Бактерії та їх роль

Протягом своєї кар'єри відомий біолог Лінн Маргуліс (1938-2011) стверджував, що світ мікроорганізмів має набагато більший вплив на всю біосферу (визначається як світ усього живого), ніж зазвичай визнають вчені.

Ми живемо у світі бактерій, і це впливає на нас більше, ніж вважалося раніше.

В даний час група вчених, що працюють в університетах по всьому світу, порівняла і написала результати сотень досліджень, що вивчають взаємодію тварин і бактерій, більшість з них за останнє десятиліття, і показали, що Маргуліс мав рацію. Сукупні результати свідчать про те, що докази, що підтверджують твердження Маргуліса, досягли критичної точки, і тому вченим необхідно переглянути деякі фундаментальні особливості життя з точки зору складних взаємозалежних відносин між бактеріями та іншими. надзвичайно різні форми життя.

Проект, який передбачає перегляд сучасних досліджень взаємодії між тваринами та бактеріями, розпочався тоді, коли деякі вчені усвідомили важливу роль, яку відіграють бактерії у власній науковій галузі. У випадку з Майклом Хедфілдом, професором біології з Гавайського університету в Маноа, оцінка зростала протягом багатьох років, коли він вивчав метаморфози морських тварин. Він виявив, що певні бактерії змушують морських личинок селитися в певних місцях на морському дні, де вони перетворюються на молоду рибу і проводять решту свого життя.

"Після того, як ми визначили, що певні бактеріальні біоплівки забезпечують важливий і унікальний ліганд, який стимулює глобально розподілені личинки морського черв'яка, що розповсюджуються у всьому світі, наші дослідження, звичайно, почали прогресувати в напрямку вивчення сигнальної частини генома бактерій, а також інших видів, в якому ми виявили ті самі гени, що беруть участь ", - сказав Хедфілд Phys.org. "Дивлячись на вивчення взаємодії тварин і бактерій з різних точок зору, і визнаючи набагато більше, я довго обговорював з Маргарет Макфолл-Нгай, професором мікробіології та медичної імунології Університету штату Вісконсін, штат Медісон, широку ситуацію, а потім вирішив спробуємо об’єднати значну кількість експертів з різних підходів до вивчення взаємодії між бактеріями та тваринами, щоб розробити документ, такий як той, який у вас є в руках. Ми запропонували "каталітичну зустріч" на Національному науковому фонді Національної Центр еволюційного синтезу (NESCent), який фінансувався і проект стартував ".

Бактерії нас оточують

Багато в чому легко зрозуміти, яку важливу роль відіграють бактерії у світі. Бактерії були однією з перших форм життя, що з’явилися на Землі приблизно 3,8 мільярда років тому, і вони, найімовірніше, виживуть ще довго після зникнення людей. В даний час на дереві життя вони займають одну з трьох основних гілок (інші дві - Археї та Евкарія, тварини, що належать до останніх). Хоча бактерії надзвичайно різноманітні і живуть майже в будь-якій точці Землі, від дна океану до внутрішньої частини нашого кишечника, у них є кілька спільних речей. Вони подібні за розміром (кілька мікрометрів), зазвичай складаються або з однієї клітини, або з декількох клітин, і їх клітини не мають ядер.

Хоча вчені вже багато років знають, що тварини служать господарями для бактерій, які мешкають переважно в кишечнику, ротовій порожнині та на шкірі, останні дослідження виявили, наскільки багато цих мікробів. Дослідження показали, що кількість бактеріальних клітин, які мають люди, у 10 разів перевищує кількість клітин людини. Однак загальна кількість бактерій важить менше півкілограма, оскільки клітини бактерій набагато менше клітин людини.

Хоча деякі з цих бактерій просто живуть із тваринами, мало взаємодіючи, інші дуже сильно взаємодіють. Ми часто пов'язуємо бактерії з хвороботворними "мікробами" або патогенами, і бактерії відповідають за багато захворювань, таких як туберкульоз, бубонна чума та стійкі до метициліну інфекції золотистого стафілокока. Але бактерії також відіграють багато корисних ролей, і останні дослідження вказують на те, що без них життя тварин не було б однаковим.

"Справжня кількість видів бактерій у світі напрочуд велика, включаючи виявлені зараз бактерії, які оточують Землю у верхніх шарах нашої атмосфери та в скелях глибоко під морським дном", - сказав Хедфілд. у всіх можливих середовищах, від басейнів до гарячих джерел, і майже скрізь на поверхні та всередині кожного живого організму, тому частка всіх видів бактерій, які є патогенними для рослин і тварин, є безпечною. Я підозрюю, що частка, яка є корисною або необхідною для рослин і тварин, також відносно невелика порівняно із загальною кількістю бактерій, що присутні у Всесвіті, і, безумовно, більшість бактерій, з цієї точки зору, є "нейтральними". проте я також переконаний, що кількість корисних мікробів, навіть настільки необхідних мікробів, набагато, набагато перевищує кількість патогенів. "

Тваринне походження та спільна еволюція

З самого початку бактерії могли відігравати важливу роль у участі у потомстві багатоклітинних організмів (близько 1-2 мільярдів років тому) та тварин (близько 700 мільйонів років тому). . Нещодавно дослідники виявили, що один з найближчих живих родичів багатоклітинних тварин, одноклітинний хоанофлагелат, реагує на сигнали однієї з хижих бактерій. Ці сигнали змушують клітини хоанофлагелятів, що діляться, підтримувати зв’язки, що призводить до утворення добре скоординованих колоній, які могли б стати багатоклітинними організмами. Однак такі питання про походження були предметом напружених дискусій, і вчені мають кілька гіпотез щодо того, як виникли ці форми життя. Роль бактерій у цих процесах не виключає інших перспектив, але додає додатковий елемент.

Бактерії в мікрофлорі тварини, такі як кишечник, рот і шкіра, взаємодіють між собою та обмінюються сигналами із системами органів тварини. Деякі хімічні сигнали показані на малюнку вище. Кредит: Маргарет Макфолл-Нгаї та ін. © 2013 PNAS

Як тільки вони допомогли тваринам розпочати роботу, бактерії також зіграли важливу роль, допомагаючи їм на їхньому еволюційному шляху. Хоча зазвичай вважається, що розвиток тварин зумовлений головним чином власним геномом тварини у відповідь на фактори навколишнього середовища, останні дослідження показали, що розвиток тварин можна розглядати більше як оркестрацію між тваринами, навколишнім середовищем та спільну еволюцію. багатьох мікробних видів. Приклад такої коеволюції міг статися у ссавців, які еволюціонували ендотермічно. Іншим прикладом є здатність підтримувати постійну температуру близько 40 ° C (100 ° F) за допомогою метаболізму. Це також температура, при якій бактеріальні партнери ссавців працюють з оптимальною ефективністю, забезпечуючи енергію для ссавців і зменшуючи їхню потребу в кормі. Цей висновок свідчить про те, що бажана температура бактерій, можливо, визначала тиск відбору на еволюцію генів, пов’язаних з ендотермією.

Бактеріальна сигналізація

Свідчення глибоко вкоріненого союзу між тваринами та бактеріями також з’являються в геномах обох груп. Дослідники підрахували, що приблизно 37% з 23 000 людських генів мають аналоги серед бактерій та видів Archaea, наприклад. Вони пов’язані з генами, які є як у бактерій, так і у виду Archaea, що має спільного предка.

Багато з цих гомологічних генів дозволяють передавати сигнали між тваринами та бактеріями, припускаючи, що вони змогли спілкуватися та впливати на розвиток один одного. Приклад наводить відкриття Хедфілда та його групи, що передача бактеріальних сигналів відіграє ключову роль у викликанні метаморфозу у деяких морських личинок безхребетних, в яких бактерії виробляють сигнали, пов'язані з певними факторами навколишнього середовища. Інші дослідження виявили, що бактеріальна сигналізація впливає на нормальний розвиток мозку у ссавців, впливає на репродуктивну поведінку як у хребетних, так і у безхребетних, а також активізує імунну систему при укусах кліщів. Нюхові хімічні речовини, які залучають певних тварин (включаючи людей) до своїх потенційних аналогів, також виробляються бактеріями-резидентами тварин.

Сигналізація бактерій не тільки необхідна для розвитку. Він також відіграє важливу роль у підтримці гомеостазу у тварин, підтримуючи нас здоровими та щасливими. Дослідження показали, що бактерії в кишечнику можуть спілкуватися з мозком через центральну нервову систему. У той же час дослідження показали, що миші, які не мають певних бактерій, мають дефекти в певних областях мозку, які контролюють поведінку тривоги. Сигналізація бактерій також відіграє ключову роль у захисті імунної системи тварини. Порушення цих бактеріальних сигнальних шляхів може призвести до таких захворювань, як діабет, запальні захворювання кишечника та інфекції. Дослідження також дозволяють припустити, що багато збудників хвороб, що викликають захворювання тварин, мають ці бактеріальні канали зв'язку, які спочатку розвивалися, щоб підтримувати баланс між твариною та сотнями видів корисних бактерій.

Сигналізація також відбувається в екосистемах у більш широких сферах. Наприклад, бактерії, знайдені в квітковому нектарі, можуть змінити хімічні властивості нектару, впливаючи на взаємодію запилювачів з рослинами. Немовлята, у яких вагінальні пологи мають інші кишкові бактерії, ніж ті, що народилися шляхом кесаревого розтину, що може мати довгострокові наслідки. А бактерії, які харчуються мертвими тваринами, можуть відштовхувати некрофагів, організми, розміри яких перевищують розмір у 10 000, виробляючи шкідливі запахи, через які сміття тримається подалі.

На рівні кишечника

У перших тварин кишкові бактерії відігравали важливу роль у харчуванні, допомагаючи тваринам перетравлювати їжу і могли вплинути на розвиток інших сусідніх систем органів, таких як дихальна та сечостатева системи. Крім того, еволюція тварин, швидше за все, відповідає за еволюцію бактерій, іноді у вузькоспеціалізованих нішах. Наприклад, 90% видів бактерій у кишках термітів не зустрічаються в інших місцях. Така спеціалізація також означає, що зникнення кожного виду тварин призводить до зникнення невідомої кількості бактеріальних ліній, що еволюціонували з цим видом.

Вчені також виявили, що бактерії в кишечнику людини пристосовуються до змін у харчуванні. Наприклад, у більшості американців у кишечнику є мікробіом, який оптимізований для перетравлення дієти з високим вмістом жиру та білка, тоді як у жителях сільських районів Амазонки, Венесуела, в кишечнику є мікроби, які краще підходять для розщеплення складних вуглеводів. Більше того, у деяких людей в Японії в кишечнику є бактерія, яка може перетравлювати водорості. Дослідники вважають, що мікробіом кишечника адаптується двояко. З одного боку шляхом додавання або видалення певних видів бактерій, а з іншого - шляхом перенесення бажаних генів від однієї бактерії до іншої шляхом перенесення горизонтальних генів. І господар, і бактерія отримують вигоду від цього типу симбіотичних стосунків. Дослідники вважають, що ці стосунки набагато ширші, ніж вважалося раніше.

Огляд

Загалом, нещодавні дослідження показали, що історія тварин і бактерій глибоко взаємопов’язана і залежить одна від одної для збереження власного здоров’я та добробуту, а також середовища, в якому вони живуть. Незважаючи на те, що дослідники зосереджувались виключно на взаємодії тварин і бактерій, очікується, що подібні тенденції співзалежності та симбіозу будуть універсальними серед інших груп, таких як археї, гриби, рослини та тварини. Одного разу, що вважається винятком, ця комбінація стає визнаною як правило, як передбачав Маргуліс багато десятиліть тому. Через ці симбіотичні взаємозв'язки вчені пропонують у цьому випадку, що визначення організму, середовища, популяції та геному стали незрозумілими і їх слід переглянути. Наприклад, тварин можна краще розглядати як екосистеми-господарі-мікроби, ніж як особин.

Комаха (1 мм), що мешкає в полозі лісу (10 м), ілюструє ефекти взаємодії між твариною та бактерією у кількох вимірах. Бактерії (1 мкм), які мешкають у кишечнику тварин (0,1 мм), є надзвичайно важливими для їжі комах, і комахи часто становлять більшу частину біомаси тварин у лісових пологах. Кредит: Маргарет Макфолл-Нгаї та ін. © 2013 PNAS

Крім того, вчені прогнозують, що нещодавні результати про взаємодію тварин і бактерій, ймовірно, змусять біологів суттєво змінити свій погляд на фундаментальну природу всієї біосфери. Серед цих галузей вже проводяться масштабні дослідницькі проекти, такі як проект «Мікробіом людини» та «Мікробний проект Землі», які досліджують широкий спектр бактерій в окремих та глобальних системах, а також дізнаються, що саме це трапляється, коли бактерії порушені.

Нарешті, вчені сподіваються, що результати сприятимуть міждисциплінарній співпраці між науковцями та інженерами у різних галузях для вивчення нових мікробних кордонів. Вони стверджують, що ці відкриття повинні революціонізувати спосіб викладання біології в середній школі та за її межами, більше зосереджуючись на взаємозв'язку між бактеріями, тваринами-партнерами та іншими формами життя.

"Важко підсумувати" найважливіший висновок ", який відрізняється від бажання біологів вивчати тварин, від поведінки до фізіології та від екології до молекулярної біології. Який би процес ви не думали вивчати, його потрібно шукати та враховувати. Розглянемо важливу роль бактерій ", - сказав Хедфілд. "У багатьох випадках для цього може знадобитися формування партнерських відносин, що виходять за рамки традиційних меж досліджень, а це означає, що зоологам потрібно співпрацювати з мікробіологами для просування досліджень, що молекулярним біологам потрібно працювати з біологами по всьому тілу тощо. Ми дуже хочемо, щоб повідомлення "Тварини у світі бактерій" було закликом до зникнення старих меж між кафедрами наук про життя (наприклад, кафедрами зоології, ботаніки, мікробіології тощо) в університетах та суспільствах. наприклад, Американське товариство мікробіології та ін.). Ми також хотіли б, щоб повідомлення поширювалось на курсах в коледжах та університетах, починаючи від вступної біології та закінчуючи курсами з різних предметних областей нашої роботи . "

Результати істотно змінять спосіб продовження науковцями цієї співпраці власних напрямків досліджень, сказав Хедфілд.

"Кожен з наших авторів проводить фундаментальні дослідження в одній або декількох областях, що зосереджуються на взаємодії між тваринами та бактеріями, про яку йдеться в статті, і я впевнений, що кожен з них і надалі зосереджуватиметься на своїй спеціальності", - сказав він. Однак я також впевнений, що взаємодія, яка склалася під час складання та написання статті (починаючи з нашої зустрічі NESCent у жовтні 2011 року, коли більшість із нас вперше зустрічались), матиме вплив на наші власні дослідження і приведуть нас до налагодження нової співпраці з іншими лабораторіями. У моєму випадку це вже відбулося. Ми створили нову співпрацю з групою Діан Ньюман з CalTech, надзвичайною групою бактеріологів, які допомагають нам детально досліджувати продукти бактеріального гена, що відповідають за розвиток личинок.

Переклав Павло Катерина після впливу на світ бактерій, про який раніше думали за згодою редактора.