Микробите в червата ни са от ключово значение за поддържането на здравето, но учените осъзнават, че това не е така за всички животни.
През лятото на 2011 г. микробиологът Джон Сандърс, който тогава беше аспирант, за втори път от толкова години се озова в тропическата тропическа гора на Перу, измъквайки 60 килограма лабораторно оборудване - обемен флуоресцентен микроскоп и генератор за захранването му. река Амазонка. След като пристигна на отдалеченото полево място, той бързо се залови да улови колкото се може повече различни мравки, нетърпеливи да надникне в микробите, които населяват червата им.
В някои от тези видове мравки той видя „този невероятен, плътен, пълен облак. Беше като галактика от микроби “, казва той. „Те ще избухнат в очите ви, когато ги погледнете“ под микроскопа. Което може да очаквате да откриете, като се има предвид степента, в която ние и толкова много други животни зависим от трилионите бактериални клетки, които се намират в нас - за обработка на храна, която иначе не можем да усвоим, за осигуряване на ключови хранителни вещества, за обучение нашата имунна система да действа ефективно срещу инфекции. Микробиомът е толкова важен за нашето здраве и оцеляване, че някои изследователи дори намират за полезно да мислят за животните като сбор от техните микробни части.
Но когато Сандърс се обърна към останалите мравки - около две трети от различните колонии и видове, които бе събрал - той с изненада установи, че „ще бъдете силно натиснати да намерите клетки в червата, които лесно можете да идентифицирате като бактерии “, казва той. Храна, отломки, клетки на лигавицата на насекомите - всички присъстваха. Микроби, които могат да участват в симбиотичните взаимоотношения, които приемаме за даденост, не толкова.
Препоръчително четене
Здрави почвени микроби, здрави хора
Вашите чревни бактерии искат да ядете кекс
Пленничеството прави маймунските микробиоми по-човекоподобни
Препоръчително четене
Здрави почвени микроби, здрави хора
Вашите чревни бактерии искат да ядете кекс
Пленничеството прави маймунските микробиоми по-човекоподобни
Тъй като инструментите за измерване и анализ на микробни общности са се подобрили, постепенно става ясно, че микробиомът не е толкова широко разпространен и важен в цялото животинско царство, както често се представя. Много животни изглежда имат по-гъвкави или по-малко стабилни връзки с микробите; някои като че ли изобщо не разчитат на тях. И по ирония на съдбата, това са животните, които сега позволяват на учените да получат нова представа за загадката за това как и защо еволюира микробиомът - истинското му значение и нюансирания балансиращ акт за и против, който е в основата му.
В началото на 20-ти век биолозите започват да разкриват завладяващи взаимоотношения между сложни организми и техните микроби: при тръбни червеи, които нямат уста, анус или черва; в термити, които се хранят с жилави, дървесни растения; при крави, в чиято тревиста диета значително липсва протеин. Такива наблюдения генерираха вълнение и предизвикаха последващи експерименти. В онези години отсъствието на микробни помощници при животно не се смяташе за особено изненадващо или интересно и в литературата то често получаваше малко повече от мимолетно кимване. Дори когато се смяташе, че заслужава повече от това - както в доклад от 1978 г. в Наука че малките дървоядни ракообразни, за разлика от термитите, нямат стабилна популация от чревни бактерии - в крайна сметка лети под радара.
И така очакванията тихо започнаха да се изместват към нова норма, че всяко животно имаше връзка с бактерии, без които то ще загине. Няколко гласа протестираха срещу това опростяване: Още през 1953 г. Пол Бюхнер, един от основателите на изследванията на симбиозата, пише с раздразнение за идеята, че задължителните, фиксираните и функционалните симбиози са универсални. „Отново и отново има автори, които настояват, че ендосимбиозата е елементарен принцип на всички организми“, каза той. Но контрапримерите се удавиха в потока от проучвания за значението на симбиозите гостоприемник-микроби, особено тези, които създават връзки между човешкото здраве и нашия собствен микробиом.
„Човешкият микробиом изцяло е задвижвал голяма част от нашето мислене за това как работят микробите“, казва Тобин Хамър, следдокторант по екология и еволюционна биология в Тексаския университет в Остин. „И ние често проектираме от себе си навън.“
Но човешкият пример не е добър модел за случващото се в разнообразна гама от видове, от гъсеници и пеперуди до триони и скариди, до някои птици и прилепи (и може би дори някои панди). При тези животни микробите са по-редки, по-преходни или непредсказуеми - и те не е задължително да допринасят много, ако изобщо, за своя гостоприемник. „Историята е по-сложна“, казва Сара Хирд, еволюционен биолог и микробен еколог от Университета на Кънектикът. „По-размито.“
Преходна, почти несъществуваща връзка с бактериите беше това, което Сандърс виждаше в тропическите си мравки. Той върна пробите си в лабораторията си (тогава в Харвардския университет, въпреки че сега е в Корнел), където направи секвенция на бактериалната ДНК на насекомите и определи количеството микроби. Видовете мравки с плътни, специализирани микробиоми са имали приблизително 10 000 пъти повече бактерии в червата си, отколкото Сандърс, открит в много други видове, които е заловил. Казано по друг начин, казва Сандърс, ако мравките бъдат намалени до човешки размер, някои ще носят килограм микроби в себе си (подобно на това, което хората приютяват), други струват само кафе на зърна. „Това наистина е дълбока разлика.“
Тази разлика, отчетена в Интегративна и сравнителна биология през 2017 г. изглеждаше свързано с диетата: Строго растителноядните мравки, обитаващи дървета, са по-склонни да имат обилен микробиом, може би за да компенсират диетата си с дефицит на протеини; всеядни и месоядни мравки, обитаващи земята, консумирали по-балансирани ястия и имали незначително количество бактерии в червата си. И все пак този модел беше непоследователен. На някои от тревопасните мравки липсваше и микробиом. Изглежда, че мравките, които са имали такъв, не са имали широко разпространени, предвидими асоциации с определени видове бактерии (въпреки че някои групи микроби са били общи за отделните родове на насекомите). Този резултат бележи ясно отклонение от микробиомите на бозайниците като нашия, които обикновено са много специфични за техните домакини.
Причините, поради които биха станали по-ясни, когато започнаха да се стичат казуси на други организми.
Почти по същото време, когато Сандърс изследваше мравки в Перу, Хамър беше в Коста Рика при независимо търсене на микробиом в гъсеници. („Какво по-добро насекомо да има задължителни връзки с бактериите от тези крави от света на насекомите?“, Коментира Сандърс.) Но колкото и да се опита, Хамър не можа да намери много бактериална ДНК в червата и фекалните проби, които събра. "Нещо наистина странно се случваше", казва той.
Когато след месеци на „разочароваща лабораторна работа“ той осъзна, че животните може просто да нямат стабилен микробиом, „това беше промяна в мисленето за мен, която изобщо не се очакваше“. Той и колегите му в крайна сметка установиха, че както много от мравките на Сандърс, гъсениците имат много, много по-ниски количества микроби, отколкото се счита за норма. Освен това тези микроби са просто подмножество от тези, които се намират в растителната диета на животните - „което подкрепя идеята, че те преминават временно и някои от тях се усвояват, по същество“, казва Хамър. „Те не установяват стабилни популации в червата.“
За да определят дали тези преходни бактерии са се възползвали от гъсениците, изследователите ги елиминират с помощта на антибиотици. При други насекоми и животни такова лечение има тенденция да забави развитието или да убие домакина направо. Но това нямаше никакъв ефект върху гъсениците на Hammer.
Дийпа Агаше, еколог и еволюционен биолог от Националния център за биологични науки в Бангалор, Индия, видя нещо подобно при насекомите, които екипът й събра от няколко места близо до зеленината на техния кампус. Микробите, които са открили в водни кончета и пеперуди, силно корелират с диетата на насекомите, а не с определен вид насекоми или етап на развитие. По-голямата част от бактериалните съобщества на водни кончета изглежда се събраха случайно. „Повечето бактерии са били там, защото са попаднали там“, казва Агаше. Изглежда насекомите „не подбират за определени видове бактерии или определен вид бактерии.“
Повторните експерименти, които нарушават микробните популации на пеперудите, не дават ефект върху растежа или развитието на гостоприемниците. Нито повторното въвеждане на бактериите в червата им. „Наистина“, казва Агаше, „те изобщо не се интересуват от микробите си“ - въпреки че пеперудите се хранят с токсични растения и изглеждат като идеални кандидати за пълноценен, функционален микробиом, който може да детоксикира храната им.
Подобно на Хамър и Сандърс, „първоначално си чешехме главите“, казва Агаше. „Това беше изненадващ резултат и всъщност ни отне известно време, за да го увием.“
Но може би не би трябвало да е толкова изненадващо. Както учените осъзнаха, когато микробиомите присъстват, те често се намират в специфични тъкани - и те включват специфични бактерии, които влияят на специфични черти в определен момент. Например калмарът с бобтейл има симбиоза, която е ограничена до един вид светещи бактерии, която се отделя в един единствен, произвеждащ светлина орган, докато червата и кожата на калмарите остават без микроби. Възрастните медоносни пчели имат важни връзки с техните бактерии, но ларвите не.
Така че не е голям скок да се мисли, че някои животни може изобщо да нямат такива отношения или да имат отношения, които играят по различни правила. „Мисля, че сега все повече се осъзнава, че съществува целият този спектър от асоциации, които може да намерите“, казва Агаше.
Хамър се съгласи. „Току-що виждаме върха на айсберга“, казва той.
И „това не е разделение между крави и гъсеници“, добави той. „Има цяла гама от различни видове начин на живот, които ще бъдат наистина сложни.“ Може би преходните микроби с малко изобилие правят нещо по-нюансирано или може би представляват ранна стъпка във формирането на по-стабилна еволюционна връзка. Може би те остават неутрални през повечето време и стават функционални само в определен контекст. Някои изследователи например твърдят, че тези микроби могат да предпазят домакин от инфекции, просто като заемат място в червата и блокират патогените. Освен това, бактериите, които са се приспособили към токсично растение или друга опасност, могат да бъдат полезни, дори ако са придобити само временно, без никога да участват в официална симбиоза.
„Дори ако преходен микробиом не е свързан с вас“, казва Алисън Равенскрафт, микробен еколог и ентомолог от Тексаския университет в Арлингтън, „ако поглъщате бактерии, адаптирани към околната среда, възможно е все пак да получите полза от тях. Просто ще бъде много по-трудно да се измери. “
Дори при хората, посочва тя, микробиомът (включително преходните микроби) може да се промени с промени в диетата или поведението. Изучаването на живи системи, които не зависят от стабилен микробиом, може да помогне на учените да разграничат ефектите от тези промени. Това също може да им позволи да определят по-добре разходите за наличието на микробиом и да получат нови прозрения за неговото развитие.
„Ако се замислите, има много причини да нямате установен микробиом“, казва Агаше. „Всъщност не е изненадващо, че има животни, които са тръгнали по различен път. ... Но ключовото е, че не знаем защо ”- какви фактори водят и позволяват образуването и поддържането на микробиом и обратно, какви фактори могат да попречат на тези взаимоотношения.
Гъсениците, водните кончета, някои мравки и други животни осигуряват начин за изследване на потенциалните недостатъци на дълготрайните симбиотични взаимоотношения с живите микроби; такива недостатъци са трудни за измерване и тестване. Изследователите подозират, че тези животни може би селективно избягват определени потенциални наказания за симбиоза: Бактериите могат да се конкурират с приемника си за хранителни вещества, например, или да влошат имунната система.
За някои животни тези рискове могат да надхвърлят потенциалните ползи. Ако те вече са еволюирали каквито и ензими или поведения са им необходими, за да живеят сами, те вече не са обвързани от селективен натиск за придобиване на микробиом. Това може да е случаят с гъсениците на Hammer, които извличат растителноядния си начин на живот, просто като ядат огромни количества растителен материал. Микробиомът теоретично може да даде възможност на гъсениците да произвеждат допълнителни важни хранителни вещества или да следват по-гъста растителност, но насекомите могат да компенсират качеството с количество.
Друг фактор, който може да окаже влияние върху наличието или отсъствието на микроби, изглежда е анатомията (въпреки че Агаше не я смята за правдоподобно обяснение, предвид размитата граница между причина и следствие). Много от организмите, носещи малко бактерии, имат къса, проста структура на червата, по същество тръба, през която храната бързо се премества и преработва. Това не дава време или пространство на микробите да се утвърдят и да растат.
Трябва да се вземат предвид и екологичните фактори. „Ако се замислите как една симбиоза трябва или може да стане“, казва Агаше, „това всъщност е доста невероятно.“ Поколение след поколение, един организъм трябва да се сблъсква с друг вид достатъчно често, за да започне партньорство, което е последователно и взаимно полезно, дори при променящи се условия. Агаше предполага, че тъй като нейните пеперуди и водни кончета непрекъснато прелитат от място на място, консумирайки диети, които се променят в зависимост от местоположението и сезона, те може да не се срещат достатъчно често с едни и същи бактерии, за да установят стабилен микробиом.
Изследователите подчертават, че вероятно няма единно обединяващо правило или принцип, регулиращи еволюцията на микробиома. „Еволюцията е невероятна и своеобразна и в много различни организми протича по напълно различни пътища“, казва Сандърс.
Хирд се съгласи. „Повечето от нашите предположения за микробиомите се основават на изследвания на бозайници“, казва тя, „когато може да се случи, че бозайниците са странни. Може би нямаме стабилност дори ежедневно в нещо като риби или птици или гъсеници. "
Дори сред бозайниците има разнообразие в начина, по който се представя микробиомът. Въпреки че изглежда, че повечето видове бозайници се свързват предсказуемо със специфични бактерии, скорошно проучване на Сандърс и неговите колеги установи, че прилепите не го правят. Всъщност техните микробиоми бяха по-преходни и случайни - и приличаха много по-близо на микробиомите на птиците, отколкото на тези на други бозайници. Изследователите твърдят, че тази разлика може да е свързана с еволюирала необходимост както прилепите, така и птиците да бъдат възможно най-леки, за да позволят полет с двигател. Може би не биха могли да си позволят да носят допълнителен багаж.
Независимо от това, констатациите илюстрират, че има какво да се научи чрез сравняване на видове - и че има какво да се загуби, като се правят преждевременни предположения за това как може да изглежда връзката им с бактериите. Най-малкото това означава да се действа с по-голяма предпазливост, когато се превеждат проучвания, проведени върху мухи, мишки и други образци на организми на хора. (Вече бяха открити значителни разлики в чревните микробиоми, които се развиват при диви мишки спрямо лабораторно отгледани мишки - и първите често се оказват по-точен модел за това как някои експериментални лекарства могат да функционират при хората.)
„Всеки съществуващ организъм има зад гърба си три и половина милиарда години еволюционна история, много милиони или десетки или стотици милиони от които не се споделят с организми, които използваме като модели“, казва Сандърс. Възникващата информираност на учените за разнообразните взаимоотношения, които животните споделят с микробите, „трябва да ни накара да бъдем наистина предпазливи при извеждането на изводи, използвайки плодовите мухи като модели за значението на микробиомите в червата и взаимодействията им, тъй като плодовите мухи може да работят от съвсем различна основна отправна точка в сравнение с хората . Същото нещо е и с мишките. "
„Трябва да държим очите и ушите си отворени“, добави той. „Има още много да се научим от естествените вариации и разнообразие.“
Докато учените започват да признават много случаи, които се различават значително от нашите, що се отнася до микробиомите, „мисля, че те все още се считат за нещо странно“, казва Хамър, „странни странности, които са напълно необичайни“ - толкова много че Сандърс и други смятат, че е предизвикателство да публикуват някои от техните произведения.
Колкото по-скоро се промени това отношение, толкова повече ще можем да научим. „Едва започваме да си увиваме сложността да имаме стотици видове в много малко пространство, да си взаимодействаме помежду си и да взаимодействаме с тяхната среда и да взаимодействаме с домакина“, казва Хирд. „Всеки сценарий вероятно все още е на масата.“