Βακτήρια: Φίλοι, εχθροί και συνεργάτες (Μέρος A)

Αν τα ζώα και τα φυτά εξαφανιστούν, η ζωή στη Γη θα συνεχιστεί με τα βακτήρια. Αν τα βακτήρια εξαφανιστούν, η ζωή τελείωσε. Οι απαραίτητοι αυτοί συγκάτοικοι άλλοτε βοηθούν, άλλοτε επιτίθενται και τώρα… προσλαμβάνονται! Παρακάτω ακολουθεί ένα εκτενές άρθρο για κάποιες -μάλλον-  παρεξηγημένες «προσωπικότητες»… τα βακτήρια!  Αξίζει να διαβαστεί από όλους μας!

Υπάρχουν από καταβολής κόσμου, αλλά αντιληφθήκαμε την παρουσία τους μόλις πριν μερικά δευτερόλεπτα γεωλογικού χρόνου. Δεν τα βλέπουμε, αλλά είμαστε το σπίτι τους. Η αριθμητική υπεροχή τους είναι αδιαμφισβήτητη, αλλά στη συντριπτική πλειονότητά τους είναι φίλοι μας. Αγνοούμε τα ονόματα πολλών από αυτά, αλλά εκείνα μας βοηθούν να επιβιώνουμε. Στην πραγματικότητα, αν δεν υπήρχαν δεν μπορούσαμε να είχαμε υπάρξει ούτε εμείς. Και η Γη θα ήταν εντελώς διαφορετική.

Οι περισσότεροι από εμάς έχουμε τα βακτήρια στο μυαλό μας σαν εχθρούς. Αλλά αυτό είναι μια πολύ περιορισμένη οπτική. Υπάρχουν πράγματι είδη που μπορούν να μας σκοτώσουν, και μάλιστα έχουν εφεύρει ιδιαίτερα ευφυείς τρόπους να μας ξεγελούν και να πετυχαίνουν τον σκοπό τους. Δίπλα όμως στη μειονότητα των «κακών» βακτηρίων υπάρχει ένας ολόκληρος κόσμος «καλών» βακτηρίων με ζωοποιό δράση. Για την ακρίβεια, χωρίς την παρουσία τους δεν θα μπορούσαμε σε καμία περίπτωση να επιβιώσουμε. Η σχέση ανθρώπου-βακτηρίων έχει ωστόσο περάσει τώρα σε μια νέα εποχή, καθώς έχει γίνει πλέον σχέση «συνεργασίας»: ορδές βακτηρίων έχουν επιστρατευτεί για να δώσουν λύσεις εκεί που ο άνθρωπος δυσκολευόταν. Θα συναντήσετε αυτούς τους δυναμικούς «στρατούς» σε εργοστάσια, σε μονάδες παραγωγής ενέργειας ή σε μολυσμένες ακτές…

Πετρώματα αποτελούμενα από εναλλασσόμενες στρώσεις οξειδωμένου σιδήρου και πυριτικών ιζημάτων. Οι ερευνητές θεωρούν ότι τα παραπάνω πετρώματα αποδεικνύουν την ύπαρξη μιας επαναλαμβανόμενης φωτοσυνθετικής ενεργότητας η οποία οφειλόταν σε γιγαντιαίες στρώσεις κυανοβακτηρίων και προκαλούσε την κατακρήμνιση οξειδίων του σιδήρου.

«Αν απαλλάξουμε τη Γη από όλους τους ανώτερους οργανισμούς, τα βακτήρια όχι μόνο δεν θα πεθάνουν, αλλά θα συνεχίσουν να ζουν και να βασιλεύουν κυριεύοντας όλους τους ελεύθερους θώκους. Αν όμως επιχειρούσαμε να απαλλάξουμε τη Γη από τα βακτήρια, αυτό θα σήμαινε τον ακαριαίο θάνατο όλων των ανώτερων οργανισμών, των φυτών, των ζώων και φυσικά των ανθρώπων!».

Τα παραπάνω δεν είναι υπερβολές ενός φανατικού των βακτηρίων, αλλά η εμπεριστατωμένη άποψη ενός ανθρώπου που έχει αφιερώσει τη ζωή του στη μελέτη των αξιοθαύμαστων αυτών οργανισμών. Ο καθηγητής Πατρίκ Φορτέρ (Patrick Forterre) είναι διευθυντής του Τμήματος Μικροβιολογίας, στη Μονάδα Μοριακής Βιολογίας των Εξτρεμοφίλων, του Ινστιτούτου Παστέρ στο Παρίσι. Γνωρίζει λοιπόν καλύτερα απ’ όλους μας ότι αυτοί οι αόρατοι στο γυμνό μάτι οργανισμοί βρίσκονται εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια στο επίκεντρο των εξελίξεων, είτε αυτές αφορούν τη γεωλογική ιστορία του πλανήτη μας είτε τη δημιουργία της ζωής όπως την ξέρουμε σήμερα. Στην πραγματικότητα, τα βακτήρια συνεχίζουν ακάθεκτα ένα έργο που άρχισαν πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια και του οποίου πολύ πρόσφατη προσθήκη είμαστε και εμείς οι άνθρωποι.

Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή, έχοντας ως οδηγό το άρθρο του γάλλου καθηγητή και της συνεργάτιδάς του Σιμονέτα Γκριμπάλντο (Simonetta Gribaldo) στην επιθεώρηση «HFSP Journal» με τίτλο «Η προέλευση της σύγχρονης επίγειας ζωής» («The origin of modern terrestrial life»), στο οποίο συμπυκνώνεται η σύγχρονη άποψη για την προέλευση της ζωής.

Χάρη στη δράση των βακτηρίων η Γη καλύφθηκε στο παρελθόν από πάγους.

Και εγένετο… Luca

Πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια λοιπόν ο πλανήτης μας δέχθηκε μια τόσο μεγάλη βροχή μετεωριτών που ήταν αρκετή για να αποστειρώσει τη Γη από οποιαδήποτε μορφή ζωής την οποία πιθανόν φιλοξενούσε. Αυτή η αποστειρωμένη φάση διήρκεσε περί τα 100 εκατομμύρια χρόνια, αν και πολύ γρήγορα στους ωκεανούς είχε αρχίσει ο σχηματισμός δομών που θα μπορούσαν να εξελιχθούν σε κύτταρα. Χρειάστηκαν περί τα 100 εκατομμύρια χρόνια μετά τον βομβαρδισμό της Γης από μετεωρίτες για να εμφανιστεί ο Luca, ο τελευταίος παγκόσμιος κοινός πρόγονος (last universal common ancestor). Γεωγραφικά, οι ερευνητές τοποθετούν την εμφάνιση του Luca κοντά σε θερμοπηγές, καθώς θεωρούν ότι οι συνθήκες που επικρατούσαν εκεί (αυξημένες θερμοκρασίες, υδάτινο περιβάλλον και πλούτος χημικών στοιχείων) θα διευκόλυναν τη δημιουργία ζωτικών μορίων και την αυτοοργάνωσή τους σε κυτταρικές δομές. Η ύπαρξη του DNA, του γενετικού κώδικα που είναι κοινός για όλα τα ζωντανά πλάσματα πάνω στη Γη (από τα μικροσκοπικά βακτήρια ως τις τεράστιες φάλαινες), δεν αφήνει καμία αμφιβολία στους ερευνητές ότι όλα τα είδη που έζησαν ή ζουν σήμερα είχαν έναν και μοναδικό μονοκύτταρο πρόγονο, τον Luca. Πολύ γρήγορα από τον Luca προέκυψαν τα βακτήρια και τα αρχαιοβακτήρια ή αρχαία (archae), τα οποία ξεχωρίζουν από τα βακτήρια καθώς έχουν διαφορετικό μεταβολισμό.

Βράχο-βράχο και οξυγόνο

Οι αποδείξεις της παρουσίας των πρώτων μορφών ζωής πάνω στον πλανήτη μας είναι ηλικίας 3,5 δισεκατομμυρίων ετών και δεν είναι τίποτε άλλο από τα γνωστά στρωματολιθικά πετρώματα. Οπως προδίδει το όνομά τους, τα πετρώματα αυτά αποτελούνται από στρώσεις οι οποίες σχηματίστηκαν βαθμιαία όταν ψήγματα ιζημάτων (π.χ. άμμος) έρχονταν να προσκολληθούν σε επιφάνειες οι οποίες ήταν καλυμμένες από φιλμ βακτηρίων. Η προσκόλληση των ιζημάτων διευκολυνόταν από την έκκριση βλεννωδών ουσιών που χαρακτηρίζουν τα βακτηριακά φιλμ. Σύμφωνα με τον Φορτέρ και τους συνεργάτες του, οι οργανισμοί οι οποίοι συνέβαλλαν στη δημιουργία των στρωματολιθικών πετρωμάτων ήταν φωτοσυνθετικοί. Για την ακρίβεια, μπορούσαν να εκμεταλλευθούν την ηλιακή ακτινοβολία αν και δεν παρήγαν οξυγόνο, όπως συμβαίνει με τους σημερινούς φωτοσυνθετικούς οργανισμούς οι οποίοι αξιοποιούν δύο πολύ εξελιγμένα συστήματα, το φωτοσύστημα Ι και το φωτοσύστημα ΙΙ, για την παραγωγή οξυγόνου με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός.

Οι ερευνητές θεωρούν ότι οι πρόγονοι των φωτοσυστημάτων Ι και ΙΙ δημιουργήθηκαν εκείνη την περίοδο σε δύο διαφορετικά είδη μονοκύτταρων οργανισμών τα οποία συμβίωσαν επί μακρόν, καθώς το ένα συμπλήρωνε το άλλο. Από αυτή τη συμβίωση προέκυψε η φωτοσύνθεση με παραγωγή οξυγόνου, η οποία ευθύνεται για την οξυγόνωση της ατμόσφαιράς μας. Στην αρχή όμως, όταν πρωτοδημιουργήθηκαν δηλαδή αυτά τα βακτήρια που μπορούσαν να απελευθερώνουν οξυγόνο φωτοσυνθέτοντας, υπήρχαν γύρω τους τόσα μόρια τα οποία είχαν αναχθεί και «ζητούσαν» οξυγόνο, ώστε χρειάστηκαν εκατομμύρια χρόνια για να αρχίσει να απελευθερώνεται οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου δημιουργήθηκαν χαρακτηριστικά ιζηματογενή πετρώματα, τα οποία ονομάζονται BIF (Banded Iron Formations, στρωματώσεις σχηματισμών σιδήρου). Τα πετρώματα αυτά αποτελούνται από εναλλασσόμενες στρώσεις οξειδωμένου σιδήρου και πυριτικών ιζημάτων. Οι ερευνητές θεωρούν ότι τα παραπάνω πετρώματα αποδεικνύουν την ύπαρξη μιας επαναλαμβανόμενης φωτοσυνθετικής ενεργότητας η οποία οφειλόταν σε γιγαντιαίες στρώσεις βακτηρίων (κυανοβακτηρίων, για την ακρίβεια) και προκαλούσε την κατακρήμνιση οξειδίων του σιδήρου.

Οταν η Γη βάφτηκε κόκκινη

Ενα γεγονός τεράστιας σημασίας έλαβε χώρα πριν από 2,4 δισεκατομμύρια χρόνια. Η ολοένα αυξανόμενη φωτοσυνθετική δραστηριότητα των κυανοβακτηρίων, τα οποία είχαν καταλάβει τους ωκεανούς και όχι μόνο, παρείχε τόσο οξυγόνο ώστε να οξειδωθούν όλα τα αναχθέντα ως τότε στοιχεία, πράγμα που με τη σειρά του είχε ως αποτέλεσμα η Γη να αποκτήσει ένα κόκκινο χρώμα αντίστοιχο με αυτό που έχει ο Αρης σήμερα! Αν και εντυπωσιακή, αυτή η αλλαγή χρώματος από το μαύρο των βασαλτικών ηφαιστειογενών πετρωμάτων στο κόκκινο της σκουριάς επισκιάζεται από μια άλλη συνέπεια της δράσης των κυανοβακτηρίων, την απελευθέρωση οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, το οποίο όταν αγγίζει ένα ποσοστό της τάξεως του 10% γίνεται τοξικό για την πλειονότητα των βακτηριακών ειδών, που οδηγούνται έτσι σε εξαφάνιση. Από τότε, τα αρχαία περιορίζονται στα ακραία βάθη των ωκεανών, όπου η συγκέντρωση οξυγόνου είναι μικρή, ενώ τα φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια αρχίζουν να εξελίσσονται ταχύτατα.

Και έπειτα ήρθαν οι πάγοι

Εκείνη την περίοδο η ατμόσφαιρα της Γης ήταν πολύ πλούσια σε μεθάνιο, το οποίο, παρουσία οξυγόνου, άρχισε να οξειδώνεται δημιουργώντας διοξείδιο του άνθρακα. Ετσι η όψη της Γης από το Διάστημα άρχισε πάλι να αλλάζει και από κόκκινη να γίνεται λευκή. Βλέπετε, σε αντίθεση με το μεθάνιο, το οποίο είναι ένα πολύ ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου, το διοξείδιο του άνθρακα δεν είναι εξίσου «θερμαντικό», πράγμα που οδήγησε σε μια περίοδο παγετώνων. Η περίοδος αυτή διήρκεσε αρκετά εκατομμύρια χρόνια και η έξοδος της Γης από αυτήν αποδίδεται από τους ερευνητές τόσο στην ηφαιστειακή δραστηριότητα όσο και στην παραγωγή μεθανίου από τα αρχαία. Αυτά παράγουν μεθάνιο στα βάθη των ωκεανών, το οποίο ανεβαίνει (όχι σταδιακά, αλλά κατά κύματα) και συμβάλλει στην επαναθέρμανση της Γης. Αξίζει να σημειωθεί ότι η μικροβιακή παραγωγή μεθανίου έχει λειτουργήσει άλλοτε θετικά (συμβάλλοντας στην έξοδο από περιόδους παγετώνων) και άλλοτε αρνητικά (συμβάλλοντας στην υπερθέρμανση) στην ιστορία της Γης.

Συνωστισμός και φαντασία!

Η αρχή του τέλους της κυριαρχίας των μικροβίων τοποθετείται χρονικά από τους ερευνητές πριν από 1,4 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν κάνουν την εμφάνισή τους οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί. Πρόκειται για μονοκύτταρους βεβαίως οργανισμούς, οι οποίοι όμως διαθέτουν ένα ξεχωριστό οργανίδιο, τον πυρήνα (κάρυο), μέσα στο οποίο κλείνεται το DNA. Από την εξέλιξη των ευκαρυωτικών οργανισμών προκύπτουν αρχικά τα φυτά (πριν από 1,2 δισεκατομμύρια χρόνια) και στη συνέχεια τα ζώα (πριν από 0,8 δισεκατομμύρια χρόνια). Η ύπαρξη συγκατοίκων, οι οποίοι σιγά-σιγά εξαπλώνονται και καταλαμβάνουν όλους τους θώκους, θολώνει κάπως τα όρια της επίδρασης των μικροοργανισμών πάνω στη Γη. Ωστόσο αυτή συνεχίζεται, και μάλιστα με τρόπους που ξεπερνούν κάθε φαντασία. Οπως επισημαίνει ο Φορτέρ, για κάθε ζώο που αναπνέει και για κάθε φυτό που φωτοσυνθέτει απαιτείται η βοήθεια των βακτηρίων. Γιατί; Επειδή τόσο τα μιτοχόνδρια, που είναι τα οργανίδια με τη βοήθεια των οποίων τα κύτταρά μας αναπνέουν, όσο και οι χλωροπλάστες, που είναι τα οργανίδια μέσω των οποίων τα φυτά φωτοσυνθέτουν, δεν είναι τίποτε άλλο παρά τα εξελικτικά απομεινάρια των βακτηρίων που ενσωματώθηκαν μέσα σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς σε μια συμβίωση ωφέλιμη και για τα δύο μέρη.

Αλλά δεν είναι αυτός ο κύριος λόγος για τον οποίο ο γάλλος καθηγητής εκτιμά ότι η εξαφάνιση των βακτηρίων από προσώπου Γης θα σήμαινε και τη δική μας εξαφάνιση: είναι το γεγονός ότι όλοι μας (όπως και όλοι οι άλλοι ζωντανοί οργανισμοί) φιλοξενούμε μέσα μας εκατομμύρια βακτηρίων που μας βοηθούν να ζούμε. Κυριολεκτικά!

Σε δύο διαφορετικά είδη βακτηρίων, τα οποία υιοθέτησε σε διαφορετικές χρονικές στιγμές στην εξελικτική ιστορία του, οφείλει την ύπαρξή του το τζιτζίκι.

Εξέλιξη με συνεταίρους!

Ισως αποτελεί ισχυρό χτύπημα στον ανθρωποκεντρισμό μας η ιδέα ότι δεν μπορούμε να επιβιώσουμε χωρίς βοήθεια, αλλά… έτσι είναι! Και μάλιστα από καταβολής ανωτέρων οργανισμών. Στην πραγματικότητα, λένε τώρα οι ερευνητές, το φαινόμενο της συνεξέλιξης ανώτερων οργανισμών και βακτηρίων είναι πολύ διαδεδομένο. Πάρτε για παράδειγμα τα φυτά. Ορισμένα από αυτά «λιπαίνουν» το χώμα στο οποίο φύονται, χάρη στα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια τα οποία φιλοξενούν στις ρίζες τους και για τα οποία για να μπορέσουν να παρέχουν τις κατάλληλες συνθήκες στους μικροοργανισμούς δημιουργούν ειδικές δομές που ονομάζονται φυμάτια. Με άλλα λόγια, ορισμένα είδη φυτών κάλυψαν την ανάγκη τους για άζωτο εξελισσόμενα παράλληλα με βακτηριακά είδη (κυρίως του γένους Rhizobium) που μπορούν να δημιουργούν νιτρικές ενώσεις χρησιμοποιώντας το άζωτο της ατμόσφαιρας.

Ενα άλλο χαρακτηριστικό παράδειγμα συνεξέλιξης αποτελεί το τζιτζίκι, το οποίο τρέφεται με τον χυμό που απομυζά από τον φλοιό των δέντρων. Οπως κατέδειξε πρόσφατη μελέτη, το αγαπημένο καλοκαιρινό έντομο δεν μπορεί να επιβιώσει χωρίς τη βοήθεια δύο βακτηριακών ειδών με τα οποία συμβιώνει: το πρώτο ανήκει στο γένος Sulsia και φέρει μόλις περί τα 236 γονίδια, ενώ το δεύτερο ανήκει στο γένος Baumania, φέρει περί τα 651 γονίδια και μεταξύ αυτών συγκαταλέγονται και τα γονίδια παραγωγής δύο ζωτικών αμινοξέων που δεν παράγει ούτε το τζιτζίκι ούτε το Sulsia. Με δεδομένο ότι ο μέσος όρος γονιδίων για ένα βακτήριο είναι μεταξύ 3.000 και 4.000, αντιλαμβάνεται κανείς αφενός ότι τα φιλοξενούμενα βακτήρια έχουν χάσει γονίδια που χάρη στη συμβίωση έπαψαν να χρησιμοποιούνται.

Αφετέρου, η ενδελεχής μελέτη τόσο του γενετικού υλικού του τζιτζικιού όσο και των δύο φιλοξενουμένων του βακτηριακών ειδών οδήγησε τους ερευνητές στη διατύπωση του εξής σεναρίου: για περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια το τζιτζίκι συμβίωνε ευτυχές με το Sulsia αλλά για λόγους που είναι αδύνατο να διερευνηθούν (αφανισμός των φυτών με τον χυμό των οποίων τρέφονταν, παραγωγή τοξινών από τα εν λόγω φυτά, ανταγωνισμός με άλλα έντομα…), πριν από περίπου 30 εκατομμύρια χρόνια τα τζιτζίκια χρειάστηκε να αλλάξουν διατροφή. Η αλλαγή αυτή, λένε οι ερευνητές, δεν παρείχε δύο ζωτικά αμινοξέα και το τζιτζίκι κατέφυγε στην υιοθέτηση ενός ακόμη βακτηριακού είδους (της Baumania) και έτσι επιβίωσε. Και, όπως αποδεικνύει το τραγούδι του, επιβιώνει ακόμη.

Το ολοβίωμα της αγελάδας

Και μη νομίσετε ότι η συμβίωση με μικροοργανισμούς δεν αφορά τα θηλαστικά. Ο προστόμαχος των μηρυκαστικών δεν είναι τίποτε άλλο παρά μια εξειδικευμένη δομή η οποία εξελισσόμενη επέτρεψε στα ζώα αυτά να πέψουν την κυτταρίνη. Μόνο που οι αγελάδες παραδείγματος χάριν δεν διαθέτουν κανένα γονίδιο που θα τους επέτρεπε να πέψουν την κυτταρίνη (όπως εξάλλου δεν διαθέτει ούτε ο άνθρωπος). Η διαφορά ανθρώπων και αγελάδων ως προς την πέψη της κυτταρίνης οφείλεται στην παρουσία των βακτηρίων του γένους Ruminococcus που στην πραγματικότητα καθιστούν το πεπτικό σύστημα των συμπαθών τετραπόδων έναν πραγματικό βιοαντιδραστήρα χωρητικότητας 150 λίτρων!

Το πεπτικό των αγελάδων μοιάζει με έναν τεράστιο βιοαντιδραστήρα, εξειδικευμένο στην πέψη της κυτταρίνης.

 Παραδείγματα όπως τα παραπάνω, σε συνδυασμό με παρατηρήσεις που καταδεικνύουν ότι τα βακτήρια που φιλοξενούμε οι άνθρωποι παίζουν καθοριστικότατο ρόλο στην καλή μας υγεία, έχουν οδηγήσει τους ερευνητές στο συμπέρασμα ότι για να αντιληφθούμε τη φυσιολογία και την παθολογία ενός οργανισμού θα πρέπει να μελετούμε το ολοβίωμά του και το ολογονιδίωμά του, με άλλα λόγια να μελετούμε τη συνδρομή στο μεταβολικό προφίλ του του συνόλου των μικροοργανισμών που φιλοξενεί, καθώς επίσης το άθροισμα των επί μέρους γενετικών υλικών. Αδύνατον βεβαίως προς το παρόν, αλλά ποιος ξέρει…

Πηγή

Advertisements

Posted on Οκτώβριος 11, 2015, in Άρθρα - Ελληνικός Τύπος and tagged , , , . Bookmark the permalink. Σχολιάστε.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

~ ETY 121 ~

Γενική Χημεία

Η Φυσική στο Λύκειο

Κασβίκης Αθανάσιος

in search of Physics

ένα project για τη διδασκαλία της Φυσικής στη Δευτεροβάθμια εκπαίδευση

Φυσικής "Απάνθισμα"

Ρήγας Φεραίος, 1757 - 1798

Physics Courses

Ένα blog αφιερωμένο στη διδασκαλία της φυσικής

Περι Φυσικής ορμώμενος

Η διαδικτυακή μας τάξη! Ανοικτή σε μαθητές και καθηγητές...

Αρέσει σε %d bloggers: