W poprzedniej części pisałem o hipotezie Czerwonej Królowej w biologii ewolucyjnej. Na początku tego roku Czerwona Królowa zyskała młodszą siostrę [1]. Hipoteza Czarnej Królowej to koncepcja trzech naukowców z USA, Jeffreya Morrisa, Erika Zinsera i Richarda Lenskiego, znanego dzięki swojemu długoterminowemu doświadczeniu z udziałem bakterii E. coli, które rosną pod jego opieka od ponad 50 000 pokoleń. O ile Czerwona Królowa to postać literacka z książki Lewisa Carolla, Czarna Królowa reprezentuje damę pik z popularnych kierek. W grze chodzi o to, żeby zdobyć jak najmniej punktów. Każdy kier to jeden punkt, natomiast dama pik to aż 13 punktów karnych. W trakcie rozgrywki - gracze za wszelką cenę starają się uniknąć zebrania czarnej królowej i robią co mogą, żeby to ktoś inny dostąpił tego "zaszczytu".
Trochę więcej niż Chiny
Środowisko naturalne to niezbyt przyjazne miejsce. Wszystko konkuruje ze wszystkim o dosyć ograniczona pulę zasobów. Dlatego biolodzy bardzo interesują się organizmami, które osiągnęły w tych warunkach niewątpliwe sukcesy. A nie ma chyba większego sukcesu niż zaszczyt bycia najpowszechniej występującym organizmem na całej planecie. Zaszczyt o tyle niespodziewany, że do 1986 nawet nie mieliśmy pojęcia o istnieniu tego organizmu [2]. Prochlorococcus, bo o nim mowa, to niewielka sinica (fotosyntetyzująca bakteria), występująca powszechnie w oceanach i morzach całego świata. Mówiąc powszechnie - w każdym litrze powierzchniowych wód morskich, można znaleźć ok. 100 000 000 osobników Prochlorococcusa. A, że wód ci u nas dostatek, światową populację szacuje się na kilka kwadryliardów (10^27). Szczerze mówiąc, pierwszy raz w życiu użyłem tej liczby i średnio mogę ją sobie wyobrazić. Wpływ jaki ta bakteria, ma na naszą planetę jest ogromny. Według obliczeń naukowców, sinice z grupy Prochlorococcus odpowiadają za ponad 20% tlenu w naszej atmosferze. To ta niewielka grupa bakterii jest w rzeczywistości płucami Ziemi.
Zero wzrostu w samotności
Ale dlaczego piszę o nich w kontekście gry w kierki? Czy nie wydaje się dosyć dziwne, że najprawdopodobniej najliczniejsza grupa organizmów na Ziemi została odkryta tak późno? Do czasu ostatnich odkryć w dziedzinie sekwencjonowania DNA i biologii molekularnej, to co wiedzieliśmy o bakteriach było związane z ich izolacją ze środowiska. Szalki Petriego, wypełnione pożywką z różnego typu agarem, wysiane próbkami ze środowiska, pozwalały nam pokazać co i gdzie rośnie w środowisku. Jest z tym jednak jeden ale bardzo poważny problem. Nie wszystko lubi rosnąć w samotności. Są oczywiście bakterie, które bez problemu radzą sobie samodzielnie, nie w każdej pożywce ale zawsze. Niektóre jednak nie potrafią rosnąć bez innego gatunku, z którym żyją w pełnej symbiozie. W wypadku Prochlorococcusa problem jest innej natury. Tendencyjność metody izolacji doprowadziła do tego, że wiele grup zostało przeoczonych. Dzięki postępom w sekwencjonowaniu wiemy teraz znacznie więcej o bakteriach zamieszkujących różne środowiska, często nawet bez ich bezpośredniej izolacji.
Przetlenione
A powód dla którego Prochlorococcus został przeoczony, jest w miarę prozaiczny. Mimo tego, że przeprowadza fotosyntezę, w jego genomie brakuje genów odpowiedzialnych za odtruwanie tlenu [3]. Stres związany z obecnością tlenu w środowisku to poważny problem każdego organizmu, ale większość z nich ma systemy, które eliminują reaktywne formy tlenu (wolne rodniki, nadtlenek wodoru) ze środowiska. Prochlorococcus nie dość, że nie ma tych mechanizmów to jeszcze sam produkuje tlen w procesie fotosyntezy. Niezbyt to wygodne, jeżeli miałby rosnąć samodzielnie. Ale szczęśliwie, w przyrodzie są też inne organizmy. To one odpowiadają za czyszczenie wody z reaktywnego tlenu co umożliwia sinicom spokojną egzystencję. W tym samym czasie, Prochlorococcus potrzebuje znacznie mniej energii niż sąsiedzi bo "liczy" na to, że ktoś inny wykona za niego robotę. Przykładowo, enzymy które rozbijają nadtlenek wodoru, wymagają dodatkowego żelaza, który w wodzie morskiej nie jest zbyt powszechnie występującym pierwiastkiem. Prochlorococcus potrzebuje go o 0.2% mniej - niezbyt dużo ale wystarczy, żeby w ciągu zaledwie kilkuset lat zdominować populację, która potrzebuje żelaza. Wracając do Czarnej Królowej, Prochlorococcus zrzuca niewdzięczną i kosztowną damę pik na barki kogoś innego. I robi to nie tylko w wypadku atkywnego tlenu. Standardowy genom algi morskiej zawiera ponad 10 000 genów. W porównaniu, Prochlorococcus ma zaledwie 2000 [4], pełniąc tą samą funkcję. To właśnie ten okrojony (czytaj tańszy energetycznie) genom i zależność od innych organizmów jeżeli chodzi o odtruwanie środowiska powoduje, że Prochlorococcus jest tak rozpowszechniony.
Zbawca czy szarlatan?
Z powyższego fragmentu możnaby wysnuć wniosek, że Prochlorococcus to oszust i pasożyt. Żyje sobie na koszt innych i korzysta z cudzych owoców pracy. Taki pogląd byłby jednak zbytnim uproszczeniem. W każdym ekosystemie, podstawą piramidy ekologicznej są producenci. To oni sa w stanie jako jedyni przekuć energię słoneczną na energię chemiczną. W środowisku morskim, to Prochlorococcus i spółka stanowią tą podstawę. Organizmy, które oczyszczają środowisko są na dłuższą metę uzależnione od producentów. Można na to patrzeć z różnych kątów: jedne bakterie hodują inne, Prochlorococcus trzyma konsumentów w szachu i zmusza do podzielenia się częścią kosztów produkcji biomasy z energii słonecznej. Analogia z Czarną Królową jest o tyle elegancka, że pozwala na dodatkowe możliwości. W grze, oprócz zbierania jak najmniejszej ilości punktów, możliwa jest jeszcze jedna strategia. Jeżeli gracz zbierze wszystkie dostępne punkty karne, zamiast jemu, punkty odpisuje się wszystkim pozostałym graczom, ot taka premia za odwagę. Ten rodzaj strategii jest obserwowany w wypadku organizmów, które oczyszczają środowisko (przykładowo z nadtlenku wodoru). Im bardziej dany gatunek przyczynia się do odtruwania, tym większa szansa, że zostanie w danym środowisku. Bo jeżeli ten samo organizm może pełnić jednocześnie kilka funkcji przy niewiele większym nakładzie energetycznym, to znacznie bardziej korzystne dla innych organizmów w tym samym środowisku, niż gdyby odtruwanie było przeprowadzane przez kilka różnych organizmów przy kilkakrotnie większym koszcie. Dobry czyściciel, staje się w danym środowisku takim samym atutem jak dobry producent - i równie niezbędnym.
O ile Czerwona Królowa pokazuje nam jak w środowisku dochodzi do wyścigu, gdzie nie ma zwycięzców, jedynie nie-przegrani, o tyle Czarna Królowa pokazuje nam jak w tym samym środowisku rodzi się prymitywna współpraca. Jak jedne funkcje są przejmowane przez grupy organizmów, kosztem innych. I wreszcie jak często większa inwestycja - mimo że na pierwszy rzut oka niezbyt opłacalna, przy wzięciu pod uwagę szerszego aspektu danej niszy ekologicznej, okazuje się być nie dość, że korzystna, to wręcz niezbędna.
[1] Morris JJ, et al. 2012. The Black Queen Hypothesis: Evolution of Dependencies through Adaptive Gene Loss, mBio
[2] Morris RM, et al. 2002. SAR 11 clade dominates ocean surface bacterioplankton communities. Nature 420:806–810.
[3] Scanlan DJ, et al. 2009. Ecological genomics of marine picocyanobacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 73:249–299.
[4] Partensky F, et al. 1999. Prochlorococcus, a marine photosynthetic prokaryote of global significance. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 63:106–127.
