Батрахоспермум № 41(103) – Слизь

Слизь появилась на нашей планете задолго до нас. «Жизнь начинается слизью, а кончается разумом», – так знаменитый американский религиовед Хастон Смит полушутя описывал эволюцию. И хотя жизнь едва ли зародилась в слизи, сама слизь возникла довольно рано в эволюции животных, а некоторые другие эукариоты и сами принимают облик слизи, их так и называют – слизевики. Иные из них, проживая жизнь слизи, даже умудряются демонстрировать подобие разума, оспаривая тезис профессора Смита: миксомицеты Physarum polycephalum, к примеру, способны запоминать информацию о раздражителе и передавать ее неопытным коллегам, причем без намеков на какую-либо нервную систему.

Слизеподобной жизнью порой живут даже бактерии – их биопленки во многом напоминают слизь. Биопленка представляет собой орду бактерий, погруженных в общий гидратированный полимерный матрикс – вязкоупругую жидкость, которая может медленно течь по поверхности и одновременно прикрепляться к ней, прямо как слизь. Текучесть помогает бактериям перемещаться в благоприятные местечки, а прикрепленность делает существование колонии безопасным и способствует накоплению под рукой питательных веществ. Механические свойства биопленки во многом определяют живучесть и заразность бактерий. Эти крошки давно просекли, как выгодно быть слизью, хоть и не могут стать ею в строгом понимании термина.

Слизь – это круто. Так считают многие животные, и некоторые из них являются настоящими адептами слизи. Улиткам и слизнякам слизь помогает передвигаться по субстрату и отваживать хищников – мало кто на свете любит слизкую пищу. Меж тем некоторые амазонские цихлиды, как это ни странно, кормят слизью своих мальков. Онихофоры с помощью слизи охотятся: склеивают жертву липкими струями с расстояния до метра, после чего переваривают ее слюной и уплетают образовавшийся бульон. Миксины выделяют огромное количество слизи – с лихвой хватает, чтобы закупорить жабры хищнику, вынудив его откашлять добычу наружу, либо жертве, чтобы та задохнулась и перестала сопротивляться выеданию миксиной внутренностей. Производство слизи – энергетически дорогое удовольствие, однако многие водные организмы готовы к затратам. Например, некоторые кораллы до половины углерода, произведенного фотосинтезирующими симбионтами, тратят на слизь.

Морская звезда Pteraster tesselatus от волнения начинает выделять из себя тонну слизи: попробуй напасть на нее – тут же захлебнешься насмерть! Вон рука почти захлебнулась. Вот так звезда-слизда!

Вы тоже наверняка хотели бы стать слизкими – но, увы, это невозможно, даже в периоды самого острого насморка. Млекопитающие, как и рептилии с птицами, слизью откровенно обделены – в отличие от рыб, чей слизистый покров помогает преодолевать сопротивление воды во время плавания и защищает от паразитов и инфекций, а также амфибий, через наружную слизь осуществляющих газообмен с окружающей средой и чувствующих себя при этом влажными и важными. Впрочем, это не означает, что у неслизких позвоночных вообще нет слизи, – она есть, но почти вся находится внутри тела, на слизистых оболочках органов. На таком гистологическом уровне слизь обеспечивает эпителию защиту от обезвоживания и патогенных микробов.

У человека слизь устилает поверхности органов пищеварительной, дыхательной, мочеполовой систем, барабанных полостей средних ушей и конъюнктивы глаз, производят ее бокаловидные клетки эпителия (в желудке – фовеолярные) и слезные железы. Особым обилием слизи может похвастаться желудочно-кишечный тракт – на его слизистой оболочке создается целая экологическая ниша для многочисленных микробов (1014 бактерий 500 разных видов!), которые употребляют в пищу вкусные компоненты слизи. К примеру, для бактерии Akkermansia muciniphila, встречающейся у 75% человеческого населения Земли и составляющей до 5% бактериального населения ЖКТ здорового человека, слизь является единственным источником углерода и азота. Многие наши симбиозы с микробами опосредуются именно слизью.

Одним существам слизь чинит препятствия, другим же предоставляет ресурсы для существования. Слизь – это смерть. Но слизь – это и жизнь. Ну а жизнь – это слизь.

Эволюция слизи

Возникновение слизи – одно из важнейших событий в истории животного царства, наряду с появлением кишечной полости у кишечнополостных и прорывом ануса у вторичноротых. Функциональный слизистый слой онтогенетически связан с кишечной полостью, поэтому можно предположить, что впервые он возник у ранних представителей стрекающих и гребневиков, то есть, по видимости, еще в конце эдиакарского периода, более полумиллиарда лет тому назад.

Разные формы слизи у кораллов – представителей типа стрекающих: жидкая слизь (а), слизистые нити (b), сеть и хлопья (с) кораллов Acropora, слизистая пелена кораллов Porites (d). Источник: Nakajima & Tanaka, 2014.

При этом надо отметить, что сама слизь как явление вполне могла возникнуть еще раньше. Так, выделение слизи неоднократно наблюдалось у губок разных видов, а также у пластинчатых – то есть у типов еще более примитивных, чем стрекающие и гребневики. Правда, данных о том, что их слизь может формировать функциональный слой, в настоящее время нет. Зато есть свидетельства, что у губок имеются гены, родственные эволюционным предшественникам генов муцинов – гликопротеинов, входящих в состав слизи. Считается, что у генов муцинов был общий «предок» с геном, кодирующим фактор фон Виллебранда – гликопротеин плазмы крови, обеспечивающий прикрепление тромбоцита к месту повреждения сосуда. Можно сказать, липкость у слизи «в крови».

Так зачем же слизистый слой понадобился кишечнополостным – стрекающим и гребневикам? Согласно одной гипотезе, предложенной в 1980-х, в виде слизи из организма коралла удаляется лишний углерод, нафотосинтезированный трудолюбивыми симбиотическими динофлагеллятами, но не пошедший в дело телостроительства из-за дефицита азота. Проблема этой гипотезы состояла в том, что слизь «на выброс» богата как углеродом, так и азотом, что как-то не увязывается с дефицитом последнего. К тому же она не объясняла «слизоточивость» других стрекающих, у которых нет фотосинтезирующих симбионтов.

Более обоснованным выглядит предположение, что слизь в первую очередь помогала ресничкам эпителия загонять в кишечную полость пищевые частички, а также, возможно, предотвращала засыпание существа осадками (кстати, в опытах с губками слизь обычно выделяется именно при усиленном осаждении на них всяческих частиц). Вязкий текучий слой позволяет не только ловить частички пищи или мусора и микробные клетки, но и транспортировать их по поверхности эпителия в направлении, задаваемом ресничками. Отбор на физико-химические свойства слизи, повышающие эффективность такого транспорта, к тому же способствовал развитию еще одной нелишней функции слизистого слоя – антибактериальной.

Бокаловидные клетки с муциновыми гранулами среди столбчатых эпителиальных клеток подвздошной кишки человека. Выделяемая ими слизь постоянно обновляется, что позволяет устранять нежелательные частицы или незваных микробов быстро и эффективно, прежде чем они достигнут эпителия и попадут внутрь.

Слизь – это барьер, отделяющий собственные клетки организма от чужеродных микробных. В отсутствие слизистого слоя шальные бактерии будут бродить по телу, где им вздумается, как это происходит у губок – их ткани буквально наводнены бактериальными клетками, которые могут составлять до половины сырого веса всей особи. У стрекающих же все лишние микробы оказываются за порогом тела благодаря слою разборчивой слизи.

Исключение неблагополучных бактерий из жизни организма могло положить начало эволюции пищеварительного тракта, а вместе с ней и эволюции более сложноустроенных тел. Когда такие усложненные тела вдруг повылазили на сушу со сложными мордами, им срочно понадобились адаптации к дыханию атмосферным воздухом – тогда из пищеварительной трубки вычленились дыхательные пути, которые тут же столкнулись с проблемой загрязнения инородными частицами и с новыми микробами. На помощь, как водится, поспешила слизь. Она вновь встала слоем на пути патогенов и грязи и с помощью реснитчатого эпителия стала уволакивать их подальше от легких – так же, как когда-то очищала кишечную полость предка. Кха! Откашляли бяку.

Получается, что слизь – это универсальный механизм сопротивления инородным частицам и микробам, который в том или ином виде работает в организмах представителей всех типов животных, как водных, так и сухопутных. Механизм, к слову, довольно консервативный с генетической точки зрения: например, гены муцинов некоторых медуз, таких как ушастая Aurelia aurita, очень похожи по структуре на ген муцина, который присутствует в слизи желудка и легких человека. Клетки, производящие слизь, у стрекающих и людей тоже практически одинаково устроены, да и состав слизи у разных типов животных весьма схож.

Химия слизи

Основной компонент слизи – это, конечно же, вода. Она составляет примерно 95% сырой массы слизи. Еще около 3% – это муцины, или мукопротеины (от лат. mucus – слизь). Остальные 2% – это разные белки, пептиды, липиды, нуклеиновые кислоты и всяческий мусор.

Медузы тоже на 95% состоят из воды. Отсюда вывод: медузы – это ожившая слизь. Эту слизь зовут Aurelia aurita. Фото: Jeff Wildermuth.

Вода определяет такую важную функцию слизи, как увлажнение эпителия. Однако на содержание в слизи воды влияет ионный транспорт через этот самый эпителий, и в некоторых случаях это влияние оборачивается неприятностями для носителя. Нарушение электролитного обмена при муковисцидозе, например, ведет к дегидратации слизи и повышению ее вязкости – в результате реснитчатый эпителий перестает справляться с очисткой дыхательных путей и может произойти их закупорка, а следом и легочная инфекция. Так болезнь превращает слизь из друга во врага.

Вязкость в целом – если не брать экстремальные варианты – свойство для слизи полезное и характерное. Именно благодаря вязкости слизь осуществляет свою главную функцию в организме – создает защитный барьер против микробов, оставаясь при этом проницаемой для газов и воды. Она же делает слизь эластичной смазкой – одновременно податливой и устойчивой к физическому воздействию субстанцией. Благодаря вязкости слизь не стекается с желудочно-кишечного эпителия и не вытекает из ануса вместе с фекалиями мерзкой струйкой при ходьбе. А все потому, что в слизи есть муцины.

Муцины – одни из самых крупных макромолекул во Вселенной. Они состоят из белковой цепи, богатой повторяющимися последовательностями из пролина, треонина и серина (аминокислоты такие), и множества олигосахаридных цепочек, присоединенных к ней через атомы кислорода гидроксильных групп аминокислот. Именно эти сахарные цепочки определяют вязко-эластичные свойства и барьерно-смазочную функцию слизи.

Они же играют ключевую роль в компактизации и секреции муцинов. Внутри бокаловидных клеток эпителия муцины хранятся в виде компактных гранул с высокой концентрацией положительно заряженных протонов и ионов кальция, «маскирующих» отрицательный заряд олигосахаридов и предотвращающих их электростатическое отталкивание, которое может привести к расправлению гигантской молекулы. Когда же происходит секреция гранул и «маска» сбрасывается, муцины разбухают в тысячу, а то и в три тысячи раз, вбирают в себя воду и формируют гель. Так зарождается слизь.

Защита слизи

Толщина слизистого слоя может варьировать в разных органах и тканях в зависимости от физиологических условий. Так, глазная слизь – это прослойка толщиной меньше тысячной доли миллиметра (0,2–1 мкм), а в желудке и толстой кишке человека она на два порядка толще (50–200 мкм). У здоровых женщин толщина и свойства шеечно-влагалищной слизи зависят от фазы менструального цикла и уровня гормонов: к моменту овуляции ее пористость увеличивается, вязкость снижается, и это облегчает прохождение сперматозоидов, случись вдруг что.

Фовеолярные клетки (стрелка) в эпителии желудка выделяют слизь, которая несколько отличается от слизи бокаловидных клеток кишечника. Ее функция – защитить слизистую оболочку от переваривания желудочным соком. Эта слизь богата бикарбонатами, которые нейтрализуют соляную кислоту, выделяемую соседними париетальными клетками. Фото: Bronner, 2014.

В желудочно-кишечном тракте слизь еще и двуслойная: нижний слой прилегает к эпителиальным клеткам (указанная выше толщина относится как раз к нему), он практически лишен бактерий, а вот поверх него намазана более вялая слизь, и в ней бактериальные сообщества вовсю процветают. Глубже, в более плотный слой, эти дружественные бактерии благоразумно не ныряют, чтобы не вызвать гнев иммунной системы и не поставить под удар всю кишечную микробиоту. Ее состав, кстати, может влиять на толщину слизи в толстой кишке, а сам он зависит от диеты хозяина.

Если все же какие-то пронырливые бактерии решат пошалить и направятся вглубь, у слизи есть на них полицейская управа: муцины толстой кишки строят полимерные сети, в которых нарушителей поджидают белки ZG16. Эти белки хватают непрошеных гостей за пептидогликаны клеточных стенок и собирают их в кучу, словно в автозак. Микробы арестованы! Они удерживаются на безопасном расстоянии от эпителия без угрозы применения бактерицидного насилия, которое неизбежно при воспалении кишечника. Правда, работает данный механизм только с грамположительными бактериями, такими как сенная палочка (Bacillus subtilis) и фекальный энтерококк (Enterococcus faecalis), а грамотрицательных, типа кишечной палочки (Escherichia coli) и хрупкого бактероида (Bacteroides fragilis), схватить почему-то не удается.

В тонкой кишке млекопитающих противомикробной защитой занимаются суровые эпителиальные клетки Панета (их открыл и описал суровый австрийский врач Йозеф Панет). Они «охраняют» сидящие по соседству стволовые клетки, многие из которых после дифференцировки пополняют армию бокаловидных клеток – производителей слизи. Кроме того, клетки Панета выделяют в слизь белки и пептиды, чьей основной задачей является борьба с патогенами, – такие как альфа-дефензины (эти «защитины» также содержатся в иммунных клетках – нейтрофилах и макрофагах). Не звери первые, конечно, придумали так делать – многие кораллы тоже выделяют в слизь противомикробные соединения и живут отлично.

Кишечные палочки и холерные вибрионы пробираются сквозь слизь к слизистой оболочке человека (слева) с помощью ферментов муциназ, так же как вибрионы, заражающие кораллы (справа), только муциназы у всех разные. Иллюстрация: Bakshani et al., 2018.

Наивно, конечно, думать, что за полмиллиарда лет существования слизи хитрые бактерии не придумали, как ей противостоять. Некоторые, как E. coli и представители рода Vibrio, научились растворять слизь с помощью ферментов муциназ, чтобы добираться сквозь нее до желанного эпителия и распространяться дальше по организму хозяина. У Helicobacter pylori, виновника гастритов и язв, тоже есть гены похожих ферментов, однако никто не видел, чтобы бактерия применяла их на практике. Обычно, вместо того чтобы растворять слизь, хеликобактер с помощью жгутиков вбуравливается в нее своим точеным телом и попутно «писает» уреазой, локально снижая кислотность и разжижая слизь, чем явно облегчает себе продвижение. А синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) использует сульфатазу для уничтожения сульфатной защиты муциновых олигосахаридов, а затем уже крушит беззащитный муциновый белок. Бедная, бедная слизь.

Но не стоит списывать слизь в утиль, она по-прежнему развивается, эволюционирует, учится. Она уже способна обуздать даже некоторые грибковые патогены! Например, Candida albicans, предвестница молочницы, в присутствие муцинов перестает отращивать гифы, которые обычно жадно запускает в эпителий при колонизации организма, а вместо них у нее вырастают какие-то безыдейные и ни на что не годные культяпки. Муцины в этих экспериментах были взяты из легочной слизи и слюны человека, а также из кишечника свиньи – и эффект везде один и тот же: работа ряда генов гриба подавляется, его морфология и физиология видоизменяются, инфекция предотвращается. Слизь – молодец.

Применение слизи

Вообще говоря, слизь – весьма многообещающая субстанция. И не только для терапии инфекционных заболеваний, но и с точки зрения биотехнологического потенциала. Муцины медуз предлагают использовать в производстве защитных покрытий, поскольку они нетоксичны и изобильны – медуз в океане полно, и слизи в медузах полно. Муцины людей можно намазывать на имплантаты или добавлять в гидрогели, наносимые на раны. Фрагменты муцинов, богатые аминокислотой цистеином, рассматривают как потенциальное средство контрацепции: они благоприятствуют формированию сцепок между муцинами слизи шейки матки, что ведет к изменению диаметра пор и снижению вероятности проникновения сперматозоидов, случись вдруг что.

Недавно зоологи выяснили, что австралийские слизни Triboniophorus graeffei намертво приклеивают вражеских лягушек к веткам с помощью особой слизи, которая отличается от той, что облегчает движение. Защитная слизь гораздо гуще и намного более клейкая, вода не только не растворяет ее, а еще и усиливает ее липкость. Фото: Gould et al., 2019.

Однако на пути к биотехнологическому прогрессу стоят определенные ограничения. Может, слизких медуз и много на свете, а вот людей, готовых позволить выжать из себя и без того не слишком обильную слизь, довольно-таки мало. Добыть субстанцию в больших количествах из представителей животного мира, не нанеся разительный урон их популяциям, не представляется возможным. Вдобавок извлечение муцинов из слизистого сырья в промышленных масштабах не обойдется без использования летучих токсичных катализаторов, что поставит под вопрос биомедицинскую годность конечного продукта.

А сколько полезных препаратов могло бы получиться из слизи! Медузьи муцины применялись бы в лечении остеоартрита или наращивании хрящей в суставах. Биоактивными соединениями из слизи сомов врачевали бы раны, раз уж они подавляют рост патогенных стафилококков, синегнойных и кишечных палочек не хуже иных антибиотиков. Увы, сомов на всех калек не напасешься. Слизь – на вес золота.

Кстати, о золоте. Несколько лет назад выяснилось, что слизь медуз и гребневиков способна улавливать наночастицы золота из загрязненной воды. Это вдохновило ученых… нет, не отжать у всех кишечнополостных мира их самородную слизь, устроив им тотальный Клондайк, – а использовать ее для очистки воды от микропластика. Загрязнение океана пластиком – бич нашего времени, полтораста миллионов тонн пластмассы плавает в нем сейчас, ежегодно прирастая еще тринадцатью миллионами. Не так давно Евросоюз одобрил и профинансировал инициативу GoJelly по разработке слизефильтров для промышленных предприятий, стабильно пополняющих пластиком растущую пластисферу. Предварительные эксперименты показывают, что медузья слизь может связывать микроскопические частички пластика, как золото, и на некоторых очистных сооружениях уже тестируются слизкие прототипы. Так что, возможно, именно слизь спасет нашу планету, которую мы безответственно и стремительно губим. Слизь, ты хороший человек, спасибо тебе.


Текст: Виктор Ковылин. Иллюстрация на обложке: Michal Ivan / World Of Warcraft

Редакция выражает огромную признательность Николаю Кочкину за его благодетельную поддержку этого номера «Батрахоспермума». Дорогой Николай, пусть слизь вашей жизни всегда будет доброй, полезной и тягучей!

Все права на текст принадлежат нашему журналу. Убедительная просьба не копировать его в соцсети или куда-либо еще без договоренности с редакцией. Если хотите поделиться информацией с вашими подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на этот номер – мы будем рады. И конечно, будем очень признательны за любую поддержку нашего проекта. С уважением, Батрахоспермум.

Вас также могут заинтересовать статьи:
Удивительные свойства миксины завязаны друг на друге в узел
Слизкие сосисы гигантского маиса сосут азот прямо из воздуха
Пластисфера – новая оболочка Земли


Комментарии:

Высказать свое мудрое мнение