Симбіоз: це ускладнено

Багато організми замикаються у взаємозалежних відносинах з мікробами, які живуть всередині них. Але іноді ці мікроби-резиденти самі приймають ще більш крихітних гостей.

Мистецтво: Наталя Зан

Чи чули ви про тропічну панічну траву, відому також як dichanthelium lanuginosum? Напевно, ні. Але якщо ви побували в Національному парку Йеллоустоун на американському Заході, можливо, ви побачили його мудрі лози, що витікають з палючої грязі гейзерних басейнів парку, геотермальних джерел або грязьових горщиків. Назва трави дає натяк на його гарячковий темперамент: це одна з небагатьох рослин, яка може вижити на палаючих геотермальних ґрунтах парку.

Відповідь на те, чому криється в понятті симбіозу.

Гаразд, що таке "симбіоз"?

Наприкінці 1870-х німецькі вчені Альберт Франк та Генріх Антон де Барі ввели в біологію термін "симбіоз". З грецької мови "разом" та "життя" малося на увазі описати нещодавно виявлений вид взаємозв'язків між організмами. Лишайники, як виявили вчені, насправді складаються з гриба та водорості в інтимному та взаємовигідному союзі. Водорості використовують сонячне світло для приготування їжі для гриба, тоді як гриб пропонує мінерали, воду та притулок. Це виявилося революційною знахідкою.

За більш ніж століття з того часу було встановлено, що симбіози відіграють важливу роль у розвитку та виживанні майже кожного організму. Люди, тварини, рослини, корали та комахи все сильно залежать від мікробів, які, в свою чергу, залежать від їх господарів. Розглянемо бактерії кишечника, які підтримують здоров'я людини та тварин, водорості, що живлять коралові рифи, або мітохондрії, які змушують наші клітини працювати. Виявляється, ці зв'язки між мікробіомом є важливими для життя на землі. Вони є настільки універсальними та найважливішими, що на початку цього року деякі вчені закликали проводити оптовий перекомпонування Дерева життя Дарвіна, щоб врахувати їх.

Симбіоз «Російської ляльки»

Щоб зрозуміти, наскільки досконало можна заплутати деякі симбіози з мікробами, допомагає поглянути на так звані російські лялькові симбіонти. Подібно до яскраво забарвлених статуеток народного мистецтва, за якими вони названі, організми в цих товариствах щільно вписуються один в інший у різновидові композиції, також іноді відомі як вкладені ендосимбіози. Комаха чи господар рослини міститимуть грибок, вірус чи бактерію, яка, в свою чергу, поглинає інший грибок, вірус чи бактерію, і ці троє співпрацюють задля забезпечення спільного виживання. Ці безкоштовні автостопи можуть працювати разом, щоб дозволити господареві метаболізувати певну важко засвоювану їжу, таку як хребетна кров, сік рослини чи деревина, або вони можуть допомогти господареві захищатися від агресорів або забезпечити певну перевагу виживання в екстремальних умовах.

Трава, яка може пережити майже киплячу температуру?

Візьміть ті панічні трави, які люблять шиплячий грунт у Йеллоустонському парку. Вченим давно відомо, що ендофітні гриби ростуть всередині трави і що разом трава та гриби здатні протистояти температурі понад 149 градусів Фаренгейта. Поодинці жоден організм не може зайняти тепло: вони не можуть вижити більше 100 градусів, коли розлучаються. Але в 2006 році вчені, що фінансуються НІГ, ідентифікували вірус, який живе всередині цього гриба. Те, що здавалося довічним шлюбом між двома партнерами, насправді була різновидом багатоженства. Коли вірус було ліквідовано, і грибок, і трава втратили свою жаростійкість. Після повторного введення вірусу термостійкість повернулася. Точна роль, яку вірус відіграє у цьому взаємозв'язку, до кінця не зрозуміла, але дослідники вважають, що можуть бути залучені осмопротектори, такі як трегалоза, гліцин бетаїн та таурин, які допомагають організмам пережити надзвичайний дисбаланс рідини. Пігмент під назвою меланін, який, як кажуть, підвищує стресостійкість грибів, що населяють породи, і білки теплового шоку також можуть грати роль.

Обертання рота бактерій Допомагають страждаючим жучкам вижити на дієтах з низьким вмістом живильних речовин

Іноді у партнерів у цих домовленостях, якщо вони технічно не можуть жити один без одного, виникають проблеми зобов'язань. Наприклад, більшість борошнистих клопів містять бактерії, вкладені в інші бактерії, які співпрацюють для виробництва певних необхідних поживних речовин. Наприклад, кожен господар і його внутрішні мешканці містять один або більше з дев'яти генів, необхідних для виготовлення незамінної амінокислоти під назвою фенілаланін, без якої борошняний клоп не зміг би вижити на своєму типовому раціоні, не бідному живильними речовинами. Деякі дослідники припускають, що спільно-симбіонти повинні транспортувати між собою метаболіти для повного синтезу амінокислоти. І все-таки, які конкретні бактерії є партнерами разом із борошнистими клопами, переміщуючись у часі та в різних видах. У той час як зовнішня бактерія - клоп під назвою Тремблая - має тенденцію залишатися постійною, особистість внутрішньої сильно відрізняється. (Хоча завжди від однієї родини, відомий як содаліс.) Вчені знають це, тому що багато борошнистих клопів не тільки залежать від ДНК їх нинішніх мешканців - вони також містять ДНК бактерій, які більше не проживають всередині них - вкрадена ДНК допомагає їм зробити поживні речовини, які його нинішні мешканці не можуть. Але як саме відбувається це заміщення внутрішньої бактерії та її ДНК, поки не зрозуміло.

У той час як деякі партнери в триплотних композиціях колонізують своїх господарів через навколишнє середовище або інтегруються в ДНК господаря - як ми бачили з борошнистими клопами - інші передаються соціально, від одного хазяїна до іншого, або діляться разом з клітиною-господарем. Останні два засоби використовуються термітами, чиї симбіонти кишечника - амеби, подібні до протестів, у свою чергу містять власні бактеріальні симбіонти. Разом бактерії та протеїсти працюють над тим, щоб терміт переварив деревину. Хоча більшість протестів кишок втрачається щоразу, коли термітна линька - яка виникає тричі у міру дозрівання - протестиків відновлюється під час передачі їжі або рідини між членами термітної колонії. (Терміти та інші соціальні комахи, як правило, беруть участь в обміні зрілої рідкої їжі, процес, який називається трофілаксисом.) Бактеріальні ендосимбіоти, тим часом, діляться щоразу, коли терміти термітів діляться, відтворюючи себе.

Що це все означає?

То як розвивались ці домовленості про російські ляльки? Це питання, про яке вчені досі не викликають здивування, але, принаймні, для терміту та його симбіонтів процес, здається, відбувся, поки вид ще розвивався у сучасній формі. У публікації 2007 року, опублікованій в Molecular Ecology, міжнародна команда вчених описала процес співіснування термітів, протістів та бактерій на основі генетичного аналізу. Це було перше дослідження ко-специфікації в багатовидовому симбіозі.

Багатовидові симбіози можуть виявитися більш поширеними, ніж ми усвідомлюємо. Лише минулого року дослідники виявили, що більшість лишайників містять два гриби, а не одного. Це захоплююче розуміння, враховуючи, що лишайники започаткували саме дослідження таких взаємовигідних альянсів.

I Contain Multitudes - це багатоскладова відеосерія, присвячена дослідженню чудового, прихованого світу мікробіома. Ведучий серіалу займається науковим письменником Едом Йонгом, а його продюсером є HHMI Tangled Bank Studios спільно з номером 608.