Žijeme v bakteriálním světě a ovlivňuje nás to více, než se dříve myslelo

(Phys.org)- Slavná bioložka Lynn Margulisová (1938-2011) po celou svou kariéru tvrdila, že svět mikroorganismů má mnohem větší vliv na celou biosféru – svět všeho živého – než vědci obvykle uznávají. Tým vědců z univerzit po celém světě nyní shromáždil a shromáždil výsledky stovek studií o interakcích mezi živočichy a bakteriemi, většinou z posledního desetiletí, a ukázal, že Margulisová měla pravdu. Souhrnné výsledky naznačují, že důkazy podporující Margulisův názor dosáhly kritického bodu a vyžadují, aby vědci přehodnotili některé základní rysy života optikou složitých, vzájemně závislých vztahů mezi bakteriemi a dalšími velmi odlišnými formami života.

Projekt přezkoumání současného výzkumu interakcí mezi živočichy a bakteriemi začal, když si někteří vědci uvědomili význam bakterií ve svých vlastních oborech studia. U Michaela Hadfielda, profesora biologie na Havajské univerzitě v Manoa, toto poznání rostlo po mnoho let při studiu metamorfózy mořských živočichů. Zjistil, že určité bakterie ovlivňují mořské larvy, aby se usadily na určitých místech mořského dna, kde se přemění v mladé jedince a prožijí zbytek života.

„Jakmile jsme zjistili, že specifické biofilmové bakterie poskytují nezbytný a jedinečný ligand pro stimulaci larev jednoho celosvětově rozšířeného mořského červa, náš výzkum přirozeně přešel ke studiu části bakteriálního genomu zodpovědného za tuto signalizaci a k dalším druhům, kde jsme našli stejné zapojené geny,“ uvedl Hadfield pro Phys.org. „Protože pocházíme z různých pohledů na studium interakcí mezi živočichy a bakteriemi a rozpoznali jsme mnoho dalších, s Margaret McFall-Ngaiovou jsme současnou situaci důkladně prodiskutovali a pak jsme se rozhodli, že se pokusíme dát dohromady značný počet odborníků na různé přístupy ke studiu interakcí mezi bakteriemi a živočichy, abychom vypracovali článek, jako je ten, který máte v ruce. Navrhli jsme Národnímu centru pro evoluční syntézu (National Evolutionary Synthesis Center, NESCent) při Národní vědecké nadaci uspořádat na toto téma „setkání katalyzátorů“, které bylo financováno, a projekt se rozběhl.“

Bakterie nás obklopují

V mnoha ohledech je snadné si uvědomit, jak významnou roli bakterie ve světě hrají. Bakterie byly jednou z prvních forem života, které se na Zemi objevily, přibližně před 3,8 miliardami let, a s největší pravděpodobností přežijí ještě dlouho poté, co lidé vymřou. V současném stromu života zaujímají jednu ze tří hlavních větví (další dvě jsou Archaea a Eucarya, přičemž živočichové patří do druhé z nich). Ačkoli jsou bakterie nesmírně rozmanité a žijí téměř všude na Zemi, od dna oceánu až po vnitřek našich střev, mají několik společných rysů. Mají podobnou velikost (několik mikrometrů), obvykle jsou tvořeny buď jedinou buňkou, nebo několika buňkami a jejich buňky nemají jádra.

Ačkoli vědci již mnoho let vědí, že živočichové slouží jako hostitelé bakterií, které žijí zejména ve střevech/střevech, v ústech a na kůži, nedávný výzkum odhalil, jak početné tyto mikroby jsou. Studie ukázaly, že lidé mají v těle asi desetkrát více bakteriálních buněk než lidských buněk. (Celkový počet bakterií však váží méně než půl kilogramu, protože bakteriální buňky jsou mnohem menší než lidské).

Zatímco některé z těchto bakterií jednoduše žijí vedle zvířat a příliš spolu neinteragují, některé z nich spolu interagují hodně. Bakterie si často spojujeme s „bacily“ nebo patogeny způsobujícími nemoci a bakterie jsou zodpovědné za mnoho nemocí, jako je tuberkulóza, dýmějový mor nebo infekce MRSA. Bakterie však dělají i mnoho dobrých věcí a nedávný výzkum podtrhuje skutečnost, že život živočichů by bez nich nebyl stejný.

„Skutečný počet bakteriálních druhů na světě je ohromující, včetně bakterií, které nyní krouží kolem Země v nejsvrchnějších vrstvách naší atmosféry a v horninách hluboko pod mořským dnem,“ řekl Hadfield. „Pak přidejte všechny ty ze všech možných prostředí, na která si vzpomenete, od žump po horké prameny, a to všude na a prakticky v každém živém organismu. Podíl všech bakteriálních druhů, které jsou patogenní pro rostliny a živočichy, je tedy jistě malý. Mám podezření, že podíl, který je pro rostliny a živočichy prospěšný/potřebný, je vzhledem k celkovému počtu bakterií přítomných ve vesmíru rovněž malý, a z tohoto pohledu je jistě většina bakterií „neutrální“. Jsem však také přesvědčen, že počet prospěšných mikrobů, dokonce i velmi potřebných mikrobů, je mnohem, mnohem větší než počet patogenů.“

Původ živočichů a koevoluce

Bakterie mohly hrát důležitou roli tím, že asistovaly při vzniku mnohobuněčných organismů (asi před 1-2 miliardami let) a při vzniku živočichů (asi před 700 miliony let). Vědci nedávno zjistili, že jeden z nejbližších žijících příbuzných mnohobuněčných živočichů, jednobuněčný choanoflagelát, reaguje na signály jedné ze svých kořistních bakterií. Tyto signály způsobují, že dělící se buňky choanoflagelátů udržují spojení, což vede k vytvoření dobře koordinovaných kolonií, které se mohly stát mnohobuněčnými organismy. Tyto otázky původu jsou však předmětem intenzivních diskusí a vědci mají mnoho hypotéz o tom, jak tyto formy života vznikly. Bakteriální role v těchto procesech nevylučuje jiné perspektivy, ale přidává další úvahu.

Poté, co bakterie pomohly nastartovat živočichy, sehrály také důležitou roli při pomoci na jejich evoluční cestě. Zatímco se tradičně předpokládá, že vývoj živočichů je řízen především jejich vlastním genomem v reakci na faktory prostředí, nedávný výzkum ukázal, že vývoj živočichů lze lépe chápat jako orchestraci mezi živočichem, prostředím a koevolucí mnoha mikrobiálních druhů. K jednomu z příkladů této koevoluce mohlo dojít, když se u savců vyvinula endotermie neboli schopnost udržovat stálou teplotu přibližně 40 °C pomocí metabolismu. To je také teplota, při které bakteriální partneři savců pracují s optimální účinností, poskytují savcům energii a snižují jejich potřebu potravy. Toto zjištění naznačuje, že bakteriemi preferovaná teplota mohla vyvinout selekční tlak na evoluci genů spojených s endotermií.

Bakteriální signalizace

Důkazy o hluboce zakořeněném spojenectví mezi živočichy a bakteriemi se objevují také v genomech obou skupin. Vědci odhadují, že přibližně 37 % z 23 000 lidských genů má homology s bakteriemi a archei, tj. jsou příbuzné genům nalezeným u bakterií a archeí, které byly odvozeny od společného předka.

Mnoho z těchto homologických genů umožňuje signalizaci mezi živočichy a bakteriemi, což naznačuje, že spolu dokázali komunikovat a vzájemně ovlivňovat svůj vývoj. Jedním z příkladů je objev Hadfielda a jeho skupiny, že bakteriální signalizace hraje zásadní roli při vyvolávání metamorfózy u některých larev mořských bezobratlých, kdy bakterie produkují signály spojené s určitými faktory prostředí. Další studie zjistily, že bakteriální signalizace ovlivňuje normální vývoj mozku u savců, ovlivňuje reprodukční chování u obratlovců i bezobratlých a aktivuje imunitní systém u mušek tse-tse. Čichové chemické látky, které přitahují některé živočichy (včetně lidí) k jejich potenciálním partnerům, jsou rovněž produkovány bakteriemi, které jsou obyvateli těchto živočichů.

Bakteriální signalizace je nejen nezbytná pro vývoj, ale také pomáhá živočichům udržovat homeostázu, udržovat nás zdravé a šťastné. Jak ukázal výzkum, bakterie ve střevech mohou komunikovat s mozkem prostřednictvím centrálního nervového systému. Studie zjistily, že myši bez určitých bakterií mají defekty v oblastech mozku, které řídí úzkost a chování podobné depresi. Bakteriální signalizace hraje také zásadní roli při střežení imunitního systému zvířat. Narušení těchto bakteriálních signálních drah může vést k onemocněním, jako je cukrovka, zánětlivé onemocnění střev a infekce. Studie také naznačují, že mnoho patogenů, které způsobují onemocnění zvířat, „uneslo“ tyto bakteriální komunikační kanály, které se původně vyvinuly k udržení rovnováhy mezi zvířetem a stovkami prospěšných bakteriálních druhů.

Signalizace se objevuje také v širší oblasti ekosystémů. Například bakterie v květním nektaru mohou měnit chemické vlastnosti nektaru a ovlivňovat tak způsob interakce opylovačů s rostlinami. Lidské děti, které se narodí vaginálně, mají jiné střevní bakterie než děti porozené císařským řezem, což může mít dlouhodobé účinky. A bakterie živící se mrtvými zvířaty mohou odpuzovat mrchožrouty – organismy 10 000krát větší než oni – tím, že produkují škodlivé pachy, které mrchožroutům signalizují, aby se drželi dál.

Ve střevech

U prvních živočichů hrály střevní bakterie důležitou roli ve výživě tím, že pomáhaly zvířatům trávit potravu, a mohly ovlivnit vývoj dalších blízkých orgánových systémů, jako je dýchací a urogenitální systém. Stejně tak evoluce živočichů pravděpodobně podnítila vývoj bakterií, někdy do vysoce specializovaných nik. Například 90 % bakteriálních druhů ve střevech termitů se nikde jinde nevyskytuje. Taková specializace také znamená, že vymření každého živočišného druhu má za následek vymření neznámého počtu bakteriálních linií, které se vyvinuly spolu s ním.

Vědci také zjistili, že bakterie v lidských střevech se přizpůsobují měnící se stravě. Například většina Američanů má střevní mikrobiom optimalizovaný pro trávení stravy s vysokým obsahem tuků a bílkovin, zatímco lidé na venezuelském venkově v Amazonii mají střevní mikroby vhodnější pro rozklad složitých sacharidů. Někteří lidé v Japonsku mají dokonce střevní bakterie, které dokáží trávit mořské řasy. Vědci se domnívají, že střevní mikrobiom se přizpůsobuje dvěma způsoby: přidáváním nebo odstraňováním určitých druhů bakterií a přenosem požadovaných genů z jedné bakterie na druhou prostřednictvím horizontálního přenosu genů. Z tohoto druhu symbiotického vztahu, který je podle vědců mnohem rozšířenější, než se dosud předpokládalo, těží jak hostitel, tak bakterie.

Všeobecný obrázek

Všechny nedávné studie ukázaly, že historie zvířat a bakterií je hluboce provázaná a že jsou na sobě navzájem závislí, a to jak z hlediska svého zdraví a pohody, tak z hlediska svého okolí. Přestože se výzkumníci zaměřili výhradně na interakce mezi živočichy a bakteriemi, očekávají, že podobné trendy spoluzávislosti a symbiózy jsou univerzální i mezi dalšími skupinami, jako jsou archea, houby, rostliny a živočichové. Kdysi bylo takové prolínání považováno za výjimku, nyní se stává pravidlem – přesně jak Margulis předpověděl před mnoha desetiletími. Vědci zde navrhují, aby se kvůli těmto symbiotickým vztahům rozostřily samotné definice organismu, prostředí, populace a genomu a aby byly přehodnoceny. Může se například ukázat, že na živočichy je lépe pohlížet jako na ekosystémy hostitelů a mikrobů než jako na jedince.

Vědci navíc předpovídají, že nedávné poznatky o interakcích mezi živočichy a bakteriemi budou pravděpodobně vyžadovat, aby biologové výrazně změnili svůj pohled na základní povahu celé biosféry. V souladu s tím již probíhají rozsáhlé výzkumné projekty, jako je projekt lidského mikrobiomu a projekt mikrobiomu Země, jejichž cílem je prozkoumat širokou škálu bakterií v jednotlivých i globálních systémech a zjistit, co se stane, když jsou bakterie narušeny.

Vědci nakonec doufají, že výsledky podpoří větší mezioborovou spolupráci vědců a inženýrů z různých oborů při zkoumání nové mikrobiální hranice. Tvrdí, že tyto objevy by měly způsobit revoluci ve výuce biologie od středoškolské úrovně výše tím, že se více zaměří na vztahy mezi bakteriemi, jejich živočišnými partnery a všemi ostatními formami života.

„Je těžké shrnout jediný ‚nejdůležitější závěr‘, kromě napomenutí biologům studujícím živočichy, od chování přes fyziologii a ekologii až po molekulární biologii, že bez ohledu na to, jaký proces si myslíte, že studujete, musíte hledat a zvažovat hlavní roli bakterií,“ řekl Hadfield. „V mnoha případech to může vyžadovat partnerství napříč tradičními hranicemi výzkumu, což znamená, že zoologové musí spolupracovat s mikrobiology, aby posunuli svůj výzkum, že molekulární biologové musí spolupracovat s biology zabývajícími se celými organismy atd. Moc bychom si přáli, aby poselstvím článku ‚Zvířata v bakteriálním světě‘ byla výzva k nutnému zániku starých hranic mezi katedrami přírodních věd (např. katedry zoologie, botaniky, mikrobiologie atd.) na univerzitách a společnostmi (např. Americká mikrobiologická společnost atd.). Chceme také, aby se toto poselství rozšířilo ve výuce na vysokých školách a univerzitách od úvodních kurzů biologie až po kurzy pro pokročilé v různých tematických oblastech naší práce.“

Výsledky zásadně změní způsob, jakým vědci z této spolupráce pokračují ve svých vlastních oblastech výzkumu, řekl Hadfield.

„Každý z autorů naší práce provádí základní výzkum v jedné nebo více oblastech interakcí mezi živočichy a bakteriemi, o nichž se v práci hovoří, a jsem si jist, že každý z nich se bude i nadále věnovat své vlastní specializaci,“ řekl. „Jsem si však také jistý, že interakce, které vznikly během sestavování a psaní článku (počínaje naším setkáním v NESCentru v říjnu 2011, kdy se většina z nás setkala poprvé), ovlivní náš vlastní výzkum a přimějí nás k navázání nové spolupráce s dalšími laboratořemi. To se mi již stalo; navázal jsem novou spolupráci se skupinou Dianne Newmanové z CalTechu, vynikající skupinou bakteriologů, kteří nám pomáhají mnohem důkladněji zkoumat bakteriální genové produkty zodpovědné za vývoj larev.“