Szimbiózis: bonyolult

Számos organizmus kapcsolódik egymás függő kapcsolataiba a bennük élő mikrobákkal. De néha ezek a rezidens mikrobák maguknak játszanak még finomabb vendégeket is.

Művészet: Natalya Zahn

Hallottál már a trópusi pánikfűről, más néven: dichanthelium lanuginosum? Valószínűleg nem. De ha meglátogatta a Yellowstone Nemzeti Parkot az Amerikai Nyugaton, akkor láthatta, hogy okos bordái kihúzódnak a park gejzír medencéinek, geotermikus forrásai vagy iszapcserépjeinek perzselő iszapjából. A fű neve utal a lázas temperamentumára: egyike azon kevés növénynek, amely képes túlélni a park lágy geotermikus talajában.

A válasz arra, hogy miért rejlik a szimbiózis koncepciójában.

Oké, mi az a "szimbiózis"?

Az 1870-es évek végén, Albert Frank és Heinrich Anton de Bary német tudósok vezetik be a biológiában a „szimbiózis” kifejezést. A görögül az „együtt” és az „élő” kifejezéstől az új szervezetek közötti újonnan azonosított kapcsolat leírására szánták. A zuzmók, a tudósok felfedezték, valójában egy gombából és algaból állnak egy intim és kölcsönösen előnyös szövetségben. Az algák napfényből táplálkoznak a gomba számára, míg a gomba ásványi anyagokat, vizet és menedéket kínál. Kiderült, hogy forradalmi lelet.

Az elmúlt több mint egy évszázad alatt azt találták, hogy a szimbiózisok alapvető szerepet játszanak szinte minden szervezet fejlődésében és túlélésében. Az emberek, az állatok, a növények, a korall és a rovarok nagymértékben függnek a mikrobáktól, amelyek viszont a gazdasejtektől függenek. Fontolja meg az emberi és állati egészséget támogató bélbaktériumokat, az algákat, amelyek a korallzátonyokat hajtják végre, vagy a mitokondriumokat, amelyek sejtjeinket futtatják. Kiderült, hogy ezek a mikrobómmal való kölcsön-kapcsolatok nélkülözhetetlenek a földi élethez. Annyira univerzálisak és valójában nélkülözhetetlenek, hogy ez év elején egyes tudósok Darwin életfájának nagykereskedelmi újraújítását kérték, hogy ezeket figyelembe vegyék.

„Orosz baba” szimbiózis

Ahhoz, hogy megértsük, milyen bonyolultan belekapaszkodhatunk a mikrobiákkal kialakított néhány szimbiózisba, segít megnézni az úgynevezett orosz baba szimbólumokat. Akárcsak az élénk színű népművészeti figurák, amelyeknek elnevezték őket, ezekben a partnerségekben a szervezetek szorosan illeszkednek egymásba a több fajú elrendezésekben, amelyeket néha beágyazott endoszimbiozoknak is neveznek. Egy rovar- vagy növényi gazdaszervezet tartalmaz egy gombát, vírust vagy baktériumot, amely viszont elnyel egy másik gomba, vírus vagy baktériumot, és a három együtt működik együttélésük biztosítása érdekében. Ezek az ingyenes stopposok együtt dolgozhatnak annak érdekében, hogy a gazdaszervezet metabolizálhasson bizonyos nehezen emészthető élelmiszereket, például gerinces vért vagy növényi gyümölcslevet vagy fát, vagy segíthetnek a gazdaszervezetnek az agresszorok elleni védekezésben, vagy extrém környezetben biztosíthatnak bizonyos túlélési előnyöket.

A fű, amely képes túlélni a forráspontú hőmérsékleteket?

Vegyük azokat a pánikfűket, amelyek szeretik az égő talajt a Yellowstone Parkban. A tudósok régóta tudják, hogy az endofitikus gombák nőnek a fűben, és hogy a fű és a gombák együttesen képesek ellenállni a 149 fokos fahrenheit foknak. Egyedül egyik szervezet sem képes felvenni a hőt: szétválasztva 100 foknál tovább nem képesek túlélni. De 2006-ban az NIH által finanszírozott tudósok vírust azonosítottak, amely a gombaban él. Ami két partner közötti élethosszig tartó házasságnak tűnt, valójában egy poligámia volt. Amikor a vírus eliminálódott, mind a gomba, mind a fű elvesztette hőállóságát. A vírus újbóli bevezetésekor a hőállóság visszatért. A vírus pontos szerepe ebben a kapcsolatban nem teljesen tisztázott, de a kutatók úgy vélik, hogy szerepet játszhatnak az ozmoprotektánsok, például trehalóz, glicin-betain és taurin, amelyek segítik az organizmusokat a rendkívüli folyadék-egyensúlyhiányok túlélésében. A melaninnek nevezett pigment, amely állítólag fokozza a kőzetben élő gombák stressztűrő képességét, és a hőgumi fehérjék szintén szerepet játszhatnak.

A baktériumok forgó változata segít az étkezési hibákon túlélni az alacsony tápanyagtartalmú étrendben

Időnként az ilyen hármas megállapodásokban részt vevő partnereknek, bár műszakilag nem tudnak egymás nélkül élni, kötelezettségvállalási problémák merülnek fel. A legtöbb étkezési bogár például olyan baktériumokat tartalmaz, amelyek be vannak fészkelve más baktériumokba, amelyek együttműködnek bizonyos alapvető tápanyagok előállításában. Például a gazdaszervezet és a belső lakosok mindegyike tartalmaz egy, a fenilalaninnak nevezett esszenciális aminosav előállításához szükséges kilenc gént közül egyet vagy többet, amelyek nélkül az étkezési bug nem tudna túlélni tipikus tápanyagszegény étrendjén. Néhány kutató úgy gondolta, hogy a ko-szimbólumoknak metabolitokat kell szállítaniuk közöttük az aminosav teljes szintéziséhez. És mégis, melyik baktérium partner az étkezési bugokkal együtt, az idő múlásával és a fajok között megváltozott. Míg a külső baktérium - egy Tremblaya nevű hiba - állandó marad, addig a belső baktérium identitása erősen változó. (Bár mindig egyetlen, Sodalis néven ismert vonalból származik.) A tudósok ezt tudják, mivel sok étkezési bug nemcsak a jelenlegi lakosaik DNS-étől függ - tartalmaznak olyan baktériumok DNS-ét is, amelyek már nem tartózkodnak bennük - a lopott DNS segít nekik tápanyagokat, amelyeket a jelenlegi lakosok nem tudnak. De hogy pontosan megy ez a belső baktériumok és a DNS cseréje, még nem tudjuk.

Miközben a hármas elrendezésekben részt vevő néhány partner a környezeten keresztül kolonizálja gazdasejtjeit vagy integrálódik a gazdaszervezet DNS-ébe - amint láttuk az étkezési bugokkal -, mások szociálisan továbbadnak, egyik gazdaról a másikra, vagy megoszlanak a gazdasejttel. Az utóbbi két eszközt a termesek használják, akiknek a bél szimbólumai - amőba-szerû protisták - viszont magukban foglalják a baktérium-szimbiónokat. A baktériumok és a protisták együttesen működnek annak érdekében, hogy a termeszek megemésztsék a fát. Noha a legtöbb bélproteista elveszik, amikor a termeszek megolvadnak - ami éréskor háromszor megtörténik -, a protistákat visszahelyezik az élelmiszer vagy folyadék átvitelekor a termeszek kolónia tagjai között. (A termeszek és más társadalmi rovarok általában részt vesznek a visszanyert folyékony táplálék cseréjében, ezt a folyamatot trofilaxiának hívják.) Eközben a baktérium-endosymbiontumok minden alkalommal megoszlanak, amikor a termeszek protistái megoszlanak, és reprodukálják magukat.

Mit jelent ez az egész?

Szóval hogyan alakultak ki ezek az orosz babarendezések? Ez egy olyan kérdés, amelyet a tudósok továbbra is rejtélyeznek, de úgy tűnik, hogy legalább a termesz és szimbólumai számára a folyamat akkor zajlott, amikor a faj még kialakult a jelenlegi formájába. A 2007-es cikkben, amelyet a Molecular Ecology-ban publikáltak, egy nemzetközi tudósok ismertették a termit, a protisz és a baktériumok közötti megbeszélés folyamatát genetikai elemzés alapján. Ez volt az első kísérlet a többfajú szimbiózis együttes spekulációja során.

A több fajra jellemző szimbiózisok gyakrabbak lehetnek, mint gondolnánk. A tavalyi év folyamán a kutatók felfedezték, hogy a legtöbb zuzmó két gombát tartalmaz, nem egyet. Izgalmas betekintés, tekintve, hogy a zuzmók megkezdték az ilyen kölcsönösen előnyös szövetségek tanulmányozását.

Az I Contain Multitudes egy többrészes videó sorozat, amely a mikrobióm csodálatos, rejtett világának feltárására szolgál. A sorozatot Ed Yong tudományos író üzemelteti, és a HHMI Tangled Bank Studios készítette a 608. szobával együtt.