Simbioza: Zapleteno je

Številni organizmi so zaprti v soodvisne odnose z mikrobi, ki živijo znotraj njih. Toda včasih se ti rezidenčni mikrobi gostijo še bolj drobnih gostov.

Umetnost: Natalya Zahn

Ste že slišali za tropsko panično travo, aka dichanthelium lanuginosum? Verjetno ne. Če pa ste obiskali nacionalni park Yellowstone na ameriškem zahodu, ste morda videli njegove modraste fronte, ki se raztezajo iz grozljivega blata parkovnih gejzirskih kotlin, geotermalnih izvirov ali blatnih loncev. Ime trave ponuja namig na njen vročinski temperament: to je ena redkih rastlin, ki lahko preživijo na bliskovitih geotermalnih tleh parka.

Odgovor, zakaj se skriva v konceptu simbioze.

V redu, kaj je "simbioza"?

V poznih 1870-ih sta nemška znanstvenika Albert Frank in Heinrich Anton de Bary v biologijo uvedla izraz "simbioza". Iz grščine za "skupaj" in "živeti" je bilo mišljeno opisati novo opredeljeno vrsto odnosa med organizmi. Lišaji, ki so jih ugotovili znanstveniki, pravzaprav sestavljajo glivo in algo v intimnem in vzajemno koristnem zavezništvu. Alga uporablja sončno svetlobo za pripravo hrane za glive, gliva pa ponuja minerale, vodo in zavetje. Izkazalo se je, da gre za revolucionarno ugotovitev.

Od takrat so ugotovili, da simbioze igrajo bistveno vlogo pri razvoju in preživetju skoraj vsakega organizma. Ljudje, živali, rastline, korale in žuželke so vsi močno odvisni od mikrobov, ki pa so odvisni od njihovih gostiteljev. Razmislite o črevesnih bakterijah, ki podpirajo zdravje ljudi in živali, algah, ki napajajo koralne grebene, ali mitohondriji, zaradi katerih naše celice tečejo. Izkazalo se je, da so ti odnosi med mikrobiomom bistveni za življenje na zemlji. Pravzaprav so tako univerzalni in najpomembnejši, da so v začetku tega leta nekateri znanstveniki pozvali k ponovni preureditvi Darwinovega Drevesa življenja, da bi jih upoštevali.

Simbioza ruske lutke

Da bi razumeli, kako poglobljeno lahko zapletemo nekatere simbioze z mikrobi, si pomagamo pogledati tako imenovane simbiote ruskih lutk. Tako kot svetlo obarvane figurice ljudske umetnosti, po katerih so poimenovane, se tudi organizmi v teh partnerstvih medsebojno prilegajo drug v drugega v večvrstnih aranžmajih, ki so včasih znani tudi kot ugnezdene endosimbioze. Žuželka ali gostitelj rastlin bo vseboval glivico, virus ali bakterijo, ki požira drugo glivico, virus ali bakterijo, trije pa sodelujejo, da bi zagotovili njihovo soživetje. Ti brezplačni avtodomi lahko sodelujejo, da gostitelju omogočijo metabolizacijo nekaterih težko prebavljivih živil, na primer vretenčarskih krvi, rastlinskega soka ali lesa, ali pa lahko pomagajo gostitelju, da se brani pred agresorji, ali pa zagotovijo nekaj prednosti preživetja v ekstremnih okoljih.

Trava, ki lahko preživi blizu vrele temperature?

Vzemite tiste panične trave, ki imajo radi vrtoglavo zemljo v parku Yellowstone. Znanstveniki že dolgo vedo, da znotraj trave rastejo endofitične glive in da se skupaj trava in glive lahko upreta temperaturam nad 149 stopinj Fahrenheita. Sama noben organizem ne more prevzeti toplote: če ločita, ne moreta preživeti več kot 100 stopinj. Toda leta 2006 so znanstveniki, ki jih financira NIH, identificirali virus, ki živi znotraj te glive. Kar se je zdelo kot vseživljenjska zakonska zveza med dvema partnerjema, je bila v resnici nekakšna poligamija. Ko so virus odstranili, sta tako gliva kot trava izgubili toplotno odpornost. Ko je bil virus ponovno vstavljen, se je toplotna odpornost vrnila. Natančnega dela, ki ga virus igra v tem razmerju, ni popolnoma razjasnjeno, vendar raziskovalci verjamejo, da lahko sodelujejo osmoprotektanti, kot so trehaloza, glicin betain in tavrin, ki pomagajo organizmom, da preživijo ekstremno tekoče neravnovesje. Pigment, imenovan melanin, ki naj bi povečal stresno toleranco gliv, ki naseljujejo kamnine, in proteinske vročinske udare imajo lahko tudi vlogo.

Vrteči se vloge bakterij Pomagajo hudim hroščem preživeti na dieti z malo hranila

Včasih imajo partnerji v teh aranžmajih trojčkov težave, čeprav tehnično ne morejo živeti drug brez drugega. Večina moških, na primer, vsebuje bakterije, ugnezdene med druge bakterije, ki sodelujejo pri proizvodnji nekaterih osnovnih hranil. Na primer, gostitelj in njegovi notranji prebivalci vsebujejo enega ali več devetih genov, potrebnih za proizvodnjo esencialne aminokisline, imenovane fenilalanin, brez katere moka ne bi mogla preživeti na običajni prehrani, ki je slaba s hranili. Nekateri raziskovalci ugibajo, da morajo so-simbionti prevoziti metabolite med njimi, da dokončajo sintezo aminokisline. In vendar se to, kar specifične bakterije sodelujejo skupaj z moškimi, spreminja skozi čas in po vrstah. Medtem ko zunanja bakterija - hrošček, imenovan Tremblaya - ponavadi ostane konstanten, je identiteta notranje močno spremenljiva. (Čeprav vedno iz ene same rodovine, znane kot Sodalis.) Znanstveniki to vedo, ker mnogi moški ne smejo biti odvisni samo od DNK svojih sedanjih prebivalcev - vsebujejo tudi DNK bakterij, ki ne živijo več znotraj njih - ukradena DNK jim pomaga narediti hranil, ki jih trenutni prebivalci ne zmorejo. Kako natančno se to izmenjavo v notranjosti bakterij in njene DNK dogaja, še ni razjasnjeno.

Medtem ko nekateri partnerji v aranžmajih trojčkov kolonizirajo svoje gostitelje preko okolja ali se integrirajo v DNK gostitelja - kot smo videli pri jedih, se drugi prenašajo družabno, od enega gostitelja do drugega ali pa se delijo skupaj z gostiteljsko celico. Zadnja dva sredstva uporabljajo termiti, katerih črevesni simbionti - amebe, podobni protetikom - vsebujejo svoje bakterijske simbionte. Skupaj bakterije in protetiki delujejo tako, da omogočajo, da termit prebavi les. Čeprav se večina protetikov črevesja izgubi vsakič, ko se teritni molti - kar se zgodi trikrat, ko dozori - protetiki med prenašanjem hrane ali tekočine med pripadniki termitske kolonije obnovijo. (Termiti in druge družbene žuželke običajno sodelujejo pri izmenjavi regurgitirane tekoče hrane, procesa, ki se imenuje trofilaksija.) Bakterijski endosimbionti se medtem ločijo vsakič, ko se termiti termistov delijo, razmnožujejo se.

Kaj vse to pomeni?

Kako so se torej razvijali ti ruski dogovori o lutkah? To je vprašanje, ki ga znanstveniki še vedno zmedejo, toda vsaj glede termita in njegovih simbiontov se zdi, da je prišlo do procesa, ko se je vrsta še razvijala v sedanjo obliko. V prispevku iz leta 2007, objavljenem v Molecular Ecology, je mednarodna skupina znanstvenikov opisala postopek kospecifikacije med terminitom, protistom in bakterijami, ki temelji na genetski analizi. Bila je prva študija so-specifikacije v simbiozi z več vrstami.

Simbioze z več vrstami se lahko izkažejo za bolj pogoste, kot jih zavedamo. Šele lani so raziskovalci odkrili, da večina lišajev vsebuje dve glivi in ​​ne eno. To je fascinanten vpogled, glede na to, da so lišaji sprožili sam študij takih vzajemno koristnih zavezništev.

I Contain Multitudes je večdelna video serija, namenjena raziskovanju čudovitega, skritega sveta mikrobioma. Serijo gosti znanstveni pisatelj Ed Yong, producira pa jo HHMI Tangled Bank Studios v povezavi s sobo 608.