Бактериите и тяхната роля

По време на кариерата си известният биолог Лин Маргулис (1938-2011) твърди, че светът на микроорганизмите има много по-голямо въздействие върху цялата биосфера (определена като света на всички живи същества), отколкото учените обикновено признават.

Живеем в свят на бактерии и това ни засяга повече, отколкото се смяташе досега.

Понастоящем екип от учени, работещи в университети по целия свят, сравниха и написаха резултатите от стотици проучвания, разглеждащи взаимодействията между животни и бактерии, повечето от тях през последното десетилетие, и показаха, че Маргулис е бил прав. Комбинираните резултати показват, че доказателствата, подкрепящи твърденията на Маргулис, са достигнали критична точка и поради това е необходимо учените да преразгледат някои от основните характеристики на живота по отношение на сложните взаимозависими взаимоотношения между бактериите и други. изключително различни форми на живот.

Проектът, който включва преглед на текущите изследвания върху взаимодействията между животни и бактерии, започна, когато някои учени осъзнаха важната роля, която бактериите играят в тяхната собствена научна област. В случая с Майкъл Хадфийлд, професор по биология в Хавайския университет, Маноа, оценката се увеличава в продължение на много години, тъй като той изучава метаморфозата на морските животни. Той открил, че определени бактерии карат морските ларви да се заселват на определени места по морското дъно, където те се превръщат в млади риби и прекарват остатъка от живота си.

„След като установихме, че някои бактериални биофилми осигуряват съществен и уникален лиганд, който стимулира глобално разпределените ларви на глобално разпространен морски червей, нашето изследване, разбира се, започва да напредва към изучаване на сигналната част на бактериалния геном, както и на други видове, в които открихме същите гени, които участваха ", каза Хадфийлд пред Phys.org. „Разглеждайки изследването на взаимодействията между животни и бактерии от различни гледни точки и разпознавайки много повече, обсъдих подробно с Маргарет Макфол-Нгай, професор по микробиология и медицинска имунология в Университета на Уисконсин, Мадисън, за настоящата ситуация и след това реших нека се опитаме да съберем значителен брой експерти в различни подходи за изследване на взаимодействията между бактериите и животните, за да разработим хартия, като тази, която имате в ръцете си. Предложихме „каталитична среща“ на Националната научна фондация Център за еволюционен синтез, Националният център за синтез на еволюцията на Националната научна фондация (EESCent), който беше финансиран и проектът започна. "

Бактериите ни заобикалят

В много отношения е лесно да се види важната роля, която играят бактериите в света. Бактериите са една от първите форми на живот, които се появяват на Земята преди около 3,8 милиарда години и най-вероятно ще оцелеят дълго след изчезването на хората. В момента в дървото на живота те заемат един от трите основни клона (другите два са Archaea и Eucarya, животните, принадлежащи към последните). Въпреки че бактериите са изключително разнообразни и живеят почти навсякъде по Земята, от дъното на океана до вътрешността на нашите черва, те имат няколко общи неща. Те са сходни по размер (няколко микрометра), обикновено се състоят или от една клетка, или от няколко клетки и клетките им нямат ядра.

Въпреки че учените от много години знаят, че животните служат като гостоприемници на бактерии, които живеят главно в червата, устата и кожата, последните проучвания са установили колко от тези микроби има. Проучванията показват, че броят на бактериалните клетки, които хората имат, е 10 пъти по-голям от този на човешките клетки. Въпреки това, общите бактерии тежат по-малко от половин килограм, тъй като бактериалните клетки са много по-малки от човешките клетки.

Докато някои от тези бактерии просто живеят с животни, без да си взаимодействат много, други си взаимодействат много. Често свързваме бактериите с болестотворни "микроби" или патогени и бактериите са отговорни за много заболявания, като туберкулоза, бубонна чума и инфекции с метицилин-резистентен стафилококус ауреус. Но бактериите също имат много полезни роли и последните изследвания показват, че животът на животните не би бил същият без тях.

"Истинският брой бактериални видове в света е удивително голям, включително откритите сега бактерии, които обграждат Земята в горните слоеве на нашата атмосфера и в скалите дълбоко под морското дъно", каза Хадфийлд. във всички възможни среди, от басейни до горещи извори и почти навсякъде по повърхността и вътре във всеки жив организъм, така че делът на всички видове бактерии, които са патогенни за растенията и животните, е безопасен. Подозирам, че делът, който е полезен или необходим за растенията и животните, също е сравнително малък в сравнение с общия брой бактерии, присъстващи във Вселената, и със сигурност повечето бактерии, от тази гледна точка, са "неутрални". но също така съм убеден, че броят на полезните микроби, дори много необходимите микроби, е много, много по-голям от броя на патогените. "

Животински произход и коеволюция

От самото начало бактериите може да са играли важна роля в участието в потомството на многоклетъчни организми (преди около 1-2 милиарда години) и животни (преди около 700 милиона години). . Изследователите наскоро откриха, че един от най-близките живи роднини на многоклетъчни животни, едноклетъчен хоанофлагелат, реагира на сигнали от една от хищните бактерии. Тези сигнали карат делящите се хонофлагелатни клетки да поддържат връзки, което води до образуването на добре координирани колонии, които биха могли да се превърнат в многоклетъчни организми. Такива въпроси за произхода обаче са обект на интензивен дебат и учените имат няколко хипотези за това как са възникнали тези форми на живот. Бактериалната роля в тези процеси не изключва други перспективи, но добавя допълнителен елемент.

Бактериите в микрофлората на животното, като тези в червата, устата и кожата, комуникират помежду си и обменят сигнали с органите на животното. Някои от химичните сигнали са показани на фигурата по-горе. Кредит: Margaret McFall-Ngai, et al. © 2013 PNAS

След като помогнаха на животните да започнат, бактериите също изиграха важна роля, помагайки им по техния еволюционен път. Въпреки че обикновено се смята, че развитието на животните се движи предимно от собствения геном на животното в отговор на факторите на околната среда, последните проучвания показват, че развитието на животните може да се разглежда по-скоро като оркестрация между животни, околната среда и съвместна еволюция. на много микробни видове. Пример за тази коеволюция може да е настъпил при бозайници, които са еволюирали ендотермично. Друг пример е способността да се поддържа постоянна температура от около 40 ° C (100 ° F) чрез метаболитни средства. Това е и температурата, при която партньорите от бактериални бактерии работят с оптимална ефективност, като осигуряват енергия за бозайниците и намаляват нуждата им от храна. Това откритие предполага, че предпочитаната температура на бактериите може да е определила селекционен натиск върху еволюцията на гените, свързани с ендотермията.

Бактериална сигнализация

Доказателства за дълбоко вкоренен съюз между животни и бактерии също се появяват в геномите на двете групи. Изследователите изчисляват, че около 37% от 23 000 човешки гени имат аналози сред бактериите и видовете Archaea например. Те са свързани с гени, които се намират както в бактериите, така и в вида Archaea, които имат общ предшественик.

Много от тези хомоложни гени позволяват сигнализиране между животни и бактерии, което предполага, че те са били в състояние да общуват и да си влияят на развитието на другия. Пример е предоставен от откритието на Хадфийлд и неговата група, че бактериалното сигнализиране играе ключова роля за предизвикване на метаморфоза при някои ларви на морски безгръбначни, в които бактериите произвеждат сигнали, свързани с определени фактори на околната среда. Други изследвания са установили, че бактериалната сигнализация влияе върху нормалното развитие на мозъка при бозайниците, влияе върху репродуктивното поведение както на гръбначните, така и на безгръбначните животни и активира имунната система при ухапвания от кърлежи. Обонятелните химикали, които привличат определени животни (включително хора) към техните потенциални колеги, също се произвеждат от местни животински бактерии.

Бактериалната сигнализация е не само съществена за развитието. Той също така играе важна роля за поддържането на хомеостазата при животните, като ни поддържа здрави и щастливи. Изследванията показват, че бактериите в червата могат да комуникират с мозъка чрез централната нервна система. В същото време проучванията показват, че мишките, които не притежават определени бактерии, имат дефекти в определени области на мозъка, които контролират тревожното поведение. Бактериалната сигнализация също играе ключова роля в защитата на имунната система на животното. Нарушаването на тези бактериални сигнални пътища може да доведе до заболявания като диабет, възпалителни заболявания на червата и инфекции. Изследванията също така показват, че много от болестотворните патогени при животните притежават тези бактериални комуникационни канали, които първоначално са се развили, за да поддържат баланс между животното и стотици видове полезни бактерии.

Сигнализирането се среща и в екосистемите в по-широки сфери. Например, бактериите, открити в цветния нектар, могат да променят химичните свойства на нектара, влияейки върху взаимодействието на опрашителите с растенията. Човешки бебета, чиито вагинални раждания имат различни чревни бактерии от тези, родени чрез цезарово сечение, което може да има дългосрочни ефекти. А бактериите, които се хранят с мъртви животни, могат да отблъснат некрофагите, организми, които са 10 000 пъти по-големи от тях, като произвеждат вредни миризми, които карат отломките да стоят далеч.

На чревно ниво

При първите животни чревните бактерии играят важна роля в храненето, като помагат на животните да усвояват храната и може да са повлияли на развитието на други близки органи, като дихателната и урогениталната системи. Освен това еволюцията на животните най-вероятно е отговорна за еволюцията на бактериите, понякога във високоспециализирани ниши. Например 90% от бактериалните видове в термитните черва не се срещат другаде. Такава специализация означава също, че изчезването на всеки животински вид води до изчезването на неизвестен брой бактериални линии, еволюирали с този вид.

Учените са установили също, че бактериите в човешките черва се адаптират към промените в диетата. Например, повечето американци имат микробиом в червата, който е оптимизиран за смилане на диета с високо съдържание на мазнини и протеини, докато хората в селските райони на Амазона, Венецуела, имат микроби в червата, които са по-подходящи за разцепване на сложни въглехидрати. Освен това някои хора в Япония имат в червата си бактерия, която може да смила водорасли. Изследователите вярват, че чревният микробиом се адаптира по два начина. От една страна чрез добавяне или премахване на определени видове бактерии, а от друга страна чрез прехвърляне на желаните гени от една бактерия в друга чрез прехвърляне на хоризонтални гени. Както гостоприемникът, така и бактерията се възползват от този тип симбиотична връзка. Изследователите вярват, че тази връзка е много по-широко разпространена, отколкото се смяташе досега.

Общ преглед

Като цяло последните проучвания показват, че животните и бактериите имат история, която е дълбоко взаимосвързана и зависи една от друга, за да поддържа собственото си здраве и благополучие, както и това на средата, в която живеят. Въпреки че изследователите са се фокусирали изключително върху взаимодействията между животни и бактерии, очаква се подобни тенденции в съзависимостта и симбиозата да бъдат универсални сред и между други групи, като археи, гъби, растения и животни. Веднъж считана за изключение, тази комбинация се признава като правило, както Маргулис прогнозира преди много десетилетия. Поради тези симбиотични взаимоотношения, учените предлагат в този случай, че определенията за организъм, среда, популация и геном са станали неясни и трябва да бъдат преразгледани. Например, животните могат по-добре да се разглеждат като екосистеми гостоприемник-микроб, отколкото като индивиди.

Насекомо (1 mm), което живее в горския навес (10 m), илюстрира ефектите от взаимодействието между животно и бактерия в няколко измерения. Бактериите (1 микрометър), които живеят в червата на животните (0,1 мм), са от съществено значение за храната на насекомите и насекомите често съставляват по-голямата част от животинската биомаса в горските навеси. Кредит: Margaret McFall-Ngai, et al. © 2013 PNAS

Освен това учените прогнозират, че скорошните открития за взаимодействията между животни и бактерии вероятно ще направят необходимостта биолозите значително да променят вижданията си за фундаменталната природа на цялата биосфера. Сред тези индустрии вече се провеждат мащабни изследователски проекти, като Проектът за човешки микробиом и Проектът за микробни процеси на Земята, за да се изследват широк спектър от бактерии в отделни и глобални системи и да се види какво това се случва, когато бактериите са нарушени.

И накрая, учените се надяват, че резултатите ще насърчат интердисциплинарното сътрудничество между учени и инженери в различни области за изследване на нови микробни граници. Те твърдят, че тези открития трябва да революционизират начина, по който се преподава биология в гимназията и извън нея, като се фокусират повече върху връзките между бактериите, партньорските животни и други форми на живот.

"Трудно е да обобщим" най-важното заключение ", различно от желанието на биолозите да изучават животни, от поведението до физиологията и от екологията до молекулярната биология. Какъвто и процес да мислите, че изучавате, трябва да търсите и да го вземете предвид. Помислете за важна роля на бактериите ", каза Хадфийлд. „В много случаи това може да изисква формиране на партньорства извън традиционните граници на изследванията, което означава, че зоолозите трябва да работят с микробиолози, за да подобрят изследванията, че молекулярните биолози трябва да работят с биолози в цялото тяло и т.н. Силно искаме посланието „Животните в един свят на бактериите“ да бъде призив за изчезването на старите граници между отделите на науките за живота (например отделите по зоология, ботаника, микробиология и др.) В университетите и обществата. например Американското дружество по микробиология и др.) Бихме искали също така посланието да се разпространява в курсове в колежи и университети, от уводна биология до напреднали курсове в различни тематични области на нашата работа. . "

Резултатите значително ще променят начина, по който учените в това сътрудничество ще продължат със собствените си области на изследване, каза Хадфийлд.

„Всеки от нашите автори провежда фундаментални изследвания в една или повече области, които се фокусират върху обсъжданите в статията взаимодействия между животни и бактерии и съм уверен, че всеки ще продължи да се фокусира върху собствената си специалност“, каза той. Също така съм уверен, че взаимодействията, създадени по време на съставянето и писането на доклада (започвайки от срещата ни в NESCent през октомври 2011 г., когато повечето от нас се срещнаха за първи път), ще окажат влияние върху нашето собствено изследване и ще ни накара да установим ново сътрудничество с други лаборатории. Това вече се случи в моя случай. Установихме ново сътрудничество с групата Dianne Newman от CalTech, необикновена група бактериолози, които ни помагат да изследваме в детайли бактериални генни продукти, отговорни за развитието на ларвите.

Преведено от Пол Екатерина след въздействието на бактериалния свят в миналото, със съгласието на редактора.