共生:複雑です

多くの生物は、それらの中に住む微生物との相互依存関係に閉じ込められています。 しかし、これらの常在微生物自体が、より小さなゲストさえもホストする場合があります。

アート:Natalya Zahn

熱帯パニックグラス、別名dichanthelium lanuginosumをご存知ですか。 おそらく違います。 しかし、アメリカ西部のイエローストーン国立公園を訪れたことがあるなら、公園の間欠泉盆地、地熱泉、または泥だまりの焦げた泥から、そのかすかな葉がふさふさしているのを見たことがあるかもしれません。 草の名前はその熱気にヒントを与えます:それは公園の燃える地熱土壌で生き残ることができる非常に数少ない植物の一つです。

理由の答えは共生の概念にあります。

さて、「共生」とは何ですか?

1870年代後半、ドイツの科学者、アルバートフランクとハインリッヒアントンドバリーは、生物学に「共生」という用語を導入しました。 「一緒に」と「生きて」というギリシャ語から、それは生物間の新たに特定された種類の関係を記述することを意味していました。 科学者が発見した地衣類は、実際には親密で相互に有益な同盟関係にある真菌と藻で構成されています。 藻類は日光を利用して菌類の食物を作り、菌類はミネラル、水、および避難所を提供します。 それは革命的な発見であることがわかりました。

それから1世紀以上の間に、ほとんどすべての生物の発達と生存に共生菌が重要な役割を果たすことがわかってきました。 人間、動物、植物、サンゴ、昆虫はすべて微生物に大きく依存しており、微生物は宿主に依存しています。 人間と動物の健康を支える腸内細菌、サンゴ礁に動力を与える藻類、または細胞を動かすミトコンドリアを考えてみましょう。 マイクロバイオームとのこれらのギブアンドテイク関係は、地球上の生命にとって不可欠であることが判明しました。 それらは非常に普遍的で最重要であり、実際、今年初め、一部の科学者はそれらを考慮に入れるためにダーウィンの生命の木の大規模な再マッピングを要求しました。

「ロシア人形」共生

微生物といくつかの共生生物がどのように複雑に絡み合うことができるかを理解するには、いわゆるロシアの人形の共生生物を見てみると役立ちます。 鮮やかな色の民芸人形の名前が付けられているように、これらのパートナーシップの生物は、入れ子になった内生生物とも呼ばれる多種の配置で、互いにぴったりと収まります。 昆虫または植物の宿主には、真菌、ウイルス、または細菌が含まれ、それらが次に別の真菌、ウイルス、または細菌を飲み込み、3つが協力してそれらの共存を確実にします。 これらの無料のヒッチハイカーは、宿主が脊椎動物の血液や植物の樹液や木材などの特定の難消化性食品を代謝できるようにするために連携する場合があります。あるいは、攻撃者からの防御や、極端な環境での生存に有利な場合があります。

沸騰に近い温度に耐えられる草ですか?

イエローストーンパークの焼けるように暑い土壌が大好きなパニックグラスをどうぞ。 科学者たちは、内生菌が草の内部で成長し、草と菌が一緒に華氏149度を超える温度に耐えることができることを長い間知っていました。 単独では、どちらの生物も熱を取ることができません。分離した場合、100度を超えて生き残ることはできません。 しかし、2006年に、NIHから資金提供を受けた科学者たちは、その真菌の中に住んでいるウイルスを特定しました。 2人のパートナーの間の生涯の結婚のように見えていたのは、実際には一種の一夫多妻制でした。 ウイルスが除去されたとき、真菌と草の両方が耐熱性を失いました。 ウイルスが再導入されると、耐熱性が回復しました。 この関係でウイルスが果たす正確な部分は完全には理解されていませんが、研究者は、トレハロース、グリシンベタイン、タウリンなどの浸透圧保護剤が、生物が極端な体液の不均衡を乗り切るのに役立つと考えられていると考えています。 岩に生息する菌類のストレス耐性を高めると言われているメラニンと呼ばれる色素や、熱ショックタンパク質も役割を果たしている可能性があります。

回転するバクテリアのキャストは、低栄養食でミーリーバグが生き残るのを助けます

これらのトリプレットアレンジメントのパートナーは、技術的にはお互いなしでは生きられないものの、コミットメントの問題を抱えている場合があります。 たとえば、ほとんどのコナカイガラムシは、特定の必須栄養素を製造するために協力する他の細菌の中に入れ子になった細菌を含んでいます。 たとえば、宿主とその内部居住者はそれぞれ、フェニルアラニンと呼ばれる必須アミノ酸を製造するために必要な9つの遺伝子の1つ以上を含んでいます。これがないと、コナカイガラムシは典型的な栄養素の少ない食事で生き残ることができませんでした。 一部の研究者は、共生生物がそれらの間で代謝産物を輸送してアミノ酸の合成を完了する必要があると推測しています。 しかし、特定の細菌がコナカイガラムシと一緒にパートナーを組むのは、時間の経過とともに、種間で変化しています。 外側のバクテリア-Tremblayaと呼ばれるバグ-は一定のままである傾向がありますが、内側のバクテリアのアイデンティティは非常に変わりやすいです。 (常にSodalisとして知られている単一の系統からのものです。)多くのコナカイガラムシは現在の居住者のDNAに依存しているだけでなく、彼らの内部にはもはや存在しない細菌のDNAも含まれているため、科学者はこれを知っています現在の居住者ができない栄養素。 しかし、この内部細菌とそのDNAの交換がどの程度正確に行われるかは、まだ理解されていません。

トリプレットアレンジメントの一部のパートナーは、環境を介してホストに植民地化するか、またはコナカイガラムシで見られるようにホストDNAに統合されますが、他のパートナーは、あるホストから次のホストに社会的に伝染するか、またはホスト細胞とともに分裂します。 最後の2つの手段はシロアリによって使用され、シロアリの腸内共生生物(アメーバのような原生生物)には、独自の細菌共生生物が含まれています。 バクテリアと原生生物は一緒になって、シロアリが木材を消化できるように働きます。 ほとんどの腸原生生物は、シロアリが脱皮するたびに失われます—成熟すると3回発生します—原生生物は、シロアリのコロニーのメンバー間での食べ物や液体の移動中に補充されます。 (シロアリや他の社会的昆虫は、一般に逆流性液体食物の交換に関与しています。これは、栄養駆除と呼ばれるプロセスです。)一方、細菌の内部共生生物は、シロアリの原生生物が分裂するたびに分裂し、自分自身を再現します。

それはどういう意味ですか?

では、これらのロシア人形のアレンジはどのように進化したのでしょうか? それは科学者がまだ戸惑っている問題ですが、少なくともシロアリとその共生生物にとって、種がまだ現在の形に発達している間にプロセスが起こったようです。 Molecular Ecologyに掲載された2007年の論文では、国際的な科学者チームが、遺伝子分析に基づいたシロアリ、原生生物、細菌間の共種分化のプロセスについて説明しました。 これは、多種共生における共種化の最初の研究でした。

多種共生は、私たちが理解しているよりも一般的であることが判明する場合があります。 ちょうど昨年、研究者たちは、ほとんどの地衣類が1つではなく2つの真菌を含んでいることを発見しました。 地衣類がそのような相互に有益な同盟のまさに研究を始めたことを考えると、それは魅力的な洞察です。

I Contain Multitudesは、マイクロバイオームの素晴らしい隠された世界を探索するためのマルチパートビデオシリーズです。 このシリーズは、科学ライターのエドヨンが主催し、608号室と共同でHHMI Tangled Bank Studiosが制作しました。