Europa schrok van een heel klein beestje - een pathogene stam van Escherichia coli. De lengte is slechts 2-3 micron, maar het is gevaarlijk en lenig. Men zal zich onwillekeurig afvragen wie de dominante soort op onze planeet is - een man of zulke kleintjes?
Als één Escherichia coli, die, zoals u weet, zich voortplant door eenvoudige binaire splitsing, in een ideaal voedingsmedium wordt geplaatst en er wordt aangenomen dat zij en haar nakomelingen voldoende voedsel zullen hebben, dan kan deze baby een kolonie vormen van ongeveer … 10 miljoen ton per dag! Schokkend figuur, is het niet? Eencellige organismen zijn, zo niet de belangrijkste, dan zeker de meest significante, in letterlijke zin, bewoners van de aarde. De totale biomassa van alle micro-organismen, inclusief microscopisch kleine schimmels en algen, bedraagt 76 miljard ton (in droge stof, exclusief water). Alle meercellige planten wegen 55 miljard ton, en de massa van dieren, inclusief mensen, komt neer op een ‘ellendige’ 500 miljoen ton.
En in elk gezond menselijk lichaam zal er twee kilo bacteriën zijn, omdat een persoon een symbiotisch conglomeraat is van cellen van zijn eigen lichaam en bacteriën. Volgens de jonge wetenschap van metabolomics zijn mensen superorganismen, waarin slechts 2-3 biljoen cellen rechtstreeks van ons zijn, familieleden. Nog eens honderd biljoen zijn micro-organismen - er zijn
meer dan 500 soorten in het menselijk lichaam. In dit superorganisme is het menselijk DNA helemaal niet overheersend, zegt de grondlegger van metabolomics, de Britse biochemicus Jeremy Nicholson.
Ieder van ons heeft een uniek genoom, dat is opgebouwd uit ons eigen genetisch materiaal en het DNA van de talrijke eencellige organismen die ons bewonen.
WIE LEEFT IN EEN PERSOON?
In de meeste gevallen worden baby's steriel geboren. Op de allereerste dag van hun leven begint echter het ontstaan van een microbiocenose: een persoon wordt gekoloniseerd door veel micro-organismen. In eerste instantie is het een chaotisch proces, waarbij bacteriën zowel binnen als buiten fel vechten voor een 'plekje in de zon'. Na 2-3 dagen krijgen resistente kolonies een levenslange verblijfsvergunning in verschillende delen van het lichaam. Dit zijn de zogenaamde obligate - nuttige en. bovendien de nodige microben. We kunnen zeggen dat de levende wezens die het dichtst bij de mensen in deze wereld staan.
Op het hele oppervlak van de huid en in de bovenste laag zijn propionibacteriën, difteroïden en corynebacteriën comfortabel genesteld. Ze weten hoe ze ziekteverwekkende bacteriën van buitenaf moeten absorberen, ze hebben de eerste verdedigingslinie. Het slijmvlies van de ogen wordt bewoond door stafylokokken en mycoplasma, waardoor willekeurige buitenaardse wezens hier geen voet aan de grond kunnen krijgen en zich kunnen voortplanten. Een vriendelijk team van streptokokken, lacto- en bifidobacteriën, omgeven door gistachtige schimmels, zwemt in de maag; ze verdragen allemaal de zure omgeving van maagsap goed en geven een begin aan het verteringsproces. Meer dan 15 belangrijke soorten anaërobe bacteriën en schimmels van het geslacht Candida leven in de darmen in krap, maar niet beledigd. En onder hen is dezelfde E. coli E. coli, de niet-pathogene stammen waar mensen echt behoefte aan hebben. Zij is het die vitamine K2 in ons lichaam aanmaakt, dat verantwoordelijk is voor de bloedstolling.
"Hoewel ik al 50 ben geworden, zijn mijn tanden zeer goed bewaard gebleven, want ik heb de gewoonte om ze elke ochtend met zout in te wrijven, en na het schoonmaken van grote tanden met een ganzenveer, veeg ik ze grondig af met een zakdoek" - deze woorden zijn te lezen in de brief van de bewaker van de rechtbank uit de Nederlandse stad Delft Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723), die hij naar de Royal Society of London stuurde. Je kunt niets zeggen, de originele manier om mondhygiëne te handhaven, maar Levenguk werd natuurlijk niet hierom beroemd, maar omdat hij de mensheid leerde de verborgen kanten van het leven in de natuur te zien. Levenguk had geen opleiding tot "wetenschapper", maar hij had een echt vurige passie: vergrootglazen. Hij was een van de eersten die vermoedde verschillende lenzen in een telescoop te combineren om niet de macro, maar de microwereld te bestuderen. En dus kreeg hij een microscoop.
Hij koos lukraak materialen voor zijn onderzoek: peperinfusie, mierikswortelvezels, huidschilfers, vliegenogen, schelpdieren gevangen in de Delftse grachten. Hij verdunde het schrapen van de tanden met water en observeerde in een magische bril een ongelooflijk aantal kleine dieren, en bovendien in zo'n klein stukje van de bovengenoemde substantie dat het bijna onmogelijk was om het te geloven, en als je het niet met je eigen ogen zag.
Autodidact Levenguk schetste voor 50 jaar observatie meer dan 200 soorten "kleine dieren", zoals hij zijn nieuwe kennissen noemde. De wetenschappelijke revolutie vond toen echter niet plaats - honderd jaar na Levenguk bleef de microkosmos voor de wetenschappelijke wereld een soort 'tent in een microscoop'.
VRIENDEN EN VIJANDEN
Misschien zijn bijna alle meest bekende voedingsproducten voor ons - brood, kaas, yoghurt, bier, wijn, chocolade en nog veel meer - niets meer dan fermentatieproducten. Al het belangrijkste werk bij de bereiding wordt gedaan door anaërobe bacteriën en gisten. Een persoon kan alleen starterculturen - bacteriekolonies - zorgvuldig opslaan, selecteren en cultiveren. En hij doet dit al millennia. Zelfs vijfduizend jaar voor de geboorte van Christus in het oude Babylon wisten ze hoe ze dranken moesten gisten, en drie en een half duizend jaar geleden vonden de Egyptenaren gistbrood uit. De mens heeft zijn microvrienden dus allang getemd.
Professionele "trainers", wetenschappers-biotechnologen, gewapend met de verworvenheden van moleculaire biologie en genetische manipulatie, leerden microben om veel dingen nuttig te maken voor mensen. Tegenwoordig worden bacteriële meststoffen in de velden op de grond aangebracht en hebben microbiële insecticiden en biologisch afbreekbare pesticiden de gevaarlijke chemische landbouwreagentia vervangen. Thionische (zwaveloxiderende) bacteriën lekken waardevolle metalen uit ertsconcentraten en verbeteren de kwaliteit van zwavelhoudende steenkool. Moderne geneesmiddelen zijn ondenkbaar zonder "werkpaarden" - bacteriën, eencellige schimmels en algen die alle soorten antibiotica, antineoplastische geneesmiddelen, vitamines en aminozuren produceren.
Een team van onderzoekers onder leiding van professor Joseph Chappell van de American University of Kentucky ontdekte dat alle olie- en steenkoolreserves op onze planeet het resultaat zijn van het leven van een enkele microalg, Botryococcus braunii. Dus als ze er niet was, zouden we geen thermische energie of auto's zien.
Bovendien zijn sommige micro-organismen ook de meest ijverige en nauwgezette reinigers ter wereld. Er wordt berekend dat als het niet was om het werk van rottende bacteriën die organisch materiaal afbreken, de botten van dieren die sinds het begin van de ijstijd op aarde hebben geleefd, het hele land vandaag met een laag van anderhalve meter zouden bedekken.
Het wederzijds voordelige bestaan van mensen en micro-organismen wordt bedorven door slechts één omstandigheid: er is een behoorlijk aantal protozoa die niet vies zijn van het versnellen van het proces van leven in dood, tot een paar dagen.
Vanaf de tijd van Hippocrates tot ongeveer het midden van de 19e eeuw werd aangenomen dat de ziekten die we tegenwoordig besmettelijk noemen, worden veroorzaakt door slechte lucht en schadelijke dampen - 'miasmen'. Onder de theoretici van de pathogenese was Copernicus 'klasgenoot Girolamo Fracastoro het dichtst bij de waarheid. die meer dan honderd jaar vóór Levenguk leefden. Hij schreef over minuscule "zaadjes" die van persoon op persoon worden overgedragen, zich binnenin nestelen en ziekten veroorzaken. Fracastoro kon zich echter niet eens voorstellen dat deze "zaden" nog leefden.
Menselijke verliezen als gevolg van epidemische infectieziekten overtreffen aanzienlijk het aantal slachtoffers van militaire conflicten. Honderdduizenden mensen stierven op de slagvelden van de Honderdjarige Oorlog (1337-1453). En de epidemie van de builenpest, die net tijdens die oorlog plaatsvond en slechts vijf jaar duurde, eiste het leven van 34 miljoen Europeanen. In totaal zijn gedurende het hele bestaan van onze beschaving ongeveer anderhalf miljard mensen gestorven als slachtoffers van eencellige ziekteverwekkers.
De hele negentiende eeuw is in de wetenschappelijke wereld de discussie over de vraag of micro-organismen verantwoordelijk zijn voor het feit dat we ziek worden en sterven, niet verdwenen. Enerzijds vonden wetenschappers constant ziekteverwekkers in de weefsels van degenen die stierven aan cholera, tuberculose, difterie; hun zuivere culturen werden door de eerste microbiologen geïdentificeerd, allemaal als één - de Nobelprijswinnaars in de geneeskunde: Emil Bering, Paul Ehrlich, Ilya Mechnikov en de ontdekker van de veroorzakers van miltvuur, tuberculose en cholera, Robert Koch. Maar aan de andere kant zijn de aanhangers van de hygiënetheorie het nooit moe te herhalen dat alle ziekten voortkomen uit vuil. De hygiënisten stonden onder leiding van Max von Pettenkofer, voorzitter van de Beierse Academie van Wetenschappen. De professor werd beroemd vanwege het feit dat hij op 73-jarige leeftijd, in aanwezigheid van getuigen, een pure cultuur van Vibrio cholera slikte om zijn wetenschappelijke theorieën te bewijzen. Cholera Pettenkofer werd niet ziek,alles bleek een lichte indigestie te zijn. Het concept van 'specifieke immuniteit' bestond op dat moment nog niet en de professor was zo gezond als een stier. De kracht van de innerlijke overtuiging van de eigen gerechtigheid werkte waarschijnlijk ook.
Pettenkofer hechtte zo veel waarde aan zijn eigen gezondheid en wilde niet ziek worden dat hij zich als een vervallen oude man van 82 liever zelf neerschoot.
Tegenwoordig weten we het zeker: ziekten als pest, difterie, cholera, tuberculose en vele anderen worden beslist veroorzaakt door bacteriën die in de loop van hun leven gifstoffen afgeven. Pokken, mazelen, hepatitis en poliomyelitis worden niet veroorzaakt door bacteriën, maar door virussen. Virussen zijn veel kleiner dan bacteriën (20-500 nanometer in doorsnede), en het is nog steeds niet helemaal duidelijk of ze leven of niet. Het virus zelf is niet in staat zich te vermenigvuldigen - het produceert nakomelingen met behulp van het DNA van de cel waarin het is geïntroduceerd.
ER IS GEEN BEEST GEDWONGEN KAT
In tegenstelling tot virussen zijn bacteriën onafhankelijk bij de voortplanting. Door de hoge voortplantingssnelheid kunnen ze soorten overleven en dankzij het relatief korte DNA kunnen ze snel muteren, waardoor de mensheid steeds meer antibiotica moet uitvinden. De "truc" van micro-organismen is niet beperkt tot mutatie - er zijn gevallen waarin bacteriën hun dragers manipuleren. Een dergelijk verbazingwekkend vermogen wordt bijvoorbeeld aangetoond door de eencellige parasiet Toxoplasma.
De belangrijkste gastheren van de parasiet zijn vertegenwoordigers van de kattenfamilie. Het is in hun organismen dat Toxoplasma zich vermenigvuldigt. Dragers kunnen muizen, ratten, varkens, vogels en mensen zijn. Tot voor kort dachten parasitologen dat toxoplasma alleen een gevaar vormt voor baby's in de baarmoeder: bij aangeboren toxoplasmose zijn het centrale zenuwstelsel en de ogen beschadigd en sterft de baby vaak helemaal. Sommige onderzoekers geloven echter dat Toxoplasma ook het gedrag van volwassenen kan beïnvloeden.
In 2007 hebben wetenschappers van Stanford University bewezen dat deze parasieten het zelfbehoudinstinct van muizen beheersen. Gezonde muizen zijn van nature geprogrammeerd om kattenvlekken te vermijden, maar als Toxoplasma het lichaam van knaagdieren binnendringt, beginnen kattenvlekken ze juist aan te trekken. In dit geval wordt de rest van de reflexen niet gestoord. Toxoplasma controleert dus zijn eigen levenscyclus en controleert de vector: het is gunstig dat de muis sterft nadat hij is opgegeten door een kat.
De parasiet kan ook in mensen worden getransplanteerd. Het zorgt er natuurlijk niet voor dat we katten willen eten, maar er treden wel bepaalde veranderingen in het bewustzijn op. U kunt zich bijvoorbeeld het bekende herinneren aan alle grootmoeders van kattenvrouwen die klaar zijn om een hele staartkudde in hun appartementen te huisvesten.
Wetenschappers moeten echter nog achterhalen wat de ware rol van Toxoplasma is. Tot nu toe kan er maar één ding worden gezegd - ze is nooit "een ander persoon" geweest. In tegenstelling tot onze symbiont - E. coli. Hoe werd de onvervangbare assistent een moordenaar? Deze detective-intrige wacht nog op een oplossing.
Terwijl wetenschappers op zoek waren naar de dader en alle mogelijke verdachten zochten, te beginnen met de Spaanse komkommer en eindigend met fenegriek uit Egypte, liep de epidemie zelf op niets uit. Nu is het niet langer mogelijk om de ‘plaats delict’ te bepalen, noch een van de miljoenen andere bacteriesoorten die een deel van hun genoom hebben overgedragen aan de ‘goede * E. coli, waarna het de onaangename eigenschap kreeg dat het gifstoffen produceerde die dodelijk zijn voor de nieren en die rode bloedcellen vernietigen. Bovendien heeft de nieuwe stam, genaamd O104: H4, verbazingwekkende antibioticaresistentie gekregen van een ander micro-organisme.
Protozoa kan ook worden gezegd. Het lijkt erop dat alles eenvoudig is: eencellige organismen planten zich voort door deling of knopvorming, wat betekent dat het hele genoom intact moet worden overgedragen van "moeder" naar "dochter *". Maar er is ook de zogenaamde horizontale genoverdracht - een proces dat vaag lijkt op paring. Er vindt fysiek contact plaats waarbij bacteriën genetische informatie uitwisselen. Bovendien kunnen individuen van totaal verschillende soorten contact maken - en met succes. Als gevolg hiervan ontstaan nieuwe ondersoorten - stammen die een schakel worden in de onvoorspelbare evolutie van bacteriën, evolutie veel sneller dan die van meercellige organismen. Deze snelheid zorgt voor hun ongelooflijke soortenrijkdom.
In 2009 hebben Israëlische microbiologen de Paunibacillus dentintiformis bacillus bestudeerd en besloten een experiment uit te voeren: wat gebeurt er als je ze gaat verhongeren? Aangenomen werd dat onder omstandigheden van voedingstekorten de cellen zich actief zouden gaan vermenigvuldigen om de soort te behouden. Alles verliep echter totaal anders: de bacterie stopte niet alleen met vermenigvuldigen, maar begon ook familieleden te doden en "extra monden" kwijt te raken. Toen de grootte van de kolonie overeenkwam met de hoeveelheid voedingsstoffen, stabiliseerde de situatie zich.
Wetenschappers beweren nog niet dat microben een collectieve geest hebben, maar het bestaan van primitieve sociale mechanismen in hen wordt als bewezen beschouwd.
“Bacteriën hebben een primitieve vorm van sociaal bewustzijn. - gelooft het hoofd van de studie, professor Eshel Ben-Jakob. “Ze weten hoe ze informatie uit de omgeving moeten verzamelen en aan elkaar kunnen doorgeven. Ze kunnen taken verdelen en "gedeeld geheugen" opslaan. De chemische taal die ze gebruiken om te communiceren, verandert kolonies microben in een groot brein."
Ik zou dit "grote brein" willen leren begrijpen, en nog beter - om vrienden met hem te zijn. Maar de microkosmos leeft volgens zijn eigen wetten, en onze kennis daarover is nog te weinig om een schikkingsovereenkomst op lange termijn te sluiten.
Discovery Magazine november 2011
Promotie video:
