Trawienny drapacz chmur

M.natalensis jest farmerem, który hoduje grzyby w termitierach. Karmi grzyby trocinami drewna, które zbierają, przeżuwają i zwracają robotnice. Grzyby pokrywają tę maź i trawią ją, rozkładając złożone węglowodany (znane jako lignoceluloza) na mniejsze cukrowe cegiełki. Termity zjadają następnie powstały w ten sposób kompost. W ich jelitach zabierają się następnie za robotę legiony bakterii i innych mikrobów, dalej rozkładając cukry. Bez grzybów i mikrobów termity nie mogłyby jeść.

Układem trawiennym termita nie jest więc przewód, który biegnie wzdłuż ciała. Jest nim także sieć nici grzybów w wielu komorach termitiery i masa mikrobów gnieżdżących się w jelitach. To jest społeczność stworzeń z przynajmniej trzech królestw życia, które żyją wewnątrz owada i poza nim. Wypełnia organizm termita i rozciąga się na architekturę jego domu.

Ten sojusz trawienny jest prastary. Termity wyewoluowały z karaluchów około 150 milionów lat temu i od tego czasu uzależnione są mikrobów jelitowych, by atakować twarde rośliny. Około 30 milionów lat temu Macrotermitinae, grupa, do której należy M.natalensis, dodała nowego partnera do tego zestawu przez udomowienie trafnie nazwanego grzyba: Termitomyces. Kontrakt, który przypieczętował to partnerstwo, był wiążący. Obecnie jest około 330 gatunków Macrotermitinae i wszystkie hodują Termitomyces, ale nic poza tym.

Ten sojusz odniósł spektakularny sukces. Macrotermitinae znajdują się w całej Afryce i Azji Południowej i kształtują losy całych ekosystemów. Są panami butwienia, rozkładając resztki  roślin i przywracając ich zmagazynowaną energię z powrotem światu. Przez połączenie sił z innymi mikroskopijnymi partnerami te uber-karaluchy potrafią budować katedry równie wysokie jak drzewa, zamieniając rzeczywiste drzewa w swoje ciała.

Michael Poulsen z uniwersytetu w Kopenhadze i Haofu Hu z BGI Shenzen w Chinach rozszyfrowali teraz różne role partnerów przez zsekwencjonowanie genomów M.natalensis, grzybów, które hodują i mikrobów w ich jelitach.

W sumie mają olbrzymi zestaw rozkładających rośliny enzymów o nazwie hydrolazy glikozydowe (GHs), które rozrywają wiązania chemiczne, zmieniają wiążące cukry proste w cukry złożone. Istnieje 128 rodzin GHs, a tych trzech partnerów ma razem 118 z nich – niemal pełen zestaw. Większość tych narzędzi pochodzi z wnętrzności mikrobów, podczas gdy grzyby i (w znacznie mniejszym wymiarze) same termity wypełniają luki w tej kolekcji.

Grzyby i mikroby wydają się dzielić między siebie pracę trawienia. Grzyby celują w rozdzielaniu dużych węglowodanów, takich jak lignina i celuloza na ich składniki, ale nie są już dobre w rozkładaniu tych składników. Odpowiada to ich biologii. Termitomyces nie tyle jest zjadaczem drewna, ile rozkładaczem drewna. Rozrywają ligninę, żeby dobrać się do innych składników odżywczych głębiej w roślinie, nie zaś jako sam akt trawienia.

Mikroby w jelitach termitów mają jednak mnóstwo enzymów, które obierają za cel te prostsze cukry, produkowane przez grzyby. Poulsen i Hu odkryli, że mikroby w M.natalensis mają znacznie więcej tych enzymów niż mikroby innych termitów, które nie udomowiły grzybów.

Tak więc grzyby przypuszczają pierwszy atak, a mikroby wymierzają końcowe uderzenia. Same termity wykonują bardzo niewiele tych prac trawiennych. Ich rolą jest hodowanie i pielęgnowanie pozostałych partnerów.

Jest to znaczące osiągnięcie. Grzyby Termitomyces są jadalne dla ludzi i cenione jako delikates w pewnych częściach Afryki, ale nigdy nie potrafiliśmy ich hodować. Termity potrafią. Te stworzenia o malusieńkich mózgach budują kopce z wmontowaną wentylacją i klimatyzacją, dostarczając chłodnych, wilgotnych oaz na spieczonej sawannie, w których grzyby rozrastają się. Przez budowanie i kultywowanie tych ogrodów i przez dawanie schronienia właściwym mikrobom we wnętrzu swoich ciał, termity w zasadzie uprawiają własny układ pokarmowy.  

Poulsen i Hu odkryli jeszcze jedną niespodziankę w tej opowieści: królowa M.natalensis jest dziwadłem. Nie ma mikrobów, które są najpowszechniejsze u jej robotnic i potrafi trawić tylko najprostsze z cukrów. Pasuje to do jej biologii. Królowa Macrotermitinae jest  składającą jaja maszyną z odwłokiem niesłychanie wzdętym w olbrzymi, biały, pulsujący worek.  Polega na swoich córkach-robotnicach (i na mikrobach w ich jelitach), że będą ją karmić.

Nie zawsze tak było. Królowa zakładała kolonie i przekazywała córkom mikroby ze swoich jelit. Jej własna społeczność mikrobów musiała skurczyć się później, a jej ciało rozrastać. Można myśleć o całej kolonii – robotnicach, grzybach, kopcach i wszystkim innym – jako o jej układzie trawiennym. Jest to olbrzymia sieć symbiotyczna, która dostarcza jej żywności i zapewnia przetrwanie jej genów.

Więcej o owadach-farmerach: How Leafcutter Ants Evolved From Farmers Into Cows

Źródło: Poulsen, Hu, Li, Chen, Xu, Otani, Nygaard, Nobre, Klaubauf, Schindler, Hauser, Pan, Yang, Sonnenberg, de Beer, Zhang, Wingfield, Grimmelikhuijzen, de Vries, Korb, Aanen, Wang, Boomsma & Zhang. 2014. Complementary symbiont contributions to plant decomposition in a fungus-farming termite. PNAS http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1319718111

The guts that scrape the skies

Not Exactly Rocket Science, 23 września 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska