Nigdy osobno

Mikroby, zarazki, bakcyle – te słowa wciąż budzą negatywne skojarzenia, ale współczesna nauka udowadnia, że żadna forma życia nie byłaby w stanie przetrwać, gdyby nie mikroorganizmy.

Marc-André Selosse, profesor paryskiego Muzeum Historii Naturalnej i wykładowca m.in. Uniwersytetu Gdańskiego, zaprasza nas do fascynującego świata, którym rządzą mikroskopijni władcy, a dzięki tej władzy korzyści odnoszą wszystkie gatunki z człowiekiem na czele.

– Wiele gatunków roślin nie byłoby w stanie wykiełkować, gdyby nie grzyby.

– Krowa wcale nie jest zwierzęciem roślinożernym ­– żywi się mikroorganizmami, które hoduje wewnątrz swojego żołądka i dokarmia trawą.

– Bez bakterii tworzących brodawki korzeniowe roślin motylkowych wegetarianie nie mieliby czym uzupełniać niedoborów białka.

– Niektóre gatunki traw wpuszczają do swego wnętrza mikroskopijne grzyby, aby za pomocą wytwarzanych przez nie toksyn bronić się przed roślinożercami.

– Piwo, wino, jogurty i sery to rezultat naszej symbiozy z mikroorganizmami.

– Na centymetrze kwadratowym skóry dłoni żyje 100 milionów bakterii, a mikroorganizmy obecne w jogurtach poprawiają naszą pamięć i odporność na stres.

– Mikroby zawleczone do Nowego Świata przez Europejczyków miały znacznie istotniejszy wpływ na zniszczenie cywilizacji prekolumbijskich niż broń i ognista woda.

Dajcie się zaskoczyć i porwać tej niezwykłej przyrodniczej opowieści. Spójrzcie razem z profesorem Selosse’em przez mikroskop, a zobaczycie świat takim, jaki jest naprawdę!

Towarzystwo w nocnych łowach

Nasza wędrówka rozpoczyna się nocą, gdzieś na wyspach Pacyfiku. W blasku księżyca oświetlającego morski brzeg, wśród przejrzystych fal, przez które przenika światło. Bez trudu da się przez nie dostrzec morskie dno.
Niewielkich rozmiarów mątwa, Euprymna scolopes, w księżycowym blasku wybiera się na polowanie. W sprzyjającym półmroku udaje się jej umknąć przed usiłującym schwytać ją drapieżnikiem. Potrzebuje jednak choć odrobiny światła, by samej dopaść łupu. Polowanie to, obserwowane z dołu, okazuje się nieoczekiwanie nastręczać problemów – zarówno niedoszłe ofiary, jak i zagrażające jej drapieżniki pływają na większych niż ona głębokościach i bez trudu mogą ją dostrzec, gdyż siłą rzeczy rzuca ona cień. Dlatego też nocą mątwa emanuje od spodu słabą poświatą, w ten sposób niejako rekompensując sobie tę niedogodność. Za dnia z kolei zamiera w bezruchu w swej kryjówce, a jej spód traci blask. W organizmie mątwy żyją bowiem bioluminescencyjne bakterie z gatunku Aliivibrio fischerii, kolonizujące jej niewielkich rozmiarów gruczoły, w których odżywiają się dzięki gospodarzowi. To właśnie one wraz z zapadnięciem nocy przekształcają część swej energii komórkowej w światło. Bytując zaś swobodnie w toni wodnej, chronią się w ten sposób przed nieco większymi drapieżnikami, czyli unoszącymi się obok nich mikrobami: emitowane przez nie światło przyciąga żywiące się mikrobami drobne skorupiaki. Wrogowie ich wrogów stają się zatem ich przyjaciółmi. Bakterie te świecą jednak tylko wówczas, gdy zagęszczenie ich populacji osiąga pewien próg, świecenie z osobna niczemu bowiem nie służy – wyłącznie odpowiednia gęstość ich skupiska zapewnia wystarczającą ilość światła do zwabienia skorupiaków. Nocą obecne w ogromnej liczbie w gruczołach mątwy bakterie te emitują światło. O świcie zaś mątwa pozbywa się 95 procent z nich, by nie trzeba było dłużej karmić zbędnych jej już teraz pasożytów. Te, które pozostały, osamotnione z racji rozrzedzenia populacji, zaprzestają świecenia. W ciągu dnia jednak z wolna zaczynają się namnażać, by po zmroku, w wyniku sprzyjającej temu rosnącej ich koncentracji, na powrót przystąpić do pracy. Fiat lux! Póki nie nastanie kolejny świt.
Tak zarysowuje się zjawisko, które chcielibyśmy opisać w niniejszej książce: w trakcie nocnych łowów mątwa nie jest sama, w odżywianiu wspomagają ją i chronią bowiem bakterie. To one zapewniają jej świecenie. Jako organizm, który nigdy nie bytuje osobno, jest ona zatem, o czym się wkrótce przekonamy, pierwszym przykładem stowarzyszenia z mikrobami kształtującego sposób funkcjonowania istot żywych. Powróćmy jednak na razie do bioluminescencyjnych bakterii, stowarzyszonych nie tylko z mątwami.
Rozliczne gatunki ryb żyjące w pozbawionych światła głębinach morskich korzystają ze światła wytwarzanego przez bakterie z rodzajów Aliivibrio i Photobacterium. Kryją się one w ich wewnętrznych kieszeniach, okolonych niekiedy odbijającymi światło blaszkami, w razie potrzeby chowanych, pełniących różnorakie funkcje w zależności od gatunku. Niektóre z tych stworzeń, jak nasze mątwy, chowają się w głębinach przed drapieżnikami w sposób bierny. Inne zaś wykorzystują bakterie w charakterze pobłyskującej przynęty, przyciągającej ofiary. Niektóre używają ich wręcz jako latarni oświetlających teren łowisk. Jeszcze bardziej figlarni przedstawiciele tych gatunków wabią świetlnymi uchyłkami partnerów seksualnych: częstotliwość osłaniania ich nieprzejrzystą błoną bądź szczegółowe rozmieszczenie owych kieszeni w ciele zapewniają wysoką specyficzność rozpoznania przez partnerów danego gatunku. Takie świetlne sygnały pozwalają zwierzętom z głębin odnaleźć w mroku swą bratnią czy siostrzaną duszę. Wreszcie, niektóre ryby, ścigane przez drapieżnika, w gwałtowny sposób wydalają te bakterie, tworząc wokół siebie jaśniejącą aureolę rozpraszającą uwagę bądź wręcz oślepiającą przeciwnika. Niekiedy za sprawą zawartego w niej śluzu niczym smar oblepia ona na trwałe napastnika, co przyciąga czatujące na niego drapieżniki – w kolejnej odsłonie opowieści o wrogach naszych wrogów. Ewolucja zwierząt morskich, zwłaszcza tych zamieszkujących głębiny, przebiegała zatem w wyścigu z bakteriami świetlnymi, zapewniając tym osobnikom, które będą w stanie zaoferować im schronienie, zdolność do emitowania światła – na podobieństwo latarki w naszych telefonach komórkowych.
Czy nasza opowieść to tylko kolejna dykteryjka o niezliczonych zwierzętach korzystających z towarzystwa i pomocy bakterii, zapewniających im świecenie? Bez wątpienia, na tych pozorach zazwyczaj kończy się większość z nich. Zarówno u bakterii, jak i u zwierząt tego rodzaju świetlne stowarzyszenie pojawiało się w toku ewolucji nader często. To jednak tylko banalny przykład instrumentalnego potraktowania świata mikrobów przez większe od nich organizmy.

Książka ta opisuje sposoby, w jakie zwierzęta, a także rośliny, od samych podstaw budowane są przez zamieszkujące je mikroby, wspomagające je w wykonywaniu rozmaitych funkcji, często nieodzownych do życia. A zatem to, że największe nawet organizmy nigdy nie żyją osobno, lecz roją się od użytecznych mikrobów

Trudna do zaklasyfikowania natura porostów

Zacznijmy od krótkiej wyprawy w dzieje nauki, by nakreślić pojęciową strukturę niniejszej pracy: strukturę, która wyłoniła się dość późno, dopiero w XIX wieku, wraz z odkryciem porostów.
Na odłamkach kory, wystających palach, odsłoniętej powierzchni skał, dachówkach: we wszystkich tego rodzaju niesprzyjających warunkach żyją jednak porosty, na najbardziej jałowym podłożu, przybierając barwy od zielonej po bledsze, wpadające niekiedy w pomarańcz. Skorupiaste, listkowato płożące czy wręcz krzaczkowate, złożone niekiedy z wznoszących się nad ziemię i opadających rozgałęzień, swą postacią przywodzą wszakże na myśl odrębny i stanowiący całość organizm – p o r o s t. Od starożytności jednak umiejscowienie tych stworzeń nastręczało trudności. Z jednej strony, z racji zielonej barwy porosty zaliczano do roślin, ale nie wiedziano, czy bliżej im do glonów, mchów czy do roślin wyższych. Z drugiej strony, porosty wytwarzają zarodniki (spory) w sposób identyczny jak grzyby takie jak trufle i prawdziwki, co sugeruje dla nich całkiem inną pozycję klasyfikacyjną. Problem ten był nader palący. Czy jednak ostatecznie porosty muszą zajmować w ł a s n e miejsce w klasyfikacji?
Szwajcarski botanik Simon Schwendener (1829–1919) zaproponował rewolucyjne rozwiązanie tej kwestii. Zaobserwował bowiem pod mikroskopem, podobnie jak wielu innych badaczy przed nim, że ich struktura ma charakter dwoisty: porost składa się z przejrzystych włókien przypominających wegetatywne nitki grzybni, zwane strzępkami, oraz z drobnych, okrągłych zielonych komórek. Tym ostatnim przypisano wówczas rolę rozrodczą (stąd przestarzała ich nazwa gonidia, z gr. gonos, ‘nasienie’). W 1867 roku Schwendener, w wystąpieniu na jednej z konferencji, zaproponował inne wyjaśnienie: porosty jego zdaniem stanowić miały w rzeczywistości związek zdolnych do fotosyntezy glonów (zielone komórki) ze służącym za ich oprawę grzybem, z którym wspólnie tworzyły strukturę porostu. W sprawozdaniu z tego wystąpienia wspomina się, że „wedle koncepcji naszego badacza porostów nie należy rozpatrywać jako niezależnego organizmu, lecz uznać je trzeba za grzyba połączonego z glonami”. Szwendeneryzm, jak wówczas określano ironicznie to stanowisko, początkowo spotkał się z drwinami, zwalczano go zwłaszcza w kręgach jednego z największych znawców porostów w XIX wieku, fińskiego badacza Williama Nylandera (1822–1899), który opisał ponad trzy tysiące ich gatunków, ani przez chwilę nie wierząc w tę jakże osobliwą teorię!
A jednak wielu badaczy poważnie potraktowało ten pomysł. Jednemu z nich, rosyjskiemu botanikowi Andriejowi Famincynowi (1835–1918), jako pierwszemu udało się wyodrębnić i wyhodować samodzielnie w laboratorium glony z porostów. Na początku XX wieku inny botanik, Francuz Gaston Bonnier (1853–1922), zawdzięczający sławę dziełom z zakresu botaniki, po dziś dzień służącym identyfikacji gatunków roślin we Francji, zdołał dokonać powtórnego połączenia grzybów i glonów, hodowanych wpierw oddzielnie, a następnie zespolonych w jedną kulturę. Obecnie nazwa „porostów” jest w rzeczywistości nazwą grzyba, glony zaś określa się inną, i rzadko (jeśli w ogóle) się o niej pamięta, bowiem w spadku po przeszłości przejęliśmy nawyk myślenia o nich z pomocą pojedynczego określenia, obecnie nieodnoszącego się przecież wyłącznie do grzyba. Ten historyczny spór wokół natury porostów, dziś już rozstrzygnięty na korzyść Schwendenera, pokazuje, że wbrew utartej wówczas opinii mikroskopijne organizmy mogą wspólnie tworzyć struktury widoczne gołym okiem, obdarzone własną odrębną postacią, w których bytują i funkcjonują razem, nigdy osobno.

Książka niniejsza wyjaśnia, że częstokroć, jak u wspomnianych porostów, to mikroby kryją się za czymś, co zwykliśmy uznawać za „samodzielne” organizmy.

Symbioza w szerokim sensie: współżycie

Zatarg wokół porostów doprowadził do wyłonienia się pojęcia współżycia odrębnych od siebie gatunków. Pierwszym badaczem, który go użył, był niemiecki biolog Albert Frank (1839–1900). W artykule z 1877 roku zaproponował on termin Symbiotismus na określenie związku między glonem a grzybem w postaci porostu. W 1879 roku słowo to weszło do obiegu w obecnej formie – jako „symbioza” – za sprawą Antona de Bary’ego (który, co znamienne, zapomniał przy tej okazji wspomnieć o swym rodaku Franku, a przecież zbieżność między tymi dwoma terminami nie może być dziełem przypadku!). De Bary (1831–1888) był wybitnym niemieckim mikrobiologiem, nieco niezasłużenie dziś zapomnianym przez Francuzów, zapewne wskutek zadawnionej francusko-niemieckiej wrogości, panującej aż do zakończenia II wojny światowej między sąsiadami, którzy na próżno wzajemnie się lekceważyli i umniejszali swoje zasługi. De Bary cieszył się poważaniem już wcześniej, dzięki odkryciu mączniaka ziemniaka jako choroby wywoływanej przez grzyby. W trakcie jednego ze zjazdów niemieckich przyrodników wystąpił w 1878 roku z odczytem na temat zjawiska symbiozy (Die Erscheinung der Symbiose, jego tekst ukazał się drukiem w 1879 roku po niemiecku, a następnie po francusku w czasopiśmie „Revue internationale des sciences”), przywołując wiele jego przykładów, między innymi porosty. Zdefiniował wtedy również symbiozę jako „współżycie różnoimiennych [a zatem należących do różnych gatunków] organizmów”, zgodnie z etymologią, od greckiego przedrostka sym oznaczającego ‘wraz z’ (‘współ-’) oraz bios, czyli ‘życie’. Partnerów w tym związku określa się odtąd symbiontami.
Według definicji symbioza oznacza stałe współistnienie dwóch gatunków, trwające przez część bądź całość życia symbiontów, niezależnie od stosunków panujących między nimi. De Bary i Schwendener uważali skądinąd, że glony w porostach są najprawdopodobniej żywicielami pasożytujących na nich grzybów. Jak pisał de Bary: „najbardziej znanym i najdoskonalszym przykładem symbiozy jest pasożytnictwo bezwarunkowe, czyli stan, w którym zwierzę bądź roślina rodzi się, żyje i umiera w organizmie należącym do innego gatunku”. W tym pierwszym sensie, w niniejszej książce zarzuconym, symbioza jest rodzajem współistnienia, niezależnie od skutków, pozytywnych czy negatywnych, wywieranych na partnerów.

Praca ta opisuje powszechnie spotykane zjawisko życia organizmów w symbiozie z innymi.

Mutualizm: życie w komitywie

W takim współistnieniu nie chodzi wszelako wyłącznie o pasożytnictwo, zwłaszcza u porostów! Wystarczy wybrać się nad skaliste wybrzeża Bretanii i przyjrzeć się tamtejszemu drobnych rozmiarów porostowi rosnącemu w strefie okresowych przypływów i odpływów – porostowi pigmejskiemu (Lichina pygmaea). Tworzy on płaskie maty, jednocentymetrowej grubości, pokrywające skały wydane na pastwę szalejących fal. Z grzybem współżyją tutaj fotosyntetyzujące bakterie z rodzaju Calothrix, należące do cyjanobakterii. Mogą one również bytować swobodnie w otoczeniu, tworząc niewielkie kolonie zamknięte w spajającym je żelu, w ciemnej barwy skupiskach o średnicy od 0,5 do 2 centymetrów. Zamieszkują jednak bardziej ustronne okolice, z dala od nurtu i często poniżej obszarów zasiedlonych przez porosty, wymagają bowiem mniejszego ruchu wody i większego zanurzenia w czasie pływów. Ponadto nie spotyka się ich zimą, gdyż okres ten starają się przeczekać w postaci drobnych komórek przetrwalnikowych wypełnionych substancjami zapasowymi, odpornych na zimno i śnieżne nawałnice, w głębinach wodnych, w oczekiwaniu na nadejście bardziej sprzyjających warunków, podczas gdy wiecznotrwałe porosty nigdy nie zamierają. Korzystając z ochrony, jaką zapewnia grzyb, cyjanobakterie kolonizują w sposób czynny inne środowiska, funkcjonując niezależnie od zmian pór roku: zysk, jaki im to przynosi, jest niepodważalny.
Obecnie uznaje się, że w większości wypadków porostowe glony wykorzystują obecność grzyba, który chroni je i dostarcza im wody (w środowisku lądowym), soli mineralnych i gazów. W zamian za to, gdyż zysk jest tutaj obopólny, grzyb żywi się częścią produktów fotosyntezy przeprowadzanej przez glony. Mamy tutaj zatem do czynienia z pomocą wzajemną (do którego to tematu powrócimy jeszcze w rozdziale III). Wolno żyjących przedstawicieli jednej z rodzin zielenic Trebouxiaceae, wyjątkowo często spotykanych w porostach, nie znaleziono jak dotąd w żadnym innym środowisku, nigdy bowiem nie występują one osobno, bytują wyłącznie w porostach. Płynące z tego profity wydają się oczywiste.
Niektóre rodzaje stosunków mogą zatem przynosić obopólne korzyści. W wydanym w 1875 roku dziele Les Commensaux et les parasites dans le règne animal (Organizmy współbiesiadujące i pasożyty w królestwie zwierząt) belgijski zoolog Pierre-Joseph van Beneden (1809–1894) podjął kwestię następstw różnorakich stosunków panujących między gatunkami zwierząt. Na co wskazuje sam tytuł, zoolog opisuje przypadki pasożytnictwa (w których jeden gatunek wyzyskuje inny) i komensalizmu (współbiesiadnictwa. gdzie jeden gatunek korzysta w pewien sposób na istnieniu drugiego, któremu jest to obojętne). Podkreśla jednak, że współistnienie to przybierać może wiele innych postaci: „Spotyka się zwierzęta, które wzajemnie świadczą sobie rozmaite przysługi. Mało pochlebnie byłoby je wszystkie określać mianem pasożytów czy współbiesiadników. O wiele sprawiedliwsze wobec nich byłoby nazwanie ich mutualistami”. De Bary przykłady zjawiska symbiozy czerpał głównie z szeroko rozumianego świata roślin, po egzempla ze świata zwierzęcego odsyłając czytelnika do dzieła van Benedena.
Pojęcie mutualizmu odniosło natychmiastowy sukces, nie brakowało bowiem przykładów tego zjawiska, takich chociażby jak te, których dostarczają zapylacze, owady oblatujące kwiaty i zbierające z nich nektar: przeskakując z kwiatu na kwiat, przenoszą one pyłek, co umożliwia zapłodnienie i wytworzenie owoców, a przy okazji same żywią się nektarem bądź częścią zebranego przez siebie pyłku. Jak widać, w niektórych przypadkach mutualizmu, takich jak wspomniane zapylanie, partnerzy współdziałają ze sobą jedynie tymczasowo, w innych zaś, jak u porostów, dochodzi do rzeczywistej symbiozy. Z tego względu mutualizm i symbioza, zwłaszcza w tekstach francuskojęzycznych, z czasem zaczynają wchodzić ze sobą w coraz ściślejsze związki, by ostatecznie rozpłynąć się jedno w drugim, tworząc nową definicję symbiozy. W języku angielskim natomiast symbiosis oznacza najczęściej dowolną postać współistnienia, niezależnie od skutków wywieranych przez nie na partnerów, w pierwotnym sensie nadanym temu pojęciu przez de Bary’ego, gdy tymczasem w języku francuskim „symbioza” nabrała innego sensu, ograniczonego do przypadków mutualizmu (sensu skądinąd coraz bardziej upowszechniającego się w języku angielskim). Tę ostatnią definicję przyjmiemy w niniejszej książce, ograniczając zakres znaczenia symbiozy do przypadków, w których współistnienie przynosi wzajemne korzyści; innymi słowy – do przypadków mutualizmu, w którym partnerzy żyją razem.
 
Książka ta opisuje powszechnie spotykane zjawisko życia organizmów w symbiozie w sensie utartym w języku francuskim, mianowicie w stosunkach mutualistycznych.