Oficiální názor tvrdí, že všechny mikroorganismy se mohou dostat úplně všude. Ozývají se však dnes vědci, kteří s tím nesouhlasí. Kdo tedy má pravdu?
Jak by vypadala světová příroda, kdyby se živočichům nestavěly do cesty žádné bariéry? Prosadili by se australští klokani na afrických pláních? Pobíhali by polární medvědi po Antarktidě? Stavěli by si tučňáci hnízda v Grónsku? Mohli bychom spatřit orangutany v korunách stromů Amazonie?
Solidní odpověď na podobné otázky přírodovědci zřejmě nikdy nepřinesou.
Na světě ale najdeme organismy, pro které není vodní tok, mořská úžina či horský hřeben nepřekonatelnou překážkou. Mikroskopické bakterie nebo prvoky unáší vítr či voda a mohou tak cestovat na obrovské vzdálenosti. Využívají této možnosti k „obsazení světa“? Najdeme stejné mikroorganismy v pralesích Nové Guineje, v povodí Konga i v Amazonii? Jak se liší mikroskopičtí obyvatelé jezírka ve Skalistých horách, v pohoří Ruwenzori a v Himálaji?
Oficiálně jsou všichni všude
Více než století se v učebnicích mikrobiologie objevuje tvrzení, podle kterého mikroorganismy neznají hranic. Cestují po světě a usídlují se tam, kde najdou příhodné podmínky. Zřídlo horké vody obývá podle této teorie podobné společenství mikroorganismů, ať se jeho voda dere na povrch ze zemských hlubin v Yellowstonu, na Islandu nebo na japonském ostrově Kjušu. Když vydloubneme kus trouchnivého dřeva z tlejícího kmenu jedle v Norsku a v Kanadě a podíváme se na něj pod mikroskopem, měl by se nám pokaždé nabídnout pohled na stejnou mikrobiální zoo.
Nizozemský biolog Laurens Bass-Becking shrnul už v roce 1934 tento názor do stručné zásady: „Všechny mikroorganismy se mohou dostat úplně všude. O tom, kde budou nakonec žít, rozhodují podmínky životního prostředí.“
Už delší dobu však zaznívají mezi mikrobiology hlasy buřičů, kteří Bass-Beckingův „zákon“ zpochybňují. Podle nich nejsou mikroorganismy zdaleka takoví všudybylové, jak bychom si snad mohli myslet. Mnozí z kritiků se opírají o zcela nové přístupy ke zkoumání světa mikroorganismů. Nedívají se na jednotlivé mikroskopické „potvůrky“, ale zkoumají rozmanitost dědičné informace, kterou izolují z mikrobů žijících ve vodě, půdě a dalších materiálech. Z pořadí písmen genetického kódu v DNA mikrobů pak usuzují na bohatství mikroskopických forem života v daném prostředí.
Tajemství anglického jezírka
Britští vědci vedení Blandem Finlayem z Centre for Ecology and Hydrology jsou přesvědčeni, že o světoběžnictví mikroorganismů nashromáždili dostatek důkazů. Vylovili je na severu Anglie z vod maličkého jezírka zvaného Priest Pot. Ve dvou deci bahna odebraného ze dna jezírka napočítali čtyřicet druhů prvoků z rodu Paraphysomonas, kterých mikrobiologové znají z celého světa zhruba padesátku. To znamená, že jezírko hostí drtivou většinu (pokud ne úplně všechny) prvoky tohoto rodu. Navíc se četnost zástupců jednotlivých druhů v Priest Pot shoduje se zastoupením těchto prvoků v jiných částech světa.
„Nenašli jsme druh prvoka, který by žil jen na určitém omezeném území,“ říká Bland Finlay. „Ať hledáme v bahně ve Skotsku, na Novém Zélandu nebo ve střední Africe, všude nacházíme tytéž prvoky.“
Všudypřítomnost mikroorganismů je důsledkem jejich obrovitých počtů. Prvoci obvykle nejsou velcí cestovatelé, ale z jejich nepřeberného množství si nakonec náhoda vybere jednotlivce, který podnikne neuvěřitelnou odyseu a ocitne se „daleko od domova“. Někdy cestují mikrobi s větrem, jindy je unáší voda. Mohou se stát pasažéry živých dopravních prostředků. Přenesou je v peří ptáci, plují po řekách s vegetací. Mnozí jsou schopni přežívat na nejroztodivnějších místech. A pokud už je osud zanese do prostředí, které jim nesvědčí, trpělivě čekají na svou příležitost.
Vědci se nestačili divit
Názorně to předvedli opět prvoci ze dna jezírka Priest Pot. Z jediného gramu bahna se v laboratoři namnožilo asi 20 druhů prvoků. To platilo v případě, že podmínky v laboratoři věrně kopírovaly poměry na dně jezírka. Když však Finlay nabídl prvokům z bahna podmínky typické pro jiná prostředí, např. změnil osvětlení, slanost nebo teplotu, nestačil se divit, co všechno z bahna „vylezlo“. Zatím napočítal 140 druhů prvoků a je přesvědčen, že není s výčtem u konce, protože ještě asi nenabídl příhodné podmínky všem skrytým obyvatelům bahna z Priest Pot.
V jezírku, jak se zdá, nežijí jen prvoci, kterým to tu svědčí. Přežívají v něm i ti prvoci, kteří tu pro množení vhodné podmínky nenašli. Podle Finlaye měl Laurens Bass-Becking pravdu. Všechny mikroorganismy jsou všude, i když to tak na první pohled možná nevypadá. Pro organismy menší než jeden milimetr neexistují na světě žádné hranice.
Cestovní ruch mikrobů
Neméně silný je i tábor vědců, kteří „Bass-Beckingův zákon“ o světoběžnictví mikroorganismů odmítají. Opírají se o nejnovější metody detekce mikrobů, založených na analýzách DNA. Poukazují přitom na fakt, že v laboratořích umíme množit přinejlepším 1% všech mikroorganismů, na něž můžeme narazit ve volné přírodě. Sledujeme tedy jen jakousi „špičku ledovce“ a děláme z těchto výzkumů závěry, jež nemusí platit pro „masu ledu pod hladinou“.
Genetické analýzy odhalily rozdíly, které nejsou na mikroorganismech na první pohled patrné. Zástupci stejných druhů, obývajících různé kouty světa, se od sebe liší, a to naznačuje, že „cestovní ruch“ mikrobů není tak čilý, aby to stačilo k absolutní platnosti „Bass-Beckingova pravidla“.
Jedineční mikrobi z převodovek
Například archebakterie rodu Sulfolobus najdeme v horkých pramenech v mnoha částech světa. Čím jsou si tito mikrobi vzdálenější geograficky, tím více se liší i geneticky a biologicky. Sulfolobus z gejzírů v Yellowstonu se podobá svým „příbuzným“ z horkých pramenů v americkém národním parku Lassen mnohem více než zástupcům rodu Sulfolobus z horkých vřídel Kamčatky. Stejně se projevují geografické vzdálenosti na genetické rozmanitosti bakterií obývajících slané bažiny u mořského pobřeží Anglie nebo pestrosti genů půdních hub z australských pouští. Čím vzdálenější jsou si „bydliště“ mikrobů, tím méně se podobá i jejich DNA.
Zcela jistě najdeme mezi mikroorganismy všudybyly, kteří osídlili celou planetu. Zdaleka to ale nemusí platit pro všechny. Některé mikroorganismy jsou s to žít jen v určitých podmínkách, a to jejich životní prostor výrazně omezuje. Například bakterie žijící ve vodě vyplňující dutiny stromů v Amazonii vyklidí pole všude, kde jsou stromy vykáceny, a naopak, rychle se rozšíří do oblastí, kde nově narostl dostatečně starý les.
Svou zvláštní „sbírku“ bakterií mají i olejové nádrže nejrůznějších strojů. Jejich mikroskopické obyvatele najdeme všude, kde je strojní olej, ale nikde jinde se s nimi už nepotkáme.
Je 97% málo nebo moc?
Odpůrci i zastánci teorie o světoběžnictví mikroorganismů vedou tvrdé spory o metody, kterými rozmanitost mikrobů zkoumají. S pomocí analýz DNA se příslušnost k různým druhům obvykle určuje podle pořadí písmen genetického kódu v genech nezbytných pro některou ze základních životních funkcí.
Když se dva mikroorganismy liší ve více než třech procentech písmen genetického kódu vybraného genu, vědci je obvykle strčí do odlišných systematických šuplíků. To je však uměle vytyčená hranice a zdaleka není jisté, jestli byla zvolena správně.
Pokud bychom porovnali obdobné geny u savců, pak bychom museli všechny primáty, od člověka až po madagaskarské lemury, zařadit do jednoho jediného druhu. Tento druh by byl opravdu kosmopolitní a vykazoval by tak široké spektrum vlastností, jakým žádný jiný tvor na Zemi nevládne.
Čilý výměnný obchod
Na druhé straně však vědci varují před přeceňováním genetických rozdílů mezi různými mikroorganismy. Jsou to velmi staré formy života a jejich dědičné informace prodělaly řadu změn. Některé genetické inovace se projevily na „dovednostech“ mikrobů, ale drtivá většina změn nemá valný význam a můžeme je označit za víceméně „kosmetické“.
Genetici se netají obavami, že když se podívají na dědičnou informaci příslušníků jednoho druhu bakterie skutečně podrobně, zjistí nakonec, že každá z nich má poněkud jinou DNA. Navíc mění mnohé mikroorganismy dědičnou informaci takovým tempem, že s nimi genetici neudrží krok. Než „přečtou“ jeden kmen vysoce proměnlivé bakterie, objeví se v přírodě hned několik nových kmenů, jejichž DNA se od přečteného mikroba významně liší.
Mikrobi zdaleka nemění svou DNA jen pozvolnými změnami. Vládne mezi nimi čilý „výměnný obchod“, při němž si půjčují geny či celé sady genů od jiných mikrobů.
Vědci se proto snaží soustředit na to, k čemu dědičná informace slouží. DNA obsahuje instrukce pro nejrůznější životní pochody a vlastnosti. Pro zařazení mikroba do dané skupiny proto musí vědci brát na zřetel nejen jeho geny, ale i to, co s těmito geny umí a nebo neumí.
Každý máme v těle 1,5 kg bakterií!
Vášnivé diskuse o tom, kolik a jakých mikrobů žije tam či onde, vypadají na první pohled jako debata mezi roztržitými profesory, které ponechávají zcela chladnými běžné problémy drtivé většiny lidstva a jsou ochotni se do krve přít o příbuzenské vazby mezi „breberkami“ neviditelnými prostým okem. Ale to je zdání, které klame.
Svět doslova stojí a padá s mikroorganismy. Platí to doslova a do písmene i o člověku. Každý z nás má v těle asi 1,5 kilogramu bakterií a na každou lidskou buňku připadá v těle stovka mikrobů. Člověk je vlastně jedno velké bakteriální společenstvo, tu a tam „prošpikované člověčinou“.
Bakterie plní základní funkce ve všech ekosystémech. Díky nim vzniká půda. A mikrobům také vděčíme za to, že půda dokáže uspokojit životní nároky rostlin. Bakterie čistí vzduch i vodu. Poskytují nám zcela zdarma nedocenitelné služby.
Choroboplodné zárodky nás sice dokážou potrápit, ale na druhé straně jsou pro nás i mocnými spojenci. Mnohé invazní druhy rostlin či živočichů se nám vymkly z kontroly jen proto, že se dostaly do nových oblastí bez svého přirozeného mikroskopického nepřítele.
Nemůže nám být proto jedno, jaké mikroorganismy kolem nás žijí. Zvláště když zasahujeme do přírody tak razantně, že jsme schopni ovlivnit i složení mikrobiálního světa.
Inventura v Sargasovém moři
Kolumbovi námořníci pokřtili Sargasové moře podle hnědých chaluh Sargassum a vzbudili tak v mnoha suchozemcích mylný dojem, že tento kus Atlantiku, sevřený ze všech stran silnými mořskými proudy, doslova kypí životem. Opak je pravdou! Poklidné vody Sargasového moře jsou tak chudé na živiny, že skýtají podmínky k životu jen poměrně úzkému spektru organismů. Absenci mikroskopických forem života výmluvně dokládá úžasná průzračnost vody Sargasového moře. Je tu vidět až do hloubky 60 metrů.
Ani tento „chudý svět“ nedokáže současná mikrobiologie zinventarizovat. Drtivou většinu mikrobů neudrží vědci v laboratoři při životě a nemohou si je proto namnožit pro další analýzy. Na pomoc jim přicházejí molekulární genetici, kteří dovedou izolovat z mořské vody dědičnou informaci všech přítomných mikroorganismů. Je to neuvěřitelná směska dědičných informací – velkých i malých, zcela odlišných i hodně podobných. Genetici se proto zaměřují na studium genů, které zajišťují základní životní pochody a musí jimi být vybaven každý pozemský organismus. Obvykle jsou pro tyto účely používány geny zajišťující tvorbu bílkovin v buňce, tedy geny pro ribonukleovou kyselinu, z níž si buňka staví „továrnu“ na výrobu bílkovin, tzv. ribozom.
Americký genetik Craig Venter odebral nedávno ze Sargasového moře 1500 l vody a izoloval z ní veškerou dědičnou informaci. Tu pak nechal přečíst na nejvýkonnějších „čtečkách“ DNA. Získaná data byla doslova genetickým pelmelem, v kterém by se genetici mohli přehrabovat bez valného výsledku až do skonání světa. Naštěstí mohou dnes svěřit třídění přečtených úseků DNA superpočítačům, které už si s úkolem hodným pohádkové Popelky poradily.
A závěr z tohoto „sčítání mikrobů“ v Sargasovém moři? I v této mořské pustině s nejprůhlednější vodou na světě žije přinejmenším 1800 druhů mikroorganismů. U většiny z nich věda nezná nic víc než kusy dědičné informace přečtené při první „mořské inventuře“.
Geny na dobírku
Prochlorococcus je mnohotvárný světoběžník! Se sedmnácti stovkami genů se tato bakterie může pyšnit nejmenší dědičnou informací ze všech volně žijících mikroorganismů schopných fotosyntézy. Malý genom ji ale nijak neomezuje. V mořích chudých na živiny spolehlivě přečíslí všechny ostatní zástupce mikroskopických forem života a zajišťuje tam bezmála polovinu veškeré produkce organické hmoty.
Vědci znají tuto bakterii už 20 let a vědí, že se vyskytuje v mořích v různých kmenech. Ty se svými základními geny velice podobají a vědci se proto domnívali, že genetické rozdíly mezi různými „rasami“ prochlorokoků jsou víceméně „nepodstatné detaily“. Smrtelnou ránu zasadila těmto představám jedna ze spoluobjevitelek těchto bakterií, americká mikrobioložka Sallie Chisholmová z Massachusetts Institute of Technology.
Prochlorokoky se vyskytují v mnoha formách. Od hladiny až do hloubky 50 metrů můžeme najít dva typy světlomilných prochlorokoků. V hloubkách od 50 do 75 metrů převládá „světloplachý“ typ a v ještě větších hloubkách jej střídá další „světloplachý kolega“.
Světlo však není jediným faktorem, který míchá životem těchto pozoruhodných bakterií. Například v rovníkových oblastech se na hladině vyskytuje jeden ze světloplachých se stejnou četností jako jeho světlomilný protějšek.
Pokud si představíme populace prochlorokoků jako početná stáda mikrobiálních ovcí, pak nás asi nezaskočí fakt, že je provází smečky mikrobiálních vlků, tedy virů ze skupiny bakteriofágů. Ti na jedné straně bakterie požírají a decimují je, na druhé straně udržují kořist v kondici. Bakteriofágové si mohou přivlastnit geny napadené bakterie a ty pak přenášejí na další oběti. Jsou to vlastně „genoví poslíčci“.
Prochlorokoky získávají prostřednictvím bakteriofágů životně důležité zásilky genů, které si ukládají ve své dědičné informaci na stejné místo. Takto získaná sada genů jim pak dovoluje přežívat v různých prostředích. Je to podobné, jako když nám zásilková služba doručí různé pokrývky hlavy. Pokaždé si obdržené zboží narazíme na hlavu. S tlustým kulichem pak můžeme vyrazit na hory, zatímco lehký plátěný klobouček nám přijde vhod ve slunečním úpalu u moře.
Sallie Chisholmová prokázala, že prochlorokoky různých typů získávají od bakteriofágů odlišné genové vybavení. Například kmen ze Středozemního moře získal gen pro využívání nedostatkových zdrojů dusíku. Ostatní kmeny prochlorokoků tento gen postrádají. Právě to, jaké geny prostřednictvím bakteriofágů získají či nezískají, rozhoduje o tom, zda bude bakterie upřednostňovat silně osvětlené vody či temnotu hlubin, zda odolá chladu či jí budou svědčit vysoké teploty. „Geny na dobírku“ určí i to, z jakých zdrojů bude bakterie čerpat potřebné živiny.
Rezistentní zoo pod našima nohama
Vědci z kanadské McMasterovy university, vedení Gerardem Wrightem, zkoumali citlivost k antibiotikům u 480 kmenů bakterií patřících k aktinomycetám z rodu Streptomyces. Tyto bakterie izolovali zcela běžným způsobem z půdy. Výsledky je notně překvapily. Všechny zkoumané kmeny odolávaly hned několika různým antibiotikům. Některé vzdorovaly dokonce patnácti z jednadvaceti testovaných léků.
O tom, že je půdní mikroflóra ve svých schopnostech vzdorovat antibiotikům skutečně vynalézavá, svědčí fakt, že mezi 480 zkoumanými kmeny našli vědci 200 různých „profilů odolnosti“ k lékům. Skoro každý mikrob má svou vlastní „sbírku“ rezistentních genů.
Některá antibiotika byla neúčinná prakticky ke všem testovaným kmenům. Patřila k nim překvapivě i antibiotika teprve nedávno povolená pro léčbu infekčních chorob lidí.
Rezistence k antibiotikům není u těchto bakterií v zásadě velkým překvapením. Mezi těmito bakteriemi najdeme polovinu producentů antibiotik využívaných současnou medicínou. Aktinomycety jsou proto vybaveny i geny, které je chrání před účinky jimi produkovaných antibiotických látek. S těmito geny vedou bakterie čilý „směnný obchod“. Jsou s to přijmout úseky DNA z uhynulých mikroorganismů a s nimi tak získávají i nejrůznější geny.
O osudu takto získaného genu rozhoduje do značné míry prostředí, v jakém bakterie žije. Pokud se s novou genovou akvizicí domůže významné výhody, má genetická inovace cestu k šíření otevřenu dokořán.
Člověk sehrává v tomto směru stále významnější roli. V životním prostředí končí obrovské množství antibiotik nebo molekul vzniklých jejich částečným rozkladem. Jejich zdrojem je humánní i veterinární medicína a zemědělství. Pokud se tyto látky dostanou do půdy, působí na tamější bakteriální společenství silným selekčním tlakem, s kterým se nejlépe vypořádají právě nově vznikající rezistentní kmeny. Tak zřejmě povstaly kmeny bakterie Staphylococcus aureus, odolné k antibiotiku vankomycinu, jednomu z posledních antibiotik, které si lékaři drželi v rezervě pro boj s tímto nebezpečným původcem zánětlivých onemocnění.
