by Lisa Zyga , Phys.org
(Phys.org)- Przez całą swoją karierę słynna biolog Lynn Margulis (1938-2011) przekonywała, że świat mikroorganizmów ma znacznie większy wpływ na całą biosferę – świat wszystkich żywych istot – niż naukowcy zazwyczaj uznają. Obecnie zespół naukowców z uniwersytetów na całym świecie zebrał i skompilował wyniki setek badań, w większości z ostatniej dekady, dotyczących interakcji między zwierzętami a bakteriami, i wykazał, że Margulis miała rację. Połączone wyniki sugerują, że dowody wspierające pogląd Margulis osiągnęły punkt krytyczny, wymagając od naukowców ponownego zbadania niektórych podstawowych cech życia przez pryzmat złożonych, współzależnych relacji między bakteriami i innymi bardzo różnymi formami życia.
Projekt przeglądu aktualnych badań nad interakcjami zwierzęco-bakteryjnymi rozpoczął się, gdy niektórzy naukowcy dostrzegli znaczenie bakterii w swoich własnych dziedzinach nauki. Dla Michaela Hadfielda, profesora biologii na University of Hawaii at Manoa, uznanie to rosło przez wiele lat podczas badania metamorfozy zwierząt morskich. Odkrył on, że pewne bakterie wpływają na larwy morskie, aby osiedlić się w określonych miejscach na dnie morza, gdzie przekształcają się w młode osobniki i przeżywają resztę swojego życia.
„Po ustaleniu, że specyficzne bakterie biofilmowe dostarczają niezbędnego i unikalnego ligandu do stymulowania larw jednego globalnie rozprzestrzenionego robaka morskiego, nasze badania w naturalny sposób przeszły do badania części genomu bakterii odpowiedzialnej za sygnalizację oraz do innych gatunków, gdzie znaleźliśmy te same geny” – powiedział Hadfield w wywiadzie dla Phys.org. „Pochodząc z różnych punktów widzenia na badanie interakcji między zwierzętami i bakteriami, i rozpoznając wiele innych, Margaret McFall-Ngai i ja szeroko dyskutowaliśmy nad obecną sytuacją, a następnie zdecydowaliśmy się podjąć próbę zebrania znacznej liczby ekspertów od różnych podejść do badania interakcji między bakteriami i zwierzętami w celu przygotowania pracy takiej jak ta, którą macie w ręku. Zaproponowaliśmy 'spotkanie katalityczne’ na ten temat do National Science Foundation’s National Evolutionary Synthesis Center (NESCent), które zostało sfinansowane, a projekt wystartował.”
Bakterie nas otaczają
W wielu aspektach łatwo jest dostrzec znaczącą rolę, jaką bakterie odgrywają w świecie. Bakterie były jednymi z pierwszych form życia, które pojawiły się na Ziemi, około 3,8 miliarda lat temu, i najprawdopodobniej przetrwają długo po tym, jak ludzie odejdą. W obecnym drzewie życia zajmują one jedną z trzech głównych gałęzi (pozostałe dwie to Archaea i Eucarya, przy czym do tej ostatniej należą zwierzęta). Chociaż bakterie są niezwykle zróżnicowane i żyją niemal wszędzie na Ziemi, od dna oceanu po wnętrze naszych jelit, mają kilka wspólnych cech. Są podobnej wielkości (kilka mikrometrów), są zwykle zbudowane z pojedynczej komórki lub kilku komórek, a ich komórki nie mają jąder.
Ale naukowcy od wielu lat wiedzą, że zwierzęta służą jako żywiciel dla bakterii, które żyją zwłaszcza w jelitach, w jamie ustnej i na skórze, ostatnie badania ujawniły, jak liczne są te mikroby. Badania wykazały, że ludzie mają około 10 razy więcej komórek bakteryjnych w naszych ciałach niż my mamy komórek ludzkich. (Jednakże, całkowita waga bakterii wynosi mniej niż pół funta, ponieważ komórki bakteryjne są znacznie mniejsze niż komórki ludzkie).
Podczas gdy niektóre z tych bakterii po prostu żyją obok zwierząt, nie wchodząc w duże interakcje, niektóre z nich wchodzą w duże interakcje. Często kojarzymy bakterie z chorobotwórczymi „zarazkami” lub patogenami, a bakterie są odpowiedzialne za wiele chorób, takich jak gruźlica, dżuma i zakażenia MRSA. Ale bakterie robią również wiele dobrych rzeczy, a ostatnie badania podkreślają fakt, że życie zwierząt nie byłoby takie samo bez nich.
„Prawdziwa liczba gatunków bakterii na świecie jest oszałamiająco ogromna, w tym bakterie obecnie znalezione krążące wokół Ziemi w najbardziej górnych warstwach naszej atmosfery i w skałach głęboko pod dnem morza”, powiedział Hadfield. „Następnie dodajmy wszystkie te, które pochodzą ze wszystkich możliwych środowisk, jakie można sobie wyobrazić, od szamba do gorących źródeł, a wszystko to na i w praktycznie każdym żywym organizmie. Dlatego proporcja wszystkich gatunków bakterii, które są patogenne dla roślin i zwierząt jest z pewnością niewielka. Podejrzewam, że proporcja, która jest korzystna/niezbędna dla roślin i zwierząt jest podobnie mała w stosunku do całkowitej liczby bakterii obecnych we wszechświecie, i z pewnością większość bakterii, w tej perspektywie, jest „neutralna”. Jednak jestem również przekonany, że liczba korzystnych mikrobów, nawet bardzo potrzebnych mikrobów, jest znacznie, znacznie większa niż liczba patogenów.”
Początki zwierząt i koewolucja
Od naszych skromnych początków, bakterie mogły odegrać ważną rolę, pomagając w początkach organizmów wielokomórkowych (około 1-2 miliardy lat temu) i w początkach zwierząt (około 700 milionów lat temu). Naukowcy odkryli niedawno, że jeden z najbliższych żyjących krewnych zwierząt wielokomórkowych, jednokomórkowy choanoflagellat, reaguje na sygnały od jednej ze swoich ofiar – bakterii. Sygnały te powodują, że dzielące się komórki choanoflagellatów zachowują połączenia, co prowadzi do powstawania dobrze skoordynowanych kolonii, które mogły stać się organizmami wielokomórkowymi. Jednak takie pytania o pochodzenie były przedmiotem intensywnej debaty, a naukowcy mają wiele hipotez na temat tego, jak powstały te formy życia. Rola bakterii w tych procesach nie wyklucza innych perspektyw, ale dodaje dodatkowe rozważania.
Po pomocy w rozpoczęciu rozwoju zwierząt, bakterie odegrały również ważną rolę w pomaganiu im na ich ewolucyjnej ścieżce. Podczas gdy rozwój zwierząt jest tradycyjnie uważany za kierowany głównie przez własny genom zwierzęcia w odpowiedzi na czynniki środowiskowe, ostatnie badania wykazały, że rozwój zwierząt może być lepiej przemyślany jako orkiestracja pomiędzy zwierzęciem, środowiskiem i koewolucją licznych gatunków bakterii. Jednym z przykładów takiej koewolucji może być wykształcenie się u ssaków endotermii, czyli zdolności do utrzymywania stałej temperatury około 40 °C (100 °F) za pomocą przemiany materii. Jest to również temperatura, w której bakteryjni partnerzy ssaków pracują z optymalną wydajnością, dostarczając ssakom energii i zmniejszając ich zapotrzebowanie na pożywienie. Odkrycie to sugeruje, że preferowana przez bakterie temperatura mogła wywrzeć presję selekcyjną na ewolucję genów związanych z endotermią.
Bakteryjna sygnalizacja
Dowody na głęboko zakorzeniony sojusz między zwierzętami i bakteriami pojawiają się również w genomach obu grup. Naukowcy szacują, że około 37% z 23 000 ludzkich genów ma homologi z bakteriami i Archaea, tzn. są one powiązane z genami występującymi u bakterii i Archaea, które pochodzą od wspólnego przodka.
Wiele z tych homologicznych genów umożliwia sygnalizację między zwierzętami i bakteriami, co sugeruje, że były one w stanie komunikować się i wpływać wzajemnie na swój rozwój. Jednym z przykładów jest odkrycie Hadfielda i jego grupy, że sygnalizacja bakteryjna odgrywa istotną rolę w indukowaniu metamorfozy u niektórych larw morskich bezkręgowców, gdzie bakterie produkują wskazówki związane z konkretnymi czynnikami środowiskowymi. Inne badania wykazały, że sygnalizacja bakteryjna wpływa na prawidłowy rozwój mózgu u ssaków, wpływa na zachowania reprodukcyjne u kręgowców i bezkręgowców oraz aktywuje system immunologiczny u much tsebsa. Węchowe substancje chemiczne, które przyciągają niektóre zwierzęta (w tym ludzi) do ich potencjalnych partnerów są również produkowane przez bakterie zamieszkujące te zwierzęta.
Bakteryjna sygnalizacja jest nie tylko niezbędna dla rozwoju, ale również pomaga zwierzętom utrzymać homeostazę, dzięki czemu jesteśmy zdrowi i szczęśliwi. Jak wykazały badania, bakterie w jelitach mogą komunikować się z mózgiem poprzez centralny układ nerwowy. Badania wykazały, że myszy pozbawione pewnych bakterii mają defekty w regionach mózgu, które kontrolują zachowania podobne do lęku i depresji. Sygnalizacja bakteryjna odgrywa również istotną rolę w pilnowaniu systemu odpornościowego zwierząt. Zakłócenie tych bakteryjnych szlaków sygnałowych może prowadzić do chorób takich jak cukrzyca, zapalne choroby jelit i infekcje. Badania sugerują również, że wiele patogenów wywołujących choroby u zwierząt „porwało” te bakteryjne kanały komunikacyjne, które pierwotnie ewoluowały w celu utrzymania równowagi pomiędzy zwierzęciem a setkami pożytecznych gatunków bakterii.
Sygnalizacja pojawia się również na większej arenie ekosystemów. Na przykład, bakterie w nektarze kwiatowym mogą zmieniać właściwości chemiczne nektaru, wpływając na sposób, w jaki zapylacze wchodzą w interakcje z roślinami. Ludzkie niemowlęta urodzone drogą pochwową mają inne bakterie jelitowe niż te urodzone przez cesarskie cięcie, co może mieć długotrwałe skutki. A bakterie żerujące na martwych zwierzętach mogą odstraszać padlinożerców – organizmy 10 000 razy większe od nich – wytwarzając szkodliwe zapachy, które sygnalizują padlinożercom, by trzymali się z daleka.
W jelitach
W najwcześniejszych zwierzętach bakterie jelitowe odgrywały ważną rolę w żywieniu, pomagając zwierzętom trawić pokarm, i mogły wpłynąć na rozwój innych pobliskich układów narządów, takich jak układ oddechowy i moczowo-płciowy. Podobnie, ewolucja zwierząt prawdopodobnie doprowadziła do ewolucji bakterii, czasami w wysoce wyspecjalizowane nisze. Na przykład 90% gatunków bakterii w jelitach termitów nie występuje nigdzie indziej. Taka specjalizacja oznacza również, że wyginięcie każdego gatunku zwierzęcia powoduje wyginięcie nieznanej liczby linii bakterii, które ewoluowały razem z nim.
Naukowcy odkryli również, że bakterie w ludzkich jelitach dostosowują się do zmieniającej się diety. Na przykład, większość Amerykanów ma mikrobiom jelitowy, który jest zoptymalizowany do trawienia diety wysokotłuszczowej, wysokobiałkowej, podczas gdy ludzie w wiejskiej Amazonii, Wenezueli, mają mikrobiom jelitowy lepiej przystosowany do rozkładania złożonych węglowodanów. Niektórzy ludzie w Japonii mają nawet bakterie jelitowe, które mogą trawić wodorosty. Naukowcy uważają, że mikrobiom jelitowy dostosowuje się na dwa sposoby: poprzez dodawanie lub usuwanie pewnych gatunków bakterii oraz poprzez przenoszenie pożądanych genów z jednej bakterii na drugą w drodze horyzontalnego transferu genów. Zarówno gospodarz, jak i bakterie korzystają z tego rodzaju symbiotycznej relacji, która zdaniem badaczy jest znacznie bardziej rozpowszechniona niż wcześniej sądzono.
Główny obraz
W sumie ostatnie badania wykazały, że zwierzęta i bakterie mają historie, które są głęboko splecione, i zależą od siebie nawzajem dla własnego zdrowia i dobrego samopoczucia, jak również dla swoich środowisk. Chociaż badacze skupili się wyłącznie na interakcjach między zwierzętami i bakteriami, oczekują, że podobne tendencje współzależności i symbiozy są uniwersalne wśród i pomiędzy innymi grupami, takimi jak Archaea, grzyby, rośliny i zwierzęta. Takie przenikanie się, kiedyś uważane za wyjątek, obecnie staje się regułą – dokładnie tak, jak Margulis przewidziała to wiele dekad temu. Ze względu na te symbiotyczne relacje, naukowcy proponują, że definicje organizmu, środowiska, populacji i genomu uległy rozmyciu i powinny zostać zrewidowane. Być może, na przykład, zwierzęta są lepiej postrzegane jako ekosystemy gospodarz-mikrob, niż jako jednostki.
W dodatku naukowcy przewidują, że ostatnie odkrycia dotyczące interakcji zwierząt z bakteriami będą prawdopodobnie wymagać od biologów znacznej zmiany ich poglądów na temat fundamentalnej natury całej biosfery. Wzdłuż tych linii, duże projekty badawcze, takie jak Human Microbiome Project i Earth Microbiome Project są już w toku, aby zbadać szeroki zakres bakterii w indywidualnych i globalnych systemach, i zobaczyć, co się dzieje, gdy bakterie są zakłócane.
Na koniec, naukowcy mają nadzieję, że wyniki będą promować bardziej interdyscyplinarną współpracę między naukowcami i inżynierami z różnych dziedzin, aby zbadać nową granicę mikrobiomu. Twierdzą oni, że te odkrycia powinny zrewolucjonizować sposób nauczania biologii od poziomu szkoły średniej w górę, poprzez skupienie się bardziej na związkach pomiędzy bakteriami, ich zwierzęcymi partnerami i wszystkimi innymi formami życia.
„Trudno jest podsumować pojedynczy 'najważniejszy wniosek’, inny niż napomnienie dla biologów badających zwierzęta, od zachowania do fizjologii i ekologii do biologii molekularnej, że bez względu na to, jaki proces myślisz, że badasz, musisz szukać i rozważać główną rolę bakterii,” powiedział Hadfield. „W wielu przypadkach może to wymagać partnerstwa ponad tradycyjnymi granicami badań, co oznacza, że zoolodzy muszą współpracować z mikrobiologami, aby rozwijać swoje badania, że biolodzy molekularni muszą współpracować z biologami całego organizmu, itp. Bardzo chcemy, aby przesłanie zawarte w „Zwierzętach w świecie bakterii” było wezwaniem do koniecznego zaniku starych granic pomiędzy wydziałami nauk przyrodniczych (np. wydziały zoologii, botaniki, mikrobiologii, itp.) na uniwersytetach i towarzystwami (np. Amerykańskie Towarzystwo Mikrobiologiczne, itp.). Chcemy również, aby wiadomość została rozpowszechniona w klasach uniwersyteckich i college’owych od biologii wprowadzającej do zaawansowanych kursów w różnych obszarach tematycznych naszej pracy.”
Wyniki głęboko zmienią sposób, w jaki naukowcy z tej współpracy kontynuują swoje własne obszary badań, powiedział Hadfield.
„Każdy z autorów naszej pracy prowadzi podstawowe badania w jednym lub więcej obszarach interakcji zwierzę-bakteria omawianych w pracy i każdy z nich będzie nadal koncentrował się na swojej własnej specjalności, jestem pewien”, powiedział. „Jednak jestem również pewien, że interakcje, które powstały podczas pisania pracy (począwszy od naszego spotkania w NESCent w październiku 2011 r., kiedy większość z nas spotkała się po raz pierwszy) wpłyną na nasze własne badania i spowodują nawiązanie nowej współpracy z innymi laboratoriami. To już się stało w moim przypadku; nawiązałem nową współpracę z grupą Dianne Newman z CalTech, wybitną grupą bakteriologów, którzy pomagają nam przeprowadzić znacznie bardziej dogłębne badania produktów genów bakteryjnych odpowiedzialnych za rozwój larwalny.”
Więcej informacji: Margaret McFall-Ngai, et al. „Zwierzęta w świecie bakterii – nowy imperatyw dla nauk przyrodniczych.” PNAS Early Edition. DOI: 10.1073/pnas.1218525110
Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences