Mikrosvět

Lidé už jsou tak zařízeni, že je fascinuje a ohromuje spíše něco velkého: stojíme v úžasu před Eiffelovkou, zatímco rodná chaloupka nás tak trochu dojímá, slon vzbuzuje na první pohled úctu, ale po broucích šlapeme, aniž bychom na ně vůbec pomysleli. Přitom daleko za hranicemi možností našeho zraku se rozkládá svět, neobyčejně pestrý a dynamický, který pro jeho rozměry téměř úplně opomíjíme. Svět, z něhož naši samolibou pozornost upoutají pouze ti zástupci, kteří nám nějak škodí, nebo naopak pomáhají. Málokdo si dovede představit neuspořádaný rozruch na povrchu svého těla či listu stromu, který pod mikroskopem připomíná dobře zásobenou zoologickou zahradu s bohémským panem ředitelem. V našich ústech probíhá po každém jídle mohutné osídlování zubů – ostrovů: první kolonizátoři připraví podmínky pro další invaze, miliony jedinců nejrůznějších druhů spolupracují, spějí k rovnováze, ovšem pak dojde k přírodní katastrofě, neboť vězte, že čištění zubů rovná se výbuchu Krakatau (obr. obrázek). Jediná špetka půdy si počtem druhů i složitostí vztahů nezadá s rostlinstvem a živočišstvem tropického deštného pralesa. Na kterémkoli místě Země, v každém hloubkovém vrtu do ledovce či do mořského dna, objevujeme nové a nové představitele neznámého neviditelného světa.

Co o tomto mikrosvětě vlastně víme? Jednoznačně to, že je pro náš makrosvět zcela nezbytný. Neustálý koloběh chemických prvků, jejichž zdroje na planetě nejsou nevyčerpatelné, je zajišťován zejména mikroskopickými organizmy – snad každý atom biosféry, ale i atomy mnohých kovů, vápence či síry někdy prošel či projde planetárním žaludkem tvořeným mikroby. Nezanedbatelnou část atmosférického kyslíku vytvářejí vedle zelených rostlin i biliony mikroskopických sinic, vznášející se ve všech vodách od oceánu po kaluže. A co ještě víme?

Rozdělení živého světa

Od toho okamžiku, kdy člověk nahlédl do mikroskopu a uviděl tam buňky, začal rozlišovat dva základní buněčné typy. Eukaryotická buňka se vyznačuje tím, že je poměrně veliká, složitá, má dobře rozlišené jádro oddělené membránou a v cytoplazmě řadu organel nejrůznějších tvarů a funkcí. Prokaryotická buňka byla shledána malou, jednoduchou, bez ohraničeného jádra a rozlišených organel. Do říše prokaryont byly zařazeny bakterie a sinice, eukaryonta pak zahrnují vše ostatní a jsou rozdělena na čtyři říše.

V 60. letech se začal prosazovat názor, že dva typy velkých, membránou ohraničených organel, totiž chloroplasty a mitochondrie, jsou původně prokaryotické buňky, které byly kdysi dávno v minulosti pozřeny a ve svém hostiteli tak zdomácněly, že si dnes život jeden bez druhého nedovedou představit. Tato endosymbiotická hypotéza je dnes dobře doložena a všeobecně uznávána. Mitochondrie a chloroplasty mají vlastní, byť degenerovanou DNA a proteosyntetický aparát, jsou nápadně příbuzné některým současným bakteriálním druhům a jsou obaleny dvěma cytoplazmatickými mebránami rozdílného charakteru: vnitřní membrána je spíše bakteriální, vnější membrána je hostitelova. Mimoto byly v nedávné době objeveny některé prapodivné jednobuněčné organizmy, které vypadají jako mezistadia procesu zdomácňování mitochondrií, a naopak existují nepochybně eukaryotické organizmy, které mitochondrie nemají (i když těžko říci, zda proto, že je nikdy neměly, nebo proto, že je ztratily).

Změnu v náhledu na svět rozdělený na eukaryonta a prokaryonta přinesly výsledky porovnání molekul rRNA (ribonukleová kyselina tvořící ribozomy) nejrůznějších organizmů. Bylo zjištěno, že všechny do té doby bezproblémové prokaryotické organizmy lze zařadit do dvou zásadně odlišných skupin. V dnešní době dělíme veškeré organizmy do tří skupin: Eukarya (označované i jako eukaryonta), Bacteria (eubakterie) a Archaea (archebakterie). Na základě porovnání rRNA (lze ale použít i jiné úseky nukleových kyselin) je možno sestavit molekulární strom života, kde relativní délka jednotlivých větví odpovídá počtu záměn v porovnávaných sekvencích (obr.obrázek). Z obrázku jednoznačně vyplývá, že tři skupiny, které jsou v učebnicích rozlišovány jako odlišné říše (živočichové, rostliny, houby), jsou si ve skutečnosti velice blízce příbuzné a zásadní rozdíly najdeme na zcela jiné úrovni – mezi jednobuněčnými eukaryonty (prvoci, některé skupiny řazené mezi houby), bakteriemi a archebakteriemi.

Představa vzniku eukaryont endosymbiózou by mohla vést k názoru, že eukaryotická buňka je vlastně jen další způsob existence bakterií, další z mnoha triků bakteriálních buněk, jak přežít. Nicméně eukaryotické jádro a jeho komponenty (zejména enzymy metabolizmu DNA), které nemají s bakteriemi nic společného, tomu neodpovídají. Naopak, způsob zacházení s DNA, její struktura a enzymy jejího metabolizmu jsou zde velmi podobné jako u archebakterií. Protože archebakterie, podobně jako bakterie, nemají rozlišené jádro, zdá se, že oddělení membránou není vůbec nezbytnou podmínkou pro „eukaryotické“ fungování jádra. Důležitým závěrem těchto i dalších poznatků je, že eukaryotické buňky vznikly ze společného archaeeukaryotického předka, a to zřejmě podstatně dříve, než došlo k první endosymbiotické události.

Metabolická diverzita

Molekulární odlišnost organizmů do značné míry odráží i diverzitu metabolickou (viz rámeček na str. 613). Eukaryonta se naučila dokonale dva způsoby – fotolitotrofii (fotosyntéza u zelených rostlin, text v rámečku C.) a chemoorganotrofii (oxidace organických látek, v tomto případě kyslíkem, rámeček, text B.6). Tyto typy metabolizmu najdeme u všech eukaryont, i když s drobnými obměnami v případě prvoků a hub. Ti jsou totiž velmi často schopni i metabolizmu, při němž nepotřebují kyslík. Stojí za upozornění, že v podstatě veškerý základní energetický metabolizmus provozují v eukaryontech právě bakteriální symbionti – chloroplasty a mitochondrie. Výjimkou jsou ovšem mnohé druhy prvoků, které získávají energii zcela neobvyklým způsobem a používají k tomu i zcela neobvyklé organely. Možná, že právě u prvoků jsou obměny metabolizmu dost velké, ale pak jsou bohužel malé naše znalosti o nich.

Podobně metabolicky jednotná, i když z našeho pohledu dost extremistická, je i skupina označovaná jako Archaea. Je rozdělena do tří skupin, dobře definovaných Crenarchaeota a Euryarchaeota, a teprve nedávno navržené a dosud zpochybňované skupiny Korarchaeota. Mezi Euryarchaeota patří organizmy produkující metan (rámeček, text A.6, B.5), mezi Crenarchaeota organizmy s metabolizmem využívajícím síru (rámeček, text B.4). Všechna Crenarchaeota jsou extrémní termofilové a acidofilové, kterým se výborně daří třeba v horkých sirných pramenech – např. druh Pyrolobus fumaris žije a rozmnožuje se ve 113 ^oC, což je nejvyšší teplota, v níž byly prokázán život. Přesto jsou Crenarchaeota na molekulární a buněčné úrovni příbuznější eukaryontům než například běžná střevní bakterie Escherichia coli. Archebakterie jsou všeobecně nejméně známou skupinou mikroorganizmů a nejenom proto, že byly identifikovány teprve nedávno. Jejich svět je nám zcela vzdálený, většinou obývají neobvyklá extrémní prostředí, a navíc žádný z dosud popsaných archebakteriálních druhů není patogenní.

Bakterie jsou nám mnohem bližší. Běžně se setkáváme s nimi nebo s následky jejich činnosti, anginou počínaje a jogurtem konče. Bakterie jsou také jednoznačně na prvním místě v neúnavném vynalézání způsobů, jak získat energii a živiny nezbytné k přežití. Všechny typy metabolických drah jsou využívány nějakým bakteriálním druhem, a existuje nepochybně ještě řada dalších možností, které jsme dosud neobjevili. Známe pravděpodobně teprve malou část mikroorganizmů obývajících tuto planetu a jen zvolna získáváme nástroje, které nám umožní naše znalosti rozšířit.

Odkrývání světa mikrobů

Největší překážkou poznávání mikroorganizmů je skutečně jejich velikost, přesněji jejich malost. Je nemožné popisovat jedince, vždyť v rámci několika tisícin milimetru i ten nejzkušenější mikrobadatel rozliší jen několik málo morfologických znaků, a studium metabolizmu se už vůbec nedá provést s jednou malou buňkou. Jediný způsob, jak poznat nový druh bakterií, archebakterií či jakýchkoliv dalších mikroorganizmů, je pomocí čisté kultury, tedy populace buněk jediného typu, očištěné od ostatních druhů mikroorganizmů. Jenže, prohlédněte si ještě jednou rámeček na str. 613 a zkuste si představit, jak pro každý typ metabolizmu vytváříte speciální živné médium, které obsahuje všechny látky potřebné pro neznámého mikroba (což mohou být nejen běžné prvky, ale třeba i vitaminy či některé aminokyseliny, které si daný organizmus nedovede sám vyrábět) ve správné koncentraci a ve správných vzájemných poměrech, s vyhovujícím pH, a zvolte optimální teplotu kultivace! U neznámého mikroba musíme připravovat různé varianty médií a zkoušet a zkoušet... třeba by stačilo jenom trochu zvýšit teplotu kultivace... Bohužel, už mnohokrát se v minulosti ukázalo, že fantazie vědců je poněkud omezenější než fantazie přírody. Situace se ještě komplikuje tím, že mnohé bakterie jsou symbiotické (stejně jako mnozí prvoci), potřebují ke svému životu ještě nějaký další organizmus. V poslední době se stále častěji objevuje v odborné literatuře termín konsorcium, který se používá pro označení společenstva mikroorganizmů, jež je pro většinu členů konsorcia zároveň jediným prostředím, v němž mohou přežívat. Vztahy v rámci konsorcia jsou neobyčejně složité a provázané, někteří členové např. vyrábějí látku, bez níž se jiní členové konsorcia neobejdou, společně udržují optimální pH, koncentraci různých složek molekul a mnohdy i teplotu.

Biodivezita mikroorganizmů je v odborné i populární literatuře značně opomíjena, a budiž řečeno, že právem. V současné době dovedeme kultivovat v čisté kultuře asi 5 000 druhů bakterií a archebakterií, což je podle odhadů odborníků asi 1 % celkového počtu druhů těchto dvou skupin, a nebo taky 10 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,01 % … každý ať doplní podle svého naturelu. A přece se v posledních letech objevuje možnost detailního studia mikrosvěta – bez mezikroku kultivace můžeme studovat rovnou DNA nebo RNA, kterou nalezneme ve vzorku půdy, vody či kdekoliv jinde.

Nové metodické možnosti (viz rámeček obrázek) začínají být hojně využívány a dosaženými výsledky jsou zaskočeni nejen mikrobiologové. Uveďme jen několik příkladů. Podle analýzy molekul DNA obsažených v mořské vodě se zdá, že archebakterie zdaleka nejsou jen ušlápnutými extremisty, kteří obývají pouze ta místa, kde už nikdo jiný být nechce. Zhruba 30–50 % mořských planktonních mikroorganizmů vykazuje podle analýzy nukleových kyselin archebakteriální znaky. Podle dosud jen částečně publikovaných výsledků by to podobně mělo vypadat i v klasických středoevropských rybnících. Tyto vodní archebakterie byly právě vyčleněny do výše zmíněné nové archebakteiální skupiny Korarchaeota. Její metabolické vlastnosti pochopitelně neznáme, ale rozhodně jsou, na rozdíl od blízce příbuzných crenarchaeot, mezofilní až psychrofilní (žijí ve středních až nízkých teplotách). Naproti tomu analýza DNA získané z vody termálních pramenů vykazuje překvapivý poměr 50:1 ve prospěch bakterií oproti archebakteriím. Každý důkladnější rozbor DNA izolované z pramenů Yellowstonského národního parku znamená odhalení nejméně jednoho naprosto odlišného typu bakterií či archebakterií. Podobné výsledky přinášejí i hlubinné vrty. Zatímco r. 1989 se v rámci bakterií rozlišovalo 12 hlavních taxonomických skupin, k dnešnímu dni se jejich počet pohybuje (i v pracích konzervativnějších vědeckých pracovníků) kolem 25. Objevují se dokonce hlasy, že snad ani počet hlavních skupin – Eucarya, Bacteria a Archaea – nemusí být konečný.

Takže až si příště budete čistit zuby, až se budete koupat v rybníce nebo až budete obdivovat bublající černé bahno sirných pramenů, vzpomeňte na ten neviditelný, nepostradatelný a nepoznaný svět mikrobů. Možná jedna z buněk, které jste omylem polkli při kraulování, je zástupcem dosud neznámé mikrobiální říše.