Symbiose: Det er komplisert

Mange organismer er innelåst i co-avhengige forhold til mikrober som lever i dem. Men noen ganger er disse bosatte mikrobene selv vertskap for enda tynnere gjester.

Kunst: Natalya Zahn

Har du hørt om tropisk panikkgress, aka dichanthelium lanuginosum? Sannsynligvis ikke. Men hvis du har besøkt Yellowstone nasjonalpark i det amerikanske vesten, kan det hende du har sett de sprø frondsene som tøffer ut av den brennende gjørmen i parkens geyserkummer, geotermiske kilder eller gjørmepotter. Gressens navn gir et hint til dets feberige temperament: det er en av svært få planter som kan overleve i parkens brennende geotermiske jordsmonn.

Svaret på hvorfor ligger i begrepet symbiose.

Ok, hva er “Symbiosis”?

På slutten av 1870-tallet introduserte de tyske forskerne Albert Frank og Heinrich Anton de Bary begrepet ”symbiose” for biologien. Fra det greske for "sammen" og "levende", var det ment å beskrive en nylig identifisert type forhold mellom organismer. Lavene, forskere hadde oppdaget, er faktisk sammensatt av en sopp og en alge i en intim og gjensidig fordelaktig allianse. Algen bruker sollys for å lage mat til soppen, mens soppen tilbyr mineraler, vann og husly. Det viste seg å være et revolusjonerende funn.

I mer enn et århundre siden har symbioser funnet å spille en essensiell rolle i utviklingen og overlevelsen av nesten enhver organisme. Mennesker, dyr, planter, koraller og insekter er avhengige av mikrober, som igjen er avhengige av vertene. Tenk på tarmbakteriene som støtter menneskers og dyrehelse, algene som driver korallrev, eller mitokondriene som får cellene våre til å løpe. Det viser seg at disse ta-og-ta-forholdet med mikrobiomet er avgjørende for livet på jorden. De er så universelle og overordnede, at noen forskere tidligere i år ba om en engrossalg av Darwins livets tre for å ta hensyn til dem.

“Russisk dukke” -symbiose

For å forstå hvor utførlig sammensveiset noen symbioser med mikrober kan få, hjelper det å ta en titt på de såkalte russiske dukke-symbiontene. På samme måte som de fargerike folkekunstfigurene som de er navngitt for, passer organismene i disse partnerskapene tett innvendig i den andre i flere arter, også kjent som nestede endosymbioser. Et insekt eller en plantevert vil inneholde en sopp, virus eller bakterie, som igjen graver en annen sopp, virus eller bakterie, og de tre samarbeider for å sikre deres overlevelse. Disse gratis heikjørerne kan samarbeide for å la verten metabolisere visse matvarer som er vanskelig å fordøye, for eksempel ryggvirvelblod eller plantesaft eller tre, eller de kan hjelpe verten med å forsvare seg mot aggressorer, eller gi en viss overlevelsesfordel i ekstreme miljøer.

Et gress som kan overleve nær-kokende temperaturer?

Ta de paniske gressene som elsker den sydende jorda i Yellowstone Park. Forskere har lenge visst at endofytiske sopp vokser inne i gresset, og at sammen og gresset og soppene er i stand til å motstå temperaturer over 149 grader fahrenheit. Alene kan ingen av organismer ta varmen: de kan ikke overleve mer enn 100 grader når de skilles. Men i 2006 identifiserte forskere finansiert av NIH et virus som bor inne i soppen. Det som hadde virket som et livslangt ekteskap mellom to partnere, var faktisk en slags polygami. Da viruset ble eliminert, mistet både soppen og gresset sin varmebestandighet. Da viruset ble gjeninnført, kom varmemotstanden tilbake. Den nøyaktige delen som viruset spiller i dette forholdet er ikke helt forstått, men forskere mener at osmbeskyttelsesmidler, som trehalose, glycin betaine og taurin, som hjelper organismer å overleve ekstrem væskeubalanse, kan være involvert. Et pigment kalt melanin, som sies å øke spenningstoleransen for steinboende sopp, og varmesjokkproteiner kan også spille en rolle.

En roterende rollebesetning av bakterier hjelper Mealy Bugs til å overleve ved dietter med lite næring

Noen ganger har partnerne i disse triplettoppleggene, selv om de teknisk sett ikke kan leve uten hverandre, forpliktelsesproblemer. De fleste mealybugs inneholder for eksempel bakterier som er nestet i andre bakterier som samarbeider for å produsere visse essensielle næringsstoffer. For eksempel inneholder verten og dens indre beboere hver eller en av de ni genene som kreves for å produsere en essensiell aminosyre kalt fenylalanin, uten hvilken mjøsvollen ikke kunne overleve på sitt typiske næringsfattige kosthold. Noen forskere har spekulert i at ko-symbiontene må transportere metabolitter mellom seg for å fullføre syntese av aminosyren. Og allikevel, hvilken spesifikke bakterier som partner sammen med mealybugs har forskjøvet seg over tid og på tvers av arter. Mens den ytre bakterien - en bug som heter Tremblaya - har en tendens til å holde seg konstant, er identiteten til den indre veldig variabel. (Selv om det alltid kommer fra en enkelt avstamning, kjent som Sodalis.) Forskere vet dette fordi mange mugguger ikke bare er avhengige av DNAet til deres nåværende beboere - de inneholder også DNA fra bakterier som ikke lenger er inne i dem - det stjålne DNAet hjelper dem å lage næringsstoffer som dets nåværende beboere ikke kan. Men hvor nøyaktig dette byttet inn og ut av de indre bakteriene og dets DNA skjer, er ennå ikke forstått.

Mens noen av partnerne i triplettarrangementer koloniserer vertene sine via miljøet eller blir integrert i verts-DNA - som vi så med mealybugs - overføres andre sosialt, fra en vert til neste, eller deler seg sammen med vertscellen. De to siste midlene brukes av termitter, hvis tarmsymbionter - amøblignende protister - på sin side inneholder sine egne bakterielle symbionter. Sammen jobber bakteriene og protistene for at termitten kan fordøye tre. Selv om de fleste tarmprotister går tapt hver gang en termitt smelter - noe som oppstår tre ganger når det modnes - blir protistene oppbevart på nytt under overføring av mat eller væsker mellom medlemmer av termittkolonien. (Termitter og andre sosiale insekter deltar ofte i utveksling av regurgitert flytende mat, en prosess som kalles trophylaxis.) Bakterieendosymbiontene deler i mellomtiden hver gang termittenes protister deler seg og reproduserer seg.

Hva betyr det hele?

Så hvordan utviklet disse russiske dukkeordningene seg? Det er et spørsmål forskere fremdeles lurer på, men i det minste for termitten og dens symbionter ser det ut til at prosessen har skjedd mens arten fortsatt utviklet seg til sin nåværende form. I et dokument fra 2007 publisert i Molecular Ecology beskrev et internasjonalt team av forskere en prosess med cospeciation blant termitten, protisten og bakteriene basert på genetisk analyse. Det var den første studien av samspesiering i en flerspeses symbiose.

Symbioser med flere arter kan vise seg å være mer vanlig enn vi er klar over. Akkurat i fjor oppdaget forskere at de fleste lav inneholder to sopp, ikke en. Det er en fascinerende innsikt, gitt at lav lanserte selve studien av slike gjensidig fordelaktige allianser.

I Contain Multitudes er en flerdelt videoserie dedikert til å utforske den fantastiske, skjulte verdenen til mikrobiomet. Serien er arrangert av vitenskapsforfatter Ed Yong og produsert av HHMI Tangled Bank Studios i tilknytning til Room 608.