wtorek, 4 kwietnia 2017

Fascynujące przykłady symbiozy w przyrodzie

Symbioza odgrywa ważną rolę w przyrodzie. Wielokrotnie stwarzała lub napędzała nowości ewolucyjne. Wszyscy znają ze szkoły przykład symbiozy pustelnika (skorupiak) z ukwiałem (parzydełkowiec), gdzie ten pierwszy zyskuje ochronę, a drugi może się dzięki tej relacji przemieszczać. Szeroko rozumiany jest też związek bakterii jelitowych ze zwierzętami. Pomagają termitom trawić drewno (ligninę), przeżuwaczom – celulozę, a nam (i nie tylko naszemu gatunkowi) produkują witaminy (np. witaminę K) oraz chronią przed drobnoustrojami chorobotwórczymi. Jakie są ciekawsze i dające do myślenia inne przykłady symbiozy?

Riftia symbioza
Riftia pachyptila, National Oceanic and Atmospheric Administration

Na początek uporządkujmy sobie kilka prostych pojęć. W świecie organizmów żywych mamy do czynienia z różnymi rodzajami interakcji. Należą do nich pasożytnictwo (korzystanie z zasobów innego osobnika żyjąc w nim lub na nim, jednocześnie mu szkodząc), drapieżnictwo (zabicie i zjedzenie jednego osobnika przez drugiego, w pewnym sensie roślinożerność może być rodzajem drapieżnictwa),  konkurencja (np. o pokarm, o osobniki płci przeciwnej, o kryjówki), niewolnictwo (spotykane u owadów i u ludzi) czy amensalizm (szkodzenie komuś przy jednoczesnym braku korzyści, czyli coś w czym ludzie są bardzo dobrym przykładem). Wymienić trzeba jeszcze te korzystne rodzaje oddziaływań: mutualizm (oba organizmy lub populacje mają korzyści ze współpracy i jest ona dla nich niezbędna do prawidłowego funkcjonowania), protokooperacja (jak przy mutualizmie, ale nie jest niezbędna) oraz komensalizm, gdzie jeden organizm ma z interakcji korzyści,nie czyniąc drugiemu szkód. Łatkę z napisem „symbioza” można przydzielić do mutualizmu, protokooperacji i komensalizmu.  

Najciekawsze dla mnie są przykłady symbiozy nieodzownej, kiedy oba osobniki lub całe populacje muszą ze sobą współpracować, bo inaczej nie są w stanie przetrwać. Stają się od siebie tak bardzo zależne, że nawet ich rozmnażanie może zacząć się ze sobą łączyć. Najważniejszym poznanym przykładem tego typu jest endosymbioza. Polega ona na połączeniu się komórek niezależnych w jedną o nowej budowie i możliwościach. Tak powstały eukarionty, czyli organizmy jądrowe, które miliardy lat temu wchłonęły i nie strawiły pewnych bakterii (prokariontów), a które przekształciły się w mitochondria. Być może brzmi to dziwnie, ale faktem jest, że jedne z podstawowych jednostek naszych komórek pochodzą od bakterii i do dzisiaj zachowały pewne typowe dla tej grupy organizmów cechy, takie jak rozmnażanie się przez podział, bezpłciowo, bez rekombinacji (crossing-over), rybosomy (inne niż te „typowo nasze”), drobne różnice w kodzie genetycznym. Świadczą o tym również badania sekwencji DNA: niektóre geny mitochondriów przeniesione zostały w toku ewolucji do jądra komórkowego.

mitochondria
Mitochondria, Louisa Howard, http://remf.dartmouth.edu/imagesindex.html

Innym przykładem endosymbiozy są chloroplasty, organella komórkowe sinic, glonów oraz roślin, które pozyskując energię słoneczną, przekształcają ją w energię chemiczną (o ewolucji samej fotosyntezy przeczytać można w książce „Tlen” Nicka Lane’a). Dowody na zajście takiego zjawiska w przeszłości są podobne, co w przypadku mitochondriów, a co więcej, obserwowano taką endosymbiozę także współcześnie – zachodziła ona wielokrotnie w historii życia na Ziemi. Zjawisko endosymbiozy i jego przyczyny oraz zbiór dowodów opisuje teoria endosymbiozy, która powstała na początku XX wieku, wymyślona przez Konstantina Mierieżkowskiego (rosyjski botanik), a która stała się twardą teorią naukową za sprawą badań nieżyjącej już biolożki Lynn Margulis.

Endosymbioza jest już stosunkowo dobrze zbadana, jest zjawiskiem dosyć prostym, zachodzącym w przyrodzie cały czas. Dzięki niemu istniejemy my i wszystkie inne eukarionty, ale czas spojrzeć na nieco bardziej przyziemne choć nadal wyjątkowo ciekawe i w pewnym sensie podobne do endosymbiozy przykłady. Jednym z nich mogą być mszyce. Owady te potrafią rozmnażać się partenogenetycznie, czyli  z udziałem jednego tylko rodzica, którego potomstwo jest identyczne – są to biologiczne klony. Mszyce zawierają różne „sojusze” z innymi zwierzętami, np. z mrówkami, które chronią je „w zamian” za wydzielinę, jaką te produkują, ale jeszcze bardziej intrygujące jest dziedziczenie przez następne pokolenia mszyc… bakterii. Pomagają one mszycom poprzez syntetyzowanie niezbędnych dla nich substancji. Komórki jajowe mszyc od początku rozwijają się w zarodki i nowe osobniki właśnie z tymi bakteriami, co trwa już od wielu pokoleń przez około 50 milionów lat – według badań molekularnych. Wyobraźcie sobie, że na skutek mutacji jakiś osobnik traci zdolność do przeprowadzania w wątrobie ważnego szlaku metabolicznego, np. syntezy jakiegoś ważnego związku. W „normalnej” sytuacji szybko zginie, być może nawet jako zarodek albo płód, ale wymyślmy mu symbiotyczne bakterie, które przeprowadzą za niego szereg utraconych reakcji biochemicznych. Być może właśnie tak wyglądał początek współpracy między mszycami, a wspomnianymi bakteriami.

mszyce i mrówki symbioza
Mrówka i mszyce, symbioza

Interesujących symbioz pomiędzy eukariontami, a bakteriami jest znacznie więcej. Kolejnym szerzej znanym przykładem jest współpraca bakterii azotowych (brodawkowych, np. z rodzaju Bradyrhizobium, Rhizobium czy Sinorhizobium) z roślinami motylkowymi, zwanymi od jakiegoś już czasu bobowatymi, a potocznie także strączkowymi. Bakterie azotowe potrafią wiązać azot z powietrza, którego jest w atmosferze pod dostatkiem, z czego korzysta symbiotyczna roślina, natomiast bakterie mają profity w postaci roślinnych produktów fotosyntezy. Bobowate to najliczniejsza gatunkowo rodzina roślin okrytonasiennych i uważa się, że sukces ten zawdzięcza właśnie symbiozie z bakteriami azotowymi. Pomiędzy tymi oboma grupami organizmów nawiązała się tak silna współpraca, że ewoluują one właściwie nieoddzielnie. Często bywa tak, że konkretne gatunki bakterii brodawkowych wyspecjalizowały się do współpracy z konkretnym, jednym tylko gatunkiem rośliny bobowatej.

Brodawki z bakteriami brodawkowymi, United States Department of Agriculture

Na dnie oceanu, przy kominach hydrotermalnych żyją różne, dziwne z naszego punktu widzenia zwierzęta. Należą do nich rurkoczułkowce (z rodzaju Riftia) – morskie pierścienice, które są odporne na wysokie stężenie związków siarki oraz temperatury. Nie mają one właściwego przewodu trawiennego, a pokarm-związki energetyczne uzyskują dzięki symbiozie z bakteriami, które żyją wewnątrz ich ciała i przekształcają siarkowe związki chemiczne, pobierane przez te ogromne, przydenne pierścienice, do przyswajalnych związków organicznych (chemosynteza). Nie mają one nawet otworu gębowego, ich „odżywianie” polega właśnie na opisanym procesie. Są od tych bakterii w pełni zależne. Masa tych długich, nawet dwumetrowych zwierząt może w około 50% wynikać z biomasy bakterii symbiotycznych. Innym przykładem zwierzęcia bez otworu gębowego jest płaziniec Convoluta, który żyje w symbiozie z zielenicami (glony) i gdy świeci słońce, wypełza za powierzchnię, by jego symbiotyczne glony zaczęły fotosyntetyzować cukry, które są dla niego pokarmem. Może to jest właściwa ewolucyjna droga do powstania prawdziwych entów, drzewców, jak z Władcy Pierścieni, książek i gier komputerowych?

Convoluta symbioza
Fotosyntetyzujące płazińce Convoluta

Jeszcze jednym ważnym przykładem są bleskotki (owady błonkoskrzydłe, można je potocznie uznać za osy) i figi. Bleskotki zapylają kwiaty figowe (żeńskie), które mają bardzo wąskie wejście, a ponieważ fidze „zależy” na tym, by nie dostały się do środka inne owady, niż zapylająca dany gatunek bleskotka, to utrzymuje ona – figa – (w skali ewolucyjnej) na tyle ciasne otworki do kwiatostanu, by samice wchodząc do środka dla złożenia jaj, utraciły po drodze (podczas przeciskania się) skrzydła i inne przydatki, zatykając otwór. Tym samym nie mogą się z niego wydostać i umierają wewnątrz z wycieńczenia (po uprzednim złożeniu jaj). Następnie samce po wykluciu z jaj zapładniają niewyklute samice i umierają. Samice wykluwają się, wydostają i penetrują kwiaty męskie, zbierają pyłek po czym wybierają się na poszukiwania nowego żeńskiego kwiatostanu, do którego wciskają się, jak uprzednio ich matki i cykl się powtarza.

W całym tym procesie można znaleźć jedną ważną zależność. Jeśli bleskotka złoży zbyt wiele jaj, przez co wyklute później larwy żywiące się owocem figi mogą zjeść zbyt dużą jego część, ograniczając rozmnażanie rośliny, w takiej sytuacji figa odrzuca owoc i w efekcie ginie całe potomstwo bleskotki. Wynika z tego, że skutecznie rozmnożą się tylko te samice, które nie złożą zbyt wielu jaj (a więc zachowanie powodujące składanie większej liczby jaj będzie usuwane przez dobór naturalny). Bleskotki są niezbędne figom do zapylenia, a figi bleskotkom do dostarczenia pożywienia larwom. Ewolucja takich układów bleskotka-figa doprowadziła do tego, że różne gatunki fig mają swoje gatunki bleskotek i tylko te konkretne są w stanie dostać się do kwiatostanu żeńskiego i go zapylić.

bleskotki figi
Bleskotki i figi, cykl rozwojowy. Encyklopedia Britannica.

Kolejne przykłady można by dodawać godzinami (porosty i wiele innych). Te kilka, które opisałem, dobrze pokazują i uzmysławiają znaczenie symbiozy w ewolucji organizmów żywych. Pozwalają także na badania zjawiska ewolucji w tym kontekście, a jak widać w przypadku powstania eukariontów (dzięki czemu w ogóle istniejemy) odegrało to ogromną rolę.

Chcesz wesprzeć rozwój mojego bloga? Możesz to zrobić zostając jego patronem tutaj.

Literatura
Adam Łomnicki. Ekologia ewolucyjna. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2013.
Douglas Futuyma. Ewolucja. Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego. Warszawa 2005.
Heath, Katy D., and Peter Tiffin. "Stabilizing mechanisms in a legume–rhizobium mutualism." Evolution (2009): 652-662.
John Maynard Smith, Eörs Szathmáry. Tajemnice Przełomów Ewolucji. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2000.
Moulin, Lionel, et al. "Nodulation of legumes by members of the β-subclass of Proteobacteria." Nature (2001): 948-950.
Nick Lane. Tlen. Cząsteczka, która stworzyła świat. Prószyński i S-ka. Warszawa 2005.
Okamoto, Noriko, and Isao Inouye. "A secondary symbiosis in progress?"Science (2005): 287-287.
Semmler, Henrike, Xavier Bailly, and Andreas Wanninger. "Myogenesis in the basal bilaterian Symsagittifera roscoffensis (Acoela)." Frontiers in zoology (2008): 14.

8 komentarzy:

  1. skoro wiele gatunkow wspolpracuje z innym gatunkiem...zeby powstało cos lepszego..jak w zyciu ...co daje obserwowanie symbiozy wsrod innych ...da sie jaąś symbioze w zycie ludzi wdrozyc ...czy bediecie tworzyc super rosline kttóra dzieki szkodlinowi bedzie jeszcze smaczniejsza odporniejsza pozd

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Te gatunki nie współpracują ze sobą, po to żeby powstało coś lepszego, tylko dla tego, że to im się najbardziej opłaca.

      Usuń
  2. Myślę, że jednak mogłeś uzupełnić swój post o porosty oraz o mikoryzę. Może w kolejnym artykule? ;-)

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Pewnie prędzej czy później temat ten się pojawi. :-)

      Usuń
  3. pokarm-związki energetyczne uzyskują dzięki symbiozie z bakteriami, które żyją wewnątrz ich ciała i utleniają siarkowe związki chemiczne
    Na pewno utleniania?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Generalnie to jest szereg reakcji, zaraz to poprawię. :-)

      Usuń