A baktériumok és szerepük

Pályafutása során a híres biológus, Lynn Margulis (1938-2011) azzal érvelt, hogy a mikroorganizmusok világa sokkal nagyobb hatással van az egész bioszférára (amelyet minden élőlény világaként határoznak meg), mint amit a tudósok általában felismernek.

A baktériumok világában élünk, és ez jobban befolyásol minket, mint azt korábban gondoltuk.

Jelenleg a világ egyetemein dolgozó tudósok egy csoportja összehasonlította és megírta az állatok és baktériumok kölcsönhatásait vizsgáló tanulmányok százainak eredményét, amelyek többségét az elmúlt évtizedben végezték, és kimutatták, hogy Margulisnak igaza volt. Az összesített eredmények arra utalnak, hogy a Margulis állításait alátámasztó bizonyítékok kritikus helyzetbe kerültek, ezért szükséges, hogy a tudósok újra megvizsgálják az élet néhány alapvető jellemzőjét a baktériumok és mások közötti összetett, együttfüggő kapcsolatok szempontjából. rendkívül különböző életformák.

A projekt, amely magában foglalja az állatok és a baktériumok közötti kölcsönhatások jelenlegi kutatásainak áttekintését, akkor kezdődött, amikor egyes tudósok felismerték, hogy a baktériumok milyen fontos szerepet játszanak saját tudományos területükön. Michael Hadfield, a manai Hawaii Egyetem biológia professzora esetében a megbecsülés hosszú évek alatt nőtt, amikor a tengeri állatok metamorfózisát tanulmányozta. Megállapította, hogy bizonyos baktériumok miatt a tengeri lárvák megtelepednek a tengerfenék bizonyos helyein, ahol fiatal halakká válnak és életük hátralévő részét töltik.

"Miután megállapítottuk, hogy bizonyos baktériumok biofilmjei nélkülözhetetlen és egyedi ligandumot képeznek, amely stimulálja a globálisan elterjedt tengeri férgek globálisan elterjedt lárváit, kutatásunk természetesen elkezdett haladni a baktériumok genomjának a jelzésért felelős részének, valamint más fajoknak a tanulmányozása felé, amelyben ugyanazokat a géneket találtuk érintettnek "- mondta Hadfield a Phys.org-nak. "Az állatok és baktériumok kölcsönhatásainak tanulmányozását különböző perspektívákból vizsgálva, és sokkal többet felismerve, hosszasan megbeszéltem Margaret McFall-Ngai-val, a madisconi Wisconsini Egyetem mikrobiológiai és orvosi immunológiai professzorával. próbáljunk jelentős számú szakértőt összehozni a baktériumok és az állatok közötti kölcsönhatások tanulmányozásának különböző megközelítéseiben, hogy dolgozzanak ki egy olyan papírt, amely a kezedben van. Javasoltunk "katalitikus értekezletet" a National Science Foundation National Az Evolúciós Szintézis Központ, a Nemzeti Tudományos Alapítvány (EGSZB) Nemzeti Evolúciós Szintézis Központja, amelyet finanszíroztak, és a projekt elindult. "

Baktériumok vesznek körül minket

Sok szempontból könnyen belátható a baktériumok fontos szerepe a világban. Körülbelül 3,8 milliárd évvel ezelőtt a baktériumok jelentették az első olyan életformákat, amelyek megjelentek a Földön, és valószínűleg az emberek eltűnése után jóval túlélnek. Jelenleg az élet fáján a három fő ág egyikét foglalják el (a másik kettő Archaea és Eucarya, az utóbbiakhoz tartozó állatok). Bár a baktériumok rendkívül sokfélék és szinte mindenhol élnek a Földön, az óceán fenekétől a belünk belsejéig, néhány közös vonásuk van. Mérete hasonló (néhány mikrométer), általában vagy egyetlen sejtből, vagy több sejtből állnak, és sejtjeiknek nincsenek magjaik.

Bár a tudósok évek óta tudják, hogy az állatok a baktériumok gazdaszervezeteként szolgálnak, amelyek főleg a bélben, a szájüregben és a bőrön élnek, a közelmúltban végzett kutatások azt találták, hogy ezek a mikrobák mennyire vannak. Tanulmányok kimutatták, hogy az emberi baktériumsejtek száma tízszer nagyobb, mint az emberi sejteké. Az összes baktérium tömege azonban kevesebb, mint fél kilogramm, mivel a baktériumsejtek sokkal kisebbek, mint az emberi sejtek.

Míg ezek a baktériumok némelyike egyszerűen együtt él az állatokkal, anélkül, hogy sok kölcsönhatásba lépne, mások nagyon. A baktériumokat gyakran társítjuk betegségeket okozó "csírákkal" vagy kórokozókkal, és a baktériumok számos betegségért felelősek, mint például a tuberkulózis, a bubóbetegség és a meticillin-rezisztens Staphylococcus aureus fertőzései. De a baktériumoknak sok hasznos szerepük is van, és a legújabb kutatások rámutattak, hogy az állatok élete nélkülük nem lenne ugyanaz.

"A tényleges baktériumfajok száma a világon elképesztően nagy, beleértve a most felfedezett baktériumokat is, amelyek a Földet légkörünk felső rétegeiben és a tengerfenék mélyén található sziklákban veszik körül" - mondta Hadfield. minden lehetséges környezetben, a medencéktől a forró forrásokig, és szinte mindenhol minden élő szervezet felszínén és belsejében, így a növényekre és állatokra patogén baktériumfajok aránya biztonságos. Gyanítom, hogy a növények és állatok számára előnyös vagy szükséges arány viszonylag kicsi az univerzumban jelen lévő baktériumok teljes számához képest, és ebből a szempontból minden bizonnyal a baktériumok többsége semleges. ugyanakkor abban is meg vagyok győződve, hogy a jótékony mikrobák, még a nagyon szükséges mikrobák száma is sokkal, de sokkal nagyobb, mint a kórokozók száma. "

Állati eredet és együtt evolúció

A baktériumok kezdettől fogva fontos szerepet játszhattak a többsejtű szervezetek (körülbelül 1-2 milliárd évvel ezelőtt) és az állatok (körülbelül 700 millió évvel ezelőtt) utódaiban való részvételben. . A kutatók a közelmúltban felfedezték, hogy a többsejtű állatok egyik legközelebbi élő rokona, az egysejtű choanoflagellátum reagál az egyik ragadozó baktérium jeleire. Ezek a jelek az osztódó Choanoflagellate sejteket a kapcsolatok fenntartása érdekében jól koordinált telepek kialakulásához vezetnek, amelyek többsejtű szervezetekké válhattak. Azonban a származással kapcsolatos ilyen kérdések heves viták tárgyát képezték, és a tudósoknak számos hipotézisük van arról, hogy ezek az életformák hogyan jöttek létre. A baktériumok szerepe ezekben a folyamatokban nem zár ki más nézőpontokat, de további elemeket ad hozzá.

Az állat mikroflórájában található baktériumok, például a bélben, a szájban és a bőrben, kommunikálnak egymással és jeleket cserélnek az állat szervrendszereivel. A kémiai jelek egy részét a fenti ábra mutatja. Hitel: Margaret McFall-Ngai et al. © 2013 PNAS

Miután segítették az állatok beindulását, a baktériumok is fontos szerepet játszottak, segítve őket evolúciós útjukon. Bár az állatfejlődést általában úgy gondolják, hogy elsősorban az állat saját genomja vezérli a környezeti tényezőkre reagálva, a legújabb vizsgálatok kimutatták, hogy az állatfejlődés inkább az állatok, a környezet és az együtt evolúció közötti hangszerelésnek tekinthető. sok mikrobiális faj. Ennek az együtt evolúciónak a példája előfordulhat az endoterm módon fejlődő emlősöknél. Egy másik példa a kb. 40 ° C (100 ° F) állandó hőmérséklet fenntartása metabolikus úton. Ez az a hőmérséklet, amelyen az emlős baktériumpartnerek optimális hatékonysággal dolgoznak, energiát szolgáltatnak az emlősök számára és csökkentik táplálékigényüket. Ez a megállapítás arra utal, hogy a baktériumok előnyös hőmérséklete meghatározhatta az endotermiával összefüggő gének evolúciójára gyakorolt szelekciós nyomást.

Baktériumok jelzése

Az állatok és baktériumok mélyen gyökerező szövetségének bizonyítékai mindkét csoport genomjában is megjelennek. A kutatók becslése szerint a 23 000 emberi gén körülbelül 37% -ának van megfelelője például a baktériumok és az Archaea fajok között. Olyan génekkel állnak kapcsolatban, amelyek mind a baktériumokban, mind az Archaea fajokban megtalálhatók, amelyeknek közös őse van.

Ezen homológ gének közül sok lehetővé teszi az állatok és a baktériumok közötti jelátvitelt, ami arra utal, hogy képesek voltak kommunikálni és befolyásolni egymás fejlődését. Hadfield és csoportja felfedezte, hogy a baktériumok szignalizációja kulcsszerepet játszik a metamorfózis kiváltásában egyes tengeri gerinctelen lárvákban, amelyekben a baktériumok bizonyos környezeti tényezőkhöz kapcsolódó jeleket produkálnak. Más vizsgálatok azt találták, hogy a bakteriális jelátvitel befolyásolja az agy normális fejlődését emlősökben, befolyásolja a gerincesek és a gerinctelenek reproduktív viselkedését, és kullancscsípések esetén aktiválja az immunrendszert. A szagló vegyszereket, amelyek bizonyos állatokat (beleértve az embereket is) vonzanak potenciális kollégáikhoz, szintén rezidens állati baktériumok állítják elő.

A baktériumok jelzése nemcsak a fejlődés szempontjából nélkülözhetetlen. Fontos szerepet játszik az állatok homeosztázisának fenntartásában, egészségünk és boldogságunk megőrzésében is. Kutatások kimutatták, hogy a bélben lévő baktériumok a központi idegrendszeren keresztül képesek kommunikálni az aggyal. Ugyanakkor tanulmányok kimutatták, hogy az egereknek, amelyek nem rendelkeznek bizonyos baktériumokkal, az agy bizonyos régióiban vannak olyan hibák, amelyek kontrollálják az aggódó viselkedést. A baktériumok szignalizációja kulcsszerepet játszik az állat immunrendszerének védelmében is. Ezen bakteriális jelátviteli utak megszakadása olyan betegségekhez vezethet, mint a cukorbetegség, a gyulladásos bélbetegségek és a fertőzések. A vizsgálatok azt is sugallják, hogy az állatokban a betegségeket okozó kórokozók közül sok rendelkezik ezzel a bakteriális kommunikációs csatornával, amely kezdetben azért alakult ki, hogy fenntartsa az egyensúlyt az állat és a hasznos baktériumok százai között.

A jelzés szélesebb körök ökoszisztémáiban is előfordul. Például a virágnektárban található baktériumok megváltoztathatják a nektár kémiai tulajdonságait, befolyásolva, hogy a beporzók hogyan hatnak a növényekkel. Azok az emberi csecsemők, akiknek hüvelyi születése eltérő bélbaktériumokkal rendelkezik, mint a császármetszéssel született, és ennek hosszú távú hatása lehet. Az elhullott állatokkal táplálkozó baktériumok pedig el tudják taszítani a nekrofág állatokat, a méretük 10 000-szeresét meghaladó organizmusokat azáltal, hogy káros szagokat produkálnak, amelyek miatt a törmelék távol marad.

Bélszinten

Az első állatokban a bélbaktériumok fontos szerepet játszottak a táplálkozásban, segítve az állatokat az étel emésztésében, és befolyásolhatták más közeli szervrendszerek, például a légzőszervek és az urogenitális rendszerek fejlődését. Ezenkívül az állatok evolúciója valószínűleg felelős a baktériumok evolúciójáért, néha magasan specializált fülkékben. Például a termesz belekben található baktériumfajok 90% -a máshol nem található meg. Az ilyen specializáció azt is jelenti, hogy az egyes állatfajok eltűnése ismeretlen számú baktériumvonal eltűnéséhez vezet, amelyek ezzel a fajjal fejlődtek ki.

A tudósok azt is megállapították, hogy az emberi bélben lévő baktériumok alkalmazkodnak az étrend változásához. Például az amerikaiak többségének a bélben van egy mikrobioma, amelyet a magas zsírtartalmú és magas fehérjetartalmú étrend emésztésére optimalizáltak, míg a venezuelai Amazonas vidéki emberek béljében olyan mikrobák vannak, amelyek jobban megfelelnek az összetett szénhidrátok hasítására. Sőt, néhány embernek Japánban van egy olyan baktériuma a bélben, amely képes megemészteni a hínárt. A kutatók úgy vélik, hogy a bél mikrobioma kétféleképpen alkalmazkodik. Egyrészt bizonyos baktériumfajok hozzáadásával vagy eltávolításával, másrészt a kívánt gének átadásával az egyik baktériumról a másikra vízszintes gének átadásával. A gazda és a baktérium egyaránt profitál az ilyen típusú szimbiotikus kapcsolatokból. A kutatók úgy vélik, hogy ez a kapcsolat sokkal elterjedtebb, mint azt korábban gondolták.

Áttekintés

Összességében a legutóbbi tanulmányok kimutatták, hogy az állatoknak és baktériumoknak olyan történetei vannak, amelyek mélyen összefüggenek egymással, és egymástól függenek saját egészségük és jólétük megőrzésében, valamint azokban a környezetekben, amelyekben élnek. Bár a kutatók kizárólag az állat-baktérium kölcsönhatásokra összpontosítottak, a társfüggőség és a szimbiózis hasonló tendenciái várhatóan egyetemesek lesznek más csoportok között, például Archaea, gombák, növények és állatok között. Miután kivételnek tekintették, ezt a kombinációt szabályként ismerik el, ahogy Margulis sok évtizeddel ezelőtt megjósolta. Ezen szimbiotikus kapcsolatok miatt a tudósok ebben az esetben azt javasolják, hogy egy organizmus, egy környezet, egy populáció és egy genom definíciói nem egyértelműek és ezeket felül kell vizsgálni. Például az állatokat jobban lehet gazda-mikrobiális ökoszisztémának tekinteni, mint egyedeknek.

Az erdei lombkoronában (10 m) élő rovar (1 mm) több dimenzióban szemlélteti az állat és a baktérium közötti kölcsönhatás hatásait. Az állatok belében (0,1 mm) élő baktériumok (1 mikrométer) nélkülözhetetlenek a rovareledelhez, és az erdei lombkoronákban a rovarok gyakran teszik ki az állati biomassza túlnyomó részét. Hitel: Margaret McFall-Ngai et al. © 2013 PNAS

Ezenkívül a tudósok azt jósolják, hogy az állat-baktérium kölcsönhatásról szóló legújabb eredmények valószínűleg szükségessé teszik a biológusok számára, hogy jelentősen megváltoztassák a nézetüket az egész bioszféra alapvető természetéről. Ezen iparágak között már folynak olyan nagyszabású kutatási projektek, mint például a Human Microbiome Project és a Earth Microbial Project, hogy az egyes és globális rendszerekben található baktériumok széles skáláját vizsgálják, és megnézzék, mi akkor fordul elő, amikor a baktériumok zavart szenvednek.

Végül a tudósok remélik, hogy az eredmények ösztönzik az interdiszciplináris együttműködést a különböző területek tudósai és mérnökei között az új mikrobiális határok feltárása érdekében. Állításuk szerint ezeknek a felfedezéseknek forradalmasítaniuk kell a biológia tanítását a középiskolában és azon túl is, inkább a baktériumok, a társállatok és más életformák közötti kapcsolatokra összpontosítva.

"Nehéz összefoglalni a" legfontosabb következtetést ", amely különbözik a biológusok állatkísérleti késztetésétől, a viselkedéstől a fiziológiáig és az ökológiától a molekuláris biológiáig. Bármilyen folyamatot gondolsz is tanulni, meg kell keresni és figyelembe kell venni. Fontolja meg a baktériumok fontos szerepét "- mondta Hadfield. "Sok esetben ehhez szükség lehet olyan partnerségek kialakítására, amelyek meghaladják a kutatás hagyományos határait, ami azt jelenti, hogy a zoológusoknak együtt kell működniük mikrobiológusokkal a kutatás előmozdítása érdekében, hogy a molekuláris biológusoknak együtt kell működniük a test biológusaival stb. Nagyon szeretnénk, ha az "Állatok a baktériumok világában" üzenet az egyetemek és társadalmak élettudományi tanszékei (például az állattan, a botanika, a mikrobiológia stb. Tanszékei) közötti régi határok eltörlésére szólítana fel. például az American Society of Microbiology stb.) Azt is szeretnénk, ha az üzenetet főiskolák és egyetemek tanfolyamain terjesztenék, a bevezető biológiától kezdve a munkánk különböző tematikus területein folytatott haladó tanfolyamokig. . "

Az eredmények jelentősen megváltoztatják az együttműködést folytató tudósok módját a saját kutatási területeik folytatásában - mondta Hadfield.

"Minden szerzőnk alapvető kutatásokat végez egy vagy több területen, amelyek a cikkben tárgyalt állatok és baktériumok kölcsönhatásaira összpontosítanak, és bízom benne, hogy mindegyikük továbbra is a saját specialitására összpontosít" - mondta. Abban is bízom, hogy a cikk összeállítása és megírása során kialakult interakciók (a NESCent 2011. októberi találkozónktól kezdve, amikor legtöbben először találkoztunk) hatással lesznek saját kutatásainkat, és új együttműködések létrehozására késztet bennünket más laboratóriumokkal. Ez az én esetemben már megtörtént. Új együttműködést hoztunk létre a CalTech Dianne Newman csoportjával, a bakteriológusok rendkívüli csoportjával, akik segítenek minket a részletes kutatásban. a lárvák fejlődéséért felelős baktérium géntermékek.

Fordította Pavel Ecaterina baktérium-világra hatással-korábban gondolt, a szerkesztő beleegyezésével.