2011 년 여름, 대학원생 인 미생물학자인 존 샌더스 (Jon Sanders)는 페루의 열대 열대 우림에서 수년 동안 두 번째로 자신을 발견하여 60 파운드의 실험실 장비 (부피가 큰 형광 현미경과 발전기)가 아마존 강을 향해 전원을 공급했습니다. 원격 필드 사이트에 도착하자마자 그는 자신의 내장을 채우는 미생물을 들여다보고 싶어하는 많은 다른 개미를 빨리 잡기 시작했습니다.
그 개미 종 중 일부에서 그는“이 놀랍고 조밀 한 구름을 보았습니다. 그것은 미생물 은하와 같았다”고 말했다. 현미경 아래에서“그들은 당신이 그들을 보았을 때 눈에 폭발했습니다.”현미경으로. 우리와 다른 많은 동물들이 우리 안에 거주하는 수조의 박테리아 세포에 의존하는 정도를 감안할 때, 우리가 소화 할 수없는 음식을 처리하고, 주요 영양소를 제공하고, 면역 체계가 감염에 대해 효과적으로 작용하도록 훈련하기 위해 당신이 찾을 수있는 것입니다. 미생물 군집은 우리의 건강과 생존에 매우 중요하여 일부 연구자들은 동물을 미생물 부분의 합으로 생각하는 것이 유용하다고 생각합니다.
그러나 샌더스가 자신이 수집 한 다른 식민지와 종의 약 3 분의 2 인 나머지 개미들로 돌아 왔을 때, 그는“당신은 당신이 박테리아로 쉽게 식별 할 수있는 내장의 세포를 찾기가 어려울 것”이라고 놀랐습니다. 음식, 잔해, 곤충의 장 안감의 세포가 모두 존재했습니다. 우리가 당연한 것으로 여기는 공생 관계에 관여 할 수있는 미생물 -
미생물 공동체를 측정하고 분석하는 도구가 개선되었으므로, 미생물 군집이 종종 묘사되는 것처럼 동물 왕국 전반에 걸쳐 미생물 군집이 어디에도 없다는 것이 점차 분명해졌습니다. 많은 동물은 미생물과 더 유연하거나 안정적인 연관성을 갖는 것으로 보입니다. 어떤 사람들은 그들에게 전혀 의존하지 않는 것 같습니다. 그리고 아이러니하게도,이 동물들은 이제 과학자들이 미생물 군집이 어떻게 그리고 왜 진화하는지에 대한 신비에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수있게 해준 것은이 동물들입니다.
미생물이 빠졌다
20 세기 초, 생물 학자들은 복잡한 유기체와 미생물 사이의 매혹적인 관계를 밝히기 시작했다. 거친 우디 식물을 먹인 흰개미에서; 잔디식이가 단백질이 크게 부족한 소에서. 이러한 관찰은 흥분을 생성하고 추적 실험을 자극했다. 그 기간 동안, 동물에 미생물 도우미가 없다는 것은 특히 놀랍거나 흥미로운 것으로 간주되지 않았으며 종종 문헌에서 지나가는 끄덕임 이상을 얻지 못했습니다. 1978 년 과학 의 1978 년 보고서에서와 같이 그 이상의 가치가 있다고 생각되었을 때도 흰개미와 달리 작은 목재를 먹는 갑각류는 장내 박테리아의 안정적인 집단이 없었습니다. 결국 레이더 아래로 날아갔습니다.
그래서 모든 동물이 박테리아와 관계없이 멸망 할 수있는 새로운 표준으로 조용히 전환되기 시작했습니다. 1953 년 초에 공생 연구의 창시자 중 한 명인 폴 부치너 (Paul Buchner)는 보편적 이었다는 개념에 대해 썼다. "반복 상징화가 모든 유기체의 기본 원리라고 주장하는 저자들이 반복되어있다"고 그는 말했다. 그러나 호스트-미생물 공생의 중요성, 특히 인간 건강과 우리 자신의 미생물 군 사이의 연결을 뽑은 것들에 대한 연구의 홍수로 익사 한 반례
오스틴 텍사스 대학교 (University of Texas)의 생태학 및 진화 생물학 박사 과정 연구원 인 토빈 해머 (Tobin Hammer)는“인간 마이크로 바이 옴은 미생물의 작동 방식에 대한 많은 생각을 완전히 이끌었다. "그리고 우리는 종종 외부에서 돌출됩니다."
그러나 인간의 예는 애벌레와 나비에서 톱니, 새우, 새와 박쥐 (및 일부 팬더)에 이르기까지 다양한 종에서 일어나는 일에 대한 좋은 모델이 아닙니다. 이 동물들에서, 미생물은 희귀하고 일시적이거나 예측할 수 없으며, 반드시 호스트에 많은 기여를 할 필요는 없습니다. 코네티컷 대학교 (University of Connecticut)의 진화 생물 학자이자 미생물 생태 학자 인 사라 허드 (Sarah Hird)는“이 이야기는 더 복잡하다”고 말했다.
박테리아와의 일시적이고 거의 존재하지 않는 관계는 샌더스가 열대 개미에서 본 것입니다. 그는 자신의 샘플을 실험실 (그 후 하버드 대학교에서 코넬에 있지만)으로 가져 와서 곤충의 박테리아 DNA를 시퀀싱하고 얼마나 많은 미생물이 있는지 정량화했습니다. 밀도가 높고 특수한 미생물을 갖는 개미 종은 자신이 포착 한 다른 많은 종에서 발견 된 샌더보다 배에 박테리아가 약 10,000 배 더 많았습니다. 또 다른 방법으로, 샌더스는 개미가 인간 크기로 축소되면 일부는 1 파운드의 미생물을 가지고 다니며 (인간이 하버하는 것과 유사), 다른 일부는 단순한 커피 콩의 가치를 가지고 있다고 말했다. "정말 큰 차이입니다."
이 차이는 통합 및 비교 생물학 에서보고된다 2017 년에는식이 요법과 관련이있는 것으로 보였습니다. 엄격하게 초식 한 나무 거주 개미는 풍부한 미생물체를 가질 가능성이 높았으며 아마도 단백질 결핍식이 요법을 보충 할 가능성이 높았습니다. 잡식성과 육식성 지상 거주 개미는 더 균형 잡힌 식사를 소비했으며 장에 무시할만한 양의 박테리아가있었습니다. 그럼에도 불구 하고이 패턴은 일관되지 않았습니다. 초식형 개미 중 일부는 미생물 군집이 부족했습니다. 그리고 하나를 가진 개미는 특정 종의 박테리아와 널리 퍼져 있고 예측 가능한 연관성을 가진 것으로 보입니다 (일부 미생물 세트는 곤충의 개별 속에 공통적 이었음에도 불구하고). 그 결과는 우리 자신과 같은 포유 동물 미생물로부터 분명한 출발이 있었는데, 이는 호스트에게 매우 구체적인 경향이 있습니다.
다른 유기체의 사례 연구가 시작되기 시작하면서 명확 해지는 이유.
빙산의 끝
샌더스가 페루에서 개미를 검사하는 동시에 해머는 코스타리카에서 애벌레의 미생물 군집을 독립적으로 검색했습니다. (샌더스는“곤충 세계의 젖소들보다 박테리아와의 관계를 가질 수있는 더 좋은 곤충은 무엇입니까?”샌더스는 말했지만, 망치는 그가 수집 한 장과 대변 샘플에서 많은 박테리아 DNA를 찾을 수 없었습니다. "정말 이상한 일이 벌어지고 있었다"고 그는 말했다
몇 달 동안“실망스러운 실험실 작업”이후, 동물들은 단순히 안정적인 미생물 군집이 없다는 것을 깨달았습니다. 그와 그의 동료들은 궁극적으로 많은 샌더스의 개미와 마찬가지로 애벌레는 표준으로 간주 된 것보다 훨씬 적은 양의 미생물을 많이 가지고 있음을 발견했습니다. 더욱이, 그 미생물은 단순히 동물의 식물 다이어트에서 발견 된 미생물의 하위 집합 일뿐입니다.“이것은 일시적으로 통과하고 있으며 그 중 일부는 본질적으로 소화되고 있다는 생각을 뒷받침합니다. "그들은 장 내 안에 안정된 인구를 확립하지 않습니다."
이러한 일시적인 박테리아가 애벌레에 도움이되었는지 여부를 결정하기 위해 연구원들은 항생제로 그들을 제거했습니다. 다른 곤충과 동물에서, 그러한 치료는 개발을 방해하거나 숙주를 완전히 죽이는 경향이 있습니다. 그러나 해머의 애벌레에는 아무런 영향을 미치지 않았습니다.
인도 방갈로르에있는 국립 생물학 과학 센터의 생태 학자이자 진화 생물 학자 인 Deepa Agashe는 그녀의 팀이 캠퍼스의 녹지 근처의 여러 지역에서 수집 한 곤충과 비슷한 것을 보았습니다. 그들이 잠자리와 나비에서 발견 된 미생물은 특정 곤충 종이나 발달 단계가 아닌 곤충의 식단과 밀접한 상관 관계가있었습니다. 잠자리의 박테리아 공동체의 대다수는 우연히 함께 모인 것 같습니다. Agashe는“박테리아의 대부분은 그곳에 도착했기 때문에 그곳에있었습니다. 곤충은“특정 종의 박테리아 나 특정 종류의 박테리아를 선택하지 않는 것 같습니다.”
나비의 미생물 집단을 방해하는 반복 실험은 호스트의 성장이나 발달에 영향을 미치지 않았습니다. 박테리아를 내장으로 다시 소개하지 않았습니다. Agashe는“실제로 미생물에 대해 신경 쓰지 않는 것 같습니다.
망치와 샌더스처럼,“처음에는 우리가 머리를 긁고 있었다”고 Agashe는 말했다. "놀라운 결과였으며 실제로 머리를 감싸는 데 시간이 걸렸습니다."
.그러나 어쩌면 놀랍지 않아야 할 수도 있습니다. 과학자들이 깨달았 듯이, 미생물이 존재할 때, 그들은 종종 특정 조직에서 발견되며 특정 시간에 특정 특성에 영향을 미치는 특정 박테리아가 포함됩니다. 예를 들어, Bobtail Squid는 한 종의 빛나는 박테리아로 제한되는 공생을 가지고 있으며, 이는 단일 가벼운 생산 기관으로 격리되어 오징어의 장과 피부에는 미생물이 없습니다. 성인 꿀벌은 박테리아와 중요한 관계를 가지고 있지만 유충은 그렇지 않습니다.
따라서 그러한 관계가 전혀 없거나 다른 규칙에 따라 관계가있는 동물이있을 수 있다고 생각하는 것은 그런 도약이 아닙니다. Agashe는“이제이 모든 종류의 연관성이 있다는 사실이 커지고 있다고 생각합니다.
해머가 동의했다. "우리는 빙산의 끝을 엿볼 수 있습니다."
그리고“소와 애벌레 사이의 이분법이 아닙니다.”라고 그는 덧붙였습니다. "정말로 복잡 할 다양한 종류의 라이프 스타일이 있습니다." 아마도 일시적이고 낮은 미생물은 더 미묘한 일을하고 있거나, 더 안정적인 진화 관계의 형성에서 초기 단계를 나타낼 수 있습니다. 어쩌면 그들은 대부분 중립을 유지하고 특정 맥락에서만 기능하게됩니다. 예를 들어, 일부 연구자들은이 미생물들이 단순히 장에서 공간을 차지하고 병원체를 차단함으로써 감염으로부터 숙주를 보호 할 수 있다고 주장합니다. 또한, 독성 식물이나 다른 위험에 적응 한 박테리아는 공식적인 공생에 참여하지 않고 일시적으로 획득하더라도 도움이 될 수 있습니다.
알링턴 텍사스 대학교의 미생물 생태 학자이자 곤충 학자 인 앨리슨 라븐스 크래프트 (Alison Ravenscraft)는“일시적 미생물 군집이 당신과 관련이 없더라도, 텍사스 대학교의 미생물 생태 학자이자 곤충 학자 인 앨리슨 라븐스 크래프트는“환경에 적응 한 박테리아를 삼키면 여전히 그들로부터 혜택을 얻을 수 있습니다. 측정하기가 훨씬 어려울 것입니다.”
인간에서도 마이크로 바이 옴 (일시적 미생물 포함)은식이 요법이나 행동의 변화로 이동할 수 있다고 지적합니다. 안정적인 미생물 군집에 의존하지 않는 살아있는 시스템을 연구하면 과학자들이 그러한 변화의 영향을 분리하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 미생물 군집 비용을 더 잘 정확히 파악하고 진화에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다.
다양성의 교훈
Agashe는“생각하면 미생물 군집이 확립되지 않은 많은 이유가 있습니다. “실제로 다른 길을 갔던 동물이 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. … 그러나 핵심은 우리가 이유를 모른다는 것입니다.
애벌레, 잠자리, 특정 개미 및 기타 동물은 살아있는 미생물과 오래 지속되는 공생 관계의 잠재적 단점을 조사 할 수있는 방법을 제공합니다. 이러한 단점은 측정하고 테스트하기가 어려운 경향이 있습니다. 연구자들은이 동물들이 공생의 특정한 잠재적 처벌을 선택적으로 피할 수 있다고 의심합니다. 예를 들어 박테리아는 영양소와의 숙주와 경쟁하거나 면역계를 악화시킬 수 있습니다.
.일부 동물의 경우 이러한 위험이 잠재적 이점보다 중요 할 수 있습니다. 그들이 이미 자신이 살기 위해 필요한 효소 나 행동을 이미 진화했다면, 더 이상 미생물 군집을 얻기 위해 선택적 압력에 묶이지 않습니다. 해머의 애벌레의 경우가 될 수 있습니다. 미생물 군집은 이론적으로 애벌레가 추가로 중요한 영양소를 제조하거나 더 영양소 밀도가 높은 식생을 겪을 수 있지만 곤충은 양으로 품질을 보충 할 수 있습니다.
미생물의 존재 또는 부재에 견딜 수있는 또 다른 요인은 해부학 인 것 같습니다 (Agashe는 원인과 결과 사이의 흐릿한 선을 고려할 때 그럴듯한 설명으로 간주하지는 않지만). 박테리아가 거의없는 많은 유기체는 짧고 간단한 장 구조를 가지고 있으며, 본질적으로 음식이 빠르게 스윕되고 가공되는 튜브입니다. 미생물이 발판을 얻고 성장할 시간이나 공간을주지 않습니다.
고려해야 할 생태 학적 요인도 있습니다. Agashe는“공생이 어떻게 일어나야하는지 생각하면 실제로는 정말 놀랍습니다.”라고 말했습니다. 세대 후, 유기체는 변화하는 조건에서도 일관되고 상호 이익이되는 파트너십을 강화하기에 충분한 다른 종을 만나야합니다. Agashe는 그녀의 나비와 잠자리가 끊임없이 장소마다 튀어 나와 위치와 계절에 따라 변화하는식이 요법을 섭취하기 때문에 같은 박테리아와 함께 자주 만나지 않을 수 있다고 추측합니다.
.연구원들은 아마도 미생물 군집의 진화를 지배하는 단일 통일 규칙이나 원칙이 없을 것이라고 강조합니다. 샌더스는“진화는 믿어지지 않고 특이 적이며, 많은 다른 유기체에서는 완전히 다른 경로를 따라 진행됩니다.
허드는 동의했다. 그녀는“미생물에 대한 우리의 대부분의 가정은 포유류 연구를 기반으로합니다. 어쩌면 우리는 물고기 나 새 또는 애벌레와 같은 일상적으로조차 안정성이 없을 수도 있습니다.”
포유류들 사이에서도 미생물 군집이 어떻게 나타나는지에 다양성이 있습니다. 대부분의 포유류 종은 특정 박테리아와 예측할 수있는 것처럼 보이지만 샌더스와 그의 동료들의 최근 연구에 따르면 박쥐는 그렇지 않다는 것을 발견했습니다. 실제로, 그들의 미생물은 더 일시적이고 무작위였으며, 동료 포유류보다 새의 미생물과 훨씬 더 유사합니다. 연구자들은이 차이가 박쥐와 새들이 전원 비행을 가능하게하기 위해 가능한 한 가볍게되기 위해 진화 된 요구와 관련이 있다고 주장합니다. 아마도 그들은 추가 수하물을 가지고 다닐 여유가 없었을 것입니다.
어쨌든,이 발견은 종을 비교하여 배울 것이 많으며 박테리아와의 관계가 어떻게 보일지에 대한 조기 가정을 만들어 잃을 것이 많다는 것을 보여줍니다. 최소한 이는 파리, 생쥐 및 기타 모델 유기체에서 인간에게 수행 된 연구를 번역 할 때 더 큰주의를 기울이는 것을 의미합니다. (이미, 야생 마우스 대 실험실 교배 마우스에서 발생하는 장 미생물에서 상당한 차이가 발견되었으며, 전자는 종종 특정 실험 약물이 인간에게 어떻게 기능 할 수 있는지에 대한보다 정확한 모델로 판명되었습니다.)
.샌더스는“존재하는 모든 유기체는 그 뒤에 30 년 반 동안의 진화 역사를 가지고 있으며, 그 중 수백만 또는 수십만 또는 수억 명이 우리가 모델로 사용하는 유기체와 공유되지 않는다”고 샌더스는 말했다. 과학자들의 동물이 미생물과 공유하는 다양한 관계에 대한 신흥 인식은 과일 파리가 인간과 비교하여 매우 다른 기본 출발점에서 작동 할 수 있기 때문에 과일 파리를 장내 미생물 군집 중요성 또는 상호 작용 모델로 사용하여 추론을 그리는 것에 대해 정말로 신중하게 만들어야합니다. 마우스도 마찬가지입니다.”
"우리는 눈과 귀를 열어야합니다."라고 덧붙였습니다. "자연 변화와 다양성으로부터 배울 것이 많다."
과학자들은 미생물에 관해서 우리 자신과 크게 다른 많은 사례를 인정하기 시작했지만“나는 여전히 홀수 볼로 여겨지고 있다고 생각합니다.
태도가 빨리 변할수록 더 많이 배울 수 있습니다. Hird는“우리는 매우 적은 양의 공간에 수백 종의 종을 갖는 복잡성을 중심으로 머리를 거의 감싸기 시작하고 서로 상호 작용하고 환경과 상호 작용하고 호스트와 상호 작용합니다. "모든 시나리오는 아마도 여전히 테이블에있을 것입니다."
이 기사는 에 재 인쇄되었습니다 theatlantic.com 및 spektrum.de .
