Wilki pomagają rosnąć lasom, staruszki ratują trzmiele, a wieloryby zwiększają liczebność ryb, chociaż je zjadają. Powiązania między organizmami różnych gatunków są subtelne i zaskakujące. Ba, my sami zrośliśmy się kiedyś z bakteriami i wirusami, z którymi stanowimy dziś jedność.
W Oziorsku, w rosyjskim obwodzie czelabińskim, w pobliżu dawnych fabryk plutonu, radioaktywne cząsteczki wciąż krążą w wodzie i w glebie. Miejscowi skarżą się tam często na chroniczne bóle, przemęczenie oraz kłopoty z krążeniem, trawieniem i odpornością. Lekarzom jednak nie udało się odnaleźć jednoznacznych związków między nękającymi ludność schorzeniami a promieniowaniem. Nie wykryli u pacjentów typowych nowotworów wywoływanych przez radioaktywność. Ponieważ choroby nie spełniały kryteriów diagnostycznych, pacjenci odprawiani byli z kwitkiem, przez co oczywiście czuli się lekceważeni i zdradzeni.
O dziwnych dolegliwościach mieszkańców Oziorska opowiedziała na konferencji w Santa Cruz prof. Kate Brown, badaczka spustoszonych przez radioaktywność miejsc. Słuchająca jej wystąpienia mikrobiolożka Margaret McFall-Ngai nagle rozpoznała opisywane symptomy. Z każdym z nich zetknęła się w trakcie własnych prac. Badaczki połączyły siły i wspólnie rozwiązały zagadkę: okazało się, że choć dawki promieniowania były w Oziorsku zbyt niskie, by wywoływać nowotwory u ludzi, wystarczały na powodowanie mutacji u ich bakterii jelitowych. Chorowały więc bakterie i przez to cierpieli ludzie.
Oprócz tego, że jest to piękny przykład na współpracę między naukowcami z odległych dziedzin, mamy tu także świetnie odmalowaną siłę symbiozy pomiędzy różnymi gatunkami. Bo czy można sobie wyobrazić bliższą więź niż chorowanie na cudzą chorobę?
Zrośnięci z roślinami
Kiedy uczyliśmy się w szkole o symbiozie, koronnym jej przykładem były porosty. To absolutne arcydzieła ewolucyjnego splątania losów. Ich ciało, czyli plecha, składa się z komórek glonów (lub sinic) rosnących wśród strzępków grzyba. Ani grzyb nie może żyć bez swojego partnera, który zapewnia mu pokarm dzięki fotosyntezie, ani partner bez grzyba. To spotkanie dwóch światów, dwóch królestw życia. Grzyby nie są ani roślinami, ani zwierzętami, choć do tych ostatnich trochę im bliżej. Glony (rośliny) czy sinice (bakterie) są słabiej z nimi spokrewnione niż my. A jednak w dziejach ewolucji tak się dogadali, że teraz nie tylko żyć bez siebie nie mogą, ale jako organizm kompozytowy są czymś więcej niż sumą podstawowych składników. Porosty potrafią przetrwać w każdych niemal warunkach. W zamian za produkty fotosyntezy grzyb dostarcza wspólnikowi strukturę, na której można żyć, i minerały wyciągane z podłoża. Jego enzymy potrafią rozpuszczać skałę, dzięki czemu niektóre porosty mogą przetrwać nawet w głębi kamiennych brył, między okruchami. Zwykle porosty są pionierami przyrody, pierwszymi osadnikami na nagich skałach smaganych polarnym lub górskim wiatrem albo wypalanych słońcem pustyni. Dopiero kiedy one się zadomowią, a stworzona i związana przez nie powierzchniowa warstwa zacznie przypominać niewyraźny zwiastun pierwszej gleby, dołączyć do nich mogą mchy, a później trawy. Pierwsze są jednak porosty, właśnie dzięki swojej dwoistej naturze.
Nie tylko grzyby wpadły na pomysł, by trwale związać się z komórkami roślin. Niektóre wolno żyjące płazińce i morskie ślimaki, a także promienice i małże mają pod powierzchnią ciała jednokomórkowe glony zwane zooksantellami, których talent do fotosyntezy zapewnia gospodarzom dodatkowy pokarm w zamian za transport i ochronę. Wśród organizmów morskich najbardziej znany jest układ symbiotyczny łączący zooksantelle z osiadłymi koralowcami. Podobnie jak w innych przypadkach jednokomórkowe glony dostarczają swoim zwapniałym towarzyszom pożywienia i energii uzyskanych w procesie fotosyntezy. W zamian za to mieszkają pod osłoną ich pancerzyków i korzystają z obfitych źródeł substancji odżywczych uwalnianych do środowiska przez żerujące koralowce. W zależności od potrzeby koralowce kontrolują liczbę komórek zasiedlających je glonów. Mogą je zjadać lub całkowicie się ich pozbyć, czyli przez jakiś czas potrafią bez nich funkcjonować, ale na dłuższą metę glony są im niezbędne. Właśnie takie pozbywanie się symbiotycznych glonów w stresowej sytuacji prowadzi do blaknięcia raf koralowych. Koralowce reagują w ten sposób na zbyt wysoką temperaturę, zanieczyszczenia i nadmierne nasłonecznienie. Pozbywszy się zooksantelli, koralowce zaczynają powoli głodować, ale jeśli niekorzystne warunki miną, większość z nich jest w stanie z powrotem dojść do siebie, wyhodować nowe glony i żyć. Ostatni światowy epizod blaknięcia raf koralowych trwał od 2014 do 2017 r. Wprawdzie już się zakończył i koralowce powoli dobrzeją, jednak na dłuższą metę perspektywy są ponure – naukowcy oceniają, że Wielka Rafa Koralowa u wybrzeży Australii, największa na Ziemi pojedyncza struktura wytworzona przez żywe organizmy, będzie pierwszym ekosystemem bezpowrotnie zniszczonym w wyniku działalności człowieka. A to wszystko przez zaburzenie symbiotycznego układu dwóch niespokrewnionych ze sobą organizmów.
Wirus myślenia
Symbiotyczne zależności sięgają jednak znacznie głębiej. W 1967 r. młoda pracowniczka Wydziału Biologii Boston University opublikowała na łamach „Journal of Theoretical Biology” artykuł O pochodzeniu komórek mitotycznych. Nie dość, że przed publikacją jej tekst był odrzucony przez kilkanaście innych czasopism, to jeszcze przez kolejne 10 lat prawie nikt nie zwrócił na niego uwagi. Tymczasem okazać się miało, że był to jeden z najważniejszych artykułów w całej XX-wiecznej historii nauk biologicznych. Teoretyczna biolożka, która go napisała, nazywała się Lynn Margulis (choć w momencie publikacji nosiła jeszcze nazwisko swego pierwszego męża, Carla Sagana) i była jedną z najpotężniejszych postaci w historii nauki, a fakt, że nie dostała Nagrody Nobla, można uznać za kompletną kompromitację szwedzkiej Akademii.
Autorka zamieściła w tekście podstawy swojej teorii, wedle której pewne elementy komórek tworzących nasze ciała wcale nie zawsze były nasze. Albo raczej – wcale nie zawsze były nami.
Komórki zarówno zwierzęce, jak i roślinne zawierają zwykle kilka stałych elementów. W naszych komórkach (poza czerwonymi krwinkami, które u ssaków nie zawierają jądra) mamy zatem jądro komórkowe, w którym przechowujemy materiał genetyczny, oraz organelle – wśród nich mitochondria. Mitochondria wytwarzają dla nas energię i podobnie jak w jądrze znajduje się w nich materiał genetyczny w formie kwasów DNA i różnych rodzajów RNA. Gdybyśmy byli rośliną lub roślinopodobnym pierwotniakiem, kwasy nukleinowe mielibyśmy jeszcze w trzecim typie organelli, czyli w plastydach, z których najbardziej znane to chloroplasty odpowiadające u większości roślin za fotosyntezę.
Otóż artykuł Margulis zawierał argumenty przemawiające za tym, że mitochondria i plastydy pojawiły się w komórkach roślin i zwierząt jako symbiotyczne bakterie, które w toku ewolucji utraciły samodzielność i nierozerwalnie związały swoje istnienie z naszym. Pamiątką po ich niezależności jest to, że w obrębie danej komórki wciąż potrafią się samodzielnie rozmnażać, a ich genomy zawierają własne geny, bardziej przypominające bakteryjne niż nasze.
Zastanówmy się przez moment, co to znaczy: w najgłębszym rdzeniu swojego jestestwa nie jesteśmy sami sobą! Owszem, jesteśmy sobą, ale z pewnością nie sami. Nie jestem człowiekiem, w którego brzuchu żyją bakterie i po którego skórze łażą sobie jakieś roztocza i inni pasażerowie na gapę. Jestem także nimi. Moje komórki nie byłyby sobą, gdyby nie przedstawiciele innych gatunków. Prawdziwe „ja” jest zbiorowością wielu organizmów – zarówno moje, jak i Wasze, Drodzy Czytelnicy.
Myślę, że w historii były trzy osoby, które odegrały najważniejszą rolę w uświadomieniu nam, kim jesteśmy. Kopernik pokazał, że nie jesteśmy środkiem wszechświata. Darwin zadał naszej pysze kolejny cios, dowodząc, że nie jesteśmy nikim wyjątkowym nawet tutaj, że wszystkie inne organizmy to nasi krewni i że podlegamy tym samym prawom i mechanizmom co reszta ożywionego świata. A Margulis ujawniła, że jesteśmy zbiorowiskami różnych gatunków tworzącymi jedną, ale nie pojedynczą istotę – holobiontami. Lynn Margulis ukuła ten termin w 1991 r., posługując się starogreckim rdzeniem ὅλος (hólos) oznaczającym całość lub pełnię.
Ale… no właśnie. Nawet podział obecnych w naszych komórkach genów na „nasze, ludzkie” w jądrze komórkowym i „też nasze, ale bakteryjne” w mitochondriach nie jest ścisły. Splątanie sięga jeszcze głębiej.
W rzeczywistości to, że mogę w tej chwili pisać, a wy kilka miesięcy później możecie to czytać, prawdopodobnie zawdzięczamy wirusom, które wbudowały się do naszego DNA. W styczniu 2018 r. w czasopiśmie „Cell” ukazały się dwa artykuły opisujące ewolucję genu Arc, którego białkowy produkt w ludzkim mózgu umożliwia prawidłowe działanie synaps, czyli połączeń między komórkami nerwowymi. Nie wdając się w molekularne szczegóły, wystarczy powiedzieć, że sposób funkcjonowania tego genu i kodowanego przezeń białka wskazuje na jego wirusowe pochodzenie. Innymi słowy, miliony lat temu jakiś wirus zaatakował naszych przodków i dziś zawdzięczamy mu takie, zdawałoby się, ludzkie cechy, jak świadomość i pamięć długoterminowa. Co więcej, przegląd artykułów opublikowany w tym samym czasopiśmie dwa lata wcześniej wykazuje, że od 40 do 80% ludzkiego genomu pochodzi z dawnych inwazji wirusowych. Czyli wirusy włączyły się do naszego DNA, a następnie w toku ewolucji znalazły zastosowanie nie tylko w pracy naszego układu nerwowego, lecz także w układzie odpornościowym i mechanizmach wczesnego rozwoju embrionalnego. Głębiej połączyć się z innym bytem naprawdę już się nie da, choć przyznać należy, że wirusy nie są w zasadzie organizmami w pełnym sensie, tylko opakowanymi fragmentami kwasów nukleinowych powielającymi same siebie. Czasem jest to dla nas bardzo szkodliwe, często obojętne, a bywa, że okazuje się bardzo przydatne.
Jak wilki uratowały rzekę
Gdybyśmy jednak chcieli wznieść się ponad ciasnotę naszych jąder komórkowych, samych komórek czy wreszcie wyjść na zewnątrz naszych ciał, zaczerpnąć tchu i znaleźć szerszą perspektywę, więzi między nami a resztą ożywionego świata ciągną się dużo dalej. Cały świat jest splątany zależnościami ekologicznymi, nie tylko troficznymi, czyli dotyczącymi tego, kto kogo zjada, ale też bardziej subtelnymi.
W pierwotnym znaczeniu tego słowa ekologia jest nauką o powiązaniach organizmów z ich środowiskiem, przy czym inne organizmy również są elementem tego środowiska. Nazwa tej dziedziny pochodzi od greckich słów οἶκος (oikos), czyli „dom” lub „środowisko”, i –λογία (-logia) – „wiedza” lub „badanie”. Kiedy studiowałem ją w ostatniej dekadzie poprzedniego tysiąclecia, wszystko wydawało się w miarę proste. Powiązania troficzne wyglądały tak, że jeśli w którymś roku jest mało żołędzi, to będzie mało leśnych gryzoni. Albo: jeżeli jest w danym roku mało zajęcy amerykańskich (klasyczny przykład z Kanady), to rysie kanadyjskie nie będą miały co jeść, słabo im wyjdzie rozmnażanie, więc w następnym roku będzie mało rysi, dzięki czemu nie będą zjadały zajęcy, czyli się ich zrobi dużo, rysie będą miały co jeść i za rok będzie ich więcej, wyżrą zające, więc będzie ich mało itd. Cykle liczebności wydawały się łatwe do zrozumienia i przewidzenia, ale już wtedy wiadomo było, że kiedy naukowcy głębiej wgryzają się w problem, pojawia się znacznie więcej zmiennych i wszystko robi się bardziej skomplikowane. Ekologia rozumiana jako naukowe dociekanie „co ma piernik do wiatraka” zawsze prowadzi do ustalenia, że jednak jakiś związek między piernikiem a wiatrakiem istnieje i że nic nie jest oczywiste. Teraz, kiedy wiemy więcej, nikt już nie posługuje się tak prostymi modelami i mówi się nie tyle o łańcuchach troficznych, ile o sieciach troficznych. Uświadamiamy sobie, że wszystkie elementy ekosystemów są ze sobą powiązane, podobnie jak jedne ekosystemy z drugimi.
Nieoczywistość tych powiązań jest podstawą popularnej ostatnio koncepcji kaskad troficznych, czyli procesów ekologicznych zaczynających się u szczytu piramidy pokarmowej, których efekty turlają się aż na sam jej dół. Jednym z najbardziej znanych i spektakularnych przykładów są zmiany, jakie w amerykańskim Parku Narodowym Yellowstone wywołała reintrodukcja wilków. Drapieżniki te zostały na początku XX w. całkowicie wytępione i dopiero w roku 1995, po 70 latach nieobecności, wypuszczono w parku kilka osobników. Efekty były zdumiewające. Gdy brakowało szczytowych drapieżników, jakimi są wilki, jelenie kanadyjskie (czyli wapiti) rozmnożyły się tak, że skutecznie zgryzały młode drzewka, przez co znaczne obszary parku były praktycznie łyse. Nieliczne sprowadzone na miejsce wilki oczywiście zaczęły zabijać jelenie, ale przede wszystkim zmieniły ich zachowania, sprawiając, że te starały się unikać otwartych przestrzeni, gdzie łatwiej je upolować – i łyse obszary znów porosły drzewami.
Podobną zależność, nazywaną ekologią strachu, zauważono także w Europie, m.in. w Puszczy Białowieskiej. Drzewa zaczęły odradzać się błyskawicznie – w ciągu sześciu lat ich średnia wysokość w dolinach rzek wzrosła pięciokrotnie, a ogołocone zbocza z czasem zmieniły się w lasy. To sprawiło, że wróciły tam ptaki śpiewające, których populacja w parku gwałtownie się powiększyła. Podobnie stało się również w przypadku bobrów żywiących się nadrzecznymi drzewami. Bobry są ssakami, które najbardziej – po człowieku – zmieniają środowisko. Budując tamy i tworząc rozlewiska, stworzyły środowisko dla wydr, piżmaków, ryb, ptaków wodnych, gadów i płazów, których liczebność też wzrosła. Jednocześnie wilki ograniczyły populację swoich drobniejszych kuzynów, kojotów, przez co w parku zrobiło się więcej zajęcy i gryzoni, co z kolei wpłynęło na wzrost liczebności ptaków drapieżnych, łasic, lisów i gryzoni. Kruki i bieliki amerykańskie zaczęły się pożywiać resztkami wilczych ofiar i także zrobiło się ich więcej, podobnie jak niedźwiedzi, które korzystały z padliny, ale również ze wzrostu obfitości leśnych owoców porastających zregenerowane zarośla. Niedźwiedzie wzmocniły wpływ wilków na wapiti, polując na cielaki.
I wreszcie: wilki wpłynęły nawet na nieożywione elementy krajobrazu, zmieniając bieg rzek. Wzmocnione drzewami i krzewami brzegi mniej były podatne na erozję, dzięki czemu rzeki mają teraz mniej meandrów, ich koryta stały się węższe i powstały nowe zbiorniki w starorzeczach, tworząc nowe habitaty. Nikt się nie spodziewał, że wprowadzając do środowiska tylko jeden kluczowy gatunek, zmieni się nie tylko ekosystem, ale też geografię fizyczną.
Gaja, czyli my
Jeszcze bliższym memu sercu przykładem subtelnych i nieoczywistych powiązań jest wpływ wielorybów i innych waleni na środowisko morskie. Przemysłowe wielorybnictwo XX w. drastycznie zmniejszyło ich liczebność do tego stopnia, że na przykład antarktyczna populacja płetwali błękitnych została zredukowana do jednej tysięcznej stanu z początku wieku. Wraz z zaniechaniem połowów na wielką skalę (głównie dlatego, że przestały być opłacalne), populacje wielkich morskich ssaków zaczęły powoli rosnąć. Jednocześnie okazało się, że liczebność ich ofiar, pomijając wpływ rybołówstwa, rośnie razem z nimi, choć zdawałoby się to przeczyć rozsądkowi. Dopiero kilka lat temu naukowcy zwrócili uwagę na niezwykły pozytywny wpływ wielorybich odchodów na morskie ekosystemy i wszystko stało się jasne. Walenie żerują w morskich głębinach, po czym często defekują przy powierzchni. Wieloryb jest duży, to i jego kupa niemała. W dodatku pełna pożywnych mikroelementów, które dzięki nim trafiają do warstwy powierzchniowej, nawożąc fitoplankton. Ten rozwija się, dostarczając pożywienia zooplanktonowi, który z kolei stanowi pokarm dla ryb. Co więcej, wieloryby – pływając w górę i w dół – mieszają wody, dzięki czemu fitoplankton opadający na dno przynoszony jest z powrotem tam, gdzie dociera światło i może się jeszcze lepiej rozmnażać. Podobnie minerały: ocenia się, że ruch waleni w kolumnie wody odpowiada za mieszanie jej w podobnym stopniu jak wszystkie fale i pływy świata. Czyli, wbrew pozorom, im więcej wielorybów, tym więcej planktonu i ryb.
Dużo jest takich przykładów, ale ja jeszcze ograniczę się do dwóch, bliższych naszemu życiu. Jeden pochodzi z przemysłowej hodowli łososi norweskich. Uważano, że łososiowe monokultury będą bardzo produktywne, ale okazało się, że są one rajem dla pasożytniczych skorupiaków. Zwykle jest ich mało, lecz w jednogatunkowych hodowlach ich liczebność eksploduje, negatywnie wpływając na hodowane ryby. Początkowo próbowano problem rozwiązać lekami i innymi chemikaliami, ale pasożyty szybko stały się na nie oporne i konieczne było hodowanie wraz z łososiami ryb z rodziny wargaczowatych, które zjadają te skorupiaki. Jednak wargaczowate, gdy są młode, żywią się zooplanktonem: widłonogami. Pozyskanie ich z oceanu okazało się nieefektywne, czyli je również trzeba hodować. Dochodzimy więc do ironicznej sytuacji, w której wynaturzona koncepcja monokultur zależy od bioróżnorodności, którą z definicji miała odrzucić. Morskie organizmy potrzebują siebie nawzajem i bez innych nie mogą istnieć.
Już z całkiem ludzkiego podwórka, konkretnie z Wielkiej Brytanii, pochodzi mój ulubiony przykład niespodziewanych więzi pomiędzy organizmami. W połowie XX w. wykryto dziwną zależność między liczebnością samotnych starszych pań w obszarach wiejskich a zagęszczeniem koniczyny. I nie chodzi o to, że samotne damy lubią sadzić kwiatki. Może i lubią, lecz z całą pewnością lubią także hodować koty. Dlatego im więcej takich pań, tym więcej w okolicy kotów. Te – jak wiadomo – lubią polować na myszy (na ptaki też, dlatego nie można kotów wypuszczać, ale to odrębna kwestia). Czyli im więcej kotów, tym mniej gryzoni. Te ostatnie z kolei kopią w ziemi nory, przy okazji niszcząc gniazda trzmieli. Czyli im więcej pań i kotów, tym mniej myszy i tym więcej trzmieli. Trzmiel zaś jest jedynym owadem, którego języczek jest wystarczająco długi, by zapylić koniczynę… Voilà!
Wspomniana wcześniej Lynn Margulis nie zajmowała się wyłącznie życiem na poziomie komórkowym. W latach 70. XX w., wraz z Jamesem Lovelockiem, sformułowała słynną hipotezę Gai. Zgodnie z nią nasza planeta jest żywym organizmem, którego fizyczne i biologiczne procesy są ze sobą ściśle powiązane tak, że utrzymywana jest dynamiczna równowaga. Zasada Gai doskonale ilustruje to, co wciąż odkrywamy. Życie naszej planety tworzy jedną wielką całość na wszystkich poziomach organizacji. I dlatego niszcząc inne gatunki, czym zajmujemy się z coraz większym zapałem, zabijając bioróżnorodność, zabijamy też siebie. Bo nie możemy bez siebie żyć.
Hipotezę Gai traktuję raczej jak metaforę – trudno dowodzić, że Ziemia to prawdziwie samodzielny organizm, wyposażony np. w układ odpornościowy. Choć czasem nie sposób oprzeć się wrażeniu, że podobnie jak mieszkańcy Oziorska cierpią przez chorobę swoich bakterii jelitowych, tak Ziemia zmaga się z chorobą ludzkości – z naszą zachłannością i przerośniętymi ambicjami. Na razie planeta reaguje lekką gorączką.
Czytaj również:
