Simbioza: to je komplicirano

Mnogi su organizmi zatvoreni u međusobno ovisne odnose s mikrobovima koji žive u njima. Ali ponekad se i sami stani mikrobi igraju domaćini još tinih gostiju.

Umjetnost: Natalya Zahn

Jeste li čuli za tropsku paničnu travu, zvanu dichanthelium lanuginosum? Vjerojatno ne. Ali ako ste posjetili Nacionalni park Yellowstone na zapadu Amerike, možda ste vidjeli kako se njegovi mudri listovi iskaču iz gorućeg blata bazena gejzera, geotermalnih izvora ili saksija od blata. Naziv trave nudi namig na njen grozničavi temperament: jedna je od rijetkih biljaka koja može preživjeti na blistavim geotermalnim tlima u parku.

Odgovor zašto leži u konceptu simbioze.

Ok, što je "simbioza"?

Krajem 1870-ih njemački znanstvenici Albert Frank i Heinrich Anton de Bary uveli su termin "simbioza" u biologiju. Iz grčkog jezika za "zajedništvo" i "življenje" trebalo je opisati novootkrivenu vezu između organizama. Lišajevi su, otkrili su znanstvenici, zapravo sastavljeni od gljive i alge u prisnom i obostrano korisnom savezu. Alga koristi sunčevu svjetlost kako bi napravila hranu za gljivice, dok gljiva nudi minerale, vodu i sklonište. Pokazalo se da je to bio revolucionarni nalaz.

U proteklom više od jednog stoljeća, otkriveno je da simbioze igraju ključnu ulogu u razvoju i opstanku gotovo svakog organizma. Ljudi, životinje, biljke, koralji i insekti u velikoj mjeri ovise o mikrobima, koji zauzvrat ovise o njihovim domaćinima. Razmotrimo bakterije crijeva koje podržavaju zdravlje ljudi i životinja, alge koje napajaju koralne grebene ili mitohondrije zbog kojih se naše stanice pokreću. Ispada da su ovi odnosi "mikrobioma" ključni za život na zemlji. Oni su toliko univerzalni i najvažniji da su početkom ove godine neki znanstvenici pozvali na veleprodajnu prepravku Darwinovog Drveta života kako bi ih uzeli u obzir.

Simbioza ruske lutke

Da biste shvatili kako se iscrpno zaplete neke simbioze s mikrobima mogu pomoći pogledati takozvane ruske simbionte lutki. Kao i jarko obojene figurice narodne umjetnosti po kojima su i imenovane, organizmi u tim partnerstvima čvrsto se uklapaju jedan u drugi u više vrsta vrsta, ponekad poznate i kao ugniježđene endosimbioze. Insekt ili domaćin biljke sadržavat će gljivicu, virus ili bakteriju, koja zauzvrat proždire još jednu gljivicu, virus ili bakteriju, a njih troje surađuju kako bi osigurali svoj zajednički opstanak. Ti besplatni autostoperi mogu raditi zajedno kako bi domaćinu omogućili metabolizam određene teško probavljive hrane, poput krvi kralježnjaka ili biljnog soka ili drva, ili mogu pomoći domaćinu da se brani od agresora ili osigurati neku prednost preživljavanja u ekstremnim okruženjima.

Trava koja može preživjeti temperaturu blizu ključanja?

Uzmi one panične trave koje vole sjajno tlo u parku Yellowstone. Znanstvenici već dugo znaju da endofilne gljive rastu u travi i da su trava i gljive zajedno u stanju oduprijeti se temperaturi preko 149 stupnjeva celzijusa. Sami niti jedan organizam ne može podnijeti toplinu: ne mogu preživjeti više od 100 stupnjeva kad se razdvoje. No 2006. godine, znanstvenici koje financira NIH identificirali su virus koji živi unutar te gljivice. Ono što se činilo kao doživotni brak dva partnera, zapravo je bila vrsta poligamije. Kada je virus eliminiran, i gljiva i trava izgubili su svoju toplinsku otpornost. Nakon ponovnog uvođenja virusa vratio se toplinski otpor. Točan dio koji virus igra u ovom odnosu nije u potpunosti razumljiv, ali istraživači vjeruju da mogu biti uključeni osmoprotektanti, poput trehaloze, glicin betaina i taurina, koji pomažu organizmima da prežive ekstremnu neravnotežu tekućine. Pigment zvan melanin, za koji se kaže da povećava stresnu toleranciju gljiva koje naseljavaju stijene, a proteini toplotnog udara također mogu igrati ulogu.

Rotirajuća baca bakterija pomaže oboljelim bugovima da prežive na dijetama sa malo hranjivih sastojaka

Ponekad su partneri u tim aranžmanima trojki, iako tehnički ne mogu živjeti jedan bez drugog, imati problema s obvezama. Na primjer, većina grickalica sadrži bakterije koje su ugniježđene u drugim bakterijama koje surađuju u proizvodnji određenih esencijalnih hranjivih sastojaka. Na primjer, domaćin i njegovi unutarnji stanovnici sadrže jedan ili više od devet gena potrebnih za proizvodnju esencijalne aminokiseline nazvane fenilalanin, bez koje obrok ne bi mogao preživjeti na uobičajenoj prehrani siromašnoj hranjivim tvarima. Neki istraživači nagađaju da suosječnici moraju prenijeti metabolite između njih kako bi dovršili sintezu aminokiseline. Pa ipak, što se specifične bakterije surađuje s obrokima, mijenjalo se tijekom vremena i preko vrsta. Dok je vanjska bakterija - kukac zvan Tremblaya - sklon ostati konstantan, identitet unutarnje je vrlo varijabilan. (Iako uvijek iz jedne loze poznate kao Sodalis.) Znanstvenici to znaju jer mnogi hljebovi ne ovise samo o DNK njihovih trenutnih stanovnika - već sadrže i DNK bakterija koje više ne žive unutar njih - ukradeni DNK pomaže im u stvaranju hranjive tvari koje sadašnji stanovnici ne mogu. Ali kako se to točno izmjenjuje unutarnju bakteriju i njezinu DNK još uvijek ne razumije.

Dok neki partneri u aranžmanima s trojkama koloniziraju svoje domaćine putem okoline ili se integriraju u DNK domaćina - kao što smo vidjeli kod debelih bubica - drugi se prenose socijalno, od jednog domaćina do drugog ili se dijele zajedno s domaćinom. Posljednja dva sredstva koriste termiti, čiji simbionti u crijevima - promeisti slični amebi - zauzvrat sadrže svoje bakterijske simbionte. Zajedno, bakterije i protetičari rade kako bi omogućili da termit probavi drva. Iako se većina protetičara na crijevima izgubi svaki put kada termitska molta - koja se dogodi tri puta sazrijevanjem - protetičari se obnavljaju tijekom prijenosa hrane ili tekućine između članova termitske kolonije. (Termiti i drugi društveni insekti obično sudjeluju u razmjeni regurgitirane tekuće hrane, proces zvan trofilaksija.) Bakterijski endosimbionti u međuvremenu se dijele svaki put kada se termiti termini podijele, reproducirajući se.

Što to sve znači?

Pa kako su se razvijali ovi aranžmani za ruske lutke? To je pitanje što znanstvenici još uvijek zbunjuju, ali, barem za termit i njegove simbionte, izgleda da se proces dogodio dok se vrsta još razvijala u trenutni oblik. U radu objavljenom u Molekularnoj ekologiji iz 2007. godine, međunarodni tim znanstvenika opisao je postupak kospecijacije među termitima, protistima i bakterijama temeljen na genetskoj analizi. Bila je to prva studija ko-specijacije u simbiozi s više vrsta.

Simbioze više vrsta mogu se pokazati češćim nego što znamo. Tek prošle godine, istraživači su otkrili da većina lišajeva sadrži dvije gljivice, a ne jednu. To je fascinantan uvid, s obzirom da su lišajevi pokrenuli samu studiju takvih obostrano korisnih saveza.

I Contain Multitudes višedijelna je video serija posvećena istraživanju prekrasnog, skrivenog svijeta mikrobioma. Seriju je vodio znanstveni pisac Ed Yong, a producirao HHMI Tangled Bank Studios u suradnji s Sobom 608.