Už jste někdy viděli fotku dinosaura a uvědomili jste si, že vedle ní byla rostlina, která vypadala jako palma? Nebo jste možná šli kolem svého okolí a viděli jste tam stejnou rostlinu? Je neuvěřitelné, že tyto prastaré rostliny, zvané cikády, existují již miliony let. Jedna rostlina cikády může žít až 2 let! Myslíme si, že tajemství přežití a dlouhého života cikád spočívá ve speciální struktuře zvané koraloidní kořen, ve kterém žijí mikrobi. Studovali jsme tyto koraloidní kořeny a zjistili jsme, že obsahují obrovské množství bakteriálních druhů – více, než si kdokoli dokázal představit. Při bližším zkoumání se ukázalo, že tyto bakterie jsou schopny produkovat různé sloučeniny, které jim pomáhají komunikovat mezi sebou a s rostlinou, transportovat živiny a vykonávat další funkce, které stále zůstávají záhadou.
Cikády: Rostliny, které jsou starší než dinosauři
Cikády jsou prastaré semenné rostliny, které předcházely věku dinosaurů, v období permu, téměř před 280 miliony let. I když byli dinosauři úžasní, většina z nich vyhynula, zatímco z jiných se nakonec vyvinuli ptáci. Cikády však dokázaly přežít dodnes a stále vypadají téměř stejně jako jejich předci, kteří žili po boku dinosaurů (obr. 1)! Pokud to není dostatečně chladné, mohou cikády žít v extrémních prostředích s velmi nízkým obsahem živin, kde jiné rostliny nemohou přežít, včetně písečných dun, svahů, útesů a dokonce i na skalách [1].
Jak cikády dosahují tak úžasných výkonů? Cikády, stejně jako superhrdinové, mají různé schopnosti, které jim umožňují odolávat těžkým podmínkám, ale možná jejich hlavní superschopnost spočívá v jejich kořenech. Cikády mohou tvořit unikátní kořenové struktury zvané koraloidní kořeny, které vypadají jako drobné mořské korály odbočující z hlavního kořene. Koraloidní kořeny poskytují rostlinám živiny, hlavně dusík. Dusík (N2) je plyn, který se hojně vyskytuje v atmosféře. N2 může být absorbován některými organismy a přeměněn na amonium (NH3), což je živina, kterou cikády používají k životu a růstu. Tento proces se nazývá fixace dusíku. Fixace dusíku je jednou z funkcí, kterou vykonávají organismy zvané endofyty, což jsou mikroby (jako jsou bakterie), které žijí uvnitř koraloidních kořenů. Endofyty jsou v úzké interakci s rostlinou, což se nazývá symbióza [2].
Abychom pochopili symbiózu cykasů a endofytů, musíme si vzpomenout na vlastní tělo. Všichni jsme slyšeli rčení: „Jste to, co jíte,“ a také jsme pravděpodobně slyšeli, že bychom do svého jídelníčku měli zařadit určité bakterie zvané probiotika. Strava je pro dobré bakterie skutečně důležitým způsobem, jak kolonizovat některé naše tkáně a orgány, jako jsou střeva (obrázek 2). Prospěšné bakterie, které v nás žijí, nám pomáhají trávit potravu, produkovat prospěšné chemikálie a dokonce nás chrání před nebezpečnými mikroby zvanými patogeny [3]. A co cikády? Žijí v nich bakterie? Pokud ano, co tyto bakterie dělají a jak to dělají? Vědci, kteří se snaží odpovědět na tyto otázky, hledali kořeny koraloidů již více než 100 let. Teprve nedávno jsme však objevili velkou rozmanitost bakterií a zajímavé funkce těchto bakterií v kořenech koraloidů, včetně bakterií, které provádějí fixaci dusíku.
Za prvé, odkud tyto bakterie vůbec pocházejí? Myslíme si, že některé z těchto mikrobů mohou být zděděny od matky rostliny prostřednictvím semene, podobně jako lidské děti přijímají bakterie od své matky kojením. Zdá se však, že většina bakterií uvnitř koraloidních kořenů pochází z půdy nejblíže kořenům, zvané rhizosféra. Cikády produkují látky, které přitahují bakterie do rhizosféry. Tyto bakterie se poté přichytí na povrch rostlin a pronikají do vnitřních tkání koraloidních kořenů četnými drobnými otvory ve stěnách rostlinných buněk.
Víme jen málo o tom, jaké půdní bakterie mohou napadnout kořeny cikád, nebo dokonce kolik jich tam může zůstat. Kolik druhů bakterií žije v kořenech? Mohou tam pronikat všechny druhy bakterií, nebo je to speciální bakteriální „VIP klub“? Jaký vliv mají tyto bakterie na cikády? Tyto klíčové otázky zůstávají nezodpovězeny, protože většina raných studií prováděných na kořenech koraloidů se zaměřila na velmi specifický typ bakterií nazývaných cyanobakterie. Sinice jsou odborníky na fixaci dusíku, a proto jsou velmi důležité. Ale mysleli jsme si, že možná, stejně jako v lidských střevech, může existovat několik druhů bakterií, nejen sinice. Když jsme testovali tuto myšlenku, zjistili jsme, že v koraloidních kořenech je mnoho dalších mikrobů a že kořeny mohou být jakýmsi „VIP klubem“, který zahrnuje pouze určité endofyty.
Bližší pohled na kořeny cikády
Naší hypotézou bylo, že koraloidní kořeny a různé mikroby, které se v nich nacházejí, hrají důležitou roli ve schopnosti cikád prospívat v náročných prostředích. Abychom tuto myšlenku otestovali, shromáždili jsme vzorky kořenů a půdy z cikád rodu Dioon v botanické zahradě i ve volné přírodě. Rod je skupina sestávající z mnoha blízce příbuzných druhů. Cikády rodu Dioon se vyskytují především v Mexiku, jsou ohrožené, a proto je velmi obtížné je najít, takže jsme museli dávat velký pozor, abychom je nepoškodili. Většina cikád rostla na těžko dostupných místech, takže jsme potřebovali správné nástroje, hodně odhodlání a trochu štěstí.
Odebrali jsme vzorky koraloidních kořenů a uložili je do kapalného dusíku (extrémně chladná látka s teplotou asi -200°C), abychom zachovali DNA. Sbírali jsme také rhizosféru a další půdu z oblasti kolem cikád. Vzorky koraloidních kořenů jsme oddělili podle původu (přírodní lokalita nebo botanická zahrada) a testovali jsme počty různých bakteriálních druhů v každém ze vzorků půdy a kořenů.
Mnoho, mnoho cikádových přátel
Zjistili jsme, že ve vzorcích kořenů a půdy bylo 246 rodů (množné číslo rodu) bakterií, ale většina bakterií ve vzorcích patřila k 10 rodům (obrázek 3). To naznačuje, že jen několik skupin bakterií hraje skutečně důležitou roli. Zajímavé je, že v přírodních vzorcích jsme našli větší počet druhů sinic než ve vzorcích botanické zahrady. Proč jsme našli takové rozdíly? Možná proto, že půda v přírodních podmínkách obsahuje méně živin než zemina v květináči v botanické zahradě. To může znamenat, že sinice pomáhají cikádám získávat živiny z půdy a v botanických zahradách jsou méně potřebné než v přírodě. Do „VIP klubu“ koraloidních kořenů patří kromě sinic i další bakterie fixující dusík jako Rhizobium, Bacillus a Streptomyces, o kterých je známo, že žijí v koraloidních kořenech jiných cikád než Dioon.
Proč nazýváme mikrobiom koraloidního kořene VIP klub? Protože jen malá část mikroorganismů žijících mimo cikády je schopna proniknout do koraloidního kořene. V důsledku toho se počet a typy bakterií v koraloidním kořenu liší od počtu a typů bakterií v půdě a rhizosféře, jak ukazuje obrázek 3. Vybírá si rostlina, které bakterie jsou členy VIP klubu? Nebo mohou uvnitř kořenů přežít jen některé druhy bakterií? Mají tyto VIP bakterie speciální schopnosti, které jim umožňují být členy tohoto klubu? Na tyto otázky vědci stále odpovídají. Co myslíš?
Vzhledem k tomu, že cikády Dioon, které jsme studovali, jsou si navzájem blízce příbuzné, mysleli jsme si, že by všechny ve svých koraloidních kořenech mohly skrývat stejné typy bakterií. Našli jsme ale rozdíly v typech bakterií v kořenech rostlin rostoucích přirozeně a v botanických zahradách. Myslíme si, že je to způsobeno půdou, ve které tyto cikády rostou, a také nepatrnými rozdíly mezi příbuznými rostlinami. Přemýšlejte o lidech: Je známo, že geny a strava člověka určují typy bakterií, které se vyskytují v našem střevě. Totéž se může stát s cikádami Dioon – mohou vysílat různé signály, které ke svým kořenům přitahují různé druhy mikroorganismů. Přesný mechanismus selekce koraloidních endofytů není dosud znám a zbývá objasnit faktory, které se podílejí na výběru VIP klubu každé rostliny.
Jak mohou sinice pomoci cikádám přežít?
Jsou bakterie žijící v kořenech koraloidů klíčem k úžasnému přežití cikád? Aby to vědci zjistili, zkoumali, zda jsou sinice schopny produkovat speciální sloučeniny, které by mohly pomoci cikádám přežít. Vědci hledali části bakteriální DNA, které kódují proteiny zvané metabolity – látky, které pomáhají organismům přežít v obtížných podmínkách prostředí. Tyto oblasti DNA nazýváme biosyntetické genové shluky, zkráceně BGCs [4].
Vědci našli 77 známých BGC v DNA blízce příbuzných druhů sinic. Z těchto BGC byly čtyři společné všem druhům sinic, které jsme našli uvnitř koraloidních kořenů. Tyto BGC produkují některé toxiny, které mohou zastavit růst jiných bakterií a případně chránit rostlinu před poškozením. Existují také metabolity a molekuly, které bakterie používají ke komunikaci s jinými endosymbionty a k poskytování živin rostlině, jako jsou transportní molekuly kovových iontů zvané siderofory. Tyto molekuly pomáhají absorbovat určité ionty, které by jinak byly pro rostlinu nedostupné. Tyto ionty mohou ovlivnit metabolickou odpověď několika bakterií v rámci komunity, a tím změnit signály, které mikroorganismy přijímají z prostředí.
Co bude dál?
Údaje získané z této studie nám dávají docela dobrou představu o bakteriální komunitě v koraloidních kořenech cikád. Nyní si myslíme, že je možné, že cikády přežily od doby dinosaurů beze změny vzhledu, protože jsou to endofyty cikád, které se mění a poskytují nové metabolity a schopnosti vyrovnat se s náročnými podmínkami prostředí. Stále je však mnoho toho, co o těchto rostlinách a jejich endosymbiontech nevíme, a vědci pokračují ve studiu jejich interakcí.
Než skončíme, zmiňme se ještě o jednom zajímavém pozorování učiněném během našeho výzkumu. Při pohledu do kořenů koraloidů jsme viděli další typ organismu, který byl stěží prozkoumán: houby! O houbách v koraloidních kořenech zatím víme jen to, že ve stejném druhu cikád žijí různé druhy hub. Jak houby ovlivňují jiné organismy a jak interagují s cikádami a bakteriálními endosymbionty, je stále neznámé. Myslíme si, že houby mohou fungovat jako síť pro přesun metabolitů do rostliny nebo jako ochránci rostliny nebo bakterií. Ale houby mohou také soutěžit o prostor uvnitř kořenů, což nutí bakterie spolupracovat. Jak vidíte, o těchto prastarých rostlinách a jejich koraloidních kořenech se stále máme co učit. To, co se o těchto rostlinách dozvíme, nám může pomoci pochopit, jak symbiotické vztahy mezi organismy původně vznikly v rostlinách a jak jsou tyto vztahy regulovány. Protože všechny známé organismy závisejí na vzájemných vztazích, mohou nám tyto informace prozradit mnohé o tom, jak živé věci přežily a vyvíjely se v průběhu evoluční historie, nikoli jako izolované entity, ale jako součásti společenství. Jen čas ukáže, co budoucí objevy odhalí o tvorech, se kterými sdílíme svět!
Na Zemi existují živé organismy, jejichž život je mnohem neobvyklejší a úžasnější než cokoli, co kdy napadlo spisovatele sci-fi.
16.06.2013, ne, 14:54, moskevského času
Ve Vesmíru je mnoho podivných věcí, ale možná nejúžasnější a nejpodivnější věc je život, který se zrodil a rozvinul na naší planetě. Tento život mění tvar, pohlaví, stanoviště, transformuje se, cestuje časem a dělá stovky dalších „bláznivých“ věcí.
Cikáda – skok z minulosti do budoucnosti
Malý hmyz, cikáda, se vyskytuje na východě Severní Ameriky. Někdy je jich tolik, že televizní pořady ukazují „hororové“ zprávy s tisíci cikád doprovázenými slovy „invaze hmyzu“. Ale důvod takových invazí je opravdu neobvyklý.
Cikády magicada se líhnou z vajíček a zavrtávají se do půdy, kde se líně pohybují, pijí mízu ze stromů a pomalu rostou. Po 13 nebo 17 letech vylézají dospělé cikády na povrch, kde žijí pouze měsíc, který stráví hledáním „lásky svého života“. Cyklus života se pak znovu opakuje s další generací.
Cikády čekají celý život, než budou žít.
Proč příroda vymyslela tak zvláštní životní cyklus, když se ukázalo, že cikáda protahuje bezmocné „dětství“ po zbytek svého života a ponechává jen okamžik pro dospělý život? Jde skutečně o bezprecedentní případ a vědci se domnívají, že jde o unikátní obranný mechanismus. Žádný predátor nemůže čekat 13–17 let do dalšího jídla, což znamená, že neexistují žádní predátoři, kteří by se specializovali na cikády. Proto, když se cikády dostanou na povrch, je jich tolik. Je to vskutku originální způsob, jak zachránit druh před vyhubením, ale nemilosrdný k „osobnímu životu“ a rozvoji cikád – obecně zde může najít téma k diskusi i filozof.
Mimozemšťan převezme kontrolu nad mozkem
Četné klišé filmy nám vyprávějí o fiktivních mimozemšťanech, kteří přebírají lidská těla a ovládají je jako figuríny. Pro takové příběhy ale nemusíte létat do jiných hvězdných systémů: podobní „únosci těl“ žijí i na Zemi.
Toxoplasma je jedním z nejznámějších parazitů, kteří mohou ovládat chování oběti.
Jedním z nejznámějších příkladů je toxoplazma. Je to prvokový parazit, který žije hlavně u koček, psů a dalších savců včetně lidí. Parazit má jednu vlastnost – mění chování hostitelské oběti. Například toxoplasma způsobuje, že se potkan nebojí, ale miluje kočičí pach – parazit tak doslova naláká potkana do kočičí tlamy a dostane příležitost přestěhovat se k novému majiteli. Jak se to stane, je stále neznámé, ale vědci se domnívají, že toxoplazma vyvolává produkci dopaminu „za odměnu“, takže pokud svého mazlíčka začnete příliš milovat, nebuďte líní nechat se vyšetřit na toxoplazmózu. Stojí za zmínku, že existují celé teorie, které spojují život společnosti s množstvím případů toxoplazmózy. Jinými slovy, někteří vědci tvrdí, že s nárůstem infekce populace parazitem se zvyšuje počet trestných činů, zhoršují se ekonomické ukazatele, zvyšuje se sociální napětí, zvyšuje se počet psychóz a sebevražd.
Přeměna v ženu na objednávku
Klaun jsou hermafroditi, ale s jedinečnou vlastností.
Mezi chapadly sasanky se schovala klaunská ryba
Obvykle samec klaunů a pouze jedna samice žijí v podvodním „domě“ uvnitř živé sasanky. Pokud se samici něco stane, pak jeden ze samců změní pohlaví a změní se v samici. S pomocí neobvyklého hormonálního mechanismu se tak spolehlivě udržuje úžasný matriarchát.
Úhoři jdou jinou cestou
Všechny migrující ryby se řídí stejným pravidlem: narodí se ve sladké vodě, plavou do moře, žijí tam a znovu se vracejí do sladké vody, aby se rozmnožily. Migrující úhoři však řád „zkazí“ a dělají opak. Rodí se v moři tisíce kilometrů od nejbližšího břehu a začínají dlouhou cestu k pobřeží. Kupodivu asexuální, malí, jen na prst dlouzí úhoři plavou ke vzdálenému cíli, doplouvají až k ústím řek a nakonec si „vyberou“ pohlaví a stávají se samicemi a samci. Úhoři se poté pohybují proti proudu a svůj dospělý život tráví v čerstvých řekách a potocích. O několik let později se stěhují zpět na moře a cestují tisíce kilometrů, aby pokračovali ve své linii.
Úhoři žijí zvláštní životy
Jak si úhoři nacházejí cestu na tak obrovské vzdálenosti? Jak tělo úhoře určuje jeho pohlaví? Proč tak složitý životní cyklus a cestování na tak obrovskou vzdálenost? Na tyto otázky stále neexistuje spolehlivá odpověď.
Symbióza a vnitřní krmná komora mloků
V přírodě existuje mnoho organismů žijících v symbióze, to znamená, že si navzájem pomáhají přežít a rozmnožovat se. I v našem těle každá z buněčných struktur pocházela z organismů, které před miliardami let navázaly vzájemně výhodnou spolupráci v rámci primitivních mnohobuněčných organismů. Také uvnitř nás je mnoho symbiontních bakterií, jen ve střevech jich je 1000 druhů, 10x více než naše vlastní buňky.
Neobvyklých příkladů symbiózy v přírodě je ale více. Například mlok skvrnitý žije z řas, které kvetou v jeho těle.
Řasy žijí uvnitř mloků a poskytují jim potravu a kyslík.
Mlok skvrnitý klade vajíčka, uvnitř kterých jsou kromě samotného embrya unášené řasy (zřejmě se tam dostávají z těla matky). Tyto řasy dosud neznámým způsobem pronikají do tkání embrya a vstupují s ním do symbiózy. Řasy žijí v tkáních mloka a živí se dusíkem a na oplátku poskytují zvířeti kyslík a živiny. Řasy se nacházejí v celém těle mloka, i když většina z nich je soustředěna v blízkosti gastrointestinálního traktu, kde je dusík nejhojnější.
Vědci tuto úžasnou symbiózu ještě plně neprostudovali. Je obtížné pochopit, jak řasy žijí uvnitř mloků a jak je udržována rovnováha nezbytná pro společné přežití těchto dvou druhů. Ukazuje se, že kromě úžasné regenerace mají mloci i další jedinečnou vlastnost: pomocí symbionta vlastně přeměňují odpadní látky těla na potravu a kyslík. Doufejme, že v budoucnu si lidé budou moci tyto nesmírně užitečné schopnosti „vypůjčit“ od mloků.
Motýl – pán civilizací
Životní cyklus motýla Phengaris alcon je tak složitý, že by mohl být námětem na strhující akční román. Motýl je schopen podrobit si jeden z nejorganizovanějších systémů v přírodě – kolonii mravenců.
Butterfly promění mravence v chůvy
Housenky motýlů vylučují mravenčí feromony, které napodobují chemikálie uvolňované larvami mravenců. Výsledkem je, že mravenci udělají chybu a začnou se starat o housenky a ignorují své vlastní potomky. Phengaris alcon tak poskytuje svým potomkům péči na úkor ostatních: jeho housenka žije v mraveništi řadu měsíců, dokud se nepromění v motýla. Tím ale příběh nekončí.
Vosy Ichneumon eumerus se naučily využívat jedinečnou schopnost housenek Phengaris alcon. Pokud vosa objeví uvnitř mravenčí kolonie housenku motýla, přispěchá dovnitř a rozpráší speciální látku, která mravence přivádí k šílenství, což způsobí, že se navzájem napadnou. Díky vzniklému rozruchu nakladou vosy vajíčka do housenky. Vosí larvy se živí housenkou a vosí matka se nemusí bát o bezpečnost potomků – v mraveništi jsou pod spolehlivou ochranou. Následně se z housenky nevylíhne motýl, ale vosa.
Není jasné, co je chytré
Slizák (Myxomycetes) patří k nejjednodušším druhům života, ale vědci se nerozhodli, jak ho zařadit, a zatím považují slizovku za organismus podobný houbě. Slizovka je slizká hmota, která se skládá z jedné velké mnohojaderné buňky nebo mnoha jednobuněčných organismů, které se mohou živit bakteriemi. Slizové plísně jsou vidět například na starých shnilých kmenech stromů.
Podivný sliz je příliš chytrý na tak primitivní formu života
Zdálo by se, co by mohlo být zajímavého na hlenu? Ale pokud se vyzbrojíte mikroskopem a trpělivostí, můžete vidět, že hlen žije velmi složitým a neobvyklým životem. Slizovci se kupodivu potulují po potravě, i když velmi, velmi pomalu. Když dojde potrava v jejich biotopu, slizni se „evakuují“ velmi originálním způsobem: jednobuněčné organismy se shromáždí a protáhnou se do dlouhého stonku, na jehož konci je vak pevně vycpaný jednobuněčnými prvoky- spory. Když pytel praskne, výtrusy se vysypou a jsou unášeny větrem. Výtrusy jsou velmi houževnaté a v suchém prostředí se dají skladovat desítky let. Slizovci jsou překvapivě schopni vykazovat složité chování, jako je výběr výživnějších potravin a dokonce nalezení nejkratší cesty z bludiště.
Vše výše popsané je jen nepatrná a možná ani ta nejúžasnější část rozmanitosti života. Naše planeta ukazuje, jaké neuvěřitelné nástroje a chování může evoluce vymyslet. Biologové zkoumají živý svět stovky let, ale dosud byla prozkoumána pouze malá část jeho tajemství.
Vladimír Nikitin
