Temat mikrobiomu od kilku lat jest popularny, zwłaszcza w kręgach osób zainteresowanych zdrowiem. Naukowcy publikują masę wyników z tej dziedziny, a media mówią o wpływie mikrobiomu na procesy trawienne, odporność czy zdrowie psychiczne. Wiele jest porad, jak „dokarmiać” mikrobiom, aby bezproblemowo działał na rzecz „gospodarza”. Ale w świecie, w którym mikrobiom człowieka urósł niemal do rangi fetyszu, mało kto zdaje sobie sprawę, że mikroskopijnych wrogów i przyjaciół mają też inne zwierzęta, rośliny czy gleba.

- Mikrobiom jest istotny również dla owadów - mówi Karol Nowak, doktorant z Wydziału Biologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, który wraz z dr. hab. Piotrem Łukasikiem, Moniką Prus‑Frankowską, dr. Mateuszem Buczkiem i dr. Michałem Kolasą z UJ oraz badaczami z ośrodków w Norwegii i Finlandii przyjrzeli się bliżej relacjom mikrobiomu z jedną z grup owadów. Swoje wyniki opublikowali na łamach pisma "Microbiome".

BLISKIE RELACJE

Bliskie relacje z mikroorganizmami ma większość spośród około sześciu milionów gatunków owadów - mówi Karol Nowak. - Mikrobiota może pełnić wiele ról: pomagać w dostarczaniu różnych związków odżywczych z pokarmu, np. aminokwasów czy witamin; chroni przed patogenami, chorobami i szkodliwymi związkami, np. pestycydami. Może wpływać na odporność owadów, ich rozmnażanie czy zachowanie. Może odgrywać rolę w kontekście zmian klimatycznych - wiemy na przykład, że pewne mikroskopijne symbionty potrafią regulować adaptację owada do zmieniających się temperatur.

Mikroorganizmy zamieszkują powierzchnię owadów i ich wnętrza. Autorzy publikacji zwracają uwagę, że „nabywanie tych mikroorganizmów może być dynamiczne i zachodzić na przestrzeni zaledwie kilku pokoleń, przez co może wpływać na adaptację owadów do środowiska w sposób nieporównywalnie szybszy niż klasyczna ewolucja”.

W swoim badaniu skupili się na dzikich muchówkach z rodziny zadrowatych (Phoridae), obejmującej tysiące gatunków przystosowanych do różnych siedlisk: począwszy od gniazd mrówek, przez zwłoki i padlinę, aż po wnętrza tropikalnych dzbaneczników.

Badania prowadzili na 1800 owadach schwytanych w Szwecji. Naukowcy poddali analizom je same - i ich mikrobiom.

- Zaskoczyła nas ogromna różnorodność zebranych muchówek - stwierdziliśmy, że reprezentowały około 186 gatunków, z których część jest prawdopodobnie nieznana nauce. Zauważyliśmy też, że ilość bakterii u poszczególnych osobników różni się niesamowicie, nawet 10 tysięcy razy. Oprócz mikrobiom u poszczególnych owadów różnił się też składem - relacjonuje Karol Nowak.

Obecne u muszek mikroorganizmy naukowcy podzielili na dwie główne kategorie. Jedną stanowiły różne niespecyficzne bakterie, które występowały dość losowo, bez wyraźnych wzorców i przeważnie w niewielkich ilościach. Wiele z nich (np. Pseudomonas, Providencia, Serratia) należy do grup szeroko rozpowszechnionych w środowisku, ale spotkanych też m.in. w organizmie człowieka i innych gatunków.

Mikroorganizmy z drugiej kategorii są bardziej wyspecjalizowane i obecne wewnątrz komórek gospodarza (to tzw. endosymbionty), dzięki czemu unikają zniszczenia przez jego układ odpornościowy. Jednocześnie są przekazywane do potomstwa, co zapewnia trwałość relacji symbiotycznych przez pokolenia. Grupę tę reprezentują np. bakterie Wolbachia czy Rikettsja, które mogą chronić owady przed patogenami i dostarczać witamin. Najbardziej znane są jednak ze zdolności do manipulacji rozmnażaniem gospodarzy. Mogą na przykład sprawiać, że genetyczne samce stają się funkcjonalnymi samicami; mogą zabijać samce; mogą sprawiać, że samice mogą się rozmnażać bez udziału samców (partenogeneza) albo tworzyć bariery reprodukcyjne wewnątrz gatunków. Takie efekty ułatwiają rozprzestrzenianie się symbiontów w populacjach gospodarzy i mogą mocno wpłynąć na ich strukturę genetyczną - odnotowują autorzy badania.

PRZEŚWIETLANIE CIEMNEJ MASY

Zbadanie mikroorganizmów u muszek to wielopiętrowe wyzwanie. Choćby dlatego, że świat owadów jest szalenie bogaty - i słabo poznany. - Prawdopodobnie około 80 proc. wszystkich gatunków owadów jest nieznanych nauce. Trudno mówić o mikrobiomie organizmów, które same stanowią tak wielką niewiadomą - mówi Karol Nowak.

Druga niewiadoma to wielka różnorodność mikroorganizmów. - Obecnie naukowcy badający różne elementy środowiska sięgają często po narzędzia genetyczne. Jednak poznanie bakterii, mikrobiomu obecnego u owadów, bardzo utrudniają różne, zachodzące w ich organizmach procesy genetyczne, np. transfery genów. Zatem nie dość, że nasza wiedza na temat owadów jest bardzo ograniczona, to jednocześnie - nawet jeśli uzyskamy jakieś informacje na temat mikrobiomu owadów - to z różnych powodów nie wiemy do końca, co to za bakterie, jak mogą działać itd. Wydawałoby się, że stawiamy pytania, na które nie da się odpowiedzieć - komentuje biolog. - Do tego dochodzą problemy logistyczne czy analityczne. Bo nawet gdyby naukowcy zbadali milion owadów - uzyskają gigantyczną liczbę danych do przetworzenia, a ciężko jest wyciągnąć wnioski w oparciu o tak ogromne ilości informacji!

Polsko-skandynawski zespół zastosował nową strategię, która pozwala badać symbiotyczne mikroorganizmy wśród dzikich owadów, obejmujących wiele różnorodnych, często nieopisanych gatunków. Ze względu na trudność w klasyfikacji i poważne luki w wiedzy na ich temat, gatunki te określane są jako „ciemne taksony” (ang. dark taxa). Typowym przykładem tej „biologicznej ciemnej materii” są właśnie muszki zadrowate. Natomiast użyte przez zespół nowatorskie metody pozwoliły efektywnie określić różnorodność gatunkową zebranego różnorodnego materiału - tworząc ramy do opisu relacji owadów z mikroorganizmami.

„Dzięki nowoczesnym metodom genetyki molekularnej byliśmy w stanie przypisać każdą muszkę do poziomu gatunku oraz uzyskać informację o tym, jakie bakterie posiada, i oszacować ich liczbę. Następnie, wykorzystując zaawansowane metody modelowania statystycznego, sprawdziliśmy, jak czynniki środowiskowe i cechy gospodarza wpływają na ilość i skład mikrobioty, oraz jak mikroorganizmy wzajemnie na siebie oddziałują” - opisują.

WIELKIE ZNIKANIE

Czemu właściwie służą takie badania? - Mikrobiom pełni przeróżne role. A naukowcy stawiają sobie pytanie o jego rolę w kontekście obserwowanego od lat kryzysu różnorodności owadów. Żeby stawiać pytania tak szerokie, najpierw trzeba zadać te bardzo podstawowe: jakie konkretnie mikroorganizmy żyją w organizmach owadów i na ich powierzchni? Jak dużo tych mikroorganizmów jest w owadach? Co one robią? - mówi Karol Nowak.

O zaniku różnorodności i liczebności owadów mówi się dziś tonem alarmistycznym. - Mamy do czynienia z kataklizmem różnorodnościowym owadów, na wielką skalę. W skali ostatnich kilku dekad w niektórych obszarach obserwuje się utratę nawet ponad 90 proc. ich biomasy, a także gigantyczne zmiany w składzie gatunkowym. Do wymierania owadów może się przyczyniać utrata siedlisk, skażenie środowiska przez pestycydy i inne toksyczne substancje, postępujące zmiany klimatyczne i inne zjawiska - wymienia biolog. - Tymczasem owady, oprócz tego, że zapylają rośliny albo rozkładają martwą materię organiczną, to są jednym z kół zębatych, które napędzają biosferę: są elementem łańcucha pokarmowego - stanowią pokarm dla jednych organizmów, same zaś jedzą inne zwierzęta i rośliny. Choć są niewielkie, mają gigantyczny wpływ na to, jak funkcjonuje świat, a do tego stanowią więcej niż 90 proc. wszystkich gatunków zwierząt. Ich obecność odczuwamy w różnych dziedzinach życia - mogą być np. wektorami różnych chorób czy powodować szkody upraw, ale też sprzyjać rolnikom - zwalczać gatunki, które uważamy za szkodniki.

Mikrobiom stanowi bardzo ważną część biologii owadów. Jego poznanie ułatwi ochronę ich bioróżnorodności w zmieniającym się środowisku. Pomoże też skutecznie kontrolować gatunki ważne dla rolnictwa, przemysłu i ochrony zdrowia - podkreślają naukowcy.

Tu można znaleźć przystępne podsumowanie w formie krótkiego abstraktu wideo z pisma "Microbiome".

Nauka w Polsce, Anna Ślązak

zan/ bar/