации называется феноменом храповика Мюллера . Феномен храповика Мюллера, вместе с менее эффективными размерами популяции, приводит к накоплению вредных мутаций в несущественных генах внутриклеточных бактерий. [29] Это может быть связано с отсутствием механизмов отбора, преобладающих в относительно «богатой» среде хозяина. [30] [31]
Конкуренцию можно определить как взаимодействие между организмами или видами, при котором приспособленность одного снижается из-за присутствия другого. [32] Ограниченное предложение по крайней мере одного ресурса (например, пищи , воды и территории ), используемого обоими, обычно способствует этому типу взаимодействия, хотя конкуренция может также происходить за другие ресурсы. [33]
Аменсализм — это несимбиотическое, асимметричное взаимодействие, при котором один вид наносит вред или убивает другой, а другой не затрагивается другим. [34] [35] Существует два типа аменсализма: конкуренция и антагонизм (или антибиоз). Конкуренция — это когда более крупный или сильный организм лишает более мелкий или слабый ресурс. Антагонизм возникает, когда один организм повреждается или убивает другой посредством химической секреции. Примером конкуренции является саженец, растущий в тени взрослого дерева. Зрелое дерево может лишить саженец необходимого солнечного света, а если взрослое дерево очень большое, оно может поглощать дождевую воду и истощать питательные вещества почвы. На протяжении всего процесса взрослое дерево не затрагивается саженцем. Действительно, если саженец умирает, взрослое дерево получает питательные вещества от гниющего саженца. Примером антагонизма является Juglans nigra (черный орех), выделяющий юглон — вещество, которое уничтожает многие травянистые растения в его корневой зоне. [36]
Термин аменсализм часто используется для описания сильно асимметричных конкурентных взаимодействий, например, между испанским козерогом и долгоносиками рода Timarcha , которые питаются одним и тем же типом кустарника. В то время как присутствие долгоносика почти не влияет на доступность пищи, присутствие козерога оказывает огромное пагубное воздействие на численность долгоносиков, поскольку они потребляют значительное количество растительного материала и попутно поедают долгоносиков. [37]
Комменсализм описывает отношения между двумя живыми организмами, где один получает пользу, а другой не получает существенного вреда или помощи. Он происходит от английского слова commensal, используемого для обозначения человеческого социального взаимодействия . Он происходит от средневекового латинского слова, означающего «совместное питание», образованного от com- (с) и mensa (стол). [38] [39]
Комменсальные отношения могут включать использование одним организмом другого для транспортировки ( форезия ) или для размещения ( инквилинизм ), или они также могут включать использование одним организмом чего-то, созданного другим после его смерти ( метабиоз ). Примерами метабиоза являются раки-отшельники, использующие раковины брюхоногих моллюсков для защиты своих тел, и пауки, строящие свои сети на растениях .
Мутуализм или межвидовой взаимный альтруизм — это долгосрочные отношения между особями разных видов , при которых обе особи получают выгоду. [38] Мутуалистические отношения могут быть либо обязательными для обоих видов, либо обязательными для одного, но факультативными для другого, либо факультативными для обоих.
Многие травоядные имеют мутуалистическую кишечную флору , которая помогает им переваривать растительную пищу, которую сложнее переваривать, чем животную добычу. [5] Эта кишечная флора состоит из переваривающих целлюлозу простейших или бактерий, живущих в кишечнике травоядных. [40] Коралловые рифы являются результатом мутуализма между коралловыми организмами и различными водорослями, живущими внутри них. [41] Большинство наземных растений и наземных экосистем зависят от мутуализма между растениями, которые фиксируют углерод из воздуха, и микоризными грибами, которые помогают извлекать воду и минералы из почвы. [42]
Примером мутуализма являются отношения между рыбами -клоунами оцелларис , которые обитают среди щупалец актиний Риттери . Территориальная рыба защищает актинию от рыб, питающихся актиниями, а в свою очередь жалящие щупальца актинии защищают рыбу-клоуна от хищников . Особая слизь на рыбе-клоуне защищает ее от жалящих щупалец. [43]
Еще одним примером является бычок , рыба, которая иногда живет вместе с креветкой . Креветка роет и очищает нору в песке, в которой живут и креветка, и рыба-бычок. Креветка почти слепа, что делает ее уязвимой для хищников, когда она находится вне своей норы. В случае опасности бычок касается креветки своим хвостом, чтобы предупредить ее. Когда это происходит, и креветка, и бычок быстро отступают в нору. [44] Различные виды бычков ( Elacatinus spp. ) также очищают эктопаразитов у других рыб, возможно, еще один вид мутуализма. [45]
Ярким примером облигатного мутуализма является связь между трубчатыми червями сибоглинидами и симбиотическими бактериями , которые живут в гидротермальных источниках и холодных просачиваниях . У червя нет пищеварительного тракта, и он полностью зависит от своих внутренних симбионтов в питании. Бактерии окисляют либо сероводород , либо метан, которые им поставляет хозяин. Эти черви были обнаружены в конце 1980-х годов в гидротермальных источниках около Галапагосских островов и с тех пор были обнаружены в глубоководных гидротермальных источниках и холодных просачиваниях во всех мировых океанах. [46]
Мутуализм повышает конкурентоспособность обоих организмов и позволяет им вытеснить организмы того же вида, у которых отсутствует симбионт. [47]
Факультативный симбиоз наблюдается у инкрустирующих мшанок и раков-отшельников . Колония мшанок ( Acanthodesia commensale ) развивает круговой рост и предоставляет крабу ( Pseudopagurus granulimanus ) спирально-трубчатое расширение его жилой камеры, которая изначально располагалась внутри раковины брюхоногого моллюска. [48]
В паразитических отношениях паразит получает выгоду, а хозяину наносится вред. [49] Паразитизм принимает множество форм: от эндопаразитов , живущих внутри тела хозяина, до эктопаразитов и паразитических кастраторов , живущих на его поверхности, и микрохищников, таких как комары, которые посещают его время от времени. Паразитизм — чрезвычайно успешный образ жизни; около 40% всех видов животных являются паразитами, а средний вид млекопитающих является хозяином 4 нематод, 2 цестод и 2 трематод. [50]
Мимикрия — это форма симбиоза, при которой вид перенимает отличительные характеристики другого вида, чтобы изменить динамику своих отношений с имитируемым видом в своих интересах. Среди многих типов мимикрии — бейтсовская и мюллеровская, первая из которых подразумевает одностороннюю эксплуатацию, а вторая — взаимную выгоду. Бейтсовская мимикрия — это эксплуатационное трехстороннее взаимодействие, при котором один вид, имитатор, эволюционировал, чтобы имитировать другой вид, модель, чтобы обмануть третьего, обманутого. С точки зрения теории сигналов , имитатор и модель эволюционировали, чтобы посылать сигнал; обманутый эволюционировал, чтобы получать его от модели. Это выгодно имитатору, но в ущерб как модели, чьи защитные сигналы эффективно ослаблены, так и обманутому, который лишен съедобной добычи. Например, оса — это сильно защищенная модель, которая своей заметной черно-желтой окраской сигнализирует о том, что она является непригодной добычей для хищников, таких как птицы, которые охотятся с помощью зрения; многие журчалки являются бейтсовскими имитаторами ос, и любая птица, которая избегает этих журчалок, является обманутой. [51] [52] Напротив, мюллеровская мимикрия взаимовыгодна, поскольку все участники являются и моделями, и имитаторами. [53] [54] Например, разные виды шмелей имитируют друг друга, имея похожую предупреждающую окраску в комбинациях черного, белого, красного и желтого цветов, и все они получают выгоду от этих отношений. [55]
Симбиоз чистильщиков — это ассоциация между особями двух видов, где один (чистильщик) удаляет и съедает паразитов и другие материалы с поверхности другого (клиента). [56] Предположительно это взаимовыгодно, но биологи долго спорили, является ли это взаимным эгоизмом или просто эксплуатацией. Симбиоз чистильщиков хорошо известен среди морских рыб, где некоторые мелкие виды рыб-чистильщиков — в частности, губаны , но также и виды других родов — специализируются на питании почти исключительно за счет очистки более крупных рыб и других морских животных. [57] В высшей ситуации вид-хозяин (рыба или морская жизнь) будет появляться на обозначенной станции, которая считается «станцией очистки». [58]
Рыбы-чистильщики играют важную роль в снижении паразитизма у морских животных. Некоторые виды акул участвуют в симбиозе очистки, когда рыбы-чистильщики удаляют эктопаразитов с тела акулы. [59] Исследование Рэймонда Киза посвящено нетипичному поведению нескольких видов акул при контакте с рыбами-чистильщиками. В этом эксперименте губан-чистильщик (Labroides dimidiatus) и различные виды акул были помещены в один аквариум и наблюдались. Различные виды акул демонстрировали разные реакции и поведение вокруг губана. Например, атлантические и тихоокеанские лимонные акулы постоянно реагируют на рыбу-губана увлекательным образом. Во время взаимодействия акула остается пассивной, а губан подплывает к ней. Он начинает сканировать тело акулы, иногда останавливаясь, чтобы осмотреть определенные области. Обычно губан осматривает жабры, губные области и кожу. Когда губан подбирается к пасти акулы, акула часто перестает дышать на срок до двух с половиной минут, чтобы рыба могла осмотреть рот. Затем рыба проходит дальше в рот, чтобы осмотреть жабры, в частности, область щекоглотки, которая обычно содержит больше всего паразитов. Когда акула начинает закрывать рот, губан заканчивает осмотр и отправляется в другое место. Самцы бычьих акул ведут себя немного по-другому на станциях очистки: когда акула подплывает к колонии рыб-губанов, она резко замедляет свою скорость, чтобы позволить чистильщикам сделать свою работу. Примерно через минуту акула возвращается к нормальной скорости плавания. [59]
Симбиоз все чаще признается важной селективной силой эволюции; [5] [60] многие виды имеют долгую историю взаимозависимой совместной эволюции . [61]
Хотя симбиоз когда-то считался эпизодическим эволюционным явлением, сейчас имеются неопровержимые доказательства того, что обязательные или факультативные ассоциации между микроорганизмами, а также между микроорганизмами и многоклеточными хозяевами имели решающие последствия во многих важных событиях эволюции и в формировании фенотипического разнообразия и сложных фенотипов, способных колонизировать новые среды. [62]
Эволюция произошла от изменений в развитии, где вариации внутри видов выбираются за или против из-за вовлеченных симбионтов. [63] Теория хологенома относится к геному холобионта и симбионта вместе как к целому. [64] Микробы живут повсюду внутри и на каждом многоклеточном организме. [65] Многие организмы полагаются на своих симбионтов, чтобы развиваться должным образом, это известно как совместное развитие. В случаях совместного развития симбионты посылают сигналы своему хозяину, которые определяют процессы развития. Совместное развитие обычно наблюдается как у членистоногих, так и у позвоночных. [63]
Одна из гипотез происхождения ядра у эукариот (растений, животных, грибов и простейших ) заключается в том, что оно развилось из симбиогенеза между бактериями и археями. [5] [66] [67] Предполагается, что симбиоз возник, когда древние археи, похожие на современные метаногенные археи, вторглись и жили внутри бактерий, похожих на современные миксобактерии, в конечном итоге сформировав раннее ядро. Эта теория аналогична принятой теории происхождения эукариотических митохондрий и хлоропластов, которые, как считается, развились из схожих эндосимбиотических отношений между протоэукариотами и аэробными бактериями. [68] Доказательства этого включают тот факт, что митохондрии и хлоропласты делятся независимо от клетки, и что эти органеллы имеют свой собственный геном. [69]
Биолог Линн Маргулис , известная своей работой по эндосимбиозу , утверждала, что симбиоз является основной движущей силой эволюции . Она считала, что дарвиновское представление об эволюции, движимой конкуренцией, неполным, и утверждала, что эволюция в значительной степени основана на сотрудничестве , взаимодействии и взаимозависимости между организмами. По словам Маргулис и ее сына Дориона Сагана , « Жизнь захватила земной шар не путем борьбы , а посредством сетей ». [70]
Около 80% сосудистых растений во всем мире образуют симбиотические отношения с грибами, в частности, в арбускулярных микоризах . [71]
Цветковые растения и животные, которые их опыляют , коэволюционировали. Многие растения, которые опыляются насекомыми (при энтомофилии ), летучими мышами или птицами (при орнитофилии ), имеют высокоспециализированные цветы, модифицированные для содействия опылению определенным опылителем, который соответствующим образом адаптирован. Первые цветковые растения в ископаемой летописи имели относительно простые цветы. Адаптивное видообразование быстро привело к появлению многих разнообразных групп растений, и в то же время соответствующее видообразование произошло в определенных группах насекомых . Некоторые группы растений развили нектар и крупную липкую пыльцу, в то время как насекомые развили более специализированные морфологии для доступа и сбора этих богатых источников пищи. В некоторых таксонах растений и насекомых связь стала зависимой, [72] где вид растения может быть опылен только одним видом насекомых. [73]
Акациевый муравей ( Pseudomyrmex ferruginea ) является облигатным растительным муравьем, который защищает по крайней мере пять видов «акации» ( Vachellia ) [a] от хищных насекомых и от других растений, конкурирующих за солнечный свет, а дерево обеспечивает питание и укрытие для муравья и его личинок. [74] [75]
Распространение семян — это перемещение, распространение или транспортировка семян от родительского растения. Растения имеют ограниченную подвижность и полагаются на различные векторы распространения для транспортировки своих пропагул, включая как абиотические векторы, такие как ветер, так и живые ( биотические ) векторы, такие как птицы. Для привлечения животных эти растения выработали набор морфологических признаков, таких как цвет плодов , масса и устойчивость, коррелирующие с конкретными агентами распространения семян. [76] Например, растения могут вырабатывать заметные цвета плодов, чтобы привлекать птицеядных, а птицы могут научиться связывать такие цвета с пищевым ресурсом. [77]