The idea of "holobionts" represents a paradigm shift in biology.

""How many cells are there in a human being?" It sounds like a question from a nerdy pub quiz. It is also a profound philosophical inquiry. One answer is around 37trn. This is the number, in a typical adult weighing 70kg, that trace their descent from the fertilised egg which brought that human into existence.

 

Look at it another way, though, and you arrive at a figure roughly twice as large. That adds in the archaean, bacterial, fungal and protist cells which occupy the mouth, gut, skin, lungs and almost every other surface, nook and cranny of the human body. These cells contribute only about 0.3% to a person's body weight. But being, on the whole, much smaller than "proper" human cells, they are almost equally numerous.

 

That human beings have this accompanying microbiome is not news. Nor is it news that, while some of those extra cells are mere passengers, others are actively beneficial. The idea of symbiosis, in which different species live together intimately and collaboratively, goes back to the 19th century. 

 

Yet what started as a finite list of unusual cases has gradually grown to the point where it is clear that almost every multicellular organism—and even some single-celled ones—have symbionts.

 

This suggests to some biologists that the time is ripe for a "paradigm shift"—a new way for scientists to look at the world. Out, they say, with the old idea of plants and animals "having a microbiome", and in with the idea that both are merely parts of a united meta-organism whose components evolve in concert with each other. And in, too, with a name for these communal critters: holobionts.

 

Holistic thinking

 

One believer in this way of thinking is Thomas Bell, head of the Leverhulme Centre for the Holobiont at Imperial College, London, which opened in January. Paradigm shifts have many causes. But one that has helped tip the balance in this case is a technology called metagenomics. Dr Bell and his colleagues plan to apply it to a wide range of known and potential holobionts.

 

Metagenomics analyses simultaneously the genomes of everything in a sample—be it of soil, water, leaf litter or a mashed-up part of a plant or animal. Before its invention, trying to work out which microbes were present in such samples was tricky. Few bugs are amenable to being cultured in a laboratory, so many were, in effect, invisible to science. These days you can run a relevant extract of any organism you care to mention through the metagenomics mill—and if you do so, it is likely to show up as a holobiont.

 

Dr Bell and his colleagues are looking, in particular, at insects, amphibians and plants. Besides being eukaryotes—meaning their cells have proper nuclei and contain complex structures called organelles—these have little enough in common, evolutionarily speaking. Each group was picked for study because viewing its members as holobionts rather than individual creatures is illuminating.

 

Among insects, the centre is starting with bark beetles and honeybees. Bark beetles' holobiont nature is emphasised by the fact that some have evolved special structures called mycangia, which carry fungal spores. The spores grow thin tendrils called hyphae that allow them to digest wood. That releases nutrients which the beetles can metabolise. But if these fungi (one of the best known of which causes Dutch elm disease) get out of hand, they can devastate entire forests.

 

Honeybees, meanwhile, are important pollinators, a behaviour that may result in hives exchanging microbiomes via flowers their members visit. Some bee populations also show signs of being under stress, possibly from insecticide use. Several of Dr Bell's colleagues suspect the explanation for this lies not in the animal part of the holobiont, but rather in its microbial part.

 

Amphibians are on the list because many are threatened with extinction by skin fungi called chytrids, which have been spread from their Asian homeland by humans. Along with researchers at London Zoo, the centre's scientists are studying the diversity of amphibian skin microbiomes, and whether this can give the meta-organism immunity to chytrid infection.

 

Plants find themselves in the centre's crosshairs because most are accompanied by a "rhizosphere" of bacteria and fungi attached to, or even penetrating their roots. The rhizosphere's biochemical pathways increase the range of nutrients available to the holobiont as a whole. The rhizosphere is sustained in turn by carbohydrates and other nutrients synthesised by the holobiont's plant component.

 

A beneficial alliance

 

Work like Dr Bell's means the idea of holobionts as a meaningful category is catching on (see chart). But for it to be accepted fully, it needs to be disentangled and defined. As Scott Gilbert, a developmental biologist at Swarthmore College, puts it, "This notion [of holobionts] challenges and seeks to replace the concept of a monogenomic individual whose essential identity arises during development, is maintained by the immune system, and which is selected through evolution." That is a big claim.

 

One possible stumbling block is individual continuity. For organisms as conventionally classified, the link between parent and offspring is clear. For putative holobionts, it can be less so. Rather than growing from a single fertilised egg, holobionts have to be assembled. Sometimes the components are passed between parents and offspring. Humans, for example, are born with some microbes already in their guts. They pick up others during the messy process of birth, and more from their mother's milk. In these circumstances it is easy to see how the various components of a holobiont could co-evolve into a single, functioning unit.

 

Plants tend to make their associations horizontally—forming alliances with microbes already living in the soil in which they germinated. That might be thought to weaken the case for the resulting alliances behaving as single evolutionary units. In fact, calculations by Joan Roughgarden, an evolutionary biologist at Stanford University, show that horizontal transmission also supports co-evolution, and thus the emergence of true holobionts.

 

One piece of evidence to suggest she is right comes from a study of switchgrass by Thomas Juenger, a biologist at the University Texas, Austin. If plants and their rhizospheres are evolutionary units, they might be expected to collect a "core" microbiome that is encouraged into existence by specific genes in the plant. Switchgrass has three genetically distinct populations in North America. By comparing these and their associated rhizospheres, Dr Juenger showed a relationship between a plant's genes, particularly those associated with its immune system, and which bacteria thrived in the resulting rhizosphere.

 

Sometimes, as with bark beetles and their mycangia, the evolutionary integration of primary host and microbiome is obvious even without a genetic analysis. Mastotermes darwiniensis, an Australian termite, relies on gut microbes to break the tough wood it eats into molecules which the holobiont's animal part can metabolise. Mixotricha paradoxa, one of those fibre-digesting components, is itself a composite of a protist (a single-celled eukaryote) and four types of bacteria. Lynn Margulis, the American biologist who coined the term holobiont in 1991, called this critter "the beast with five genomes".

 

Aphids are equally intriguing. All members of this group carry bacteria of the genus Buchnera, a variety unknown anywhere else. In a relationship reckoned to date back around 200m years, Buchnera live inside specialised aphid cells called bacteriocytes. The bacteria are so cossetted that they have shed most of the genes they started with, relying on their animal partners to fill the biochemical gaps. In exchange, they synthesise amino acids the insects are unable to make for themselves.

 

Nor does the story end there. Many aphids host a second bug, Hamiltonella defensa, in their bacteriocytes. These critters, which also rely on Buchnera for their supply of amino acids, kill the larvae of parasitic wasps that would otherwise consume an aphid alive. But that, in turn, happens only in the presence of a virus called APSE—an even smaller metaphorical flea in the holobiont hierarchy.

 

All that is reminiscent of the most extreme case of holobiontry: that of organelles called mitochondria and chloroplasts. Mitochondria generate energy by metabolising glucose, and are found in all eukaryotes. Chloroplasts engage in photosynthesis, and are restricted to algae and plants. Both are the distant descendants of formerly free-living bacteria that began their relationship with the cells they now call home over a billion years ago. (It was these two cases which led Margulis to coin the term holobiont.)

 

The holobionic man

 

The varying degrees of intimacy on display—from surface passenger to vital cellular component—do raise the question of where, exactly, the borders of the term "holobiont" lie. But biology is full of concepts that are at once fuzzy and useful ("species" is one). Perhaps the most important job of the concept is to act as a reminder to biologists never to neglect a possible role for the microbiome in any phenomenon they are trying to understand. For example, the study of the evolution of pesticide resistance in insects usually involves the genome of the insect itself. But resistance by pests called bean bugs to fenitrothion, an insecticide, is conferred by bacteria of the genus Burkholderia which live in their guts—important knowledge, if you want to counter that resistance.

 

And there are even stranger powers brought to holobionts by their microbial parts. For example, certain bacteria are sensitive to magnetic fields. Researchers suspect some may have formed alliances with creatures such as turtles and birds, enabling these animal-based collectives to use Earth's field to navigate. More familiarly, it is the holobiont nature of dogs (and also hyenas and other carnivores with anal glands) that enables them to communicate via scent marks. The odours they deposit this way are created by bacterial degradation of secretions into these glands.

 

The best studied animal holobiont of all is Homo sapiens. Topologically, a human being is a torus—a three-dimensional object with a hole through the middle. The hole in question is the alimentary canal. Nearly the whole surface of this torus is home to microbes, though different parts have different inhabitants. By far the largest numbers of them live in the lower gut.

 

These gut microbes extend the digestive capabilities of the human holobiont in the same way (though not to the same degree) as happens in termites, by breaking up fibrous plant polymers into smaller molecules that the other 37trn cells can metabolise. But they produce lots of other molecules, too, some of which send signals to the holobiont's animal cells. Those cells, moreover, often signal back.

 

This signalling seems particularly influential over parts of the nervous system. Among the molecules secreted by gut bacteria are serotonin, GABA and catecholamines. All are neurotransmitters, chemicals which carry impulses between nerve cells. The microbiome is thus an integral part of the gut-brain axis, the constant neural chatter between the largest group of nerve cells in the body (the central nervous system) and the second-largest (the enteric nervous system).

 

The third big interaction between host and microbiome involves the immune system. This brokers the deal that keeps the whole show on the road by preventing any particular part of the microbiome running riot—a task at least as important as fending off infectious diseases. In return, a well-balanced microbiome assists the immune system by preventing pathogenic bugs from multiplying in the intestines.

 

The gut microbiome is thus deeply integrated with the mammalian part of the human holobiont—as can be seen when that integration goes wrong. Dysbiosis, as this is known, is at least associated with, and in many cases probably helps cause, obesity, diabetes, high blood pressure, atherosclerosis, asthma, inflammatory bowel disease, some liver diseases, various cancers, autism, Parkinson's disease and depression. And this is not an exhaustive list.

 

Looking beyond the 37trn mammalian cells in this way can be medically fruitful. A largely plant-based diet, for example, encourages fibrolytic bugs, while a meat-rich one favours those that thrive on fat and proteins. As a consequence, plant-based diets yield molecules such as butyric and propionic acids which are known to regulate inflammation and other immune-system functions. Meat-based ones result in branched-chain fatty acids, and phenols and indoles, which have a range of bad effects, including being risk factors for bad cardiovascular health.

 

Fixing things with holobionics

 

Crop breeders, too, are starting to take the holobiont concept seriously. Field agents for Indigo Ag, in Boston, Massachusetts, identify rare survivors in farmers' fields of events like droughts and infestations, and send these plants in for study. The assumption is that there is something special about such survivors. Indigo's foundational guess was that this special something is often in the rhizosphere.

 

Pursuing that thought, the firm has found—and now markets—rhizospheric bugs which confer drought-tolerance on cotton, maize, soyabeans and wheat; improve resistance to fungi in maize, soyabeans and wheat; guard against nematode attack; liberate phosphorus and potassium from the soil; and "fix" atmospheric nitrogen by turning it into molecules such as nitrates, which plants can use to make amino acids, the building blocks of proteins.

 

Another firm, Pivot Bio of Berkeley, California, is concentrating on nitrogen fixation. Pivot's researchers have edited the genes of two types of nitrogen-fixing bacteria so that they continue to work even when there is already plenty in the soil, and also turn out more fixed nitrogen than they usually would. When planted alongside a crop such as maize, a cocktail of these bugs provides an instant, nitrogen-fixing rhizosphere for each seedling. That can reduce fertiliser use by a fifth.

 

Jean-Michel Ané of the University of Wisconsin-Madison, who is, inter alia, a scientific adviser to Pivot, has two other nitrogen-fixing ideas up his sleeve. One, observing that legumes grow special root nodules to house nitrogen-fixing bacteria, is to reshape the roots of cereals (rice is the main target) so that they grow similar nodules. He and his colleagues have identified two leguminous genes that, when transplanted to poplars (a common experimental plant) cause them to grow nodules too.

 

Dr Ané's other idea is based on unusual strains of maize and sorghum that grow aerial roots which secrete a gel in which nitrogen-fixing bacteria like to live. This gel then drips to the ground, where the fixed nitrogen is absorbed by the plant's roots. In the case of maize, he and his colleagues have managed to cross-breed plants carrying this trait with commercial cultivars, and are now into the fifth generation of plants bearing it.

 

Cattle and other livestock are also coming under scrutiny. Their termite-like digestive systems generate more than 100m tonnes of methane a year, about 6% of the greenhouse-gas emissions for which humans are responsible. The bugs in question can be curbed by adding either of two substances to cattle feed—a chemical called 3-nitrooxypropanol or a seaweed called Asparagopsis taxiformis. Indeed, adding A. taxiformis not only curbs methane output, but also increases the conversion rate of feed into milk or meat.

 

Conservationists see promise in thinking of organisms as holobionts, too. That is the motive for Dr Bell's work on amphibians. Others, though, are looking to help entire ecosystems. Both forests and coral reefs are temperature-sensitive and thus threatened by global warming. Viewing their members as holobionts may allow ecologists to help them adjust.

 

Like Indigo's researchers, Cassandra Allsup, Isabelle George and Richard Lankau, of the University of Wisconsin–Madison, have been looking at soil microbes. They have sampled forests in their home state and in Illinois to the south. Testing seedlings of various species grown near the north and south of this span, which are 5.8 degrees of latitude apart, they found that those grown in soil inoculated with bacteria from sites with similar climates grew faster than those in soil given bugs from different ones. Though inoculating entire forests is not practical, they hope that treating nursery-grown saplings intended for local reforestation projects might help those trees' survival.

 

Like humans, corals are a particularly well-studied meta-organisms. Their tourist-attracting colours come from photosynthetic protists called zooxanthellae that live inside special cells in the sessile animals responsible for secreting the limestone of which coral heads are made—and it is these which provide the holobiont with most of its nutrition.

 

A weakness of this arrangement is that if zooxanthellae get too hot, their photosynthetic mechanisms go haywire, generating toxic oxygen-rich molecules called free radicals. The coral animals then expel them, a phenomenon called bleaching. If conditions return to normal in time, recolonisation may occur. But corals that remain bleached for too long will die.

 

Some people are trying to inculcate resistance to rising temperatures by tinkering with the genes of the animal part of the system. But Madeleine van Oppen of Melbourne University, in Australia, and Raquel Peixoto of King Abdullah University, in Saudi Arabia, are looking, in separate projects, to tweak either the zooxanthellae, or some of the many bacteria which are also part of the holobiont.

 

Such ecosystem engineering represents holobionic thinking on a grand scale. Whether it will lead somewhere fruitful remains to be seen. But the very fact that it is happening at all is, surely, testament to an idea whose hour has come.” [1]

 

 

1. "The idea of 'holobionts' represents a paradigm shift in biology." The Economist, 17 June 2023, p. NA.

„Holobiontų“ idėja reiškia paradigmos pokytį biologijoje

"Kiek ląstelių yra žmoguje?"  Tai gilus filosofinis tyrimas. Vienas atsakymas yra apie 37 trn. Tai yra 70 kg sveriančio įprasto suaugusio žmogaus skaičius, nurodantis jų kilmę iš apvaisinto kiaušialąstės, iš kurios šis žmogus atsirado.

 

Tačiau pažvelkite į tai kitaip ir gausite maždaug dvigubai didesnį skaičių. Tai prideda archeinių, bakterijų, grybelių ir protistų ląstelių, kurios užima burną, žarnas, odą, plaučius ir beveik visus kitus žmogaus kūno paviršius bei kampelius. Šios ląstelės sudaro tik apie 0,3% žmogaus kūno svorio. Tačiau apskritai būdamos daug mažesnės nei „tikros“ žmogaus ląstelės, jų yra beveik vienodai daug.

 

Tai, kad žmonės turi šį lydintį mikrobiomą, nėra naujiena. Taip pat nėra naujiena, kad nors kai kurios iš šių papildomų ląstelių yra tik keleiviai, kitos yra aktyviai naudingos. Simbiozės, kai skirtingos rūšys gyvena kartu glaudžiai ir bendradarbiaujant, idėja siekia XIX a. Tačiau tai, kas prasidėjo, kaip baigtinis neįprastų atvejų sąrašas, palaipsniui išaugo iki taško, kai tampa aišku, kad beveik kiekvienas daugialąstis organizmas – ir net kai kurie vienaląsčiai – turi simbiontus.

 

Kai kuriems biologams tai rodo, kad atėjo laikas „paradigmos pokyčiui“ – naujam būdui mokslininkams pažvelgti į pasaulį. Jie sako, kad atsižvelgiama į seną idėją, kad augalai ir gyvūnai „turi mikrobiomą“, ir mintis, kad abu yra tik vieningo metaorganizmo dalys, kurių komponentai vystosi kartu tarpusavyje. Ir taip pat su pavadinimu šiems bendruomeniniams gyvūnams: holobiontai.

 

Holistinis mąstymas

 

Vienas iš šio mąstymo būdo tikinčių yra Thomas Bellas, sausio mėnesį atidaryto Londono Imperial College Holobiontų centro Leverhulme vadovas. Paradigmų pokyčiai turi daug priežasčių. Tačiau šiuo atveju pusiausvyrą padėjo pakeisti technologija, vadinama metagenomika. Dr Bell ir jo kolegos planuoja jį pritaikyti daugeliui žinomų ir potencialių holobiontų.

 

Metagenomika vienu metu analizuoja visko, kas yra pavyzdyje, genomus – ar tai būtų dirvožemis, vanduo, lapų pakratai ar sumaišyta augalo ar gyvūno dalis. Prieš išradimą bandyti išsiaiškinti, kurie mikrobai buvo tokiuose mėginiuose, buvo sudėtinga. Tik nedaugelis mikroorganizmų gali būti auginami laboratorijoje, todėl daugelis jų buvo nematomi mokslui. Šiomis dienomis galite paleisti atitinkamą bet kurio organizmo, kurį norite paminėti, ekstraktą per metagenomikos gamyklą, o jei tai padarysite, tikėtina, kad jis pasirodys, kaip holobiontas.

 

Dr Bell ir jo kolegos ypač žiūri į vabzdžius, varliagyvius ir augalus. Be to, kad jie yra eukariotai (tai reiškia, kad jų ląstelės turi tinkamus branduolius ir sudėtingas struktūras, vadinamas organelėmis), evoliuciniu požiūriu jie turi mažai bendro. Kiekviena grupė buvo atrinkta tirti, nes žiūrėti į jos narius kaip į holobiontus, o ne į atskiras būtybes, yra pamokantis dalykas.

 

Tarp vabzdžių centras prasideda nuo žievės vabalų ir bičių. Žievės vabalų holobiontinį pobūdį pabrėžia tai, kad kai kurie iš jų sukūrė specialias struktūras, vadinamas mikangijomis, kurios nešioja grybelių sporas. Iš sporų išauga plonos ūseliai, vadinami hifais, kurie leidžia virškinti medieną. Tai išskiria maistines medžiagas, kurias vabalai gali metabolizuoti. Tačiau jei šie grybai (vienas žinomiausių iš jų sukelia olandų guobų ligą) išeis į laisvę, jie gali nuniokoti ištisus miškus.

 

Tuo tarpu bitės yra svarbios apdulkintojos, dėl kurių aviliai gali keistis mikrobiomais per gėles, kurias aplanko jų nariai. Kai kurios bičių populiacijos taip pat turi streso požymių, galbūt, dėl insekticidų naudojimo. Keletas dr. Bello kolegų įtaria, kad tai paaiškinama ne gyvūninėje holobionto dalyje, o greičiau jo mikrobinėje dalyje.

 

Varliagyviai įtraukiami į sąrašą, nes daugeliui jų gresia išnykimas dėl odos grybų, vadinamų chitridai, kuriuos iš jų Azijos tėvynės išplatino žmonės. Kartu su Londono zoologijos sodo tyrėjais centro mokslininkai tiria varliagyvių odos mikrobiomų įvairovę ir ar tai gali suteikti metaorganizmui imunitetą chitridų infekcijai.

 

Augalai atsiduria centro taikiklyje, nes daugumą jų lydi bakterijų ir grybų „rizosfera“, prisitvirtinusi prie jų šaknų arba net prasiskverbianti į šaknis. Rizosferos biocheminiai keliai padidina maistinių medžiagų, prieinamų visam holobiontui, spektrą. Rizosferą savo ruožtu palaiko angliavandeniai ir kitos maistinės medžiagos, kurias sintetina holobionto augalinis komponentas.

 

Naudingas aljansas

 

Toks darbas, kaip daktaro Bello, reiškia, kad holobiontų, kaip prasmingos kategorijos, idėja populiarėja (žr. diagramą). Bet už tai kad būtų priimta visiškai, ji turi būti atskirta ir apibrėžta. Kaip teigia Scottas Gilbertas, Swarthmore koledžo vystymosi biologas: „Ši [holobiontų] sąvoka meta iššūkį ir siekia pakeisti monogenominio individo, kurio esminė tapatybė atsiranda vystymosi metu, palaikoma imuninės sistemos ir kuris yra atrenkamas, sampratą.“ Tai didelis reikalavimas.

 

Vienas iš galimų kliūčių yra individualus tęstinumas. Įprastai klasifikuojamiems organizmams ryšys tarp tėvų ir palikuonių yra aiškus. Numanomiems holobiontams gali būti mažiau aišku. Užuot augę iš vieno apvaisinto kiaušinėlio, holobiontus reikia surinkti. Kartais komponentai perduodami tarp tėvų ir palikuonių. Pavyzdžiui, žmonės gimsta, kai kai kurie mikrobai jau yra jų žarnyne. Netvarkingo gimdymo metu jie pasiima kitus, o dar daugiau – iš mamos pieno. Tokiomis aplinkybėmis nesunku suprasti, kaip įvairūs holobionto komponentai gali išsivystyti į vieną veikiantį vienetą.

 

Augalai linkę kurti savo asociacijas horizontaliai – sudarydami sąjungas su mikrobais, jau gyvenančiais dirvožemyje, kuriame jie sudygo. Galima manyti, kad tai susilpnina susidariusių aljansų, kurie elgiasi kaip pavieniai evoliuciniai vienetai, atvejį. Tiesą sakant, Stenfordo universiteto evoliucijos biologės Joan Roughgarden skaičiavimai rodo, kad horizontalus perdavimas taip pat palaiko koevoliuciją, taigi ir tikrų holobiontų atsiradimą.

 

Vienas iš įrodymų, leidžiančių manyti, kad ji teisi, yra gautas iš Teksaso universiteto Ostine biologo Thomaso Juengerio atlikto žolės tyrimo. Jei augalai ir jų rizosferos yra evoliuciniai vienetai, galima tikėtis, kad jie surinks „pagrindinį“ mikrobiomą, kurį skatina specifiniai augalo genai. RYKŠTINĖS SOROS turi tris genetiškai skirtingas populiacijas Šiaurės Amerikoje. Lygindamas šias ir su jomis susijusias rizosferas, daktaras Juengeris parodė ryšį tarp augalo genų, ypač susijusių su jo imunine sistema, ir bakterijų, kurios klestėjo susidariusioje rizosferoje.

 

Kartais, kaip ir žievės vabalams ir jų mikangijoms, pirminio šeimininko ir mikrobiomo evoliucinė integracija yra akivaizdi net ir be genetinės analizės. Mastotermes darwiniensis, Australijos termitas, remiasi žarnyno mikrobais, kad suskaidytų kietą medieną, kurią jis valgo, į molekules, kurias holobionto gyvūninė dalis gali metabolizuoti. Mixotricha paradoxa, vienas iš tų skaidulą virškinančių komponentų, yra protisto (vienaląsčio eukarioto) ir keturių tipų bakterijų junginys. Lynn Margulis, amerikiečių biologas, 1991 metais įvedęs terminą holobiontas, pavadino šį gyvūną „žvėrimi su penkiais genomais“.

 

Amarai yra vienodai intriguojantys. Visi šios grupės nariai nešioja Buchnera genties bakterijas, kurios niekur kitur nežinomos. Manoma, kad santykiai tęsiasi maždaug 200 mln. metų, Buchnera gyvena specializuotose amarų ląstelėse, vadinamose bakteriocitais. Bakterijos yra taip sujauktos, kad išmetė daugumą genų, nuo kurių buvo pradėtos, pasikliaudamos savo partneriais gyvūnais, kad užpildytų biochemines spragas. Mainais jie sintetina aminorūgštis, kurių vabzdžiai negali pasigaminti patys.

 

Taip pat istorija tuo nesibaigia. Daugelio amarų bakteriocituose yra antroji bakterija Hamiltonella defensa. Šie gyvūnai, kurių aminorūgščių tiekimas taip pat priklauso nuo Buchnera, naikina parazitinių vapsvų lervas, kurios kitu atveju suvalgytų amarą. Tačiau tai, savo ruožtu, nutinka tik esant virusui, vadinamam APSE – dar mažesnė metaforinė blusa holobiontų hierarchijoje.

 

Visa tai primena ekstremaliausią holobiontrijos atvejį: organelių, vadinamų mitochondrijomis, ir chloroplastais. Mitochondrijos gamina energiją metabolizdamos gliukozę ir yra visuose eukariotuose. Chloroplastai dalyvauja fotosintezėje ir apsiriboja dumbliais ir augalais. Abu yra tolimi palikuonys anksčiau laisvai gyvenusių bakterijų, kurios pradėjo savo santykius su ląstelėmis, kurias dabar vadina namais, daugiau nei prieš milijardą metų. (Būtent šie du atvejai paskatino Margulį įvesti terminą holobiontas.)

 

Holobioninis žmogus

 

Rodomas įvairus intymumo laipsnis – nuo paviršinio keleivio iki gyvybiškai svarbios ląstelės sudedamosios dalies – kelia klausimą, kur tiksliai yra termino „holobiontas“ ribos. Tačiau biologijoje gausu sąvokų, kurios vienu metu yra neaiškios ir naudingos („rūšis“ yra viena). Galbūt, svarbiausias šios koncepcijos uždavinys yra priminti biologams, kad jie niekada nepaisytų galimo mikrobiomo vaidmens bet kuriame reiškinyje, kurį jie bando suprasti. Pavyzdžiui, vabzdžių atsparumo pesticidams raidos tyrimas paprastai apima paties vabzdžio genomą. Tačiau kenkėjų, vadinamų pupiniais vabzdžiais, atsparumą fenitrotionui, insekticidui, suteikia Burkholderia genties bakterijos, gyvenančios jų žarnyne – tai svarbios žinios, jei norite pasipriešinti šiam atsparumui.

 

Ir yra dar keistesnių galių, kurias holobiontams suteikia jų mikrobinės dalys. Pavyzdžiui , tam tikros bakterijos yra jautrios magnetiniams laukams. Tyrėjai įtaria, kad kai kurie galėjo sudaryti sąjungas su būtybėmis, tokiomis, kaip vėžliai ir paukščiai, todėl šie gyvūnų kolektyvai galėjo naudotis Žemės lauku navigacijai. Labiau žinoma, kad šunų (taip pat hienų ir kitų mėsėdžių, turinčių išangės liaukas) holobiontinė prigimtis leidžia jiems bendrauti per kvapo ženklus. Kvapai, kuriuos jie palieka tokiu būdu, atsiranda dėl bakterijų skaidymo  šių liaukų sekretuose.

 

Geriausiai ištirtas gyvūnų holobiontas yra Homo sapiens. Topologiškai žmogus yra toras – trimatis objektas, kurio viduryje yra skylė. Aptariama skylė yra virškinimo kanalas. Beveik visame šio toro paviršiuje gyvena mikrobai, nors skirtingose dalyse gyvena skirtingi gyventojai. Didžiausias jų skaičius gyvena apatinėje žarnoje.

 

Šie žarnyno mikrobai išplečia žmogaus holobionto virškinimo galimybes taip pat (nors ne tokiu pat laipsniu), kaip ir termitų, skaidydami pluoštinius augalų polimerus į mažesnes molekules, kurias gali metabolizuoti kitos 37 trln. ląstelės. Tačiau jie gamina ir daugybę kitų molekulių, kai kurios iš jų siunčia signalus į holobionto gyvūnų ląsteles. Be to, tos ląstelės dažnai signalizuoja atgal.

 

Šis signalas atrodo ypač įtakingas nervų sistemos dalims. Tarp žarnyno bakterijų išskiriamų molekulių yra serotoninas, GABA ir katecholaminai. Visi yra neurotransmiteriai, cheminės medžiagos, pernešančios impulsus tarp nervų ląstelių. Taigi mikrobiomas yra neatsiejama žarnyno ir smegenų ašies dalis – nuolatinis nervinis pokalbis tarp didžiausios nervų ląstelių grupės kūne (centrinės nervų sistemos) ir antros pagal dydį (žarnų nervų sistemos).

 

Trečioji didelė šeimininko ir mikrobiomo sąveika apima imuninę sistemą. Tai tarpininkauja susitarimui, kuris išlaiko visą pasirodymą kelyje, užkertant kelią tam tikrai mikrobiomo riaušių daliai – užduotis yra tokia pat svarbi, kaip apsisaugoti nuo infekcinių ligų. Savo ruožtu gerai subalansuotas mikrobiomas padeda imuninei sistemai, neleidžiant patogeninėms bakterijoms daugintis žarnyne.

 

Taigi žarnyno mikrobiomas yra giliai integruotas su žinduolių žmogaus holobionto dalimi – kaip galima pastebėti, kai ši integracija nepavyksta. Disbiozė, kaip tai žinoma, yra bent jau susijusi su nutukimu, diabetu, aukštu kraujospūdžiu, ateroskleroze, astma, uždegiminėmis žarnyno ligomis, kai kuriomis kepenų ligomis, įvairiais vėžiniais susirgimais, autizmu, Parkinsono liga ir depresija, o daugeliu atvejų, tikriausiai, ir padeda jassukelti. Ir tai nėra baigtinis sąrašas.

 

Tokiu būdu žvelgti už 37 trn žinduolių ląstelių ribų gali būti mediciniškai vaisinga. Pavyzdžiui, daugiausia augalinės kilmės dieta skatina fibrolizines bakterijas, o turtinga mėsa teikia pirmenybę toms, kurios turi daug riebalų ir baltymų. Dėl šios priežasties augalinės dietos duoda tokių molekulių, kaip sviesto ir propiono rūgštys, kurios, kaip žinoma, reguliuoja uždegimą ir kitas imuninės sistemos funkcijas. Mėsos pagrindu gaminamos šakotosios grandinės riebalų rūgštys, fenoliai ir indolai, kurie turi daug blogo poveikio, įskaitant blogos širdies ir kraujagyslių sistemos rizikos veiksnius.

 

Daiktų taisymas holobionika

 

Pasėlių augintojai taip pat pradeda rimtai žiūrėti į holobionto koncepciją. „Indigo Ag“ lauko agentai Bostone, Masačusetso valstijoje, nustato retus išgyvenusius ūkininkų laukuose, pavyzdžiui, sausros ir užkrato, ir siunčia šiuos augalus tirti. Daroma prielaida, kad tokie išgyvenusieji turi kažką ypatingo. Pagrindinis Indigo spėjimas buvo tas, kad šis ypatingas dalykas dažnai yra rizosferoje.

 

Vykdydama šią mintį, įmonė rado – ir dabar parduoda – rizosferos organizmų, kurios suteikia medvilnei, kukurūzams, sojų pupelėms ir kviečiams atsparumo sausrai; gali pagerinti atsparumą grybams kukurūzuose, sojos pupelėse ir kviečiuose; apsisaugoti nuo nematodų užpuolimo; išlaisvinti iš dirvožemio fosforą ir kalį; ir „sutvarkyti“ atmosferos azotą, paversdami jį molekulėmis, tokiomis, kaip nitratai, iš kurių augalai gali gaminti aminorūgštis – baltymų statybines medžiagas.

 

Kita įmonė Pivot Bio iš Berklio, Kalifornijos, daugiausia dėmesio skiria azoto fiksavimui. „Pivot“ mokslininkai redagavo dviejų tipų azotą fiksuojančių bakterijų genus taip, kad jos toliau veiktų net tada, kai dirvožemyje jau yra daug, ir taip pat būtų daugiau fiksuoto azoto, nei įprastai. Pasodinus kartu su pasėliu, pvz., kukurūzais, šių bakterijų kokteilis kiekvienam daigui suteikia akimirksniu azotą fiksuojančią rizosferą. Tai gali sumažinti trąšų naudojimą penktadaliu.

 

Jeanas-Michelis Ané iš Viskonsino-Madisono universiteto, kuris, be kita ko, yra Pivot mokslinis patarėjas, turi dar dvi azoto kaupimo idėjas. Viena, stebint, kad ankštiniai augalai užaugina specialius šaknų mazgelius, kuriuose įsitvirtina azotą fiksuojančios bakterijos, yra pertvarkyti javų šaknis (pagrindinis taikinys yra ryžiai), kad išaugintų panašius mazgelius. Jis ir jo kolegos nustatė du ankštinių genų, kurie persodinti į tuopas (įprastą eksperimentinį augalą) sukelia augti ir mazgeliams.

 

Kita dr. Ané idėja paremta neįprastomis kukurūzų ir sorgų atmainomis, auginančiomis oro šaknis, kurios išskiria gelį, kuriame mėgsta gyventi azotą fiksuojančios bakterijos. Tada šis gelis nuvarva ant žemės, kur fiksuotą azotą sugeria augalo šaknys. Kalbant apie kukurūzus, jam ir jo kolegoms pavyko sukryžminti šią savybę turinčius augalus su komercinėmis veislėmis ir dabar yra penktoji juos augančių augalų karta.

 

Taip pat tiriami galvijai ir kiti gyvuliai. Jų į termitus panašios virškinimo sistemos per metus išskiria daugiau nei 100 mln. tonų metano, ty apie 6 % šiltnamio efektą sukeliančių dujų, už kurias atsakingi žmonės. Minėtas klaidas galima pažaboti, į galvijų pašarus įdedant vieną iš dviejų medžiagų – cheminės medžiagos, vadinamos 3-nitrooksipropanoliu, arba jūros dumblių, vadinamų Asparagopsis taxiformis. Iš tiesų, A. taxiformis pridėjimas ne tik sumažina metano išsiskyrimą, bet ir padidina pašarų konversiją į pieną ar mėsą.

 

Gamtosaugininkai taip pat mato pažadą, galvodami apie organizmus, kaip apie holobiontus. Tai yra daktaro Bello darbo apie varliagyvius motyvas. Tačiau kiti siekia padėti ištisoms ekosistemoms. Tiek miškai, tiek koraliniai rifai yra jautrūs temperatūrai, todėl jiems gresia visuotinis atšilimas. Žiūrėdami į savo narius, kaip į holobiontus, ekologai gali padėti jiems prisitaikyti.

 

Kaip ir Indigo mokslininkai, Cassandra Allsup, Isabelle George ir Richardas Lankau iš Viskonsino universiteto Madisono tyrinėjo dirvožemio mikrobus. Jie atrinko miškus savo gimtojoje valstijoje ir Ilinojaus pietuose. Išbandę įvairių rūšių sodinukus, auginamus netoli šio tarpo šiaurės ir pietų, kurie yra 5,8 platumos laipsniais vienas nuo kito, jie nustatė, kad sodinukai, užauginti dirvožemyje, užkrėstam bakterijomis iš panašaus klimato vietovių, augo greičiau, nei sodinukai dirvožemyje, kuriame yra skirtingų bakterijų. Nors skiepyti ištisus miškus nėra praktiška, jie tikisi, kad medelyne auginamų sodinukų, skirtų vietiniams miško atkūrimo projektams, apdorojimas gali padėti šiems medžiams išlikti.

 

Kaip ir žmonės, koralai yra ypač gerai ištirtas metaorganizmas. Jų turistus viliojančios spalvos gaunamos iš fotosintetinių protistų, vadinamų zooksantelėmis, gyvenančių specialiose sėslių gyvūnų ląstelėse, atsakingose už kalkakmenio, iš kurio gaminamos koralų galvos, išskyrimą, ir būtent jie aprūpina holobiontą didžiąją jo mitybos dalimi.

 

Šio susitarimo trūkumas yra tas, kad jei zooksantelės per daug įkaista, jų fotosintezės mechanizmai sugenda ir sukuria toksiškas deguonies turtingas molekules, vadinamas laisvaisiais radikalais. Tada koralų gyvūnai jas išstumia – tai reiškinys vadinamas balinimu. Jei sąlygos, laikui bėgant, normalizuojasi, gali įvykti kolonizacija. Tačiau per ilgai balinti koralai mirs.

 

Kai kurie žmonės bando įskiepyti atsparumą kylančiai temperatūrai, tvarkydami sistemos gyvūninės dalies genus. Tačiau Madeleine van Oppen iš Melburno universiteto Australijoje ir Raquel Peixoto iš Karaliaus Abdullah universiteto Saudo Arabijoje, vykdydami atskirus projektus, siekia pakoreguoti arba zooksanteles, arba kai kurias iš daugelio bakterijų, kurios taip pat yra holobionto dalis.

 

Tokia ekosistemų inžinerija reprezentuoja didelio masto holobioninį mąstymą. Ar tai nuves kur nors vaisingo, dar reikia pamatyti. Tačiau pats faktas, kad tai išvis vyksta, neabejotinai liudija idėją, kurios valanda atėjo." [1]

1. "The idea of 'holobionts' represents a paradigm shift in biology." The Economist, 17 June 2023, p. NA.

Kaip „ChatGPT“ galėtų padėti mokytojams ir sumažinti koledžo išlaidas

"Daugelis svarstė, kaip ChatGPT galėtų pakeisti pasaulį, ypač mokyklas. Daug kas bijo blogiausio. Kolegijos rašinys buvo paskelbtas mirusiu. „ChatGPT“ sukelia švietimo „krizę“, tvirtina „Inside Higher Ed. Galbūt; bet ChatGPT taip pat galėtų būti mokytojo draugas.

 

Lengviau įžvelgti grėsmę. Vartotojai gali paprašyti Chatgpt palyginti Miltoną Friedmaną su Paulu Samuelsonu, ir bus sukurta penkių punktų santrauka, priešpastanti jų nuomones. Paprašykite jos sukurti repą apie Friedmaną ir jame pateikiamos tokios eilutės: „Jis buvo ekonomistas, turintis unikalią viziją / Spjaudė tiesa apie laisvąsias rinkas tiksliai“. Šis rafinuotumas ir kūrybiškumas kelia nerimą daugeliui mokytojų ir mokyklų. Niujorko valstybinės mokyklos, didžiausias Amerikos mokyklų rajonas, sausio mėnesį uždraudė ChatGPT, o gegužę sprendimą atšaukė. Kai kurie užsienio universitetai uždraudė jį naudoti.

 

„Iš pradžių… visi galvojo, kad dangus griūva“, – sako Jonathanas Torresas, Konektikuto Kvinipiaco universiteto anglų kalbos docentas. Jis taip pat rengia mokytojus Kvinipiakui ir teigia, kad dirbtinis intelektas gali paskatinti juos tapti geresniais. Pavyzdžiui, prieš prasidedant ChatGPT, ekonomikos mokytojas gali paprašyti mokinių parašyti esė, apibūdinančią keinsizmą. Naudodamas ChatGPT, kaip parinktį, mokytojas gali paprašyti mokinių įvertinti ir peržiūrėti pokalbių roboto atsakymą į tą patį klausimą – tai yra sunkesnė užduotis. AI turi kitų praktinių panaudojimo būdų mokytojams. Jie gali padėti rašyti pamokų planus ir darbalapius skirtingais skaitymo lygiais ir net skirtingomis kalbomis. Jie taip pat gali sutrumpinti laiką, praleistą, atliekant pareigas, pavyzdžiui, rašant rekomendacinius laiškus, kurie suryja laiką, kurį būtų galima skirti mokymui.

 

Kai kurios organizacijos žengia dar toliau. Ne pelno siekianti švietimo įstaiga „Khan Academy“ neseniai pradėjo bandomąjį „Khanmigo“ – virtualų vadovą, kuriame naudojamas GPT-4, naujausias „ChatGPT“ naujinimas, skirtas padėti mokiniams ir mokytojams. Jei mokiniai gauna neteisingą atsakymą į matematikos uždavinį, pokalbių robotas padeda jiems patiems jį išspręsti. Mokslo srityje programa vertina atviruosius klausimus. Anglų kalbos pamokose mokiniams užduodami klausimai apie jų esė. Ir istorijoje mokinys gali diskutuoti su robotu, kad pasiruoštų diskusijai klasėje.

 

Programa suteikia mokytojams ataskaitą apie savo mokinių veiklą. Khanmigo gali padėti mokytojams rengti pamokas ir vėliau patikrinti mokinių žinias. Jis gali padėti mokiniams, kalbantiems įvairiomis kalbomis. Tai netgi leidžia mokiniams „pasikalbėti“ su istorinėmis asmenybėmis ar literatūros personažais naudojant modeliavimą. „Tai suteikia mums galimybę suteikti kiekvienam mokiniui individualų dėstytoją, kiekvienam mokytojui mokytojo padėjėją ir dar daugiau“, – sako Khan akademijos įkūrėjas Sal Khanas.

 

Tiems, kurie atsakingi už mokyklų ir kolegijų administracijas, nauda yra aiškesnė. Davidas Harrisas, Union College, laisvųjų menų koledžo Niujorke prezidentas, nusprendė pažaisti su ChatGPT. Jis paprašė parašyti laišką, kuriame būtų pranešta, kad kolegija po pavasario semestro nebereikalaus COVID-19 revakcinacijos. Rezultatai buvo pakankamai geri, kad galėtų parodyti pavyzdžius kiekvienam savo vyresniajam personalui – laišką studentams apie savo komunikacijos direktoriaus universiteto talismano pakeitimą, Instagram įrašą universiteto miestelio nuotraukoms pavasario atostogų metu, paskutinį įspėjimą darbuotojui, kuris nuolat vėluoja, žmogiškiesiems ištekliams.

 

Dr Harris džiaugiasi, ką visa tai gali reikšti kolegijos išlaidoms. Daugelis universitetų, įskaitant Union College, Stanfordo universitetą ir kitus, kitais metais mokės apie 80 000 dolerių per metus už mokslą, kambarį ir maitinimą. 2021 m. vidutinės namų ūkių pajamos Amerikoje buvo 71 000 dolerių. Kolegijos administracija Amerikoje išsipūtė. AI galėtų panaikinti kai kurių šių darbų poreikį ir, galbūt, leisti kolegijoms perleisti sutaupytas lėšas studentams. „ChatGPT“ galėjo nužudyti kolegijos esė, bet su visomis savo galimybėmis klasėje ir už jos ribų, galbūt, tai yra gerai." [1]

 

Tai kaip čia dabar išeina? Universitetinis išsilavinimas atpigs? Bankai negalės taip lobti, kaip iki šiol, iš valstybės garantuotų paskolų studentams? Juk mūsų valstybė egzistuoja tik tam, kad Skandinavijos bankams, Lietuvos konservatoriams ir liberalams būtų gerai. ChatGPT griauna mūsų valstybės pagrindus.

1. "Kaip ChatGPT galėtų padėti mokytojams ir sumažinti koledžo išlaidas." „The Economist“, 2023 m. birželio 17 d., p. NA.