Zoo w gębie

Darwin poddał w wątpliwość starsze koncepcje gatunku, kwestionując myśl, że są one ustalone od momentu stworzenia lub tylko zdolne do nieznacznych zmian z upływem czasu. W rzeczywistości stare gatunki dawały początek nowym, jak pędy drzewa. Darwin uznał, że to, gdzie zechcemy przeprowadzić linię rozgraniczającą gatunki, jest kwestią wygody.

Choć Darwin stworzył swoją teorią nowoczesne podstawy biologii, biolodzy nie zarzucili słowa gatunek. Jest to nadal pomocny termin do opisania, jak ewoluuje życie – nawet jeśli naukowcy nadal spierają się o to, jaka definicja najlepiej ostoi się kotłującej się złożoności ewolucji.

W 1940 r. biolog Ernst Mayr oznajmił, że “gatunek jest grupą rozmnażających się naturalnych populacji, które są reprodukcyjnie oddzielone od innych takich grup”. Innymi słowy, wszystko obraca się wokół seksu.

Innym naukowcom nie podobała się definicja Mayra, ponieważ izolacja reprodukcyjna jest takim gąbczastym określeniem. Zostaw wiewiórkę na odległej wyspie, a nie będzie mogła rozmnażać się z wiewiórkami na stałym lądzie. Czy stworzyłeś nowy gatunek? Biolodzy wiedzą, że populacje stają się coraz bardziej izolowane reprodukcyjnie przez tysiące lub miliony lat. Czy musimy czekać, aż będą całkowicie izolowane, zanim powiemy, że te dwie populacje to nowe gatunki?

Niektórzy naukowcy proponowali, byśmy myśleli o gatunku jako o gałęzi na drzewie życia – jako o najmniejszej grupie organizmów, które wszystkie pochodzą od wspólnego przodka, i które możemy odróżnić od innych grup. (Kilka lat temu napisałem artykuł o debatach wokół gatunku dla „Scientific American”, który można przeczytać tutaj.)

Te definicje działają w miarę dobrze dla zwierząt i roślin. Ale okazały się całkiem do niczego wobec mikrobów. A to powoduje dylemat dla naukowców, ponieważ obecnie jest jasne, że olbrzymia większość zróżnicowania genetycznego na Ziemi należy do bakterii, wirusów i innych form życia niewidocznych dla gołego oka.

Kiedy mikrobiolodzy zaczęli badać mikroby w XIX wieku, zajmowali się tym tak jak zoolodzy lub botanicy. Opisywali mikroba według jego wyglądu, tego, czym się odżywiał i innych cech, jakie mogli badać w laboratorium. Jeśli wydawał się różnić od innych mikrobów, które opisano poprzednio, dawali mu oficjalną nazwę gatunkową, jak Escherichia coli. Kiedy mikrobiolodzy natykali się później na mikroba – na przykład we krwi chorego pacjenta – identyfikowali gatunek przez systematyczne badanie jego cech, w ten sam sposób jak ornitolog amator patrzyłby na upierzenie ptaka i słuchał jego śpiewu.

Pod koniec XX wieku mikrobiolodzy porzucili tę metodę na korzyść nowej: identyfikowania gatunków przez ich DNA. Również zoolodzy i botanicy poszli tą drogą, ale to mikrobiologów czekał szczególny szok. Okazało się, że różnorodność mikrobów jest wybujała w sposób przyprawiający o zawrót głowy. Mikroby, które przed epoką DNA uważano za niemal identyczne, okazały się bardziej odległe genetycznie niż klony i pingwiny.

Jak opisałem w książce Microcosm, jeden gatunek - E. coli – okazał się zawierać tłumy, od korzystnych bakterii , które potrafią wyleczyć dysfunkcjonalne jelita niemowlęcia do wszelkiego rodzaju patogenów, które na przerażająco różne sposoby wywołują nasze choroby, od powodowania, że z naszych komórek wylewa się ich zawartość do wślizgiwania się w nie jak tasiemiec.

Sprawy zagmatwało jeszcze bardziej odkrycie, że mikroby nie przekazują po prostu swoich genów potomstwu, tak jak robimy to my. Nieustannie wymieniają się genami, nie okazując cienia szacunku dla żadnych tak zwanych barier międzygatunkowych. Naukowcy próbują czasami przedstawić ten ruch genów przez rysowanie pajęczyny życia zamiast drzewa życia.

Próba wpasowania mikrobów w definicję gatunku opartą na zwierzętach i roślinach, to trochę jak próba zapędzenia stada flamingów do autobusu szkolnego. Definicja Mayra niewiele tu pomaga, ponieważ mikroby nie uprawiają seksu, jak to robią zwierzęta. Zdecydowanie nie jest także pomocą „gałąź na drzewie życia”. Teoretycznie, każdy mikrob, który doznaje mutacji. jest odrębny od innych mikrobów i powinien być uważany za należący do własnego gatunku. A jeśli przekazuje tę mutację odlegle spokrewnionemu mikrobowi, załamuje się cała koncepcja drzewa.

Jest to taki bałagan, że niektórzy mikrobiolodzy w ogóle poddali się z tymi gatunkami. W 2012 r.  W. Ford Doolittle napisał fantastycznie zatytułowany komentarz: “How Bacterial Species Form and Why They Don’t Exist.” [Jak powstają gatunki bakterii i dlaczego nie istnieją].

Ten bałagan może bardzo utrudniać życie biologom, kiedy zgłaszają się do nich reporterzy. Podobnie jak wielu innych dziennikarzy dużo pisałem o nadzwyczajnych badaniach mikrobiomu – kolekcji mikrobów, które nazywają nas swoim domem.  

Wielokrotnie pytałem: “No więc, ile jest w nas gatunków?”

I za każdym razem mikrobiolodzy, z którymi rozmawiałem, wymigiwali się od odpowiedzi.

Choć mikrobiolodzy mogą się bardzo niedobrze czuć z całą koncepcją gatunków, nadal potrzebują jakiegoś sposobu mierzenia różnorodności na przykład mikrobiomu. Zamiast gatunków na ogół używają czegoś „gatunkopodobnego”.

Kiedy mikrobiolodzy przechodzili na używanie DNA, wybrali jeden gen jako sposób odróżniania od siebie różnych mikrobów. Ten gen, znajdujący się we wszystkim, co żywe, nazywa się 16S rRNA. Mikrobiolodzy porównywali różnice w genach 16S rRNA u indywidualnych mikrobów, które należały do jednego gatunku – to jest gatunku, tak jak tradycyjnie by go zidentyfikowali mikrobiolodzy.

Odkryli, że różnice dochodziły do trzech procent. Zdecydowali więc, że jeśli dwa mikroby są w  97% identyczne pod względem tego jednego genu, to należą do tej samej grupy. Zamiast „gatunek” nazwali taką grupę operacyjną jednostką taksonomiczną.

Z czasem okazało się, że ta granica 97% była błędna. Dobrym przykładem tego, jak może sprowadzić naukowców na manowce, jest sprawa dwóch gatunków bakterii, które żyją w naszych organizmach, Streptococcus pneumoniae i Streptococcus mitis. Dawniej, w barbarzyńskich czasach przed sekwencjonowaniem, mikrobiolodzy uznali, że są to dwa odrębne gatunki zasługujące na odrębne nazwy. Kiedy patrzysz, jak te dwa mikroby zarabiają na życie, ta decyzja ma wiele sensu. S. pneumoniae powoduje zapalenie płuc, podczas gdy S. mitis może żyć nieszkodliwie na zębach.

Niemniej sekwencje 16S rRNA u tych dwóch “gatunków” są w ponad 97% identyczne. W rzeczywistości są podobne w 99% . Choć ich geny 16S rRNA pozostały niemal identyczne, niektóre inne ich geny skręciły w innych kierunkach.

W obliczu całego tego rozkosznego zamieszania mikrobiologom potrzebny był lepszy sposób podzielenia mikrobów na grupy. Istnieje jednak granica tego, jak precyzyjnie mogą dokonywać tych rozróżnień. Nawet najlepsze sekwencery nie są doskonałe. Tu i ówdzie popełniają pomyłki w czytaniu genów mikroba. Kiedy mikrobiolodzy rozróżniają różne rodzaje bakterii z progiem 97%, te małe błędy nie mają znaczenia. Jeśli jednak chcą rozróżnić mikroby według maleńkich różnic, może to spowodować coś odpowiadające pomyleniu wilka z Chihuahua.

A. Murat Eren, ekolog mikrobiologiczny w Marine Biological Laboratory w Woods Hole, Massachusetts, i jego koledzy przedstawili nowy sposób mapowania różnorodności mikrobów. Nazywają to oligotypowaniem.  Uszeregowują geny 16S rRNA z grupy mikrobów, a potem szukają miejsca na genie, które wykazuje najwięcej różnic między mikrobami. Naukowcy zawężają poszukiwania do najmniejszej liczby miejsc, jakie mogą odróżnić w największej liczbie grup, które nazywają oligotypami. Ta metoda pozwala im na uniknięcie małych, powodujących błędy różnic, które mogą być obecne w genie jednego tylko mikroba.

Niedawno Eren i jego koledzy przetestowali oligotypowanie na mikrobiomie. Przeszukali sekwencje DNA zebrane przez Human Microbiome Project, olbrzymie badanie genów mikrobowych od ponad 200 ludzi. Eren i jego koledzy ograniczyli poszukiwania tylko do mikrobów z ust ludzi. Nadal postawiło ich to przed zadaniem przeszukania ponad 10 milionów sekwencji.

Znaleźli co najmniej 362 oligotypów bakterii.* Większość tych oligotypów należy do konwencjonalnych gatunków, ale często naukowcy odkrywali, że jeden tak zwany gatunek zawiera kilka wyraźnie odrębnych oligotypoów.

Te oligotypy nie są tylko nieznacznymi wariacjami na ten sam temat. Prowadzą różne życie. Nasze usta są jak dżungla z wieloma niszami ekologicznymi. Środowisko zębów różni się niezmiernie od środowiska języka, które z kolei jest inne niż środowisko dziąseł. Eren i jego koledzy odkryli, że każdy oligotyp zamieszkiwał tylko jedną lub kilka części ust – i robił to konsekwentnie u różnych osób. Na przykład, niektóre oligotypy żyją tylko na zębach, podczas gdy inne żyją głównie na języku. Dowody na całą tę różnorodność istniały już w bazach danych Human Microbiome Project, ale jak dotąd widzieliśmy las nie rozróżniając drzew.

Wiele jest poważnych, praktycznych powodów do wynalezienia lepszego sposobu mierzenia różnorodności mikrobów – także tych w naszych ustach. Niektóre mieszkające tam bakterie mogą potencjalnie wywołać chorobę – nie tylko przez tworzenie próchnicy, ale także wywoływanie chorób w innych częściach ciała, takich jak choroby serca. Staromodne definicje gatunków mogą spowodować, że naukowcy przeoczą te patogeny, łącząc je w jedną grupę z nieszkodliwymi mikrobami.

To badanie jest jednak ważne z bardziej fundamentalnego powodu – ponieważ pomaga nam zrozumieć osłupiającą różnorodność życia na Ziemi. Jednym ze sposobów, by zacząć doceniać jak olbrzymia jest ta różnorodność, jest po prostu otworzenie ust.

*Artykuł zostanie opublikowany w tym tygodniu. Odnośnik brzmi: Eren et al., “Oligotyping analysis of the human oral microbiome,” PNAS. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1409644111

The zoo in the mouth

The Loom, 25 lipca 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska