Kehidupan di Bumi tergantung pada jaringan bakteri laut

Versi aslinya dari cerita ini muncul di Berapa banyak majalah.

Prochlorococcus Bakteri sangat kecil sehingga Anda harus berbaris di sekitar seribu dari mereka agar sesuai dengan ketebalan thumbnail manusia. Samudra melihat dengan mereka: mikroba kemungkinan besar yang paling berlimpah Organisme fotosintesis di planet ini, dan mereka menciptakan sebagian besar – 10 persen hingga 20 persen – dari oksigen atmosfer. Itu berarti bahwa kehidupan di bumi tergantung pada sekitar 3 oktilyon (atau 3 × 10²⁷) sel -sel individu kecil bekerja keras.

Ahli biologi pernah menganggap organisme ini sebagai pengembara yang terisolasi, terpaut dalam luasnya yang tak terduga. Tapi itu Prochlorococcus Populasi mungkin lebih terhubung daripada yang bisa dibayangkan siapa pun. Mereka mungkin mengadakan percakapan di jarak yang luas, tidak hanya mengisi lautan dengan amplop informasi dan nutrisi, tetapi juga menghubungkan apa yang kami pikir adalah ruang pribadi mereka, dengan interior sel lain.

Di University of Córdoba di Spanyol, belum lama ini, para ahli biologi mengambil gambar cyanobacteria di bawah mikroskop melihat sel yang telah menumbuhkan tabung panjang dan tipis dan meraih tetangganya. Gambar membuat mereka duduk. Itu sadar bahwa ini bukan kebetulan.

“Kami menyadari bahwa cyanobacteria saling terhubung,” kata María del Carmen Muñoz-Marínseorang ahli mikrobiologi di sana. Ada hubungan antara Prochlorococcus sel, dan juga dengan bakteri lain, disebut Synechococcus, yang sering tinggal di dekatnya. Dalam gambar, jembatan keperakan menghubungkan tiga, empat, dan kadang -kadang 10 atau lebih sel.

Muñoz-Marín memiliki firasat tentang identitas struktur misterius ini. Setelah serangkaian tes, dia dan rekan -rekannya baru -baru ini dilaporkan bahwa jembatan ini adalah nanotube bakteri. Pertama kali diamati pada bakteri laboratorium umum hanya 14 tahun yang lalu, nanotube bakteri adalah struktur yang terbuat dari membran sel yang memungkinkan nutrisi dan sumber daya mengalir antara dua atau lebih sel.

Strukturnya telah sumber daya tarik dan kontroversi Selama dekade terakhir, karena ahli mikrobiologi telah bekerja untuk memahami apa yang menyebabkan mereka terbentuk dan apa, tepatnya, bergerak di antara sel -sel jaringan ini. Gambar-gambar dari laboratorium Muñoz-Marín menandai pertama kalinya struktur ini terlihat di cyanobacteria yang bertanggung jawab atas begitu banyak fotosintesis bumi.

Mereka menantang ide -ide mendasar tentang bakteri, menimbulkan pertanyaan seperti: berapa banyak yang terjadi Prochlorococcus Berbagi dengan sel -sel di sekitarnya? Dan apakah benar-benar masuk akal untuk memikirkannya, dan bakteri lain, sebagai sel tunggal?

Benar -benar tubular

Banyak bakteri memiliki kehidupan sosial yang aktif. Beberapa membuat pili, pertumbuhan protein seperti rambut yang menghubungkan dua sel untuk memungkinkan mereka bertukar DNA. Beberapa bentuk plak padat bersama -sama, dikenal sebagai Biofilm. Dan banyak yang memancarkan gelembung kecil yang dikenal sebagai vesikel Itu mengandung DNA, RNA atau bahan kimia lain, seperti pesan dalam botol untuk sel apa pun yang terjadi untuk mencegatnya.

Ini adalah vesikel yang Muñoz-Mañoz-Marín dan Colleas-nya, termasuk José Manuel García-Fernandez, seorang mikrologi di Universitas Córdoba, dan mahasiswa pascasarjana. Elisa Angulo-Cánovassedang mencari saat mereka memperbesar Prochlorococcus Dan Synechococcus di dalam hidangan. Ketika mereka melihat apa yang mereka duga nanotube, itu mengejutkan.

Nanotube adalah tambahan baru -baru ini untuk pemahaman para ilmuwan tentang komunikasi bakteri. Pada 2011, Sigal Ben-Yehuda dan postdoc-nya Gyanendra Dubey di Universitas Ibrani Yerusalem gambar pertama yang diterbitkan jembatan kecil, terbuat dari membran, di antara bakteri Bacillus subtilis. Tabung -tabung ini secara aktif mengangkut material: para peneliti menunjukkan bahwa protein fluoresen hijau yang diproduksi dalam satu sel jaringan dengan cepat meresap melalui yang lain. Mereka menemukan hasil yang sama dengan calcein, molekul kecil yang tidak dapat melintasi membran bakteri sendiri. Sel -sel ini tidak ada dengan tenang berdampingan; Ruang batin mereka terkait, lebih seperti kamar di rumah daripada tempat tinggal yang terpisah.

Itu adalah wahyu yang mengejutkan. Berita itu memaksa ahli biologi lain untuk menguji kembali gambar sel mereka sendiri. Segera menjadi jelas itu B. halus bukan satu -satunya spesies yang menghasilkan nanotube. Dalam populasi Mereka memamerkan dingin dan banyak bakteri lain, fraksi sel kecil tetapi konsisten terlihat dengan nanotube. Dalam percobaan, para ilmuwan menyaksikan sel tumbuh dari tabung dan kemudian menyelidiki apa yang mereka bawa. Bergerak melintasi jembatan ini dari sel ke sel adalah zat seperti asam aminoblok bangunan dasar protein, serta enzim dan racun. Bakteri, ahli biologi sekarang berpikir, mungkin telah membuat struktur ini selama ini. Para ilmuwan tidak memperhatikan mereka atau menyadari signifikansinya.

Tidak semua orang merasa langsung membuat bakteri membuat nanotube. Khususnya, sebuah kelompok di Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko hanya dapat melihat nanotube Saat sel sekarat. Saran mereka bahwa tabung adalah “manifestasi kematian sel” menimbulkan keraguan apakah struktur itu benar -benar bagian penting dari biologi normal sel. Sejak itu, bagaimanapun, pekerjaan tambahan telah dengan hati -hati mendokumentasikan bahwa sel -sel sehat memang menumbuhkan struktur. Semua ini menunjukkan bahwa kondisi tertentu harus dipenuhi untuk bakteri untuk mengambil langkah ini. Tetap saja, “Saya pikir mereka ada di mana-mana,” kata Ben-Yehuda.

Temuan terbaru sangat membuka mata karena Prochlorococcus Dan Synechococcus Bukanlah bakteri rata-rata penghuni hidangan Anda. Mereka hidup di lingkungan yang sangat bergejolak: Lautan Terbuka, di mana pergerakan air mungkin diharapkan untuk memecahkan tabung yang rapuh. Terlebih lagi, mereka fotosintesis, artinya mereka mendapatkan sebagian besar dari apa yang mereka butuhkan untuk bertahan hidup dari matahari. Apa kebutuhan yang bisa mereka miliki untuk berdagang melalui jaringan tabung? Sudah ada penampakan lainnya dari nanotube pada bakteri laut, tetapi mikroba itu bukan fotosintesis – mereka melahap nutrisi dari lingkungan terdekat mereka, gaya hidup di mana zat bertukar dengan tetangga mungkin memiliki manfaat yang lebih jelas.

Jadi, ketika Muñoz-Marín dan Angulo-Cánovas melihat nanotube mereka, mereka awalnya skeptis. Mereka ingin memastikan bahwa mereka tidak mengira kecelakaan tentang bagaimana sel -sel disiapkan atau bagaimana gambar telah diambil untuk struktur alami.

“Kami menghabiskan banyak waktu untuk memastikan bahwa apa yang kami temukan dalam gambar sebenarnya adalah sesuatu yang fisiologis dan bukan jenis artefak,” kata García-Fernández. “Hasilnya sangat mengejutkan di bidang cyanobacteria laut sehingga kami, di satu sisi, kagum, dan di sisi lain, kami ingin benar -benar yakin.”

Mereka meletakkan sel -sel di bawah empat jenis perangkat pencitraan yang sangat berbeda – tidak hanya mikroskop elektron transmisi, yang telah mereka gunakan ketika mereka pertama kali melihat struktur, tetapi juga mikroskop fluoresensi, mikroskop elektron pemindaian, dan cytometer aliran pencitraan, yang, yang, yang merupakan pencitraan, yang pencitraan, yang pencitraan, yang pencitraan, yang pencitraan, gambar sel hidup saat mereka berkembang. Mereka melihat Prochlorococcus Dan Synechococcus Sendiri dan di budaya tempat mereka tinggal bersama. Mereka melihat sel -sel mati dan yang hidup. Mereka bahkan melihat sampel segar air laut yang dipancing keluar dari Teluk Cádiz. Dalam semua sampel mereka melihat jembatan, yang menghubungkan sekitar 5 persen sel. Nanotube tampaknya bukan artefak.

Selanjutnya, untuk melihat apakah tautan itu sebenarnya nanotube, mereka melakukan versi percobaan yang sekarang kanonik dengan protein fluoresen hijau dan calcein yang dijelaskan oleh Ben-Yehuda dan Dubey. Sel -sel jaringan menyala. Tim juga mengkonfirmasi bahwa tautan itu memang terbuat dari lipid membran dan bukan protein, yang sebaliknya akan menyarankan pili. Mereka yakin, akhirnya, bahwa mereka melihat nanotube bakteri.

Tabung -tabung ini menghubungkan beberapa organisme paling banyak di planet ini, mereka menyadari. Dan itu segera membuat sesuatu yang sangat jelas, sesuatu yang masih ditolak oleh para peneliti.

“Pada awal abad ini, ketika Anda berbicara tentang fitoplankton di lautan, Anda memikirkan sel-sel independen yang terisolasi,” kata García-Fernandez. “Tapi sekarang – dan tidak hanya dari hasil ini, tetapi juga dari hasil dari orang lain – saya pikir kita harus mempertimbangkan bahwa orang -orang ini tidak bekerja sendiri.”

Jaringan seluler

Mungkin ada alasan bagus mengapa cyanobacteria, mengambang di hamparan laut yang luas, mungkin ingin bergabung. Mereka memiliki genom kecil yang anehnya, kata Christian Kostseorang ahli ekologi mikroba di University of Osnabrück di Jerman yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Prochlorococcus memiliki genom terkecil dari sel fotosintesis hidup bebas yang diketahui, dengan hanya sekitar 1.700 gen. Synechococcus tidak jauh di belakang.

Di antara bakteri, genom kecil meringankan organisme dari tekanan mempertahankan DNA besar, tetapi keadaan ini juga mengharuskan mereka untuk mengais banyak nutrisi dasar dan metabolit dari tetangga mereka. Bakteri dengan genom ramping kadang -kadang membentuk komunitas yang saling bergantung dengan organisme yang menghasilkan apa yang mereka butuhkan dan membutuhkan apa yang mereka hasilkan.

“Ini bisa jauh lebih efisien daripada bakteri yang berupaya menghasilkan semua metabolit pada saat yang sama,” kata Kost. “Sekarang, masalahnya, saat Anda hidup dalam cairan, adalah: bagaimana Anda menukar metabolit ini dengan bakteri lain?”

Nanotube mungkin merupakan solusi. Nutrisi yang ditransfer dengan cara ini tidak akan disapu oleh arus, hilang karena pengenceran atau dikonsumsi oleh freeloader. Dalam simulasi komputer, Kost dan rekan -rekannya telah menemukan bahwa nanotube dapat mendukung pengembangan kerja sama di antara kelompok bakteri.

Terlebih lagi, “Ini [new] Kertas menunjukkan bahwa transfer ini terjadi di dalam dan di antara spesies, ”katanya. “Ini sangat menarik.” Di dalam makalah sebelumnyaia dan rekannya juga memperhatikan berbagai spesies bakteri yang dihubungkan oleh nanotube.

Kerja sama semacam ini mungkin lebih umum daripada yang disadari orang, kata Conrad Mullineauxseorang ahli mikrobiologi di Queen Mary University of London – bahkan di lingkungan seperti Open Ocean, di mana bakteri mungkin tidak selalu cukup dekat untuk membentuk nanotube.

Kita sering berbicara tentang bakteri sebagai sederhana dan bersel tunggal. Tetapi koloni bakteri, biofilm, dan konsorsium mikroorganisme yang berbeda dapat melakukan prestasi rekayasa dan perilaku yang rumit bersama -sama, kadang -kadang menyaingi apa yang dapat dicapai oleh kehidupan multiseluler. “Kadang -kadang saya suka mencoba membujuk orang, ketika saya merasa bersemangat: Anda adalah biofilm dan saya adalah biofilm,” kata Mullineaux. Jika Laut penuh dengan cyanobacteria yang berkomunikasi dengan nanotube dan vesikel, maka mungkin pertukaran sumber daya ini dapat mempengaruhi sesuatu yang fundamental seperti jumlah oksigen di atmosfer atau jumlah karbon yang diasingkan di laut.

Kost, Ben-Yehuda, dan Mullineaux setuju bahwa temuan kertas baru ini menarik. Para penulis telah melakukan semua tes yang tepat untuk memastikan bahwa struktur yang mereka lihat sebenarnya adalah nanotube, kata mereka. Tetapi lebih banyak pekerjaan diperlukan untuk menjelaskan pentingnya temuan ini. Secara khusus, pertanyaan terbuka besar adalah apa, tepatnya, Prochlorococcus Dan Synechococcus berbagi satu sama lain di alam liar. Fotosintesis memungkinkan bakteri ini untuk menarik energi dari matahari, tetapi mereka harus mengambil nutrisi seperti nitrogen dan fosfor dari lingkungan. Para peneliti memulai serangkaian percobaan dengan Rachel Ann Foster Universitas Stockholm, seorang spesialis aliran nutrisi di laut, untuk melacak zat -zat ini dalam sel jaringan.

Pertanyaan lain adalah bagaimana bakteri membentuk tabung ini, dan dalam kondisi apa. Tabung tidak lebih lama dari sel individu, dan Prochlorococcus, Secara khusus, dianggap menyebar di kolom air. Muñoz-Marín dan timnya ingin tahu tentang konsentrasi bakteri yang diperlukan untuk membentuk jaringan. “Seberapa sering sel -sel independen ini mungkin cukup dekat satu sama lain untuk mengembangkan nanotube ini?” García-Fernandez bertanya. Studi saat ini menunjukkan bahwa nanotube memang terbentuk di antara sel-sel yang ditangkap liar, tetapi persyaratan yang tepat tidak jelas.

Melihat kembali apa yang dipikirkan orang tentang komunikasi bakteri ketika ia mulai mempelajari cyanobacteria laut 25 tahun yang lalu, García-Fernandez sadar bahwa lapangan telah mengalami perubahan laut. Para ilmuwan pernah mengira mereka melihat banyak sekali orang mengambang bersama satu sama lain di ruang angkasa yang sangat luas, bersaing dengan spesies tetangga dalam perlombaan sumber daya. “Fakta bahwa ada komunikasi fisik antara berbagai jenis organisme – saya pikir itu mengubah banyak, banyak ide sebelumnya tentang bagaimana sel -sel bekerja di lautan,” katanya. Ini adalah dunia yang jauh lebih saling berhubungan daripada yang disadari siapa pun.

Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Berapa banyak majalahpublikasi editorial independen dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren matematika dan ilmu fisik dan kehidupan.