Trăim într-o lume bacteriană și ne afectează mai mult decât se credea până acum

Deși oamenii de știință știu de mulți ani că animalele servesc drept gazdă pentru bacterii, care trăiesc în special în intestine/intestine, în gură și pe piele, cercetările recente au scos la iveală cât de numeroși sunt acești microbi. Studiile au arătat că oamenii au în organism de aproximativ 10 ori mai multe celule bacteriene decât celule umane. (Cu toate acestea, totalul bacteriilor cântărește mai puțin de o jumătate de kilogram, deoarece celulele bacteriene sunt mult mai mici decât celulele umane).

În timp ce unele dintre aceste bacterii trăiesc pur și simplu alături de animale, fără a interacționa prea mult, unele dintre ele interacționează foarte mult. Asociem adesea bacteriile cu „germenii” sau agenții patogeni care cauzează boli, iar bacteriile sunt responsabile de multe boli, cum ar fi tuberculoza, ciuma bubonică și infecțiile cu MRSA. Dar bacteriile fac și multe lucruri bune, iar cercetările recente subliniază faptul că viața animală nu ar fi la fel fără ele.

„Numărul real al speciilor de bacterii din lume este uimitor de mare, inclusiv bacteriile care se găsesc acum în jurul Pământului în cele mai înalte straturi ale atmosferei noastre și în rocile din adâncurile de sub fundul mării”, a declarat Hadfield. „Apoi adăugați-le pe toate cele din toate mediile posibile la care vă puteți gândi, de la haznale la izvoare termale, și peste tot pe și în aproape orice organism viu. Prin urmare, proporția tuturor speciilor bacteriene care este patogenă pentru plante și animale este cu siguranță mică. Bănuiesc că proporția care este benefică/necesară pentru plante și animale este la fel de mică în raport cu numărul total de bacterii prezente în univers, și cu siguranță majoritatea bacteriilor, din această perspectivă, sunt „neutre”. Cu toate acestea, sunt, de asemenea, convins că numărul microbilor benefici, chiar și al microbilor foarte necesari, este mult, mult mai mare decât numărul agenților patogeni.”

Originea animalelor și coevoluția

De la începuturile noastre umile, este posibil ca bacteriile să fi jucat un rol important, ajutând la originea organismelor multicelulare (în urmă cu aproximativ 1-2 miliarde de ani) și la originea animalelor (în urmă cu aproximativ 700 de milioane de ani). Cercetătorii au descoperit recent că una dintre cele mai apropiate rude vii ale animalelor pluricelulare, o choanoflagelată unicelulară, răspunde la semnalele transmise de una dintre bacteriile sale pradă. Aceste semnale determină celulele choanoflagelatelor care se divid să păstreze conexiunile, ceea ce duce la formarea unor colonii bine coordonate care ar fi putut deveni organisme multicelulare. Cu toate acestea, astfel de chestiuni legate de origine au fost subiecte de dezbateri intense, iar oamenii de știință au multe ipoteze cu privire la modul în care au apărut aceste forme de viață. Un rol bacterian în aceste procese nu exclude alte perspective, ci adaugă o considerație suplimentară.

După ce au ajutat animalele la început, bacteriile au jucat, de asemenea, un rol important în a le ajuta pe parcursul evoluției lor. În timp ce dezvoltarea animalelor este considerată în mod tradițional ca fiind dirijată în primul rând de propriul genom al animalului ca răspuns la factorii de mediu, cercetările recente au arătat că dezvoltarea animalelor poate fi mai bine privită ca o orchestrație între animal, mediu și coevoluția a numeroase specii microbiene. Un exemplu al acestei coevoluții s-ar putea să fi avut loc atunci când mamiferele au evoluat spre endotermie, sau capacitatea de a menține o temperatură constantă de aproximativ 40 °C (100 °F) prin mijloace metabolice. Aceasta este, de asemenea, temperatura la care partenerii bacterieni ai mamiferelor lucrează la eficiență optimă, furnizând energie pentru mamifere și reducând necesarul de hrană al acestora. Această constatare sugerează că temperatura preferată de bacterii ar fi putut exercita o presiune de selecție asupra evoluției genelor asociate cu endotermia.

Semnalizare bacteriană

Dovezile unei alianțe adânc înrădăcinate între animale și bacterii apar, de asemenea, în genomurile ambelor grupuri. Cercetătorii estimează că aproximativ 37% din cele 23.000 de gene umane au omologi cu bacteriile și archaea, adică sunt înrudite cu gene găsite în bacterii și archaea care au derivat dintr-un strămoș comun.

Multe dintre aceste gene omologe permit semnalizarea între animale și bacterii, ceea ce sugerează că acestea au fost capabile să comunice și să își influențeze reciproc dezvoltarea. Un exemplu este descoperirea lui Hadfield și a grupului său că semnalizarea bacteriană joacă un rol esențial în inducerea metamorfozei la unele larve de nevertebrate marine, unde bacteriile produc indicii asociate cu anumiți factori de mediu. Alte studii au descoperit că semnalizarea bacteriană influențează dezvoltarea normală a creierului la mamifere, afectează comportamentul reproductiv atât la vertebrate, cât și la nevertebrate, și activează sistemul imunitar la muștele tsetse. Substanțele chimice olfactive care atrag unele animale (inclusiv oamenii) către partenerii lor potențiali sunt, de asemenea, produse de bacteriile rezidente ale animalelor.

Semnalizarea bacteriană nu este doar esențială pentru dezvoltare, ci ajută și animalele să mențină homeostazia, menținându-ne sănătoși și fericiți. După cum au arătat cercetările, bacteriile din intestin pot comunica cu creierul prin intermediul sistemului nervos central. Studiile au descoperit că șoarecii fără anumite bacterii prezintă defecte în regiunile creierului care controlează anxietatea și comportamentul asemănător depresiei. Semnalizarea bacteriană joacă, de asemenea, un rol esențial în paza sistemului imunitar al unui animal. Perturbarea acestor căi de semnalizare bacteriană poate duce la boli precum diabetul, bolile inflamatorii intestinale și infecțiile. Studiile sugerează, de asemenea, că mulți dintre agenții patogeni care provoacă boli la animale au „deturnat” aceste canale de comunicare bacteriană care au evoluat inițial pentru a menține un echilibru între animal și sute de specii bacteriene benefice.

Semnalizarea apare, de asemenea, în arena mai largă a ecosistemelor. De exemplu, bacteriile din nectarul florilor pot schimba proprietățile chimice ale nectarului, influențând modul în care polenizatorii interacționează cu plantele. Copiii umani care se nasc pe cale vaginală au bacterii intestinale diferite față de cei născuți prin cezariană, ceea ce poate avea efecte de lungă durată. Iar bacteriile care se hrănesc cu animale moarte pot respinge animalele necrofage – organisme de 10.000 de ori mai mari decât ele – prin producerea de mirosuri nocive care le semnalează necrofagiilor să stea la distanță.

În intestin

La primele animale, bacteriile intestinale au jucat un rol important în nutriție, ajutând animalele să-și digere hrana, și este posibil să fi influențat dezvoltarea altor sisteme de organe din apropiere, cum ar fi sistemul respirator și cel urogenital. De asemenea, evoluția animalelor a determinat probabil evoluția bacteriilor, uneori în nișe foarte specializate. De exemplu, 90% dintre speciile de bacterii din intestinele termitelor nu se găsesc nicăieri altundeva. O astfel de specializare înseamnă, de asemenea, că dispariția fiecărei specii de animale duce la dispariția unui număr necunoscut de neamuri bacteriene care au evoluat odată cu ea.

Științii au descoperit, de asemenea, că bacteriile din intestinul uman se adaptează la schimbarea dietelor. De exemplu, majoritatea americanilor au un microbiom intestinal optimizat pentru a digera o dietă bogată în grăsimi și proteine, în timp ce oamenii din zonele rurale din Amazonas, Venezuela, au microbi intestinali mai potriviți pentru a descompune carbohidrații complecși. Unii oameni din Japonia au chiar și o bacterie intestinală care poate digera algele marine. Cercetătorii cred că microbiomul intestinal se adaptează în două moduri: prin adăugarea sau eliminarea anumitor specii de bacterii și prin transferul genelor dorite de la o bacterie la alta prin transfer orizontal de gene. Atât gazda, cât și bacteria beneficiază de pe urma acestui tip de relație simbiotică, despre care cercetătorii cred că este mult mai răspândită decât se credea anterior.

În ansamblu, studiile recente au arătat că animalele și bacteriile au istorii profund interconectate și că depind una de cealaltă pentru propria sănătate și bunăstare, precum și pentru cea a mediului în care trăiesc. Deși cercetătorii s-au concentrat exclusiv pe interacțiunile dintre animale și bacterii, ei se așteaptă ca tendințe similare de codependență și simbioză să fie universale în rândul și între alte grupuri, cum ar fi Archaea, ciupercile, plantele și animalele. Odată considerată o excepție, o astfel de întrepătrundere devine acum recunoscută ca regulă – exact așa cum a prezis Margulis cu multe decenii în urmă. Datorită acestor relații simbiotice, oamenii de știință de aici propun că înseși definițiile unui organism, ale unui mediu, ale unei populații și ale unui genom au devenit neclare și ar trebui să fie revizuite. S-ar putea, de exemplu, ca animalele să fie mai bine privite ca ecosisteme gazdă-microbi decât ca indivizi.

În plus, oamenii de știință prezic că descoperirile recente privind interacțiunile dintre animale și bacterii vor necesita probabil ca biologii să își modifice semnificativ viziunea asupra naturii fundamentale a întregii biosfere. În acest sens, sunt deja în curs de desfășurare proiecte de cercetare la scară largă, cum ar fi Proiectul Microbiomul uman și Proiectul Microbiomul Pământului, pentru a investiga gama largă de bacterii din sistemele individuale și globale și pentru a vedea ce se întâmplă atunci când bacteriile sunt perturbate.

În cele din urmă, oamenii de știință speră că rezultatele vor promova o mai mare colaborare transdisciplinară între oamenii de știință și inginerii din diferite domenii pentru a explora noua frontieră microbiană. Ei susțin că aceste descoperiri ar trebui să revoluționeze modul în care este predată biologia de la nivelul liceului în sus, concentrându-se mai mult asupra relațiilor dintre bacterii, partenerii lor animali și toate celelalte forme de viață.

„Este dificil să rezumăm o singură „cea mai importantă concluzie”, alta decât avertismentul pentru biologii care studiază animalele, de la comportament la fiziologie și de la ecologie la biologie moleculară, că indiferent de procesul pe care crezi că îl studiezi, trebuie să cauți și să iei în considerare un rol major al bacteriilor”, a declarat Hadfield. „În multe cazuri, acest lucru poate necesita parteneriate dincolo de granițele tradiționale ale cercetării, ceea ce înseamnă că zoologii trebuie să colaboreze cu microbiologii pentru a-și avansa cercetările, că biologii moleculari trebuie să colaboreze cu biologii organismelor întregi, etc. Ne dorim foarte mult ca mesajul din „Animale într-o lume bacteriană” să fie un apel la dispariția necesară a vechilor granițe dintre departamentele de științe ale vieții (de exemplu, departamentele de zoologie, botanică, microbiologie etc.) din universități și societăți (de exemplu, Societatea Americană de Microbiologie etc.). De asemenea, dorim ca mesajul să fie diseminat în clasele de colegiu și universitate, de la cursuri introductive de biologie până la cursuri avansate în diferitele domenii tematice ale lucrării noastre.”

Rezultatele vor schimba profund modul în care oamenii de știință din această colaborare își continuă propriile domenii de cercetare, a spus Hadfield.

„Fiecare dintre autorii lucrării noastre efectuează cercetări de bază în unul sau mai multe domenii ale interacțiunilor animale-bacterii discutate în lucrare și sunt sigur că fiecare va continua să se concentreze asupra propriei sale specialități”, a spus el. „Cu toate acestea, sunt, de asemenea, sigur că interacțiunile dezvoltate în timpul compunerii și redactării lucrării (începând cu întâlnirea noastră NESCent din octombrie 2011, când majoritatea dintre noi ne-am întâlnit pentru prima dată) vor avea un impact asupra propriilor noastre cercetări și ne vor determina să stabilim noi colaborări cu alte laboratoare. Acest lucru s-a întâmplat deja în cazul meu; am o nouă colaborare cu grupul lui Dianne Newman de la CalTech, un grup remarcabil de bacteriologi care ne ajută să facem o investigație mult mai aprofundată a produselor genetice bacteriene responsabile de dezvoltarea larvelor.”