Pluskwiak zatrzymujeżywność w pół drogi, żeby zrobić miejsce dla mikrobów 

Obecnie, Tsubasa Ohbayashi i Yoshitomo Kikuchi z Uniwersytetu Hokkaido w Japonii odkryli, że to rozdzielenie jest wymuszone przez specjalny narząd – skrajnie wąski korytarz (CR na rysunku), który oddziela komory trzecią i czwartą. Jest cienki i niepozorny, i dlatego nikt go wcześniej nie zauważył. Odgrywa jednak żywotną rolę: pozwala pewnym bakteriom na skolonizowanie tylnej połowy przewodu pokarmowego, trzymając żywność i inne mikroby w części przedniej.

To odkrycie mówi o dwóch najważniejszych stronach partnerstwa między zwierzętami i mikrobami. Pierwszą jest konflikt. Nawet korzystne bakterie nie są wyłącznie dobrem. Mają własne interesy ewolucyjne i mogą spowodować gospodarzom poważne problemy, jeśli dostaną się do niewłaściwych części ciała. Trzeba je więc powstrzymać i kontrolować. Robimy to ścianą śluzu, który pokrywa nasze jelita, i komórkami odpornościowymi, które patrolują tę ścianę. Inne zwierzęta mają specjalne przegródki, w których przechowują bakterie. Tylna polowa przewodu pokarmowego pluskwiaka jest przykładem takiego wyspecjalizowanego zakwaterowania.

To doprowadza nas do drugiej sprawy: selektywności. Mikroby, które żyją w ciałach zwierząt, nie są tymi samymi mikrobami, które znajdują się w otaczającym zwierzę środowisku. Tylko niektóre gatunki mogą dobrze czuć się w zwierzęcym gospodarzu i tylko niektórym się na to pozwala. U pluskwiaków tylko jedna bakteria o nazwie Burkholderia może skolonizować przewód pokarmowy. (Nie jest całkiem jasne, co Burkholderia robi dla swojego gospodarza, ale wiemy, że jest ważna, bo owady, które jej nie mają, nie mogą dorosnąć do pełnych rozmiarów i umierają wcześnie.)

Nowoodkryty korytarz u pluskwiaków jest odpowiedzialny za tę skrajną selektywność. Stanowi sortownię symbiontów. W zeszłym roku zespół Kikuchiego nakarmił młode tarczówkowate gatunku Riptortus pedestris bakteriami Burkholderia, oznakowanymi świecącą, zieloną cząsteczką. Zobaczyli, że bakterie ustawiły się w kolejkę u wejścia do wąskiego korytarza i przez kilka godzin przepychały się przez niego. Robi to tylko Burkholderia. Inne bakterie nie potrafią odbyć tej samej podróży.

Nie potrafi tego także ani żywność, ani płyny. Niedawno zespół podał pluskwiakom wodę zabarwioną na czerwono. Fala czerwieni powoli przechodziła przez jelita i całkowicie zatrzymała się u wejścia do ciasnego korytarza. Czymkolwiek jest ten narząd, nie przepuszcza żywności, płynów i większości mikrobów.  

Badając go pod mikroskopem zespół odkrył jego tajemnicę. Przede wszystkim, jest niemożliwie wąski: zaledwie kilka milionowych części metra szerokości. Jest także wypełniony śluzem, który działa jak fizyczny korek. Tylko Burkholderia może się przez to przebić, częściowo dlatego, że jest świetnym pływakiem. Popycha się silnym, podobnym do bicza ogonem, zwanym wicią. Kiedy zespół Kikuchiego manipulował ze zmutowaną Burkholderia, nie udało im się odtworzyć porządnej wici i te szczepy nie potrafiły przedostać się przez korytarz.

Inne bakterie jednak, takie jak E.coli i B.subtilis mają własne wici, a jednak też nie potrafią przedostać się. Musi być coś jeszcze, co tamuje im drogę i nikt nie wie, co to może być. Jest możliwe, że tylko Burkholderia wytwarza enzym, który rozkłada śluz, a więc zarówno płynie, jak drąży tunel. Albo też Burkholderia może być wyjątkowo odporna na enzymy trawienne i antybakteryjne substancje chemiczne, które uwalnia pluskwiak, by powstrzymać inne mikroby.

Jest możliwe, że zarówno owad, jak bakteria, mają swoje role do odegrania w zapewnieniu wierności tego partnerstwa. Tak samo może być z innymi naturalnymi sojuszami. Śliczna kałamarniczka hawajska (Euprymna scolopes) jest skolonizowana przez jeden gatunek świecącej bakterii o nazwie Vibrio fishceri, którą przechowuje w kryptach w ciele. Mimo mnóstwa bakterii, które kłębią się w otaczającym morzu, tylko V.fischeri potrafi wejść i skolonizować krypty kałamarniczki. Jak pisałem poprzednio, ta selektywność zależy zarówno od kałamarniczki, jak od mikroba.

Kałamarniczka i owad mają jeszcze jedną rzecz wspólną: każde nowe pokolenie pobiera swoje mikroby ze środowiska. Selektywność jest więc dla nich naprawdę ważna. Potrzebne im są bardzo precyzyjne sposoby wyciągnięcia właściwego partnera z otaczającego środowiska. To samo dotyczy większości gatunków tarczówkowatych i dlatego, jak się wydaje, ten korytarz istnieje u wszystkich około 40 tysięcy członków tej rodziny.

Jedyne wyjątki także dowodzą reguły. Niektóre pluskwiaki tarczówkowate wyewoluowały bardzo specyficzne metody przekazywania swoim dzieciom odpowiednich, korzystnych mikrobów. Jedne kładą kapsułki pełne mikrobów obok jajeczek. Inne pokrywają jajeczka pełnym bakterii śluzem. Tak czy inaczej, młode pluskwiaki mają gwarancję, że znajdą właściwe mikroby, więc sortujące symbionty korytarze są mniej użyteczne. I, jak to się często dzieje w ewolucji, zaniknęły one. Kiedy te pluskwiaki dorastają, ich korytarz kurczy się do nitki i obie połowy przewodu pokarmowego są zasadniczo oddzielone.

Jak więc wydalają odchody? Eksperyment zespołu Kikuchiego z czerwonym zabarwieniem żywności ujawnił odpowiedź. Żywność zostaje zaabsorbowana w przedniej części przewodu pokarmowego, wysłana od owadziego odpowiednika nerek, a następnie przesłana z powrotem do tego samego końca w postaci odchodów. Być może jest to najwyraźniejszy sygnał, że te mikroby mają znaczenie. By dać im dach nad głową pluskwiaki musiały zmienić całą trasę żywności w swoich ciałach, omijając czwartą komorę, w której zamieszkują bakterie.

Źródło: Ohbayashia, Takeshita, Kitagawa, Nikoh, Koga, Meng, Tago, Hori, Hayatsu, Asano, Kamagata, Lee, Fukatsu & Kikuchi. 2015. Insect’s intestinal organ for symbiont sorting. PNAS http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1511454112

Bug Stops Food Halfway Down Its Gut To Make Room For Microbes

Not Exactly Rocket Sciene, 31 sierpnia 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska