Dołącz do czytelników
Brak wyników

Biotechnologia

2 września 2021

NR 46 (Wrzesień 2021)

Ewolucyjni pasażerowie na gapę, czyli jak symbionty kształtowały życie na Ziemi

0 115

Obserwując życie na Ziemi, zachwycając się jego różnorodnością, rzadko uświadamiamy sobie, ile tak naprawdę rzeczy zawdzięczamy najmniejszym organizmom zamieszkującym naszą planetę. Wzrost roślin, śpiew ptaków czy też zdolność organizmów do ruchu – nic z tego nie byłoby możliwe, gdyby nie nasi mikroskopijni sąsiedzi – bakterie, grzyby, protisty i wirusy – które od milionów lat wspierają nas lub nam przeszkadzają w ewolucyjnym wyścigu zbrojeń. Jaki pożytek możemy mieć z ich obecności? W jaki sposób są one powiązane z organellowymi generatorami energii obecnymi w naszych komórkach?

Początek przełomu

Kiedy w 1966 r. Lynn Margulis (wtedy jeszcze Lynn Sagan) opublikowała w „Journal of Theoretical Biology” artykuł „On the Origin of Mitosing Cells”, nie wiedziała, że wprawiła w ruch maszynę, której przedziwny mechanizm przez kolejne dziesięciolecia będzie spędzał sen z powiek wielu naukowcom. Koncepcje przedstawiane przez Margulis już wtedy uważane były za kontrowersyjne i sprzeczne z darwinowską teorią ewolucji – na tyle, że zanim artykuł badaczki ujrzał światło dzienne, został odrzucony przez piętnaście czasopism. Margulis w swoim dziele dowodziła, że plastydy i mitochondria to w rzeczywistości przekształcone autonomiczne organizmy prokariotyczne, które w pewnym momencie historii weszły w związek endosymbiotyczny z komórką-gospodarzem, by po latach wspólnej ewolucji stać się organellami, których funkcje (przynajmniej po części) są podległe jądru komórkowemu. 
Lynn Margulis nie była pierwsza, która wskazała takie możliwe pochodzenie tych organelli. Początki tej teorii sięgają aż do XIX w. i wcześniej zajmowało się nią wielu badaczy (w tym Schrimper, Atmann, Wallin czy Mereschkowsky), którymi młoda Margulis mocno się inspirowała. To właśnie jednak jej artykuł zyskał siłę przebicia na tyle dużą, aby przedostać się do świadomości opinii publicznej. To także ona przez kolejne dziesięciolecia swojej pracy konsekwentnie stawała w opozycji do tradycyjnie rozumianej darwinowskiej teorii ewolucji, broniąc stanowiska teorii symbiogenezy, według której organizmy wyewoluowały poprzez grupowanie się w coraz większe kompleksy symbiotyczne, z czasem funkcjonujące jako indywidualne jednostki. W książce, którą napisała wraz ze swoim ówczesnym mężem Carlem Saganem – Acquiring Genomes: A Theory of the Origin of Species – próbowała argumentować między innymi, że mutacje są zbyt przeceniane, jeżeli chodzi o ich rolę w specjacji – nie mają one wystarczającej mocy, aby generować nowe gatunki i że to właśnie endosymbioza jest w większości (jak nie całkowicie) odpowiedzialna za procesy specjacji przez większą część historii życia na Ziemi.
Z biegiem lat termin „endosymbioza” zaczął dotyczyć kolejnych poziomów złożoności organizmów. Obecnie używa się go nie tylko do opisania związku eukariota-prokariota, ale do każdego związku symbiotycznego, w którym jeden z organizmów stanowi środowisko życia drugiego organizmu. Także my, ludzie, możemy nazwać siebie symbiotycznym konstruktem – tworzymy go razem z milionami bakterii, które trwale zasiedlają nasz organizm, wywierając na niego bardzo silny wpływ, którego często nawet nie jesteśmy świadomi.
 


Razem znaczy raźniej?

W wyniku rozwijania teorii endosymbiogenezy ukuty został termin „holobiont” i „hologenom”. Pierwszy z nich oznacza zespół organizmów, które przez większość swojej historii życiowej funkcjonują w symbiozie i tworzą strukturę ekologiczną mogącą podlegać wspólnej selekcji naturalnej. Drugi z kolei odnosi się do genomu gospodarza i mikroorganizmów, które razem tworzą jednostkę fizjologiczno-ekologiczno-ewolucyjną wyższej kategorii. 
Najbliższy nam przykład holobiontu został już wspomniany powyżej. Nasze ciała, zarówno w środku, jak i na zewnątrz kolonizowane są przez miliony mikrobów – bakterii, grzybów – prezentowanych pod wspólną nazwą „mikrobiomu”. Jego skład zależny jest od wielu czynników, takich jak prowadzony przez nas styl życia, rodzaj spożywanych posiłków, stres, choroby i zażywane leki. Jednak to jeszcze nie koniec, ponieważ skład mikrobiomu sam w sobie może również wpływać na nasze samopoczucie, a nawet zachowania czy też podejmowane decyzje. Nieprawdopodobne? Mikroorganizmy, zmieniając przebieg procesów metabolicznych, skład produkowanych substancji, czy nawet modyfikując nasze geny, mogą mieć decydujący wpływ na przebieg chorób autoimmunologicznych czy też psychosomatycznych. Nasz „pierwszy mikrobiom” otrzymujemy od naszych matek przy porodzie, podejrzewa się więc, że to on – a nie DNA – może być powodem, dla którego niektóre choroby występują w rodzinie z większą częstotliwością. W celu lepszego poznania mikrobiomu człowieka został nawet uruchomiony specjalny projekt HMP (ang.: Human Microbe Project), którego celem jest dowiedzenie się, na jakie jeszcze aspekty naszego życia mają wpływ mikroskopijni kolonizatorzy. 
Pocieszający może wydać się fakt, że nie jesteśmy jedynymi istotami „sterowanymi” przez zasiedlające nas mikroorganizmy. U myszy na przykład – podobnie jak u ludzi – skład mikrobiomu może silnie determinować zachowanie, w tym wpływać na występowanie objawów stresowych i lękowych. Zbadano to poprzez przeszczepienie części mikrobiomu od myszy z objawami chandry do drugiej myszy, u której objawy te nie występowały, a która po zabiegu zaczęła zachowywać się podobnie jak jej poprzedniczka. Mikrobiom może także determinować zachowania seksualne, co wykazano na podstawie badań prowadzonych na Drosophila. Udowodniono, że skład mikroflory ich jelit może decydować o tym, czy w ogóle podejmą się one rozrodu, a także, jakiego partnera wybiorą. Dodatkowo część mikroorganizmów jest czynnikiem determinującym rozwój jaj haplo- i diploidalnych – decydują one tym samym o płci rozwijającego się potomstwa.
Patrząc na powyższe przykłady, może się wydawać, że obecność symbiontów zazwyczaj przynosi więcej szkody niż pożytku, jednak nic bardziej mylnego! Przede wszystkim ludzki mikrobiom odpowiada za wykształcanie reakcji immunologicznych. Bakterie zasiedlające nasze wnętrze sprawiają, że nie ma tam już miejsca dla organizmów chorobotwórczych, dodatkowo same z siebie tworzą one warunki chroniące przed tymi organizmami. Odpowiadają również za syntezę ważnych dla naszego organizmu witamin. 
Inne organizmy, które nie mogłyby przeżyć bez zasiedlających ich bakterii, to przedstawiciele gatunku Olavius algarvensis zamieszkujący osady przybrzeżne Morza Śródziemnego. Są to wieloszczety pozbawione układu trawiennego, które potrzebne im do życia związki organiczne czerpią od chemosyntezujących endosymbiontów (naukowcom udało się ich naliczyć ponad cztery gatunki!). Dodatkowo można powiedzieć, że lokatorzy Olavius algarvensis są organizmami bardzo ekologicznymi – oprócz dostarczania pożywienia wykorzystują wtórnie odpady metaboliczne produkowane przez swojego gospodarza. Symbioza ta wymaga jednak pewnych wyrzeczeń – wieloszczety muszą przebywać w beztlenowych warstwach osadu przez większość swojego życia, aby umożliwiać redukcję siarczanów symbiontom, które należą do anareobów. Jednak czego się nie zrobi, aby przeżyć?
Co ciekawe, w przyrodzie spotkać można organizmy żyjące w symbiozie podwójnej – będące zarówno endo-, jak i ektosymbiontami. Mowa tutaj o wiciowcach z gatunku Mixotricha paradoxa, których obecność wykryto wśród protistów żyjących w treści pokarmowej jelita tylnego termita Mastotermes darwiniensis. Pierwotnie uważano, że ciało tych endosym­biontów pokryte jest gęsto rzęskami, po dokładniejszych ba­­daniach dowiedziono jednak, że są to ek­­tosymbiotycz...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy