Микробиомы животных в деле охраны природы
В связи с угрозами изменения климата, загрязнения окружающей среды и утраты среды обитания будущее многих популяций диких животных в лучшем случае остается неопределенным.
По разным оценкам, 41 000 видов растений и животных грозит вымирание, что делает необходимость в реалистичных и эффективных стратегиях их сохранения как никогда актуальной. Разработка таких стратегий требует понимания факторов, влияющих на здоровье находящихся под угрозой организмов, и, как оказалось, некоторые из наиболее важных факторов довольно малы по своим размерам.
Как и у людей, микробные сообщества, живущие внутри и на животных (т.е. их микробиомы), играют неотъемлемую роль в благополучии своих хозяев. Микроорганизмы способствуют адаптации и приспособляемости животных-хозяев, регулируя процессы, связанные с пищеварением, размножением, сопротивляемостью инфекциям и т.д. Микроорганизмы также могут негативно влиять на благополучие животных, вызывая инфекции и заболевания. Растущее число исследований показывает, что микробные консорциумы, населяющие все - от кишечника животных до их кожи, могут быть полезны для информирования и содействия природоохранной практике.
"Многие специалисты по охране природы очень заинтересованы в изучении микробиомов", - говорит Карли Мулец Вольц, молекулярный эколог из Центра геномики охраны природы при Смитсоновском национальном зоопарке и Институте биологии охраны природы США. "Они надеются, что с их помощью можно повысить успешность программ реинтродукции, разведения животных в неволе и здоровья животных, уже живущих в дикой природе".
Однако спасти жизнь, а тем более вид, не так-то просто. Хотя анализ микробиомов показывает потенциал в области охраны природы, существуют проблемы, связанные со всем - от сбора образцов до получения и интерпретации данных, - которые ученые должны преодолеть, чтобы повысить полезность этих инструментов.
Состав микробиома животного тесно связан с окружающей средой и образом жизни. Таким образом, изучение этих микробных сообществ может дать полезные сведения о том, как изменения в поведении, питании и/или окружающей среде, такие как потеря среды обитания и химическое загрязнение, влияют на здоровье животных.
Потеря среды обитания
Потеря среды обитания является одной из крупнейших проблем, с которыми сталкиваются популяции диких животных сегодня - примерно 46% территории планеты, которая когда-то была покрыта дикими лугами, лесами и кустарниками, теперь используется для сельского хозяйства. Эти изменения отражаются на микробиомах животных.
Возьмем для примера красную обезьяну Удзунгву (один из самых исчезающих видов приматов в Африке). Исследователи обнаружили, что у обезьян, обитающих во фрагментированном лесу (т.е. в лесу, который был разбит на более мелкие участки, в основном из-за землепользования человека), разнообразие бактерий в кишечнике снижено по сравнению с теми, кто живет в охраняемом лесу. Другое исследование показало, что эти изменения сопровождаются потерей метаболических путей, связанных с перевариванием химических веществ растительного происхождения, что свидетельствует о деградации окружающей среды и потере разнообразия растений во фрагментированных ландшафтах.
Температурные изменения
Хотя изменения микробиомов животных, особенно микробиомов кишечника, связаны с такими факторами, как пищевой рацион и доступность пищи, они также изменяются в ответ на другие переменные окружающей среды, такие как температура. Животные обычно адаптируются к сезонным колебаниям температуры, и ожидается, что частота и величина таких колебаний увеличится в связи с изменением климата.
Эксперименты на животных, от крупного рогатого скота до ящериц, показали, что повышение температуры окружающей среды связано с уменьшением микробного разнообразия и снижением количества определенных (часто полезных) видов кишечных бактерий, таких как представители филума Firmicutes. Изучение влияния температуры - наряду с другими экологическими нарушениями, вызванными изменением климата, - на состав и функции микробиома может быть полезным для мониторинга того, как популяции животных чувствуют себя в условиях глобального потепления.
Химическое загрязнение окружающей среды
Воздействие химических веществ, например, пестицидов, изменяет структуру и функции микробных сообществ таким образом, что это может негативно сказаться на здоровье животных. Например, глифосат (самый распространенный пестицид, используемый во всем мире) подавляет рост бактерий, выделенных из кишечника гавайских зеленых черепах, что может негативно сказаться на пищеварении. Пестицид также нарушает микробное сообщество кишечника медоносных пчел, повышая их восприимчивость к инфекции бактериального патогена Serratia marcescens, что может привести к сокращению популяции пчел.
"Животные, включая людей, подвергаются воздействию все более высоких уровней антропогенных химических веществ", - говорит Кэндис Уильямс, микробиологический эколог по восстановительной экологии в Альянсе дикой природы зоопарка Сан-Диего. "Нам важно понять как взаимодействуют дикие животные с этими химическими веществами окружающей среды и как они влияют на долгосрочное выживание и приспособленность этих видов". Микробиом предлагает новую перспективу для понимания этих взаимодействий.
Микробиомы животных защищают их от патогенов
Помимо потери среды обитания, изменения климата и химического загрязнения, дикие животные вынуждены бороться с микробными патогенами, и их микробиомы образуют важные барьеры против инфекций. Например, Batrachochytrium dendrobatidis (Bd), вид грибка, который безжалостно убивает амфибий, подавляя их способность дышать через кожу. Этот грибок распространился как лесной пожар - он ответственен за глобальное сокращение популяции более 500 видов амфибий, 90 из которых в настоящее время предположительно уже вымерли.
Однако некоторые бактерии, входящие в микробиом кожи амфибий, такие как Janthinobacterium lividum и Pseudomonas fluroscens, защищают от инфекции Bd. Ученые выясняют, как использовать эти бактерии в качестве пробиотиков для подавления Bd-инфекции у амфибий. Мулец Вольц, изучающий эту тему, отметил, что использование пробиотиков для лечения амфибий в лабораторных условиях показало большие перспективы. Недавно исследователи начали изучать возможности применения бактерий к диким амфибиям, чтобы замедлить распространение грибка в естественной среде.
Использование микробиомов для укрепления здоровья животных в неволе
Исследователи еще только изучают возможности интеграции анализа микробиома в сферу охраны природы. Хотя некоторые усилия были направлены на использование стратегий, основанных на микробиоме, для защиты животных в дикой природе, большинство работ до сих пор было сосредоточено на модуляции микробиомов животных, родившихся или попавших в неволю.
В зоопарках и других природоохранных центрах часто содержатся резервные популяции исчезающих видов - это "запасные" популяции, которые могут быть реинтродуцированы в дикую природу для увеличения численности природных сообществ и обеспечения выживания и долголетия видов. Однако, чтобы реинтродукция была успешной, "мы должны иметь здоровых животных", - отмечает Мулец Вольц. "А для размножения нам нужны здоровые особи, которые хотят производить на свет больше детенышей".
К сожалению, многие животные плохо размножаются в условиях содержания в неволе. Причины этого не всегда ясны, но микробиомы могут иметь к этому отношение. Действительно, микробиомы животных в неволе отличаются от диких особей, поскольку условия, влияющие на состав и функции микробиома (рацион питания, среда обитания, воздействие человека), отличаются от естественной среды. Эти изменения могут быть связаны с аспектами приспособленности животных, включая репродуктивный успех.
Например, Уильямс и ее коллеги из зоопарка Сан-Диего обнаружили, что у содержащихся в неволе южных белых носорогов - исчезающего вида, который плохо размножается в неволе - фертильность зависит от метаболизма микроорганизмов кишечника в отношении пищевых соединений, называемых фитоэстрогенами. Поскольку они похожи на эндогенный эстроген в организме, фитоэстрогены могут привести к гормональному дисбалансу и способствовать снижению репродуктивного успеха. Зоопарк обнаружил, что перевод носорогов в неволе на диету с низким содержанием фитоэстрогенов привел к наступлению нескольких беременностей. Однако "не все носороги повысили фертильность после изменения рациона питания - некоторые остались бесплодными", - рассказал Уильямс. Такие разные результаты, вероятно, связаны с различиями в составе и метаболической функции микробиома кишечника фертильных и бесплодных носорогов. То есть, микробы кишечника бесплодных носорогов могут вырабатывать метаболиты фитоэстрогена, которые нарушают гормональный фон носорогов и негативно влияют на их фертильность. Следующим шагом будет определение конкретных идентичностей и метаболических функций этих микроорганизмов в их связи с успехом размножения.
Микробиомы животных в науке о сохранении природы: проблемы и препятствия
Нам еще многое предстоит узнать о взаимодействии хозяина и микроорганизмов у животных, а также об их значении для охраны природы.
"В мире животных, по сравнению с миром людей, мы сильно отстаем в понимании этих взаимодействий", - утверждает Уильямс. "И мы не только сильно отстаем в плане наличия исходных данных для многих видов, с которыми мы работаем, но мы стоим перед угрозой вымирания". На самом деле, "менее 1% видов, находящихся под угрозой исчезновения, прошли исследование своего микробиома". Это означает, что для большинства видов ученые до сих пор не знают, как выглядит их "нормальный" микробиом. Какие микробы хорошие, какие плохие - и когда? Ответы на эти вопросы разнятся от одного вида к другому.
Часть проблемы изучения микробиомов диких животных заключается в получении данных. Исследователи часто имеют доступ к ограниченному числу животных, как в неволе, так и в дикой природе. Имея лишь несколько образцов (если это вообще возможно), трудно получить полное представление о микробиоме вида/популяции. Сам процесс отбора образцов также может быть непростой задачей, особенно в дикой природе - попробуйте собрать образцы микроорганизмов с эпидермиса акул, и вы поймете, о чем идет речь.
Даже когда у исследователей есть данные, использование их результатов в "реальном мире" является еще одной проблемой. "Насколько реально распылить пробиотик на 1000 животных [в дикой природе]?", - спрашивает Мулец Вольц, имея в виду использование пробиотиков для борьбы с грибковыми инфекциями у амфибий. Ответ: не особо. Даже в неволе, где условия легче контролировать, усилия по укреплению здоровья животных, учитывающие микробиом, могут оказаться сложными. Он рассказал о недавней истории с красными волками, когда даже волки в неволе, питавшиеся рационом, подобным их диким собратьям (т.е. цельным мясом), имели другой микробиом, чем дикие волки. Эта история подчеркивает, что даже если вмешательство кажется простым, например, изменение рациона питания, могут возникнуть дополнительные препятствия и сложности окружающей среды, которые подрывают его эффективность.
Будущее микробиомов животных в сохранении дикой природы
В большинстве исследований микробиома животных используется секвенирование ДНК для определения того, какие микробы (а именно бактерии) присутствуют и как они могут коррелировать с интересующими фенотипами (например, репродуктивным успехом). Тем не менее, "мы должны выйти за рамки этих корреляционных исследований", - заявляет Уильямс. "Междисциплинарный подход крайне необходим для понимания функции этих микроорганизмов в рамках этих сообществ в различных условиях, чтобы понять, могут ли определенные микробы быть полезными или вредными для хозяев, которых мы изучаем". Этого можно достичь, применяя экспериментальные схемы, которые объединяют секвенирование ДНК с, например, метаболомикой.
Также может быть полезно выделять и культивировать микробы непосредственно из образцов, особенно если целью является выделение бактерий для применения в качестве пробиотика. "Вы не можете сделать пробиотик, если у вас нет культуры", - объясняет Мулец Вольц. Другими словами, вы не можете просто дать ДНК животному, чтобы оно почувствовало себя лучше". В дальнейшем исследователям необходимо "выяснить, как соединить культивирование и секвенирование, чтобы добиться прогресса".
Прогресс также будет зависеть от широкого сотрудничества между учеными разных дисциплин. Мулетц Вольц подчеркнул необходимость "более тесного сотрудничества микробиологов и специалистов по охране природы, особенно в контексте реинтродукции. Существует очень мало исследований, отслеживающих животных, которых выращивают в неволе и выпускают на волю, и следящих за ними, пока они живут в дикой природе".
Тем не менее, несмотря на трудности, Уильямс с нетерпением ждет будущего. "Мы переходим от идеи "микробы ни в чем не участвуют" к пониманию того, что они действительно имеют решающее значение для поддержания здоровья животных, как в условиях нашего ухода, так и в дикой природе".
