«Ομαδικό παιχνίδι» παίζουν συχνά τα μικρόβια

Χιλιάδες σημεία διαρροής μεθανίου από το βυθό των ωκεανών ανακαλύπτονται χρόνο με το χρόνο. Μόνο μια αποστολή στον ανατολικό Ειρηνικό Ωκεανό το 2016 εντόπισε 450 τέτοια σημεία. Επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις αυτών των διαρροών, καθώς το μεθάνιο είναι ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου. Αν και βρίσκεται σε συγκέντρωση μόλις 0,00018% στην ατμόσφαιρα, ευθύνεται για το 20% του φαινομένου του θερμοκηπίου. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, περίπου το 10% του μεθανίου που προστίθεται κάθε χρόνο στην ατμόσφαιρα προέρχεται από το βυθό των ωκεανών. Θα ήταν όμως πολύ περισσότερο αν δεν υπήρχαν τα μικρόβια που ζουν στις περιοχές διαρροής του μεθανίου.
Αυτά τα μεθανοβόρα μικρόβια, κάτω από τα λευκά μικροβιακά στρώματα και τα σημεία όπου ζουν συγκεντρωμένα όστρακα, καταναλώνουν την απλούστερη οργανική ένωση με αξιοσημείωτη λαιμαργία. Αν και καθένα είναι μικροσκοπικό, όλα μαζί έχουν μακροσκοπικό αποτέλεσμα ικανό να αλλάξει τη μορφή του βυθού και μπορούν να υποστηρίζουν με τη σειρά τους άλλα υποσυστήματα και να επιδρούν στο κλίμα του πλανήτη. Η δύναμη των μικροβίων αυτών βρίσκεται στη συνεργασία τους. Οι επιστήμονες γνωρίζουν την ύπαρξη και τη δράση τους εδώ και δεκαετίες, αλλά υπάρχουν πολλές άγνωστες παράμετροι. Για παράδειγμα, ποια είναι η πραγματική έκταση της επίδρασής τους; Ζουν μόνο σε λίγες περιοχές στο βυθό των ωκεανών, ή είναι ευρέως διαδεδομένα; Η τάση τους για συνεργασία είναι μια εξαίρεση ανάμεσα στα μικρόβια ή κάτι το συνηθισμένο; Η κυρίαρχη αντίληψη στο παρελθόν ήταν ότι τέτοιοι οργανισμοί κυρίως ανταγωνίζονται ο ένας τον άλλον για τους φυσικούς πόρους. Ισως όμως η ομαδική δουλειά να είναι ο συνήθης τρόπος δράσης τους.

Κόσμος μικροβίων

Ζούμε σε έναν κόσμο που διαμορφώνεται από τα μικρόβια. Από τα πετρώματα βαθιά μέσα στο βυθό, έως τα σωματίδια σκόνης της ερήμου ψηλά στην ατμόσφαιρα, τα μικρόβια υπάρχουν σχεδόν οπουδήποτε και να κοιτάξουμε. Παίζουν καθοριστικό ρόλο στην κυκλοφορία κρίσιμων χημικών στοιχείων, όπως ο άνθρακας, το άζωτο, το θείο και ο φωσφόρος, κάνοντας τη Γη βιώσιμο τόπο για τον άνθρωπο και το υπόλοιπο ζωικό βασίλειο.
Οι ερευνητές συγκέντρωναν πάντα την προσοχή τους σε μεμονωμένα είδη μικροβίων και τις χημικές ουσίες που ανταλλάσσουν με το περιβάλλον, προσπαθώντας να καταλάβουν τη βιοχημεία τους και τη λειτουργία των γονιδίων τους. Οταν όμως προσπαθούσαν να δουν τη μεγαλύτερη εικόνα που δημιουργούνταν από τη συνένωση της πληθώρας γνώσεων που είχαν συγκεντρώσει μελετώντας τα μεμονωμένα είδη μικροβίων, διαπίστωναν ότι παρέμεναν μεγάλα γνωστικά κενά. Μόνο ένας συγκριτικά μικρός αριθμός ειδών μικροβίων μπορούσαν να απομονωθούν για να μελετηθούν, ένδειξη ότι σε φυσικές συνθήκες υπάρχει αλληλεξάρτηση μεταξύ διαφόρων μικροοργανισμών. Η συνύπαρξη διαφορετικών μικροοργανισμών που ευημερούν ταυτόχρονα στο ίδιο σημείο ερχόταν σε αντίθεση με την αντίληψη ότι τα μικροβιακά συστήματα λειτουργούν με βάση τη λογική «ο νικητής τα παίρνει όλα». Αυτές και άλλες διαφορές έκαναν σαφές ότι το άθροισμα των μερών ήταν διαφορετικό από το «όλον», όπως υπάρχει στο φυσικό περιβάλλον.

Ολιστική θεώρηση

Την τελευταία δεκαετία πρόοδοι στην ταχύτητα χαρτογράφησης του γενετικού κώδικα, στην απεικόνιση μέσω μικροσκοπίου και άλλες τεχνολογίες επέτρεψαν μια πιο ολιστική θεώρηση των μικροβιακών κοινοτήτων. Τα ευρήματα δείχνουν ότι η συνεργασία είναι κρίσιμος παράγοντας στη βιόσφαιρα. Καθώς οι ξεχωριστοί οργανισμοί εξελίσσονται για να μοιράζονται την ενέργεια, τις γενετικές πληροφορίες και τα μεταβολικά καθήκοντα, ανοίγουν νέους δρόμους στη ζωή και αποκτούν πρόσβαση σε μέχρι εκείνη τη στιγμή απροσπέλαστα ενδιαιτήματα. Μια τέτοια περίπτωση συμβίωσης μικροβίων επεξηγείται στο διάγραμμα που δημοσιεύουμε. Η έρευνα σε ωκεανούς και θάλασσες σε όλη την υδρόγειο έδειξε ότι μικροβιακά οικοσυστήματα σαν αυτά απορροφούν το 80% του μεθανίου που εκλύεται σε παγκόσμιο επίπεδο από τους βυθούς, σχηματίζοντας στην επιφάνειά τους ογκώδεις σωρούς ασβεστολιθικών πετρωμάτων, αλλάζοντας την τοπογραφία τους.
Η ανάλυση του DNA όλο και περισσότερων μικροβίων, βακτηρίων και αρχαίων έδειξε ότι υπάρχουν πολύ περισσότερα είδη απ' ό,τι θεωρούσαμε, ενώ ταυτόχρονα αποδείχτηκε ότι πολλά από αυτά τα είδη δεν διαθέτουν τα απαραίτητα βιολογικά εργαλεία για να ζήσουν μόνα τους. Μια μικροβιακή κοινότητα μπορεί ως σύνολο να πραγματοποιεί π.χ. κύκλιση του αζώτου, αλλά κανένα είδος μικροβίου από αυτά που περιέχει δεν μπορεί να φέρει σε πέρας όλο τον κύκλο από μόνο του. Αν και τα μικρόβια διεκδικούν τους ίδιους πόρους θρεπτικών υλικών και ενέργειας, αποδεικνύεται ότι στη μεγαλύτερη κλίμακα η βιολογική εξέλιξη ευνόησε την εξειδίκευση και τη συνεργασία.

Φυσική επιλογή ομάδας

Πώς ξεκίνησε αυτή η κρίσιμη συνεργασία; Μερικοί επιστήμονες θεωρούν ότι η γεωγραφική εγγύτητα μέσα σε πυκνούς πληθυσμούς είναι ο καθοριστικός παράγοντας. Καθώς οι γειτονικοί οργανισμοί αναπαράγονται, οι απόγονοί τους παραμένουν κοντά. Η εγγύτητα δίνει δυνατότητα πρόσβασης στους πόρους των γονιών. Η φυσική επιλογή ευνοεί τα γονίδια που κατασκευάζουν αυτούς τους διαμοιραζόμενους πόρους όσο οι επόμενες γενιές των διαφορετικών μικροβίων μένουν κοντά η μια στην άλλη (φυσική επιλογή ομάδας). Καθώς η εγγύτητα μεταξύ γονιών και απογόνων μειώνεται και γενετικά αποκλίνοντα κύτταρα μπαίνουν στο παιχνίδι, οι μεταλλαγμένοι μικροοργανισμοί, που δεν συμμετέχουν στην παραγωγή των πόρων, κερδίζουν έδαφος, καθώς μπορούν να αξιοποιούν τους πόρους χωρίς το κόστος για την κατασκευή τους.
Μήπως, όμως, υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί πέρα από τη φυσική επιλογή ομάδας, που ευθύνονται για την πληθώρα των παρατηρούμενων μικροβιακών συμβιώσεων; Ενδείξεις για έναν τέτοιο παράγοντα έρχονται από τα ανώτερα θαλάσσια στρώματα των τροπικών και υποτροπικών περιοχών, που λούζονται από το φως του ήλιου. Αυτά τα νερά είναι φτωχά σε άζωτο και φωσφόρο και γι' αυτό θεωρούνται υδάτινες έρημοι. Ομως, αν και δεν έχουν πολλά ψάρια, δεν παύουν να είναι γεμάτα από μικρόβια, που επίσης έχουν περιορισμένες γενετικές δυνατότητες, οι οποίες τα εμποδίζουν να ζουν ανεξάρτητα από ορισμένα άλλα μικροβιακά είδη.

Ζευγάρι στη ζωή

Το κυανοβακτήριο προχλωρόκοκκος είναι ο πιο μικρός και πιο διαδεδομένος φωτοσυνθετικός μικροοργανισμός στον πλανήτη, αποτελώντας το 10% των μικροβίων στο θαλάσσιο νερό. Η σύγκριση όλων των ειδών προχλωρόκοκκων έδειξε ότι στην περίπτωσή του η φυσική επιλογή το οδήγησε να εξελιχθεί έτσι, ώστε να μπορεί να απορροφά αυξημένο ποσοστό ηλιακής ενέργειας και τα ελάχιστα και διεσπαρμένα θρεπτικά συστατικά. Ο αυξημένος φωτοσυνθετικός μεταβολισμός του οδήγησε στην παραγωγή από το μικρόβιο απόβλητων πλούσιων σε οργανικό άνθρακα. Αυτά τα απόβλητα έγιναν πηγή έλξης για μικρόβια που δεν μπορούν να συνθέσουν την τροφή τους, όπως το πελαγοβακτήριο, που όχι τυχαία είναι σχεδόν το ίδιο διαδεδομένο με τον προχλωρόκοκκο.
Το πελαγοβακτήριο με τη σειρά του απελευθερώνει άλλα μόρια, που ο προχλωρόκοκκος μπορεί να αξιοποιήσει για ενέργεια τη νύχτα. Βελτιώνοντας την ικανότητά τους να μαζεύουν τα ελάχιστα διαθέσιμα θρεπτικά υλικά, οι προχλωρόκοκκοι έμμεσα προσδιόρισαν ποιοι άλλοι οργανισμοί μπορούν να τα χρησιμοποιούν. Οργανισμοί που μόνο καταναλώνουν αλλά δεν παράγουν οργανικό άνθρακα είναι λιγότερο αποτελεσματικοί στην απόκτηση αζώτου και φωσφόρου. Η κατανάλωση θρεπτικών υλικών και η παραγωγή οργανικών αποβλήτων είναι αδιάρρηκτα δεμένες, ενισχύοντας τη σύνδεση πρωχλορόκοκκου και πελαγοβακτήριου, που προκλήθηκε από τη φυσική επιλογή. Αυτή η στενή σύνδεση δείχνει ότι η εξελικτική εύνοια προς τις συνεργατικές αλληλεπιδράσεις δεν εφαρμόζεται μόνο σε γειτονικούς οργανισμούς, αλλά τουλάχιστον σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να είναι παραπροϊόν - ένας αυτοενισχυόμενος κύκλος ανατροφοδότησης - της επίδρασης της επιλογής σε μεμονωμένα κύτταρα.
Ο συνεταιρισμός προχλωρόκοκκου - πελαγοβακτήριου μπορεί να προέκυψε από σχετικά λίγες γενετικές μεταλλάξεις, αλλά οι επιπτώσεις του ήταν τεράστιες. Οταν οι πρόγονοί τους αποίκισαν τους ωκεανούς πριν από 600 έως 800 εκατομμύρια χρόνια, τα νερά τους ήταν ακόμη φτωχά σε οξυγόνο και πλούσια σε σίδηρο. Αλλά ο σίδηρος, που είναι απαραίτητο συστατικό των φωτοσυνθετικών πρωτεϊνών, δεν μπορεί να ενσωματωθεί σε αυτές παρουσία αυξημένης συγκέντρωσης οξυγόνου. Το ζευγάρι των δύο συνεργαζόμενων βακτηρίων, χάρη στο γεγονός ότι τα απόβλητα του προχλωρόκοκκου μπορούν να δεσμεύουν το σίδηρο, άνοιξε το δρόμο για την οξυγόνωση των ωκεανών. Αλλιώς η ζωή στη Γη δεν θα ήταν όπως την ξέρουμε.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»