Бактериите и нивната улога

Во текот на целата своја кариера, славниот биолог Лин Маргулис (1938-2011) тврдеше дека светот на микроорганизмите има многу поголемо влијание врз целата биосфера, (дефиниран како свет на сите живи суштества), отколку што научниците обично препознаваат.

Ивееме во свет на бактерии и ова влијае на нас повеќе отколку што се мислеше.

Во моментов, тим од научници кои работат на универзитети ширум светот ги споредуваа и напишаа резултатите од стотици студии со кои се разгледуваа интеракциите меѓу животните и бактериите, повеќето од нив во текот на изминатата деценија и покажаа дека Маргулис бил во право. Комбинираните резултати сугерираат дека доказите што ги поддржуваат тврдењата на Маргулис достигнале критична точка и затоа е потребно научниците да преиспитаат некои од основните одлики на животот во смисла на сложените, ко-зависни односи помеѓу бактериите и другите. исклучително различни форми на живот.

Проектот, кој вклучува преглед на постојните истражувања за интеракциите помеѓу животните и бактериите, започна кога некои научници ја сфатија важната улога што ја имаат бактериите во нивното поле на научна грижа. Во случајот на Мајкл Хадфилд, професор по биологија на Универзитетот во Хаваи, Маноа, ценењето се зголемило за многу години додека проучувал метаморфоза на морски животни. Открил дека одредени бактерии предизвикуваат морски ларви да се населат на одредени места на морското дно, каде што се претвораат во млади риби и го поминуваат остатокот од својот живот.

„Откако утврдивме дека одредени бактериски биофилмови обезбедуваат суштински и уникатен лиганд кој ги стимулира глобално распределените ларви на глобално дистрибуирана морска бура, нашето истражување, се разбира, започна да напредува кон проучување на сигналниот дел од бактерискиот геном, како и други видови, во кои откривме дека се вклучени истите гени “, изјави Хадфилд за Phys.org. „Гледајќи ја студијата на животинско-бактериски интеракции од различни перспективи и препознавајќи многу повеќе, разговарав долго со Маргарет Мекфал-Нгаи, професор по микробиологија и медицинска имунологија на Универзитетот во Висконсин, Медисон, за опстојната состојба опширно и потоа решив ајде да се обидеме да собереме значителен број експерти за различни пристапи кон проучување на интеракциите помеѓу бактериите и животните за да развиеме хартија, како што е онаа што ја имате во рака.Предложивме „каталитички состанок“ на оваа тема Центар за еволутивна синтеза, Национален центар за синтеза на еволуција на Националната научна фондација (EESCent), кој беше финансиран и проектот започна. “

Бактериите не опкружуваат

На многу начини, лесно е да се согледа важната улога што ја имаат бактериите во светот. Бактериите беа една од првите форми на живот што се појавија на Земјата пред околу 3,8 милијарди години и најверојатно ќе преживеат долго откако луѓето ќе исчезнат. Во моментов, во дрвото на животот, тие зафаќаат една од трите главни гранки (другите две се Археа и Еукарија, животните кои припаѓаат на вторите). Иако бактериите се исклучително разновидни и живеат скоро на кое било место на Земјата, од дното на океанот до внатрешноста на цревата, тие имаат неколку заеднички нешта. Тие се слични по големина (неколку микрометри), обично се составени или од една клетка или од неколку клетки, а нивните клетки немаат јадра.

Иако многу години научниците знаеја дека животните служат како домаќини на бактериите, кои живеат главно во цревата, усната шуплина и на кожата, неодамнешните студии открија колку се овие микроби. Истражувањата покажаа дека бројот на бактериски клетки што ги имаат луѓето е 10 пати поголем од оној на човечките клетки. Сепак, вкупните бактерии тежат помалку од половина килограм, бидејќи бактериските клетки се многу помали од човечките.

Додека некои од овие бактерии едноставно живеат со животни без многу да комуницираат, други меѓусебно комуницираат многу. Ние често ги поврзуваме бактериите со „микроби“ или патогени кои предизвикуваат болести, а бактериите се одговорни за многу болести, како што се туберкулоза, бубонска чума и инфекции со Staphylococcus aureus отпорен на метицилин. Но, бактериите имаат и многу корисни улоги, а неодамнешните истражувања истакнуваат дека животот на животните не би бил ист без нив.

„Вистинскиот број на бактериски видови во светот е неверојатно голем, вклучувајќи ги и сега откриените бактерии, кои ја опкружуваат Земјата во горните слоеви на нашата атмосфера и во карпите длабоко под морското дно“, рече Хадфилд. на сите можни средини, од базени до топли извори, и скоро секаде на површината и внатрешноста на секој жив организам, така што процентот на сите видови бактерии кои се патогени за растенијата и животните е безбеден. Се сомневам дека пропорцијата што е корисна или неопходна за растенијата и животните е исто така релативно мала во споредба со вкупниот број на бактерии присутни во универзумот, и секако повеќето бактерии, од оваа перспектива, се „неутрални“. сепак, јас сум исто така убеден дека бројот на корисни микроби, дури и многу потребни микроби, е многу, многу поголем од бројот на патогени. "

Потекло на животните и ко-еволуција

Од самиот почеток, бактериите можеби играле важна улога во учеството во потомството на повеќеклеточните организми (пред околу 1-2 милијарди години) и животните (пред околу 700 милиони години). . Истражувачите неодамна открија дека еден од најблиските роднини на повеќеклеточните животни, едноклеточен хоанофлагелат, реагира на сигналите од една од предаторските бактерии. Овие сигнали предизвикуваат поделба на хоанофлагелатните клетки да одржуваат врски, што доведува до формирање на добро координирани колонии кои можеле да станат повеќеклеточни организми. Сепак, ваквите прашања во врска со потеклото биле предмет на интензивна дебата, а научниците имаат неколку хипотези за тоа како настанале овие форми на живот. Бактериската улога во овие процеси не исклучува други перспективи, но додава дополнителен елемент.

Бактериите во микрофлората на животното, како што се оние во цревата, устата и кожата, комуницираат едни со други и разменуваат сигнали со системите на органи на животните. Некои од хемиските сигнали се прикажани на горната слика. Кредит: Маргарет Мекфал-Нгаи и др. © 2013 PNAS

Откако им помогнаа на животните да започнат, бактериите исто така играа важна улога, помагајќи им на нивниот еволутивен пат. Иако се смета дека развојот на животните е примарно воден од геномот на самото животно како одговор на факторите на животната средина, неодамнешните студии покажаа дека развојот на животните може да се гледа повеќе како оркестрација помеѓу животните, животната средина и ко-еволуцијата. на многу микробиолошки видови. Пример за оваа ко-еволуција можеби се случил кај цицачи кои еволуирале ендотермично. Друг пример е можноста да се одржи постојана температура од околу 40 ° C (100 ° F) со метаболички средства. Ова е исто така температура на која партнерите кај бактериите кај цицачите работат со оптимална ефикасност, обезбедувајќи енергија за цицачите и намалувајќи ја нивната потреба за исхрана. Ова откритие сугерира дека претпочитаната температура на бактериите може да определила притисок на селекција врз еволуцијата на гените поврзани со ендотермија.

Бактериска сигнализација

Докази за длабоко вкоренет сојуз помеѓу животни и бактерии, исто така, се појавуваат во геномите на обете групи. Истражувачите проценуваат дека околу 37% од 23 000 човечки гени имаат колеги меѓу бактериите и видовите Археи, на пример. Тие се поврзани со гени кои се наоѓаат и кај бактериите и кај видовите Археи, кои имаат заеднички предок.

Многу од овие хомологни гени дозволуваат сигнализација помеѓу животните и бактериите, што укажува на тоа дека тие биле во можност да комуницираат и да влијаат на развојот на едни со други. Пример е даден од откритието на Хадфилд и неговата група дека бактериското сигнализирање игра клучна улога во поттикнување на метаморфоза кај некои морски ларви без'рбетници, во кои бактериите произведуваат сигнали поврзани со одредени фактори на животната средина. Други студии откриле дека сигнализацијата на бактериите влијае на нормалниот развој на мозокот кај цицачите, влијае на репродуктивното однесување и кај 'рбетниците и кај без'рбетниците и го активира имунолошкиот систем при каснување од крлежи. Мирисни хемикалии кои привлекуваат одредени животни (вклучително и луѓето) кај нивните потенцијални колеги, се произведуваат и од животински бактерии.

Сигнализацијата на бактерии не е само неопходна за развој. Исто така, игра важна улога во одржувањето на хомеостазата кај животните, одржувајќи нè здрави и среќни. Истражувањата покажаа дека бактериите во цревата можат да комуницираат со мозокот преку централниот нервен систем. Во исто време, студиите покажаа дека глувците кои не поседуваат одредени бактерии имаат дефекти во одредени региони на мозокот кои го контролираат вознемиреното однесување. Бактериското сигнализирање, исто така, игра клучна улога во заштитата на имунитетниот систем на животното. Нарушувањето на овие патеки на сигнализација на бактерии може да доведе до болести како што се дијабетес, воспалително заболување на цревата и инфекции. Студиите исто така сугерираат дека многу од патогените предизвикувачи на болести кај животните ги поседуваат овие бактериски канали за комуникација, кои првично еволуирале за да одржат рамнотежа помеѓу животното и стотици видови корисни бактерии.

Сигнализацијата се јавува и во екосистемите во пошироките сфери. На пример, бактериите кои се наоѓаат во цветниот нектар можат да ги променат хемиските својства на нектарот, влијаејќи на тоа како опрашувачите комуницираат со растенијата. Човечки новороденчиња чии вагинални раѓања имаат различни цревни бактерии отколку оние родени со царски рез, што може да има долгорочни ефекти. А, бактериите кои се хранат со мртви животни можат да одбијат некрофажни животни, организми кои се 10 000 пати поголеми од нивната големина, со производство на штетни мириси што предизвикуваат остатоци од остатоци.

На ниво на цревата

Кај првите животни, цревните бактерии играа важна улога во исхраната, помагајќи им на животните да варат храна и може да имаат влијание врз развојот на другите системи на органи во близина, како што се респираторниот и урогениталниот систем. Покрај тоа, животната еволуција е најверојатно одговорна за еволуцијата на бактериите, понекогаш во високо специјализирани ниши. На пример, 90% од бактериските видови во термитните црева не се наоѓаат на друго место. Таквата специјализација значи и дека исчезнувањето на секој животински вид доведува до исчезнување на непознат број на бактериски линии кои еволуирале со овој вид.

Научниците откриле и дека бактериите во човечкото црево се прилагодуваат на промените во исхраната. На пример, повеќето Американци имаат микробиом во цревата кој е оптимизиран за варење на диета со висока содржина на маснотии, протеини, додека луѓето во руралните Амазони, Венецуела, имаат микроби во цревата кои се посоодветни за разградување на сложени јаглехидрати. Покрај тоа, некои луѓе во Јапонија имаат бактерија во цревата што може да вари алги. Истражувачите веруваат дека микробиомот на цревата се прилагодува на два начина. Од една страна со додавање или отстранување на одредени видови бактерии и од друга страна со пренесување на посакуваните гени од една во друга бактерија со пренесување хоризонтални гени. И домаќинот и бактеријата имаат корист од овој вид симбиотска врска. Истражувачите веруваат дека оваа врска е многу пораспространета отколку што се сметаше порано.

Преглед

Генерално, неодамнешните студии покажаа дека животните и бактериите имаат историја која е длабоко меѓусебно поврзана и зависат едни од други за да го одржат сопственото здравје и благосостојба, како и од околината во која живеат. Иако истражувачите се фокусирале исклучиво на интеракции меѓу животните и бактериите, се очекува слични трендови на ко-зависност и симбиоза да бидат универзални меѓу и помеѓу другите групи, како што се археи, габи, растенија и животни. Откако се сметаше за исклучок, оваа комбинација станува признаена како правило, како што предвиде Маргулис пред многу децении. Поради овие симбиотски односи, научниците предлагаат во овој случај дефинициите за организам, околина, популација и геном да станат нејасни и треба да се ревидираат. На пример, животните може подобро да се сметаат како домаќин-микробиолошки екосистеми отколку како индивидуи.

Инсект (1 мм) што живее во шумска крошна (10 м) ги илустрира ефектите на интеракцијата помеѓу животното и бактеријата на повеќе димензии. Бактериите (1 микрометар), кои живеат во цревата на животни (0,1 мм), се неопходни за храна од инсекти, а инсектите често го сочинуваат најголемиот дел од животинската биомаса во шумските настрешници. Кредит: Маргарет Мекфал-Нгаи и др. © 2013 PNAS

Покрај тоа, научниците предвидуваат дека неодамнешните откритија за интеракциите меѓу животните и бактериите веројатно ќе направат биолозите значително да го променат погледот на основната природа на целата биосфера. Меѓу овие индустрии, големи истражувачки проекти, како што се Проектот за човечки микробиом и Земјиниот микробиолошки проект, веќе се во тек за да се испита широк спектар на бактерии во индивидуалните и глобалните системи и да се види што тоа се случува кога се нарушуваат бактериите.

Конечно, научниците се надеваат дека резултатите ќе ја охрабрат интердисциплинарната соработка помеѓу научниците и инженерите од различни области за истражување на нови микробиолошки граници. Тие тврдат дека овие откритија треба да го револуционизираат начинот на кој се учи биологијата во средно училиште и пошироко, фокусирајќи се повеќе на односите помеѓу бактериите, животните-партнери и другите форми на живот.

„Тешко е да се сумира„ најважниот заклучок “различен од нагонот на биолозите да учат животни, од однесување до физиологија и од екологија до молекуларна биологија. Без оглед на кој процес мислите дека студирате, мора да го барате и да го земете предвид. Разгледајте важна улога за бактериите “, рече Хадфилд. „Во многу случаи, ова може да бара формирање на партнерства надвор од традиционалните граници на истражување, што значи дека зоолозите треба да работат со микробиолози за да ги унапредат истражувањата, дека молекуларните биолози треба да работат со биолозите низ целото тело итн. Ние силно сакаме пораката „Animивотните во светот на бактериите“ да биде повик за исчезнување на старите граници помеѓу одделенијата за животни науки (на пример, одделенијата за зоологија, ботаника, микробиологија, итн.) На универзитетите и општествата. на пример, Американското друштво за микробиологија, итн.) Исто така, би сакале пораката да се шири на курсеви во колеџи и универзитети, од воведна биологија до напредни курсеви во различни тематски области на нашата работа. "

Резултатите значително ќе го променат начинот на кој научниците во оваа соработка ќе продолжат со своите области на истражување, рече Хадфилд.

„Секој од нашите автори спроведува фундаментално истражување во една или повеќе области кои се фокусираат на интеракциите помеѓу животните и бактериите за кои се дискутира во трудот и јас сум убеден дека секој ќе продолжи да се фокусира на својата специјалност“, рече тој. Сепак, уверен сум и дека интеракциите развиени за време на составувањето и пишувањето на трудот (почнувајќи од нашиот состанок на NESCent во октомври 2011 година, кога повеќето од нас за прв пат се сретнаа), ќе имаат влијание врз нашето сопствено истражување и ќе нè наведе да воспоставиме нови соработки со други лаборатории. Ова веќе се случи во мојот случај. Воспоставивме нова соработка со групата Дајан manуман од CalTech, извонредна група на бактериолози кои ни помагаат детално да истражуваме бактериски генски производи одговорни за развој на ларвата.

Преведено од Павел Екатерина по претходна мисла на влијанието врз бактерискиот свет, со согласност на уредникот.