Nowe życie mikrobów

Zmienia się sposób, w jaki biolodzy patrzą na mikroorganizmy. Dziś twierdzi się nawet, że stanowią one nierozłączną całość z gospodarzami – i razem z nimi podlegają ewolucji.

22.10.2018

Czyta się kilka minut

Stado mlecznych krów w Nowej Zelandii na jednej z ferm, 2009 r. / GEORGE CLERK / ISTOCK / GETTY IMAGES
Stado mlecznych krów w Nowej Zelandii na jednej z ferm, 2009 r. / GEORGE CLERK / ISTOCK / GETTY IMAGES

Procesy fermentacyjne, w wyniku których powstają różnorodne spożywcze produkty alkoholowe, ludzie wykorzystywali już kilka tysięcy lat temu. Robiły to populacje zamieszkujące tak odległe tereny jak Gruzja, Chiny, Irak, Egipt i Meksyk. Oczywiście nie zdawano sobie sprawy z tego, że za zjawisko to odpowiadały mikroorganizmy. Stało się to jasne dopiero w XIX w., dzięki odkryciom poczynionym przez Louisa Pasteura i jego następców. Jednym z nich, a zarazem człowiekiem, który wprowadził myślenie o mikroorganizmach na nowe tory, był ukraińsko-rosyjski biolog – Ilja Miecznikow.

Miecznikow zasłynął odkryciem fagocytozy – zjawiska pochłaniania cząstek przez komórkę i trawienia ich w swoim wnętrzu, w wakuoli (wodniczce). To odkrycie znacząco przyczyniło się do zrozumienia działania układu odpornościowego (komórki fagocytują patogeny), a Miecznikowowi przyniosło w 1908 r. Nagrodę Nobla z fizjologii. Miecznikow ważną rolę odegrał również w zmianie postrzegania mikroorganizmów. Przekonywał, że bakterie nie muszą być wyłącznie przyczynami chorób, ale mogą wpływać korzystnie na ludzkie zdrowie. Propagował w środowisku lekarzy zalecanie pacjentom jedzenia zsiadłego mleka, bogatego w – jak się domyślał – pożyteczne bakterie. Sądził, że drobnoustroje znajdujące się w przewodzie pokarmowym mają wpływ na starzenie się organizmu (dziś wiemy, że to znacznie bardziej zawiłe zjawisko).

Spadek po przodkach

Mniej więcej w tym samym czasie, kiedy Miecznikow został uhonorowany Nagrodą Nobla, inny rosyjski biolog-botanik – Konstanty Mierieżkowski – ogłosił teorię symbiogenezy. Mówiła ona, że niektóre organelle komórkowe u eukariontów (czyli organizmów posiadających jądro komórkowe) powstały ze sfagocytowanych, ale niestrawionych bakterii. Mierieżkowski sformułował tę teorię, gdy dostrzegł podobieństwo pomiędzy namnażaniem się chloroplastów – organelli zawierających chlorofil i przeprowadzających u roślin fotosyntezę – do rozmnażania się sinic – samożywnych, także zdolnych do fotosyntezy mikroorganizmów.

Jeszcze dalej poszedł w latach 20. XX w. Ivan Wallin, który wskazał na mitochondria jako podobnie niezależne jednostki w komórce jak chloroplasty. W drugiej połowie XX w., dzięki nowym mikroskopom elektronowym, udało się zaobserwować, że mitochondria oraz chloroplasty mają własne DNA, oddzielne od DNA zgromadzonego w jądrze komórkowym. Mikrobiolożka Lynn Margulis wykazała na tej podstawie, że mitochondria i chloroplasty w komórkach eukariotycznych faktycznie pochodzą od pradawnych mikroorganizmów. Świadczyć o tym miały m.in. niezależny, przypominający bakteryjny podział tych organelli, własne, koliste DNA oraz podobieństwo rybosomów do rybosomów bakteryjnych. Teoria Margulis z czasem zyskała uznanie i trafiła do podręczników pod nazwą endosymbiozy. Było to spektakularne, ewolucyjne wyjaśnienie powstania mitochondriów i chloroplastów u eukariontów. Naszymi odległymi przodkami są mikroorganizmy, które wchłonęły i weszły w symbiozę z innymi, wyspecjalizowanymi bakteriami. A nasze mitochondria i roślinne chloroplasty – komórkowe centra energetyczne – to potomstwo tych pradawnych wchłoniętych bakterii.

Na początku XXI w. japońskim naukowcom udało się nawet zaobserwować pewien rodzaj endosymbiozy zachodzącej na naszych oczach – protista Hatena arenicola wchłania glona Nefroselmis rotunda i przestawia się na żywienie produktami fotosyntezy (prowadzonej przez glona).

Ewolucja holobiontu

To właśnie Margulis ukuła także pojęcie holobiontu (od gr. hólos – cały, biont – jednostka życia), czyli grupy organizmów żyjących ze sobą i tworzących wspólnie jednostkę ekologiczną.

Dziś naukowcy posługują się także pojęciem hologenomu, czyli współdziałających genomów różnych organizmów zasiedlających ciało większego osobnika. Nasz hologenom – poza naszym własnym DNA – tworzą także genomy bakterii i grzybów bytujących w naszym przewodzie pokarmowym oraz na skórze. Pojęcie hologenomu zrobiło karierę w biologii, ponieważ przewiduje się, że ściśle koegzystujące ze sobą symbionty mogą wspólnie podlegać doborowi naturalnemu. A to już rzuca nowe światło na mechanizmy ewolucyjne. Na przykład gdy bakteria produkuje białko, które bierze udział w reakcjach prowadzących do powstania substancji wykorzystywanych dalej przez metabolizm gospodarza, to z perspektywy ewolucyjnej można sekwencję tę uznać za swego rodzaju całość. Co więcej, mikro­organizmy mogą być dziedziczone: poprzez jaja, jak u mszyc, czy podczas porodu albo ssania mleka matki – jak u ssaków.

Wspomniane protisty i glony zaobserwowane przez japońskich naukowców możemy uznać za przykład funkcjonalnego hologenomu. Innym fascynującym przykładem są morskie pierścienice Riftia pachyptila, które po osiedleniu się przy kominie hydrotermalnym (szczelinie w powierzchni, z której wydobywa się ciepła woda i różne związki, np. siarki), nie mając nawet otworu gębowego, korzystają z produktów tzw. chemosyntezy (procesu bliskiego fotosyntezie) ich bakterii symbiotycznych. Głowonóg Euprymna scolopes nawiązuje ścisłą symbiozę z bakteriami Vibrio fischeri, które mają właściwość bioluminescencji.

Przykłady można znaleźć także poza światem morskim. Rośliny bobowate współpracują z występującymi w ich korzeniach bakteriami brodawkowatymi, wiążącymi azot atmosferyczny. Jelito termitów jest domem dla rozkładających celulozę i ligninę grzybów oraz pierwotniaków – dzięki temu owady te mogą trawić drewno. Przeżuwacze natomiast mogą odżywiać się niejadalną dla nas trawą, ponieważ w ich układzie pokarmowym roi się od mikroorganizmów produkujących enzymy rozkładające celulozę (co ciekawe, za gaz cieplarniany – metan – wydzielany w ogromnych ilościach przez fermy krów, również odpowiadają mikroorganizmy – archeany metanogenne). Także u ludzi opisano symbiotyczne drobnoustroje wytwarzające witaminy, zwalczające patogeny, wpływające na metabolizm lipidowy czy stymulujące grudki chłonne przewodu pokarmowego.

Takie fizjologiczno-ekologiczne związki mogą przekładać się na wypłaty w ewolucyjnej walucie: dostosowaniu – czyli mogą zwiększać szanse na przeżycie i wydanie na świat potomstwa.

Probiotyki i suplementy diety

Odkrycia na pograniczu biologii ewolucyjnej, fizjologii, mikrobiologii czy immunologii, odnoszące się do symbiotycznych mikroorganizmów i teorii hologenomu, nie mogły zostać niezauważone przez lekarzy i naukowców zajmujących się medycyną. Współcześnie zwykle nie kwestionuje się już poglądu, że mikroorganizmy zasiedlające przewody pokarmowe zwierząt są bardzo ważnym elementem wpływającym na kondycję i zdrowie całego organizmu. Ważna jest natomiast ostrożność, ponieważ podstawowe badania naukowe na ten temat są w toku i wiele wątków jest jeszcze niejasnych. Co zatem wiadomo na ten moment?


Czytaj także: Ed Yong, autor książki „Mikrobiom”: Długo baliśmy się mikroorganizmów zamieszkujących nasze ciała. Dopiero teraz zaczynamy rozumieć, że bez nich mielibyśmy poważne problemy.


Mikroorganizmy, które nabywamy już podczas porodu (a być może także wcześniej), mają wpływ na funkcjonowanie noworodka od najwcześniejszych etapów życia. Metabolizują spożywane substancje, a inne syntetyzują de novo. Kontaktują się ze ścianą jelit, oddziałując na komórki nabłonkowe i na grudki chłonne rozsiane po przewodzie pokarmowym. W ten sposób wpływają na przemianę materii swojego gospodarza, na jego układ immunologiczny oraz regulację hormonalną. Suma takich drobnoustrojów – zarówno tych korzystnych z naszego punktu widzenia, jak i patogennych – nazywana jest mikrobiomem lub mikrobiotą, a historycznie także mikroflorą.

Wspomnieć należy przede wszystkim o ich „otyłościowym” działaniu, które jest jednym z lepiej udokumentowanych efektów (choć znaczna liczba dowodów pochodzi z eksperymentów na zwierzętach laboratoryjnych, głównie myszach i szczurach, a wiedza ta jest jedynie ekstrapolowana na ludzi). Stwierdzono, że u ludzi (i zwierząt) otyłych występuje więcej bakterii należących do typu Firmicutes oraz mniej tych z typu Bacteroidetes. Ich obecność sama w sobie nie jest niczym niewłaściwym – naturalnie stanowią znaczny procent typów bakterii zasiedlających nasze jelita. Jednak ich proporcje są inne u osób otyłych i nieotyłych. W badaniu na myszach pokazano też, że to niewłaściwa mikrobiota wpływa negatywnie na regulację masy ciała, a nie na odwrót. Myszom wolnym od zarazków przeszczepiano ­mikrobiom od myszy nieotyłych i od myszy z wywołaną przez dietę otyłością. Te, które otrzymały mikroorganizmy „otyłościowe”, faktycznie miały większą objętość tkanki tłuszczowej w porównaniu do drugiej grupy, choć obie otrzymywały tę samą paszę (i w takich samych ilościach). Bakterie Firmicutes zwiększają przyswajalność trudniej trawionych przez nas węglowodanów, co przekłada się na liczbę pobranych z pokarmu kalorii.

Wiemy dziś, że jedzenie produktów spożywczych oraz suplementów diety zawierających pewne gatunki bakterii lub grzybów może wpływać pozytywnie na zdrowie. Środki takie nazywane są probiotykami i muszą spełniać określone warunki. Bakterie probiotyczne muszą być zdolne do przeżycia w kwasowych warunkach w żołądku (bądź też być chronione w kapsułce) i w kontakcie z enzymami oraz kwasami żółciowymi obecnymi w jelicie cienkim. Ważna jest też zdolność łączenia się z nabłonkiem jelit, ale najistotniejsze jest korzystne działanie na organizm gospodarza (m.in. zwalczanie patogenów czy synteza związków prozdrowotnych).

Najlepiej udokumentowany probiotyczny wpływ na zdrowie dotyczy aktywności bakterii z rodzaju Lactobacillus i Bifidobacterium (z typu Firmicutes) oraz grzybów Saccharomyces boulardii. Ponieważ bakterie mogą się różnić cechami nawet w obrębie gatunku, probiotyki – zwłaszcza w postaci farmaceutycznej – powinny być konkretnego szczepu. W trakcie i po antybiotykoterapii zażywanie probiotyków to już zalecany przez lekarzy standard. Pojawia się też coraz więcej danych (część także na podstawie badań na ludziach) pokazujących, że również bez przejścia antybiotykoterapii uzupełnianie diety o mikroorganizmy może korzystnie wpływać na zdrowie. Zwłaszcza gdy idzie o zwalczanie patogennych drobnoustrojów, regulowanie mechanizmów odpowiadających za gospodarkę tłuszczową, a może nawet przeciwdziałanie czynnikom przyczyniającym się do powstawania niektórych nowotworów. Jednocześnie trzeba zachować ostrożność, gdyż wiele probiotyków dostępnych na rynku nie przechodzi odpowiednich testów.

Badając mikroby, przemierzyliśmy więc długą drogę, od postrzegania ich po prostu jako źródło chorób, aż do uświadomienia sobie, że od nich zależymy i razem z nimi ewoluujemy. W pewnym sensie stanowią one nasz kolejny organ, a odlegli spadkobiercy pradawnych mikroorganizmów – mitochondria – odżywiają niemal każdą komórkę naszego ciała. ©

Autor jest biologiem, popularyzatorem nauki. Prowadzi blog totylkoteoria.pl

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru Nr 44/2018