Viata pe Pamant, asa cum o cunoastem noi, n-ar fi posibila fara microorganisme, dar, in ciuda a decenii de studii, cunoastem doar o mica parte dintre formele de viata unicelulare.
Desi invizibile cu ochiul liber, ele sunt cele care domina planeta: microorganismele sunt cele mai abundente forme de viata de pe Terra, constituind 60% din biomasa terestra. Si totusi, abia 1% din aceasta fantastica bogatie de specii de vietuitoare este cunoscuta oamenilor de stiinta – putinele specii care pot fi cultivate in laborator. Celelalte – imensa majoritate, adica – alcatuiesc o uriasa enigma vie: mii de specii aproape nestiute, o fabuloasa diversitate de creaturi in privinta carora cunoasterea umana este extrem de firava. Este unul dintre cele mai mari mistere ale vietii pe Pamant, la fel de fascinant, de greu de cuprins cu mintea si dificil de studiat ca si faimoasa materie neagra din care este alcatuit, in cea mai mare parte, Universul in care traim. Asta a si inspirat numele pe care il poarta, in cercul putinilor cercetatori care exploreaza acest imens mister al lumii vii, ansamblul de microorganisme aproape necunoscute care domina aproape toate ecosistemele planetei: materia neagra microbiana.
Ce sunt „microbii”?
Noi, cei din Romania, de obicei numim „microbi” microorganismele patogene care ne produc neplaceri legate de sanatate; multi dintre noi nu prea fac deosebire intre bacterii si virusuri (desi din punct de vedere biologic, deosebirile dintre aceste tipuri de entitati biologice sunt foarte mari), iar uneori, chiar si ciuperci microscopice patogene ori vreun parazit sunt categorisite (nu de medici, desigur, ci de publicul larg de nespecialisti) drept tot un fel de „microbi”. Oricum, multa vreme criteriul de baza, pentru noi, a fost patogenitatea: microbi erau acele microorganisme care provocau boli.
In schimb, in limba engleza – in momentul de fata limba internationala a stiintei – sunt numite „microbes” o varietate larga de organisme microscopice, indiferent daca acestea sunt sau nu patogene pentru om: bacterii, archee, fungi (ciuperci) microscopice, alge unicelulare, protozoare; cateodata sunt cuprinse in acest grup chiar si animale microscopice. Unii cercetatori includ intre microbi si virusurile, altii insa considera ca virusurile nu sunt cu adevarat fiinte vii, asa ca le exclud dintre „microbi”, cu toate ca, traditional, ramura foarte complexa a stiintei ce studiaza microorganismele – microbiologia – se ocupa si de virusuri, in cadrul unei sub-ramuri specializate, virusologia sau virologia, cum este numita mai nou.
Cum sa ne descurcam in atatea definitii? Pentru scopul acestui articol, sa adoptam un punct de vedere mai restrans, asa cum au facut si cercetatorii care au reusit, recent, sa faca primii pasi in lumea necunoscuta a materiei negre microbiene.
Ei s-au concentrat asupra doua categorii de „microbi”: bacteriile si archeele, pe cat de larg raspandite in biosfera terestra, pe atat de putin cunoscute, dupa cum veti vedea.
Bacteriile si archeele, care constituie doua dintre domeniile lumii vii, asa cum este ea clasificata la ora actuala, sunt organisme microscopice unicelulare, procariote (lipsite de nucleu si de organite celulare delimitate de membrane), cu materialul genetic organizat sub forma unui cromozom circular care pluteste in citoplasma celulei.
Multa vreme, archeele au fost considerate tot bacterii – un subgrup aparte de bacterii, numite „arhebacterii”; in ultimele decenii, insa, cercetari mai aprofundate de microbiologie, mai ales in domeniul filogeniei moleculare (care analizeaza genele pentru a stabili gradul de inrudire dintre diferite specii) au aratat ca archeele nu seamana indeajuns de mult cu bacteriile pentru a fi puse laolalta cu acestea. Ele au, in structura si functia celulei, unele caracteristici prin care se aseamana cu bacteriile, dar si altele prin care se deosebesc net de acestea, apropiindu-se in schimb de eucariote (organismele ale caror celule au materialul genetic continut in nucleu). Una peste alta, archeele formeaza un grup cu trasaturi aparte, asa ca au fost scoase din randul bacteriilor si instalate intr-un loc al lor: domeniul Archaea.
Prin urmare, bacteriile si archeele sunt „microbii” nostri de azi, microorganismele despre care vom vorbi – atat cat se stie despre ele. In ciuda multor decenii de studiu, descoperirea materiei negre microbiene a aratat ca, de fapt, stim inca foarte putin.
O lume stapanita de microbi
Viata pe Pamant, asa cum o cunoastem noi, n-ar fi posibila fara microorganisme, afirma Christian Rinke, unul dintre cercetatorii care studiaza cel mai intens aceste forme de viata. O mare parte din oxigenul pe care il respiram e produs de microbi; cu ajutorul lor producem alimente precum iaurtul, branza, berea si vinul; in industria farmaceutica, microorganisnmele sunt utilizate drept micro-uzine, pentru a produce, de pilda, insulina necesara diabeticilor.
Traim cu adevarat intr-o lume stapanita de aceste forme de viata. Noi n-am putea trai fara ele, dar ele s-ar descurca de minune fara noi.
Microorganismele constituie aproximativ 60% din biomasa terestra si se gasesc… dar unde nu se gasesc? Numarul microorganismelor dintr-o lingurita plina cu pamant e mai mare decat cel al tuturor oamenilor de pe planeta. Apa oceanelor e plina de ele – de la apele caldute din lagunele tropicale pana la cele inghetate ale Antarcticii si cele fierbinti din preajma izvoarelor vulcanice submarine. Traiesc in fel de fel de medii de viata, pe crestele muntilor si in nisipul desertului, in reactoarele nucleare si in organismul uman.
Iar din enorma varietate de microorganisme, nu cunoastem decat o foarte mica parte.
Cauza? Microbiologii studiaza, in general, aceste forme de viata cultivandu-le in laborator, pentru a obtine un numar suficient de celule microbiene care sa le permita sa faca diferite teste si sa extraga din ele ADN, pentru a-l analiza.
Dar microorganismele ce pot fi cultivate pe medii artificiale, in laborator, sunt o minoritate. Se estimeaza ca abia 1% dintre specii pot fi crescute astfel, pe medii de cultura. In rest, in noi si in jurul nostru exista o intreaga lume de forme de viata necunoscute, despre care stim frustrant de putin.
Dar, recent, noi metode de studiu in domeniul geneticii au permis cercetatorilor sa arunce o privire in aceasta lume misterioasa.
„Materia neagra” a biosferei
Un colectiv numeros de cercetatori (peste 20), in frunte cu Christian Rinke, specialistul deja mentionat – colectiv care a publicat de curand un articol pe aceasta tema in revista Nature – a aplicat o metoda numita single cell sequencing (o secventiere „celula cu celula”), care are marele avantaj de a permite secventierea genomului (ansamblul genelor unui organism) fara a fi necesara cultivarea acelui organism in laborator. In esenta, metoda presupune amplificarea de un miliard de ori a ADN-ului unei singure celule microbiene (copierea lui de multe ori, pentru a obtine o cantitate suficienta de ADN, care sa poata fi analizata).
Primul pas este prelevarea unei probe biologice, a unui esantion de material din mediu, continand microorganisme. Apoi, celulele microbiene din esantion sunt efectiv alese una cate una, prin intermediul unui aparat de sortare ce detecteaza celulele cu ajutorul unui laser si le separa – fiecare celula fiind inclusa intr-o picatura minuscula de lichid – cu ajutorul fortei electrostatice.
Apoi, cercetatorii iau la rand fiecare celula astfel obtinuta, incercand sa afle ce este, din ce grup face parte. Pentru asta, mai intai inlatura invelisul celulei, pentru a avea acces la continutul ei, unde se gaseste ADN-ul. Adauga un cocteil de substante ce contine o enzima numita phi29, care are capacitatea de a amplifica lanturi foarte lungi de ADN – adica de a favoriza copierea lor de foarte multe ori – si, dupa ce lasa enzima sa-si faca treaba timp de cateva ore, obtin miliarde de copii ale genomului microbian si se pot apuca de secventierea lui, afland astfel ce gene contine.
Au reusit, astfel, sa descifreze secventa de gene a 201 specii de microorganisme noi pentru stiinta si asa de putin similare cu cele cunoscute anterior, incat cercetatorii au fost nevoiti sa deseneze noi ramuri pe „arborele vietii” – arborele filogenetic al vietuitoarelor – pentru a gazdui formele de viata nou-descoperite. Creaturile proaspat identificate au luat loc pe 29 de „ramuri”, dintre care unele erau abia schitate, iar altele niciodata imaginate pana atunci.
Si acesta e abia inceputul. Cunoasterea noastra in privinta biodiversitatii microbiene a planetei ramane in continuare foarte lacunara. Cu alte cuvinte, arborele vietii mai are o multime de ramuri necercetate.
Viata din adancul planetei
Un alt pas a fost facut anul acesta, in urma cu doar cateva saptamani, cand, la o conferinta stiintiifca desfasurata in California, doua cercetatoare din SUA, Beth Orcutt, de la Bigelow Laboratory for Ocean Sciences din East Boothbay si Jill Banfield de la University of California, Berkeley, au prezentat, separat, comunicari privind rezultatele studiilor lor asupra formelor de viata microbiene din unele habitate cu conditii neobisnuite de viata. Microorganismele studiate de ele traiesc in adancul pamantului, unele in apele freatice, altele inca mai adanc, sub scoarta terestra.
Jill Banfield a folosit, in studiul condus de ea, o abordare „in forta”, cum spune autoarea unui articol publicat in New Scientist asupra acestor descoperiri. Metoda ei, numita metagenomica, presupune secventierea „la gramada” a genoamelor tuturor organismelor dintr-o proba de sol sau apa – un fel de „recensamant genetic”, dupa expresia aceleiasi autoare. Prin intermediul acestei abordari, se obtin informatii despre bogatia formelor de viata dintr-un ecosistem si despre modul in care acestea interactioneaza unele cu altele.
Dar secventierea genoamelor a zeci sau sute de specii diferite dintr-o data este foarte dificila, asa ca Jill Banfield a trebuit sa gaseasca o solutie de a facilita analiza. Ea a folosit o metoda computerizata avansata, utilizand algoritmi foarte sofisticati pentru a reasambla digital portiuni scurte de ADN, obtinand genoame intregi. Cu ajutorul acestei metode, ea si colaboratorii ei au identificat microorganismele ce traiau in apa dintr-o panza freatica din statul Colorado. Unele dintre acestea sunt foarte rare, alcatuind mai putin de 0,1% din vietuitoarele ecosistemului.
Analiza a identificat unele specii cunoscute, dar si multe complet nestudiate. Multi dintre acesti microbi misteriosi au celule foarte mici, cu genoame de dimensiuni reduse, ce contin gene necunoscute cercetatorilor. In cazul a 50% dintre genele din aceste genoame, nu se stie ce functii indeplinesc, spune cu mirare Jill Banfield. Multe dintre speciile descoperite sunt complet necunoscute, nu seamana cu nimic din ceea ce a fost studiat pana acum in culturi de laborator, dar sunt inrudite intre ele, alcatuind un grup aparte – inca o ramura noua pe arborele filogenetic al vietuitoarelor!
Si surprizele nu se opresc aici. Unele dintre aceste microorganisme par nu prezinte metabolism, deci nu s-ar putea hrani singure si ar trebui sa se bazeze pe alte specii pentru a supravietui. (Una dintre consecintele acestui fenomen este faptul ca ele nu pot creste pe mediile de cultura folosite in mod obisnuit in laborator, ceea ce ar explica de ce au ramas pana acum necunoscute.)
Beth Orcutt, pe de alta parte, s-a concentrat asupra unui alt habitat prea putin studiat pana acum in ceea ce priveste speciile pe care le adaposteste: cursurile de apa ascunse in adancul pamantului, sub planseul submarin, ce curg prin fisuri ale scoartei terestre, aflate la mare adancime. Iar cercetarile ei au aratat ca acolo exista o intreaga lume subpamanteana, necunoscuta, plina de secrete, unde forme de viata stranii – prin comparatie cu cele pe care le cunoastem deja – traiesc in conditii extreme, netulburate poate de sute de milioane de ani.
Pentru a ajunge la aceste creaturi, Beth Orcutt si echipa ei au folosit puturi sapate – cu ajutorul unor instalatii de forare de mare adancime – in lantul de munti submarini Juan de Fuca, din nord-estul Pacificului, o regiune unde se intalnesc mai multe placi tectonice. Cu ajutorul unui vehicul subacvatic telecomandat, cercetatorii au colectat apa din aceste puturi, apa care, cred ei, nu provine din ocean, ci s-a infiltrat din cursurile de apa de sub fundul oceanului. Ar fi, probabil, cea mai primitiva si neatinsa apa care poate fi obtinuta din biosfera marina de mare adancime, crede Orcutt.
Echipa ei a folosit metoda secventierii „celula cu celula” si, ca si Jill Banfield, a descoperit o multime de specii noi pentru stiinta, iar descoperirea lor ridica o serie de intrebari pe cat de dificile, pe atat de pasionante.
Cea dintai intrebare ar fi: cum supravietuiesc aceste organisme? Sau, mai exact, ce „mananca” ele?
Analiza genelor lor sugereaza ca ar consuma metan; nu e un lucru surprinzator in sine, caci in lumea bacteriilor sunt cunoscute multe specii care folosesc metanul drept sursa de energie. Ciudatenia e alta: de unde isi procura metanul, de vreme ce sub sirul de munti submarini Juan de Fuca nu prea exista metan, dupa cum au aratat studii geologice anterioare?
Cercetari viitoare vor trebui sa elucideze acest mister, printre multe altele. Unul dintre cele mai incitante domenii ale microbiologiei actuale, studiul materiei negre microbiene (de altfel, prezenta si in microbiomul uman, care e departe de a-si fi dezvaluit secretele) va aduce, cu mare probabilitate, in anii urmatori, un numar considerabil de descoperiri uimitoare. Stim inca foarte, foarte putin despre aceste creaturi cu care impartim Pamantul si dintre care multe traiesc in conditii extreme, ducand o viata ale carei mecanisme scapa deocamdata intelegerii noastre. Ceea ce stim cu siguranta este ca exista, mai peste tot in jurul nostru, o intreaga lume de fiinte nevazute, pe cat de mici, pe atat de insemnate in viata planetei si pe care abia incepem sa le cunoastem.
