Symbiosis: Nó phức tạp

Nhiều sinh vật bị khóa trong mối quan hệ đồng phụ thuộc với các vi khuẩn sống trong đó. Nhưng đôi khi những vi khuẩn thường trú này đóng vai trò chủ nhà cho những vị khách nhỏ hơn.

Nghệ thuật: Natalya Zahn

Bạn đã nghe nói về cỏ hoảng loạn nhiệt đới, còn gọi là dichanthelium lanuginosum? Chắc là không. Nhưng nếu bạn đã ghé thăm Công viên Quốc gia Yellowstone ở miền Tây nước Mỹ, bạn có thể đã nhìn thấy những chiếc lá lởm chởm lởm chởm ra khỏi bùn thiêu đốt của các lưu vực mạch nước phun, suối địa nhiệt hoặc chậu bùn. Tên của cỏ cung cấp một gợi ý cho tính khí nóng sốt của nó: nó là một trong số rất ít thực vật có thể tồn tại trong đất địa nhiệt rực rỡ của công viên.

Câu trả lời tại sao nằm trong khái niệm cộng sinh.

Được rồi, Symbiosis là gì?

Vào cuối những năm 1870, các nhà khoa học người Đức Albert Frank và Heinrich Anton de Bary đã giới thiệu thuật ngữ này về cộng sinh học. Từ tiếng Hy Lạp cho người Viking cùng sống và người sống, người Hy Lạp có nghĩa là mô tả một loại mối quan hệ mới được xác định giữa các sinh vật. Địa y, các nhà khoa học đã phát hiện ra, thực sự bao gồm một loại nấm và một loại tảo trong một liên minh có lợi và hỗ trợ lẫn nhau. Tảo sử dụng ánh sáng mặt trời để làm thức ăn cho nấm, trong khi nấm cung cấp khoáng chất, nước và nơi trú ẩn. Nó hóa ra là một phát hiện mang tính cách mạng.

Trong hơn một thế kỷ kể từ đó, các cộng sinh đã được tìm thấy đóng một vai trò thiết yếu trong sự phát triển và tồn tại của hầu hết mọi sinh vật. Con người, động vật, thực vật, san hô và côn trùng đều phụ thuộc rất nhiều vào vi khuẩn, do đó phụ thuộc vào vật chủ của chúng. Hãy xem xét các vi khuẩn đường ruột hỗ trợ sức khỏe của con người và động vật, tảo cung cấp năng lượng cho các rạn san hô hoặc ty thể làm cho các tế bào của chúng ta chạy. Nó chỉ ra rằng những mối quan hệ cho và nhận với microbiome là điều cần thiết cho sự sống trên trái đất. Trên thực tế, chúng rất phổ biến và tối quan trọng, đến đầu năm nay, một số nhà khoa học đã kêu gọi tái cấu trúc bán buôn Cây Sự sống của Darwin để đưa chúng vào tài khoản.

Búp bê Nga Nga Sym Symiosios

Để hiểu làm thế nào vướng mắc một cách công phu một số cộng sinh với vi khuẩn có thể có được, nó giúp xem xét cái gọi là cộng sinh búp bê Nga. Giống như các bức tượng nghệ thuật dân gian có màu sắc rực rỡ mà chúng được đặt tên, các sinh vật trong các mối quan hệ đối tác này vừa khít với nhau trong sự sắp xếp đa loài đôi khi còn được gọi là endosymbioses lồng nhau. Một côn trùng hoặc vật chủ thực vật sẽ chứa một loại nấm, vi rút hoặc vi khuẩn, từ đó nhấn chìm một loại nấm, vi rút hoặc vi khuẩn khác và cả ba hợp tác để đảm bảo sự tồn tại của chúng. Những người quá giang miễn phí này có thể làm việc cùng nhau để cho phép vật chủ chuyển hóa một số loại thực phẩm khó tiêu hóa, chẳng hạn như máu động vật hoặc nhựa cây hoặc gỗ, hoặc chúng có thể giúp vật chủ chống lại kẻ xâm lược, hoặc cung cấp một số lợi thế sống sót trong môi trường khắc nghiệt.

Một loại cỏ có thể sống sót khi nhiệt độ gần sôi?

Lấy những ngọn cỏ hoảng loạn yêu thích đất nóng bỏng trong Công viên Yellowstone. Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng nấm nội sinh phát triển bên trong cỏ và cùng với cỏ và nấm có khả năng chống lại nhiệt độ hơn 149 độ fahrenheit. Một mình, không sinh vật nào có thể chịu được sức nóng: chúng không thể tồn tại hơn 100 độ khi tách ra. Nhưng vào năm 2006, các nhà khoa học do NIH tài trợ đã xác định được một loại virus sống bên trong loại nấm đó. Những gì dường như là một cuộc hôn nhân trọn đời giữa hai đối tác thực tế là một loại đa thê. Khi virus đã được loại bỏ, cả nấm và cỏ đều mất khả năng chịu nhiệt. Khi virus được giới thiệu lại, khả năng chịu nhiệt trở lại. Phần chính xác mà virus đóng trong mối quan hệ này chưa được hiểu đầy đủ, nhưng các nhà nghiên cứu tin rằng các chất chống thẩm thấu, như trehalose, glycine betaine và taurine, giúp các sinh vật sống sót trong tình trạng mất cân bằng chất lỏng cực độ, có thể liên quan. Một sắc tố gọi là melanin, được cho là tăng cường khả năng chịu đựng căng thẳng của nấm sống trong đá, và protein sốc nhiệt cũng có thể đóng một vai trò.

Một nhóm vi khuẩn luân phiên giúp bọ cánh cứng sống sót trong chế độ ăn ít chất dinh dưỡng

Đôi khi, các đối tác trong các sắp xếp bộ ba này, mặc dù về mặt kỹ thuật họ không thể sống thiếu nhau, có vấn đề về cam kết. Hầu hết các rệp sáp, ví dụ, có chứa vi khuẩn được lồng trong các vi khuẩn khác hợp tác để sản xuất một số chất dinh dưỡng thiết yếu. Ví dụ, mỗi vật chủ và cư dân bên trong của nó đều chứa một hoặc nhiều trong số chín gen cần thiết để sản xuất một loại axit amin thiết yếu gọi là phenylalanine, mà không có rệp sáp không thể tồn tại trong chế độ ăn nghèo dinh dưỡng điển hình của nó. Một số nhà nghiên cứu đã suy đoán rằng các cộng sinh phải vận chuyển các chất chuyển hóa giữa chúng để hoàn thành tổng hợp axit amin. Tuy nhiên, những gì vi khuẩn cụ thể hợp tác cùng với rệp sáp đã thay đổi theo thời gian và giữa các loài. Trong khi vi khuẩn bên ngoài - một lỗi gọi là Tremblaya - có xu hướng không đổi, danh tính của vi khuẩn bên trong rất khác nhau. (Mặc dù luôn luôn thuộc một dòng duy nhất được gọi là Sodalis.) Các nhà khoa học biết điều này bởi vì nhiều rệp sáp không chỉ phụ thuộc vào DNA của cư dân hiện tại của họ - chúng còn chứa DNA của vi khuẩn không còn tồn tại bên trong chúng - DNA bị đánh cắp giúp họ tạo ra chất dinh dưỡng mà cư dân hiện tại của nó không thể. Nhưng làm thế nào chính xác việc hoán đổi này vào và ra khỏi vi khuẩn bên trong và DNA của nó xảy ra vẫn chưa được hiểu rõ.

Trong khi một số đối tác trong sắp xếp bộ ba xâm chiếm vật chủ của chúng qua môi trường hoặc được tích hợp vào DNA của vật chủ - như chúng ta đã thấy với rệp sáp - những con khác được truyền qua xã hội, từ vật chủ này sang vật chủ tiếp theo hoặc phân chia cùng với tế bào chủ. Hai phương tiện cuối cùng được sử dụng bởi mối, có cộng sinh đường ruột - các chất bảo vệ giống như amip - lần lượt, chứa các cộng sinh vi khuẩn của riêng chúng. Cùng với nhau, vi khuẩn và các chất bảo vệ hoạt động để cho phép mối mọt tiêu hóa gỗ. Mặc dù hầu hết các chất bảo vệ ruột bị mất mỗi khi mối mọt - xảy ra ba lần khi nó trưởng thành - những người bảo vệ được phục hồi trong quá trình chuyển thức ăn hoặc chất lỏng giữa các thành viên của đàn mối. (Mối và các côn trùng xã hội khác thường tham gia vào việc trao đổi thức ăn lỏng bị thoái hóa, một quá trình gọi là trophylaxis.) Trong khi đó, các endosymbiont của vi khuẩn phân chia mỗi khi các con mồi của loài mối phân chia, tự sinh sản.

Tất cả nó có nghĩa gì?

Vậy làm thế nào mà những sắp xếp Búp bê Nga phát triển? Đó là một câu hỏi mà các nhà khoa học vẫn đang bối rối, nhưng ít nhất là đối với mối và cộng sinh của nó, quá trình này dường như đã xảy ra trong khi loài này vẫn đang phát triển thành dạng hiện tại. Trong một bài báo xuất bản năm 2007 trên Sinh thái học phân tử, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã mô tả một quá trình đồng phát giữa các loài mối, protist và vi khuẩn dựa trên phân tích di truyền. Đó là nghiên cứu đầu tiên về đồng phân loài trong cộng sinh đa loài.

Sự cộng sinh đa loài có thể trở nên phổ biến hơn chúng ta tưởng. Mới năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng hầu hết địa y đều chứa hai loại nấm chứ không phải một. Đó là một cái nhìn sâu sắc hấp dẫn, cho rằng địa y đã khởi động nghiên cứu về các liên minh cùng có lợi như vậy.

I Container Multitudes là một chuỗi video gồm nhiều phần dành riêng để khám phá thế giới tuyệt vời, ẩn giấu của microbiome. Sê-ri được tổ chức bởi nhà văn khoa học Ed Yong và được sản xuất bởi HHMI Tangled Bank Studios kết hợp với Phòng 608.