Μια αλλαγή, μια ευκαιρία:Πώς τα βακτήρια μπορούν να επηρεάσουν ένα ομοιογενές περιβάλλον
1.000.000.000.000. Ένα τρισεκατομμύριο. Αυτός είναι ο αριθμός των ειδών που εκτιμάται ότι κατοικούν στον πλανήτη Γη μαζί μας.
Στη γη ζουν οργανισμοί όλων των πιθανών μεγεθών, σχημάτων και τρόπων ζωής. Μέσα από το παράθυρο του εργαστηρίου μου στη Ζυρίχη της Ελβετίας, μπορώ να δω ένα μικρό κομμάτι πρασίνου. Είναι τέλος καλοκαιριού στην Ελβετία, και το μπάλωμα είναι ακόμα πλούσιο. Φιλοξενεί λίγα δέντρα, πολλά άλλα φυτά και λίγα πουλιά. Φιλοξενεί επίσης πολλούς άλλους οργανισμούς που δεν μπορώ να διακρίνω σε αυτή την απόσταση, και ακόμη περισσότερους που δεν μπορούσα να διακρίνω σε καμία απόσταση, επειδή είναι αόρατοι με γυμνό μάτι. Πώς προέκυψε όλη αυτή η διαφορετικότητα;
Κάποια από αυτά προέκυψαν από μια διαδικασία γνωστή ως «αλλοπατρική ειδογένεση», στην οποία ένας πληθυσμός υποδιαιρείται από ένα φυσικό εμπόδιο που εμποδίζει την επαφή μεταξύ των ατόμων στους δύο υποπληθυσμούς. Έτσι, όταν προκύπτουν μεταλλάξεις σε κάθε υποπληθυσμό, παραμένουν εκεί και όταν συσσωρεύονται με την πάροδο του χρόνου, οι δύο υποπληθυσμοί γίνονται τελικά τόσο διαφορετικοί που δεν μπορούν πλέον να αναπαραχθούν μεταξύ τους – γεννιέται ένα νέο είδος. Ένα όμορφο παράδειγμα αυτής της διαδικασίας περιλαμβάνει το τσιμπολόγημα γαρίδων της Κεντρικής Αμερικής, όπου νέα είδη εμφανίστηκαν όταν ο Ισθμός του Παναμά εμφανίστηκε σταδιακά και χώρισε την Καραϊβική από τα νερά του Ειρηνικού της Κεντρικής Αμερικής. Οι ομοιότητες μεταξύ των ειδών της γαρίδας στις πλευρές του Ισθμού συνοδεύουν το κλείσιμο του Ισθμού με περισσότερα παρόμοια είδη που βρίσκονται σε πιο ρηχά νερά.
Επιπλέον, η ποικιλομορφία μπορεί να προκύψει χωρίς κανένα φυσικό εμπόδιο μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται «συμπατρική» ή «οικολογική» ειδογένεση. Για παράδειγμα, όταν τα μήλα εισήχθησαν στη Βόρεια Αμερική, τα άτομα των μυγών της σκουλήκιας άλλαξαν το φυτό τους ξενιστή από Hawthorn σε μήλα. Σήμερα, ο πληθυσμός των μυγών της μήλου τρέφεται με κράταιγους ή με μήλα. Αυτό το οικολογικό εμπόδιο μπορεί με την πάροδο του χρόνου να οδηγήσει στη δημιουργία νέων ειδών μυγών, όπως ακριβώς θα έκανε ένα φυσικό εμπόδιο.
Αυτοί οι δύο τρόποι δημιουργίας διαφορετικότητας είναι γνωστοί, αλλά η έρευνά μου επικεντρώνεται σε μια τρίτη συναρπαστική πιθανότητα:η ποικιλομορφία μπορεί να προκύψει ακόμα και όταν οι οργανισμοί μοιράζονται τον ίδιο χώρο και έναν μοναδικό διαθέσιμο πόρο.
Εκ πρώτης όψεως, αυτό μπορεί να φαίνεται αδύνατο. Ας φανταστούμε έναν πληθυσμό στον οποίο όλα τα άτομα χρησιμοποιούν αρχικά τον πόρο με τον ίδιο τρόπο. Όταν προκύψει ένα μεταλλαγμένο που είναι κατώτερο στη χρήση του πόρου, θα εξαλειφθεί με την πάροδο του χρόνου. Αντίθετα, ένας ανώτερος μεταλλαγμένος θα σαρώσει τον πληθυσμό. Αλλά αποδεικνύεται ότι οι δύο παραλλαγές - προγονική και μεταλλαγμένη - μπορούν να συνυπάρχουν όταν ο πρόγονος τροποποιεί το περιβάλλον με συγκεκριμένους τρόπους.
Τα βακτήρια είναι μικροσκοπικοί οργανισμοί που εκκρίνουν αντιβιοτικά και μεταβολικά απόβλητα, αλλοιώνοντας το περιβάλλον στο οποίο ζουν. Αυτές οι περιβαλλοντικές αλλαγές μπορεί να έχουν συνέπειες όχι μόνο σε άλλους οργανισμούς αλλά και στους ίδιους τους οργανισμούς που τις δημιουργούν και, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση της βιοποικιλότητας. Για να δούμε πώς, ας υποθέσουμε ότι ένας πληθυσμός βακτηρίων μπορεί να καταναλώσει έναν πόρο που τον μετατρέπει σε ένα εκκρινόμενο μεταβολικό απόβλητο και ότι σε αυτόν τον πληθυσμό εμφανίζεται ένας μεταλλαγμένος που μπορεί να καταναλώσει αυτό το απόβλητο προϊόν. Αυτό δεν είναι τόσο ασυνήθιστο, καθώς γνωρίζουμε πολλούς οργανισμούς που επιβιώνουν με τα απόβλητα άλλων. (Τα ζώα, για παράδειγμα, επιβιώνουν με απόβλητα φυτών φωτοσύνθεσης - οξυγόνο.) Εάν το μεταλλαγμένο μπορεί να επιβιώσει με τα απόβλητα του αρχικού πληθυσμού, μπορεί να παραμείνει στον πληθυσμό, μαζί με τον μη μεταλλαγμένο πρόγονό του. Μέσω αυτής της διαδικασίας, μπορεί να προκύψει νέα ποικιλομορφία.
Θέλαμε να μελετήσουμε ακριβώς αυτή τη διαδικασία, και γι' αυτό, χρειαζόμασταν να βρούμε πόσο εύκολα οι βακτηριακοί πληθυσμοί μπορούν να παράγουν απόβλητα που θα μπορούσαν να βοηθήσουν άλλους να επιβιώσουν και να σχηματίσουν σταθερές κοινότητες τέτοιων παραγωγών αποβλήτων-καταναλωτών απορριμμάτων. Για να γίνει αυτό, μελετήσαμε τα γνωστά ως μεταβολικά δίκτυα κλίμακας γονιδιώματος. Αυτά τα δίκτυα περιέχουν όλες τις μεταβολικές βιοχημικές αντιδράσεις που είναι γνωστό ότι λαμβάνουν χώρα σε έναν δεδομένο οργανισμό. Αυτές οι μεταβολικές αντιδράσεις μετατρέπουν τους πόρους στην ενέργεια που απαιτείται για τις κυτταρικές διεργασίες, επιτρέποντας στους οργανισμούς να αναπτυχθούν και να αναπαραχθούν.
Μελετήσαμε το μεταβολικό δίκτυο της Escherichia coli , ένα πολύ γνωστό βακτήριο που κατοικεί στο έντερο των θερμόαιμων οργανισμών. Προσομοιώσαμε την ανάπτυξη του E. coli σε 180 διαφορετικά περιβάλλοντα που διέφεραν σε ένα θρεπτικό συστατικό και αναζήτησαν τα μεταβολικά απόβλητα που E. coli θα μπορούσε όχι μόνο να παράγει, αλλά αυτό θα επέτρεπε επίσης στο E. coli να αναπτυχθεί όταν καταναλωθεί. Βρήκαμε ότι Ε. coli θα μπορούσε να παράγει περίπου 50 απόβλητα προϊόντα σε καθένα από τα ελεγμένα περιβάλλοντα που θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν E. coli μεταλλαγμένων και έτσι συντηρούν μια κοινότητα παραγωγών και καταναλωτών απορριμμάτων. Εν ολίγοις, χιλιάδες κοινότητες που αποτελούνται από οργανισμούς παραγωγών και καταναλωτών αποβλήτων θα μπορούσαν ενδεχομένως να αναδυθούν.
Ένα περιβάλλον που προσφέρει μόνο έναν πόρο μπορεί να αλλάξει από τις δραστηριότητες των οργανισμών που το κατοικούν. Όλοι οι οργανισμοί τροποποιούν το περιβάλλον τους. Μερικοί το κάνουν με πολύ αισθητό τρόπο, όπως οι αράχνες όταν δημιουργούν ιστούς ή οι κάστορες όταν χτίζουν φράγματα. Άλλοι το κάνουν με πιο λεπτούς τρόπους, όπως τα φυτά και οι γαιοσκώληκες που αλλοιώνουν τη χημική σύνθεση και την υγρασία του εδάφους. Αυτές οι αλλαγές μπορούν να δημιουργήσουν ευκαιρίες για μεταλλαγμένα που εμφανίζονται στον πληθυσμό και τα οποία μπορεί να συνυπάρχουν με τον αρχικό πληθυσμό.
Ένα κομμάτι της βιοποικιλότητας που παρατηρούμε σήμερα μπορεί να έχει προκύψει από μια διαδικασία όπως αυτή που περιγράφεται εδώ, όπου η ευκαιρία να αυξηθεί η ποικιλότητα προσφέρεται από τους ίδιους τους οργανισμούς που κατοικούν στο περιβάλλον.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ένα τεράστιο δυναμικό για κατασκευή θέσεων μέσω βακτηριακής διασταύρωσης σε ομοιογενές περιβάλλον, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό PLOS Computational Biology. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Magdalena San Roman και Andreas Wagner από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης.
