Mikrobiom. Najmniejsze organizmy, które rządzą światem

Ed Yong w pełen humoru i barwnych porównań sposób pozwala nam zajrzeć do niesamowitego świata mikrobiomu i udowadnia, jak wielkie jest jego znaczenie dla życia na Ziemi.

Mikroorganizmy trawią nasze jedzenie, uczą nasze układy odpornościowe, jak walczyć z infekcjami, a nawet potrafią kierować naszym zachowaniem. Nowatorskie terapie, oparte na tworzeniu „żywych leków”, mogą pomóc w walce z wieloma chorobami. Natomiast zwierzęta, dzięki symbiozie z mikrobiotą zyskują nadzwyczajne zdolności – jak płaziniec Paracatenula, który potrafi odtworzyć nawet uciętą głowę.

Autor odsłania przed nami kulisy najnowszych badań nad mikrobiomem i przywołuje korowód barwnych postaci – naukowców dawnych i współczesnych, którzy bez reszty poświecili się odkrywaniu sekretów tych najmniejszych i najstarszych mieszkańców naszej planety.

Czy wiesz, że…

Dzięki niezwykłej symbiozie pewien gatunek kałamarnicy nie rzuca cienia.

Istnieje związek pomiędzy mikrobiomem w ludzkim przewodzie pokarmowym a chorobami psychicznymi.

Bakteria Wolbachii potrafi doprowadzić do zmiany płci u niektórych owadów.

W książce “Mikrobiom. Najmniejsze organizmy, które rządzą światem” Yong dokonuje syntezy setek publikacji naukowych, ale nigdy nie przytłacza czytelnika nauką. Po prostu przekazuje jedno zaskakujące i fascynujące spostrzeżenie za drugim. “Mikrobiom” to dziennikarstwo naukowe w najlepszym wydaniu.
Bill Gates

Dobra narracja, ścisłość w podawaniu faktów i płynność stylu sprawiają, że “Mikrobiom. Najmniejsze organizmy, które rządzą światem” jest jedną z najważniejszych książek poświęconych nauce tego roku. Poczucie humoru Yonga i urocza niezdolność do przepuszczenia okazji do gry słownej to zaledwie kilka z licznych miłych niespodzianek, które sprawiają, że dodatkowo przyjemnie się ją czyta.
Philly Voice

Od czasów klasycznych “Łowców mikrobów” de Kruifa ten niewidoczny świat nie był tak barwnie przedstawiany… Ciekawość i poczucie humoru Yonga sprawiło że uśmiechałam się, a nawet śmiałam na głos, ku wielkiemu zdumieniu mojego męża. Pod koniec książki poczucie zachwytu nad mikroorganizmami było, cóż, zaraźliwe.
Boston Globe

Ed Yong – brytyjski pisarz i dziennikarz naukowy, absolwent zoologii i biochemii Uniwersytetu Cambridge i Uniwersytetu Londyńskiego. Autor poczytnego bloga popularnonaukowego Not Exactly Rocket Science oraz tekstów publikowanych w takich periodykach, jak „National Geographic”, „Scientific American”, „New Scientist”, „Nature” i „The New York Times”. Laureat licznych nagród m.in. przyznawanych przez Narodową Akademię Stanów Zjednoczonych i Stowarzyszenie Brytyjskich Pisarzy Naukowych. Jego wystąpienie na konferencji TED, dotyczące pasożytów wywołujących choroby psychiczne, obejrzało ponad półtora miliona osób.

 – To, czego pan wypatruje, jest wielkości piłki golfowej – mówi Nell Bekiares.
Znajduję się w laboratorium Uniwersytetu Wisconsin–Madison i zaglądam uważnie do niewielkiego akwarium. Wygląda na puste. Nie widzę niczego, co byłoby wielkości piłki golfowej. W ogóle niczego nie widzę z wyjątkiem warstwy piasku. Bekiares delikatnie przesuwa zanurzoną w wodzie dłoń i nagle coś wypada ponad powierzchnię, wyrzucając z siebie obłok kleistej czarnej wydzieliny. To kałamarnica hawajska ­Euprymna scolopes, samiczka wielkości mojego kciuka. Bekiares przekłada kałamarnicę do małego naczynia, a ta krąży po nim ruchem odrzutowym, upiornie biała ze wzburzenia, z wyciągniętymi ramionami i wściekle bijącymi wodę płetwami. Gdy w końcu się uspokaja, podwija ramiona pod siebie i snuje się na nich, zmieniając kształt ze strzałki w duży żelek. Zmienia się także jej skóra. Punkciki koloru szybko rozszerzają się do płaskich dysków ciemnego brązu, czerwieni i żółci, upstrzonych opalizującymi drobinkami. Kałamarnica już nie jest biała. Teraz wygląda jak jesienny pejzaż pędzla pointylisty Seurata.
 – Kiedy są brązowe, tak jak teraz, to są zadowolone – tłumaczy Bekiares. – Brązowy jest całkiem w porządku. Na ogół to samce są bardziej wkurzone. Będą raz za razem strzelać sepią i latać jak odrzutowce. Gdy wystrzeliwują człowiekowi wodę na twarz czy klatkę piersiową, zdecydowanie wygląda to na zamierzone działanie.
Jestem zauroczony. Ta kałamarnica ma charakter. I jest przepiękna.
W naczyniu nie ma innych zwierząt, ale kałamarnica nie jest w nim sama. Dwie komory na spodzie jej ciała – narządy świetlne – są wypełnione bakteriami luminescencyjnymi o nazwie Vibrio fischeri, które rzucają poświatę pod ciało zwierzęcia. Ta poświata jest zbyt słaba, żeby dało się ją dostrzec pod laboratoryjnymi świetlówkami, ale będzie wyraźniejsza na płyciznach raf wokół Hawajów, gdzie żyje ten głowonóg. W nocy światło bakterii dopasowuje się do światła księżyca padającego z góry, dzięki czemu sylwetka kałamarnicy jest niewidoczna dla polujących na nią drapieżników. To zwierzę nie rzuca cienia.
Może i kałamarnica jest niewidoczna od dołu, ale łatwo ją dostrzec z góry. Wystarczy tylko polecieć na Hawaje, poczekać do zmroku, po czym z czołówką i siecią brodzić w wodzie sięgającej kolan. Przy dobrym refleksie do wschodu słońca można nałapać z pół tuzina tych zwierząt. A kiedy już zostaną złowione, równie łatwo je trzymać, karmić i rozmnażać. „Skoro są w stanie żyć w samym środku Wisconsin, to mogą żyć wszędzie” – mówi Margaret McFall-Ngai, zoolożka, która prowadzi to właśnie laboratorium. Dostojna, elegancka i wylewna, McFall-Ngai bada tę kałamarnicę i jej luminescencyjne bakterie od niemal trzydziestu lat. Uczyniła z niej symbol symbiozy i jednocześnie sama stała się symbolem. Współpracownicy opisują ją w zależności od okoliczności jako zdeklarowaną obrazoburczynię, nie-spodziewaną entuzjastkę jazdy na deskorolce oraz niestrudzoną orędowniczkę mikroorganizmów, na długo zanim określenie „mikro-biom” stało się modne. „Ona mówi o »Nowej Biologii« i w jej ustach są to wielkie litery” – zdradził mi jeden z biologów. Nie zawsze tak uważała. To właśnie ta mała kałamarnica zmieniła jej przekonania.
Kiedy McFall-Ngai była doktorantką, badała rybę, która również przenosiła luminescencyjną bakterię. Była nią urzeczona, ale sfrustrowana. Okazało się, że ta ryba nie chce rozmnażać się w laboratorium, więc każdy badany osobnik był już skolonizowany przez bakterie. Nie mogła zatem znaleźć odpowiedzi na żadne z pytań, którą ją rzeczywiście intrygowały. Co się dzieje, gdy obie strony spotykają się po raz pierwszy? Jak nawiązują kontakt? Co powstrzymuje inne mikroby przed skolonizowaniem gospodarza? I wtedy jeden ze współpracowników powiedział do niej: „Ej, a słyszałaś o tej kałamarnicy?”.
Euprymna scolopes była znana embriologom, a jej luminescencyjna bakteria mikrobiologom, jednak partnerstwo pomiędzy dwoma organizmami było całkowicie ignorowane – a tymczasem wyłącznie ono liczyło się dla McFall-Ngai. Aby je badać, sama potrzebowała partnera, kogoś ze znajomością tematu bakterii, która dopełniłaby jej wiedzę zoologiczną. Tą osobą okazał się Ned Ruby. „Wydaje mi się, że byłem trzecim mikrobiologiem, do którego przy-szła, i pierwszym, który powiedział tak” – opowiada Ruby. Między tą dwójką powstała więź zawodowa, a wkrótce potem romantyczna. Yin wyluzowanego surfera dopełniło yang zasadniczej urzędniczki. Między nimi panuje, jak powiedział mi jeden z ich znajomych, „praw-dziwa symbioza”. Dziś prowadzą sąsiadujące laboratoria i dzielą się kałamarnicą.
Zwierzęta żyją w zbiornikach stojących wzdłuż wąskiego korytarza. Jednocześnie może ich być dwadzieścia cztery. Kiedy pojawia się nowa partia, Bekiares, kierowniczka laboratorium, wybiera literę i studenci nadają kałamarnicom imiona. Samiczka, którą poznałem, nazywa się Yoshi. W pobliskich akwariach mieszkają Yahoo, Ysolde, Yardley, Yara, Yves, Yusuf, Yokel oraz (Mr) Yuk. Samiczki co dwa tygodnie idą na „nocną randkę”. Po kopulacji trafiają do żłobka ze zbiornikami pełnymi rurek z PCW, do których składają setki jaj. Po kilku tygodniach zaczną się z nich wykluwać małe. Kiedy odwiedza-my żłobek, na półce stoi plastikowy kubek z kilkudziesięcioma podskakującymi w wodzie małymi kałamarnicami – każda ma nie więcej niż kilka milimetrów długości. Dziesięć samiczek jest w stanie wydać na świat sześćdziesiąt tysięcy młodych rocznie – to jeden z powodów, dla których są to tak fenomenalne zwierzęta laboratoryjne. A oto drugi: młode wykluwają się całkowicie sterylne. W środowisku naturalnym w ciągu kilku godzin zostałyby skolonizowane przez V. fischeri. W swoim laboratorium McFall-Ngai oraz Ruby mogą kontrolować kontakt świeżo wyklutych kałamarnic z jakimikolwiek symbiontami. Mogą oznaczyć komórki V. fischeri fluorescencyjnymi białkami i śledzić ich drogę do narządów świetlnych zwierzęcia. Mogą śledzić formowanie się partnerstwa.
Zaczyna się od fizyki. Powierzchnia narządów świetlnych kałamarnicy pokryta jest śluzem i polami rzęsek zwanych cilia, których ruch przypomina uderzenia biczem. Rzęski te tworzą rwący prąd, który przyciąga drobinki wielkości bakterii, ale nie większe. Mikroorganizmy, w tym również V. fischeri, gromadzą się w śluzie. Teraz fizyka ustępuje miejsca chemii. Kiedy jedna komórka V. fischeri do-tknie kałamarnicy, nie dzieje się nic. Dwie komórki: nadal nic. Ale jeżeli z ciałem ośmiornicy zetknie się pięć komórek, wówczas aktywuje się zapis genetyczny kałamarnicy. Niektóre z tych genów kodują wytwarzanie koktajlu antymikrobiotycznego, który nie robi krzywdy V. fischeri, ale tworzy nieprzyjazne środowisko dla innych mikroorganizmów. Inne geny odpowiadają za produkcję enzymów rozkładających śluz, uwalniając substancję, która przyciąga jeszcze więcej V. fischeri. Te zmiany wyjaśniają, dlaczego to V. fischeri szybko dominuje w warstwie śluzu, choć początkowo inne bakterie przewyższają ją liczebnie w stosunku tysiąc do jednego. To ona, i tylko ona, jest w stanie przekształcić powierzchnię ośmiornicy w miejsce, które przyciąga więcej przedstawicielek jej gatunku i zniechęca konkurencję. Zupełnie jak protagoniści powieści science fiction, którzy przekształcają niegościnne planety w wygodne, przypominają-ce Ziemię i nadające się do zamieszkania, domy – tyle że tu obiektem przekształcania jest zwierzę.
Kiedy już V. fischeri zmieni kałamarnicę na zewnątrz, zaczyna przemieszczać się do jej środka. Wślizguje się tam poprzez jeden z kilku otworów w narządzie świetlnym zwierzęcia, podróżuje długim kanałem, przeciska się przez zwężenie i w końcu dociera do kilku krypt pozbawionych wyjścia. Przybycie bakterii jeszcze bardziej zmienia kałamarnicę. Owe krypty są wyścielone przypominającymi wypustki komórkami, które teraz stają się większe i gęściej rozmieszczone, zamykając pojawiające się mikroorganizmy w ciasnym uścisku. W miarę jak bakterie dostosowują się do przekształconych wnętrz, drzwi do krypt zamykają się. Wejście ulega zwężeniu. Podobnie długie kanały. Pola rzęsek obumierają. Narząd świetlny osiąga dojrzałą formę. Kiedy już został skolonizowany przez odpowiednie bakterie – i znowuż: V. fischeri to jedyne bakterie, które kiedykolwiek pokonują tę trasę – nie zostanie nigdy skolonizowany ponownie.
No dobrze, ale co z tego? Wydaje się to jedynie dostępną dla wtajemniczonych masą szczegółów dotyczących życia jednego, mało znanego zwierzęcia. Jednakże za tymi szczegółowymi danymi dotyczącymi kałamarnicy kryje się ważna implikacja – którą McFall-Ngai natychmiast dostrzegła. W 1994 roku, po ukończeniu pierwszej fali badań nad kałamarnicą, napisała tak: „Wyniki niniejszych badań to pierwsze dane doświadczalne dowodzące, że konkretny symbiont bakteryjny może odegrać istotną rolę w rozwoju zwierzęcia”.
Innymi słowy, mikroorganizmy kształtują zwierzęce ciała.