Viroottista syntyvyyden säännöstelyä
Parissa edellisessä blogissani olen keskustellut älykkyydestä, tietoisuudesta, ja elämää ylläpitävästä informaatiosta. Kerronpa tässä vielä pari esimerkkiä kaikista yksinkertaisimmista elämänmuodoista joka osoittavat älykästä (älyllisen näköistä) käyttäytymistä. Tällaiseltä näyttää esimerkiksi limasienten vaeltelu paikasta toiseen: ne ovat monitumaista soluseinätöntä solulimamassaa joka pystyy siirtymään paikasta toiseen ravintoa etsiessään, hakeutumaan ravinnon perässä labyrinttimaisen sokkelon läpi lyhintä mahdollista reittiä, haarautumaan ”itsensä kanssa” moneen eri suuntaan ja sitten taas kasaantumaan yhteen. Ankeiden aikojen koettaessa tuo solulimaklimppi osaa hakeutua korkealla paikalle ja erilaistua soluseinällisiksi itiöiksi jotka voivat lentää tuulen mukana jonnekin muihin maisemiin.
Myös monet bakteerilajit osaavat käyttäytyä kollektiivisesti ja ”tehdä yhteistyötä”, tavallaan. Ns. ”quarum sensing” mekanismin avulla, eli aistimalla oman lajinsa erittämän signaalimolekyylin määrää, ne voivat hyödyntää ympäristössä olevien lajitovereiden joukkovoimaa. Esimerkiksi monet kasvien pinnoilla elävät lievät patogeenibakteerit käynnistävät patogeenisyysgeeninsä vasta siinä tilanteessa kun niiden määrä ylittää infektioon tarvitun vähimmäismäärän.
Mutta kuinka ollakkaan, jopa virukset osaavat viestitellä keskenään ja reagoida kollektiivisesti niin että ne pystyvät optimoimaan infektiosykliään isäntäsoluissa.
Virusten välinen kemiallinen viestintä on havaittu aivan äskettäin bakteereja infektoivissa viruksissa, eli bakteriofaageissa. Monet bakteriogfaagit voivat käyttäytyä isäntäsoluissaan kahdella eri tavalla: Ne voivat joko aloittaa räväkän lisääntymisen, joka tuottaa nopeasti suuren määrän jälkeläisiä ja johtaa isäntäsolun hajoamiseen ja uusien virusten vapautumiseen ympäristöön. Tätä infektiomuotoa kutsutaan lyyttiseksi infektioksi. Toinen vaihtoehto on lysogeeninen infektio, missä virus ei alakaan lisääntymään, vaan liittyy osaksi isäntäsolun genomia. Se istuu siellä hiljaa, lisääntyy isäntäsolun genomin kopioituessa, ja odottaa jotakin sopivaa tilannetta missä se sitten yllättäen aktivoituu ja aloittaa aktiivisen lisääntymissyklinsä. Lysogeeninen infektio tapahtuu tietyn viruksen tuottaman proteiinin avulla, mutta pitkään on ollut epäselvää, mitkä tekijän säätelevät tämän proteiinin ilmenemistä ja virusinfektion kehittymistä joko lyyttiseksi tai lysogeeniseksi.
Nyt Zohar Erezin ja kumppaneiden julkaisema tutkimus paljastaa ratkaisun tähän kysymykseen (Nature tammik. 26, 2017. 541:488, doi:10.1038/Nature21049.). He osoittavat että phi3T faagi – kuten monet muutkin samaan ryhmään kuuluvat faagit – tuottaa kolmesta proteiinista (aim P, R ja X) koostuvan ”arbitrium” systeemin, jonka avulla ne pystyvät aistimaan ”lajitovereidensa” määrän ympäristössä. Jos tunnistussignaalin (P-proteiini) määrä ympäristössä on alhainen, virukset käynnistävät lyyttisen infektiosyklin. Siinä vaiheessa kun virusten määrä lisääntyy ja signaaliproteiinin määrä kohoaa korkeammaksi (yhtä suureksi kuin paikallinen isäntäsolujen määrä), virukset käynnistävät lysogeenisiä infektioita. Ne piiloutuvat isäntäsolujen genomeihin eivätkä tuhoa isäntäsoluja, vaan jäävät ”odottelemaan” että solut ehtivät lisääntyä niin paljon että jälkeläisillä olisi taas riittävästi uusia isäntiä olemassa. Fiksuja vekkuleita!
Nämä mikrobien käyttäytymistavat näyttävät älykkäille. Näissä on kuitenkin kysymys vain luonnon hienosta toiminnallisuudesta, joka perustuu proteiinien tunnistureaktioihin, geenien säätelyyn, ja lopulta, geneettiseen informaatioon. Ei siis sen kummempaa älykkyyttä, ainakaan nuo bakteerien ja virusten tunnistus- ja aktivoitumisreaktiot – mutta miten lie limasienten laita.
Bakteerit kommunikoivat paitsi kemialiselle tasolla, myös oletettavasti monella fysikaalisella tasolla
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3057284/
Bakteerien äänimaailmaa onkin jo tutkittu kiintoisin tuloksin
https://microbiomemusings.wordpress.com/2016/05/04/are-bacteria-noisy/
Äskettäin todettiin myös ainakin joillakin bakteereilla esiintyvän sähköistä viestintää:
https://www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170112141216.htm
Biofilmin muodostavat bakteerit lähettävät etäällä oleville toisen lajisille bakteereille sähköisiä viestejä, joita vastaan otettuaan kohdebakteerit saattavat tulla biofilmille ja liittyä osaksi bakteeriyhteisöä.
We found that bacteria from one species can send long-range electrical signals that will lead to the recruitment of new members from another species. As a result, we’ve identified a new mechanism and paradigm for inter-species signaling.”
voihan olla että monenkin muotoista viestintää on olemassa erilaisten solujen välillä – mutta voi olla niinkin että näitä viestintämuotoja on vaikea erottaa toisistaan. Nimittäin kemiallinen viestintä ainakin toimii, ja muidenkin ympäristötekijöiden (kuten valon ja lämpötilan, painovoima, jopa magneettikentän) aistiminen ainakin toimii – muitakin lienee, mutta niitä ei vielä tunneta yhtä hyvin. Se erimuotoisten viestintämuotojen erottelu on vaikeaa siksi että nämä kaikki toimivat geenien koodamien proteiinien välityksellä.
Mistä on ”äly” tehty? Siinäpä perin kimurantti asia, kun limasienetkin ”ratkovat toiminnallisia ongelmia”. Mitä onkaan siis äly, älyämmekö sitä?
Jees. Olemme jotenkin asianosaisia ja jäävejä arvioimaan sitä mikä on älykkyyttä, mikä ei — mutta onhan näitä silti kiva pohtia. Tuo ”älyn” erottaminen omaksi erilliseksi ilmiökseen on sillä tavalla ongelmallinen että sekin (oletettavasti) syntyy proteiinien välittämänä hermosolujen toimintana.
Näyttää käytännössä olevan toimivien ratkaisujen mallintamisesta niiden perimään. Miten ne ovat siten kehittyneet lienee monivaiheinen ja pitkäaikainen jatkumo kyseessä.
Niistä tunnistus- ja aktivoitumisreaktioista yms. tulee mieleen ”elottomat” lumi- ja vesipisarat, jotka pudotessaan tasaisesti jakaantuvat ja muotoutuvat kukin yksilöllisesti.
https://www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170112141203.htm
Vuoden tiedeuutinen! Vaikutustaan tehostaakseen virukset, tässä kokeessa isot bakteriofagit, tartuttivat ensin bakteereja. Bakteriofagien asetuttua bakteerisoluun ne alkoivat toimia sisustusarkkitehtina tuhoten ensi töiksi suuren osan bakteerin rakennetta. Bakteerin DNA myös tuhottiin. Sen jälkeen virukset kaappasivat jäljelle jääneen osan bakteerin koneistosta ja järjestivät sen uudelleen tehtaaksi, jonka tehtävänä oli tuottaa uusia virus-sukupolvia.
Virusten bakteerista tekemä tehdas ympäristöineen muistutti oudosti normaaleja eläin- tai kasvisoluja!
Luonnostaan bakteereilta puuttuu monia eläin- ja kasvisolujen rakenteita, erityisesti geneettisen informaation sisältävä tuma sitä ympyröivine kalvoineen. Sisustusarkkitehti-virukset osasivat kuitenkin tehdä kaappaamaansa geenittömään bakteeriin onkaloita, joihin ne sijoittivat omat geeninsä siinä järjestyksessä, missä niitä tarvittiin virustehtaan toimiessa. Virusten bakteerista tekemän järjestelmän toiminta muistutti suuresti eläin- ja kasvisolun tuman toimintaa.
Kun käsitellyssä bakteerissa uusi virussukupolvi oli valmiina, bakteeri repesi ja uudet virukset alkoivat jatkaa infektiotoimintaansa uusissa bakteereissa.
Hienoja tutkimuslaitteita käyttäen tutkijat tulivat ensi kertaa tietoisiksi tämän laatuisesta vuorovaikutuksesta virusten ja bakteerin välillä. Erityisen hämmästyttävää oli se, miten suuresti virusten uudelleenjärjestämä bakteerisolu ympäristöineen muistutti normaalia, paljon käsittelemätöntä bakteeria monimutkaisempaa eläin- tai kasvisolua.
”These compartments enclose all the viral DNA, just as a nucleus does in a plant or mammalian cell,” said Chaikeeratisak, the first author of the paper. ”DNA processes, like replication or transcription, occur inside the compartment while proteins are produced outside the compartment.”
Tuo on todella iso löytö. Pitkän aikaa on jo tiedetty että virukset ohjelmoiat uudelleen isäntäsolujen toimintoja – ja että ne esim. kasvisoluissa tuottavat pikkiriikkisiä kalvorakkuloita joiden sisällä ne lisääntyvät — mutta että ne tuottavat tumakaltaisen rakenteen bakteerien sisällä, se on uusi ja merkittävä juttu!! Kiitos linkistä!! Tämän tapaista aihetta olikin aikomus käsitellä seuraavassa blogissa – palaillaan tähän…
Monen kommunikaatiota, aistimista ja älyä sisältävän ilmiön taustalla on siis geeneihin koodattu informaatio. Pystyisiköhän geneettisiä koodinpätkiä luokittelemaan niiden kompleksisuuden perusteella? Kompleksisuusmittari voisi nimittäin paljastaa jotain tällaisten ilmiöiden taustalta tyyliin ”vähiten kompleksinen koodi on todennäköisesti syntynyt ensin”. Vähiten kompleksinen geneettinen koodi ei mitenkään välttämättä ole sama kuin yksinkertaisimman ilmiasun omaava ilmiö.
Mulla olisi yksi argumentti algoritmisen informaatioteorian käyttämiseksi myös elämän synnyn tutkimisessa. Se vain on aika pitkä perustelu. Mietin vielä laitanko sen tänne.
Jees, kaikkien biologisten ilmiöiden takana ovat erilaiset geenien tai niiden säätelyalueiden sekvenssit. Erilaisten sekvenssien alkuperää ja historiaa selvitetään niin että verrataan eri eliöiden sekvenssejä keskenään – ne jotka ovat yhteisiä useimmille lajeille ovat vanhimpia. Tuo ”yksinkertaisuuden ” hakeminen on sinänsä mielenkiintoinen ajatus, mutta ei oikein toimiva koska ”yksinkertaisuutta” ei voi oikein mitata ainakaan geeneettisestä sekvenssistä, koska se on kaikki binäärikoodia (siis verrattavissa ykkösiin ja nolliin). Mutta jotakin rakenteellista voidaan kuitenkin löytää proteiinirakenteista. Osa proteiineissa käytetyista aminohapoista on nimittäin vanhempia kuin toiset – siis vanhojen aminohappojen käyttö, sekä hyvin säilyneet 3-ulotteiset proteiinirakenteet ovat vanhojen geenituotteiden tunnusmerkkejä. Mutta näiden rakenteiden keskinäisten ikien määrittäminen on varsin vaativaa tutkimustyötä…
Enpä taaskaan ajatellut tarpeeksi pitkälle omaa kommenttiani. Geneettinen sekvenssi on evoluution tuottamaa ja silloin mainitsemani kompleksisuusmittari informaatioteorian mielessä on luultavasti vain ko. sekvenssin pituus. Se toimii binäärikoodille mutta on ehkä triviaali. Argumentti on silloin vain että lyhyempi sekvenssi on todennäköisesti vanhempi jos verrataan jotain vaikka älykkyydeltä tuntuvaa toiminnallisuutta eliöiden välillä ja voitaisiin tarpeeksi hyvin spesifioida ne binäärisekvenssit joita verrataan. Kun omassa päässä on vasara niin näkee kaikkialla nauloja…
Juhani Harjunharja: Mistä on ”äly” tehty?
Vaikea kysymys, miten pääsisi alkuun? Benardin konvektio (klikkaa benard convection ja tee kuvahaku) saattaa antaa vihjeen. Benardin konvektion lukuisat moodit, joista yleisin on kuusikulmio (vrt. nobel 2014, Moser´s), johtuvat reunaehdoista. Reunaehtoja ovat konvektioastian koko, muoto ja sileys, nesteen tai nesteiden tiheys, lisäaineet, lämpövirran kuumuus ja teho, astian pyörittely tai muu liikuttelu jne. Reunaehtojen kanavoitumisella systeemiin on jo Benardin konvektiossa monta eri tapaa, mutta voidaan olettaa, että kaikki reunaehdot kanavoituvat informaatioperäisesti. Informaatio siis ottaa oletettavasti lukuisia kanavoitumisen muotoja, joita myöten kunkin reunaehdon ”viesti” saavuttaa systeemin tuottaen reunaehtosidonnaisen, informaation modifioiman päätetilan.
Tässä on siis poikettu perinteisestä Shannonin ja Kolmogorovin informaatiokäsitteestä ja annettu informaatiolle mielikuvitusta käyttäen uusia ominaisuuksia – aivan Vlatko Vedralin ehdotuksen mukaisesti..
Jos oletetaan, että kaikki maailmankaikkeuden moodit, niin jähmettyneiltä näyttävät kuin vuorovaikutuksellisesti jatkuvasti muuttuvat, ovat ”kokemiensa” reunaehtojen informaatioperäisiä funktioita, on myös ongelman ratkaisu sellainen, olipa sitten ratkaisijana ihminen, Uudenkaledonian varis tai mikrobi. Ongelman itsensä aiheuttama reunaehto tai reunaehtokompleksi yhdessä tilanteen muiden informaatioperäisten reunaehtojen kanssa tuottaa optimaalisesti modifioidun kompleksin, joka siis sisältää ratkaisun.
Nuo reunaehdot ja moodit menevät kovin vaikeaselkoisiksi asioiksi. Pelkistetyin ja perinteisin määritelmä älylle on kyky rantaista ongelmia sellaisissa tilanteisa joita ei ole aikaisemmin kohdannut. Siis luovuus, kekseliäsyys…
Hesarin 8.2. tiede-palstalla on kiinnostava juttu bakteriofaagien käyttämisestä lääketieteessä antibioottien asemasta. Sitä kai on jossain määrin tehty jo pitkään. Kannattaa varmaan lukaista.
Jees, Biologia tarjoaa sekä ongelmat että ratkaisut – siis sekä patogeenit, että hoidot. Vaikka näinhän luonnossa on aina tapahtunut, ja luonnonmukaisessa hoidossa ja paranemisessa. Taudit ja niiden voittaminen osoittavat jotakin lajien välistä tasapainottelua…
Nämäkin bakteerien kyvyt on tunnettu jo ainakin vuosia, mutta nyt tuntuu, kuin niitä alettaisiin kyetä hyödyntämään:
Bakteeri kertoo:
Minut löydettiin kolmenkymmenen kilometrin syvyydestä peruskalliosta kun Thomas Gold ( nerokas fyysikko) oli arvellut minun olevan siellä. En tarvitse lainkaan happea, vaan tulen toimeen rautapitoisilla aineilla, joita kivessä on. Mitenkö saan niitä itselleni? No, käynnistän sisässäni olevan sähkögeneraattorin ja johdan minusta lähtevillä piuhoilla elektroneja kiveen. Tapahtuu vaadittu kemiallinen reaktio.
Nyt minusta kesytetään ihmisen kotieläin hävittämään myrkylliset metalliyhdisteet (jotka ovat mieliruokaani) sekä toimimaan heidän uutena sähkönlähteenään.
http://www.earthtimes.org/scitech/rock-breathing-bacteria-power-microbial-batteries/892/
Toinen bakteeri kertoo:
Minut taas voi löytää 30 km korkeudelta stratosfääristä. Siellä on meitä paljon, miljardeja. Me tuotamme syödessämme sähköä, joka voidaan johtaa elektrodeihin. Meidän sähköisyytemme on tunnettu jo kauan, mutta muutamia vuosia sitten sitä on alettu hyödyntämään.
https://www.sciencedaily.com/releases/2012/02/120221212614.htm
Joitakin meistä on ajautunut alas ilmavirtojen mukana ja kaikkein sähköisimmistä on tehty oikein super-biofilmi. Kuutiometrin määrä tätä super-biofilmiä antaa sähköä teholla 200 joulea sekunnissa! Tämä riittäisi jo antamaan sähkövaloa koteihin, joita ei ole vielä sähköistetty.
Bakteerit ovat todella moninaisia ja monimuotoisia – ja niin ovat myös niiden sovellus- ja hyödyntämismahdollisuudet. Tämäkin on muuten aikamoista älykkyyden osoitusta, sekä bakteerien geneettisen repertuaarin osalta, ja erityisesti, sen ulkopuolisen lajin osalta joka pystyy näitä hyödyntämään!
Jos elämä on kopioituvaa informaatiota, niin informaatio kopioituvasta informaatiosta on jo vähän kuin toinen taso, näyttää älykkyydeltä? Bakteriofaagi toimii niin kuin toimii kopioidakseen omaa informaatiotaan optimaalisesti. Siihen optimaalisuuteen sen on ohjannut evoluutio. Mutta mistä bakteriofaagi on alunperin tullut?
Bakteriofaagit ovat tulleet sieltä mistä kaikki muutkin (tai siis oikeat solulliset) elämänmuodot ovat tulleet: Siitä yhdestä ja samasta elämän synty-prosessista, ja siitä alkumateriaalista evoluution kautta jalostumalla sellaiseksi kuin ne nyt ovat.
Jussi Viitalan maininta ”bakteeriälystä”: http://yle.fi/uutiset/3-9454252
”Nykyään jopa bakteerien tutkijat puhuvat sosiaalisista mekanismeista ja jopa eri lajien kesken. Yhteistyössä ne menestyvät paremmin kuin yksinään. Vanhimmat merkit sinibakteerien sosiaalisista mekanismeista ovat noin 3,7 miljardin vuoden takaa! Sosiaalisuus näyttäytyy näin yhtenä elämän vanhimmista perusilmiönä”
Virusta voi verrata ohjelman pätkään muistitikulla. Mutta millainen on virusten kestävyys solun ulkopuolella. Muistaakseni norovirus säilyy jopa seitsemän viikkoa kodin pinnoilla. Pakastaminen jatkaa virusten ikää. Olisikko viruksista avaruusmatkaajiksi. Voisivako ne matkata jäisen asteroidin mukana aurinkokunnasta toiseen?
Eshel Ben Jacob (R.I.P.)oli pitkällä bakteerien tutkimuksessa. Hän myös valokuvasi bakteerikollektiiveja, jotka muodostivat erilaisia ryhmittymiä, ja teki niistä värien avulla taidetta.
Tässä niitä ja esimerkiksi kuvia limasienen itseorganisaatiosta pullossa
http://www.microbialart.com/2012/01/3d-slime-mold/
Bakteerien ja tietenkin muidenkin mikrobien toimintaa esim. ihmisen hyödyksi voi varmaan monin vielä tuntemattominkin keinoin suuresti säädellä. Yksinkertainen tapa on tarjota niille erästä hunajalaatua:
Uudessa Seelannissa kasvavan manukapuun hunaja, Manukahunaja, voi kumota bakteerien antibioottiresistanssin
https://www.sciencedaily.com/releases/2011/04/110412201713.htm
Pahojen bakteerien kesyttämisessä apuna voivat olla myös muut eläimet, esim. mehiläinen:
Mehiläisen mahasta löydetyt kymmenet maitohappobakteerit ovat esim. hunajaan sekoitettuna osoittautuneet hyviksi laboratoriokokeissa sairaalabakteeria MRSA nujerrettaessa
https://www.sciencedaily.com/releases/2014/09/140908093741.htm
Bakteerit kommunikoivat muodostamissaan biofilmeissä paljon mm. toisiinsa hermostomaisesti kulkevien sähköjohtimien välityksellä.
Biofilmistä voidaan puhua ”mikrobien aivoina”, koska biofilmin sähköiset tapahtumat muistuttavat usein ihmisaivoissa tapahtuvia migreeniin ja epilepsiaan johtavia tapahtumia, ja koska näitä lieventävät lääkkeet tekevät samaa bakteereille.
Bakteerien ja muiden mikrobien kommunikaatiomuotojen tutkimista näyttää riittävän vielä kauan.
”I would remind you of what Joshua Lederberg wrote many years ago: ’Bacteria are communicating all of the time. We just don’t know the frequency,” Martin said. ”Well, at least we are now ’cracking the code.’ And like a microbial Tower of Babel, it is not one frequency, but a chorus of diverse signals and voices…all around us, unnoticed until recently. I look forward to the next Rosetta Stone of microbial communication.”
http://www.sandiegouniontribune.com/business/biotech/
Biofilmi on myös bakteerien tapa vastustaa esim. antibioottien vaikutusta. Jos bakteerit saadaan biofilmistä erilleen, ne tulevat paljon haavoittuvammiksi. Tätä mahdollisuutta koskevat tutkimukset ovat jo käynnissä.
https://www.google.fi/search?q=biofilm&biw=1200&bih=599&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiNw_7z45rSAhUFkSwKHdF5DpgQ_AUIBigB
Mikrobien käyttäytymistavat joissakin tapauksissa todellakin näyttäisivät siltä, että ne parviälyn tapaisesti reagoivat ulkopuolisiin ärsykkeisiin/uhkiin. Jos näin olisi, mikrobien edes jossakin määrin pitäisi olla tietoisia lajikäyttäytymisestä joka auttaa lajia ylläpitämään elämää eli lisääntymään.
Kun valkosolut uhraavat itsensä lukiessasi tätä kommenttia käymällä viruksien ja bakteerien kimppuun niin niiden tarkoituksena ei ole yhteisesti nujertaa tunkeilijat, vaan yksittäinen/yksittäiset solut reagoivat ulkopuolisiin ärsykkeisiin.
Se, että esim. valkosolujen tehtävä on huolehtia kehon vastustuskyvystä johtuu taas niiden erikoistumisesta!
Eli onko siis bakteereilla/ viruksilla yms. mahdollisuutta levittää informaatiota joka auttaa lajia selviytymään: No on, sillä elämä on aina jatkumo ja nykytilanne perustuu aina tilanteeseen mitä tätä hetkeä on aikaisemmin ollut.Vaan sittenkin pitää ottaa huomioon, esim. ihmisikään nähden kaikki tapahtuu kovin hitaasti…
Joo vaikka näennäisesti mikrobien käyttäytymistavat näyttävät älykkäille. Näissä on kuitenkin kysymys vain luonnon hienosta toiminnallisuudesta, joka perustuu proteiinien tunnistureaktioihin, geenien säätelyyn, ja lopulta, geneettiseen informaatioon.
Kyllä, mikrobit eivät ole kovin älykkäitä mutta sitäkin uskomattoman sopeutuvaisia…
Juuri näin: tarkoituksen mukaista, ja lajin säilymistä palvelevaa reagointia ja toimintaa