महासागर बैक्टीरिया एक अप्रत्याशित बहुकोशिकीय रूप प्रकट करते हैं

अपनी आँखें बंद करो और बैक्टीरिया की कल्पना करो। शायद आप हमारी आंतों का चित्र बना रहे हैं Escherichia कोलाई, या स्टैफिलोकोकस की चमकदार सुनहरी गेंदें, या लाइम रोग स्पाइरोकेट्स के कॉर्कस्क्रूइंग रिंगलेट्स। प्रजातियों और उसके आकार के बावजूद, संभावना है कि आपके दिमाग की आंख एक एकल कोशिका, या शायद कई मुक्त-जीवित कोशिकाओं से बनी हो।

इस छवि के साथ समस्या, माइक्रोबायोलॉजिस्ट कहते हैं जूलिया श्वार्ट्जमैन, यह है कि यह प्रतिबिंबित नहीं करता है कि अधिकांश जीवाणुओं के कैसे रहने की संभावना है। अक्सर, बैक्टीरिया चिपचिपे अणुओं का उपयोग करके स्वयं को एक सतह पर टिकाते हैं, जिसमें वृद्धि होती है बड़े, स्थिर सामूहिक बायोफिल्म कहा जाता है। आपके दांतों पर पट्टिका एक बायोफिल्म है; इसी तरह कैथेटर पर संक्रमण, तालाब के मैल का घिनौना हरा और आपके बाथटब नाली को बंद करने वाला गन भी है।

लेकिन श्वार्ट्जमैन का हालिया काम, जिसे उन्होंने प्रयोगशाला में पोस्टडॉक्टरल फेलो के रूप में संचालित किया ओटो कोर्डेरो मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में, यह दर्शाता है कि खुले समुद्र में तैरने वाले बैक्टीरिया भी, जिनमें बड़े समूह बनाने के लिए एक लंगर बिंदु की कमी होती है, बहुकोशिकीय रूपों में मौजूद होते हैं।

"हमने इन संरचनाओं को देखा जो अविश्वसनीय थे," उसने कहा।

जैसा कि श्वार्टज़मैन, कोर्डेरो और उनके सहयोगियों ने अपने में दिखाया था हाल ही में कागज में वर्तमान जीवविज्ञान, ये बहुकोशिकीय रूप उत्पन्न हुए क्योंकि बैक्टीरिया ने एक जीवन चक्र विकसित किया जो आमतौर पर एककोशिकीय जीवों की तुलना में कहीं अधिक जटिल होता है।

रात के खाने के लिए कंपनी

श्वार्टज़मैन इन खोजों में समुद्री बैक्टीरिया में बहुकोशिकीयता के बारे में कुछ और मौलिक सीखने की कोशिश करते हुए आए: वे कैसे खाते हैं।

खुले समुद्र में, अक्सर समुद्री रोगाणुओं के लिए एकमात्र ऊर्जा स्रोत एक जिलेटिनस कार्बोहाइड्रेट होता है जिसे एल्गिनेट कहा जाता है। ग्लूकोज, फ्रुक्टोज और अन्य साधारण शर्करा के विपरीत, जो आसानी से एक कोशिका झिल्ली को पार कर सकते हैं, एल्गिनेट लंबे, कुंडलित किस्में से बना होता है जो अक्सर उन पर खाने वाले बैक्टीरिया से बड़े होते हैं। श्वार्ट्जमैन इस बारे में अधिक जानना चाहता था कि बैक्टीरिया कैसे कुशलता से दावत देते हैं, क्योंकि पाचन एंजाइम जो वे एल्गिनेट को तोड़ने के लिए स्रावित करते हैं, उन्हें आसानी से पतला किया जा सकता है और खुले समुद्र के पानी में बह सकता है।

इसलिए उसने और अली इब्राहिमी, कोर्डेरो की प्रयोगशाला में एक और पोस्टडॉक, ने ल्यूमिनसेंट समुद्री जीवाणु के विकास को मापना शुरू किया विब्रियो स्प्लेंडिडस एल्गिनेट से लदे गर्म शोरबा के फ्लास्क में। कई सूक्ष्म जीव विज्ञान प्रयोगों में, वैज्ञानिकों ने कोशिकाओं को जल्द से जल्द विभाजित करने के लिए प्रोत्साहित करने के लिए पोषक तत्वों के एक स्मोर्गसबॉर्ड के साथ रोगाणुओं को प्रदान किया, लेकिन श्वार्ट्जमैन और इब्राहिमी के फ्लास्क ने विब्रियो बैक्टीरिया अपेक्षाकृत कम मात्रा में बड़े आकार के एल्गिनेट पॉलिमर पर निर्वाह करने के लिए, जैसे वे समुद्र में करते हैं।

फिर भी जब श्वार्ट्जमैन ने डेटा एकत्र करना शुरू किया, तो उसने सोचा कि उसने एक धोखेबाज़ गलती की है। जैसे ही बैक्टीरिया गुणा करते हैं, वे स्पष्ट, एम्बर-रंगीन संस्कृति शोरबा को एक नकली स्टू में बदल देते हैं। अस्पष्टता को मापकर, श्वार्ट्जमैन फ्लास्क में रोगाणुओं की संख्या को एक्सट्रपलेशन कर सकता है और यह अनुमान लगाने के लिए विकास वक्र का निर्माण कर सकता है कि कोशिकाएं कितनी तेजी से विभाजित हो रही थीं। बैक्टीरियोलॉजिस्ट दशकों से इस तरह विकास दर का अनुमान लगाते रहे हैं। एक पोस्टडॉक के रूप में, श्वार्ट्जमैन ने यह गिनती खो दी थी कि उसने वर्षों में कितनी बार ऐसा किया था।

उसके लिए विकास वक्र विब्रियो हालाँकि, संस्कृतियों ने सामान्य रूप से आसानी से उठने वाली रेखा नहीं दिखाई, बल्कि एक रोलर कोस्टर के ट्रैक की तरह ऊबड़-खाबड़ स्क्वीगल दिखाया। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि उसने इस प्रक्रिया को कितनी बार दोहराया, बैक्टीरिया ने शोरबा में अपेक्षित बादल पैदा नहीं किया।

एक माइक्रोस्कोपिक स्नो ग्लोब

यह जांचने के लिए कि क्या चल रहा था, श्वार्ट्जमैन ने एक ग्लास माइक्रोस्कोप स्लाइड पर संस्कृति समाधान की एक छोटी बूंद जमा की और लेंस के माध्यम से 40 गुना आवर्धन पर देखा। उसने और इब्राहिमी ने जो देखा वह व्यक्ति का झुंड नहीं था विब्रियो बल्कि एक साथ रहने वाले सैकड़ों या हजारों बैक्टीरिया से युक्त सुंदर, स्तरित आभूषण।

"यह सिर्फ बैक्टीरिया का एक बूँद नहीं था," श्वार्ट्जमैन ने कहा। "यह एक गोलाकार चीज है, और आप कोशिकाओं को बीच में मिलाते हुए देख सकते हैं।"

आगे के काम से पता चला कि खोखले गोले थे विब्रियोसमुद्र में खाने की जटिल चुनौती का समाधान। एक व्यक्तिगत जीवाणु केवल इतना ही एंजाइम उत्पन्न कर सकता है; जब विब्रियो एक साथ क्लस्टर कर सकते हैं। यह एक जीत की रणनीति है, श्वार्ट्जमैन कहते हैं - एक बिंदु तक। अगर बहुत सारे हैं विब्रियो, बैक्टीरिया की संख्या उपलब्ध एल्गिनेट से आगे निकल जाती है।

बैक्टीरिया ने एक अधिक जटिल जीवन चक्र विकसित करके पहेली को हल किया। बैक्टीरिया तीन अलग-अलग चरणों में रहते हैं। सबसे पहले, एक व्यक्तिगत कोशिका बार-बार विभाजित होती है और बेटी कोशिकाएं बढ़ते हुए गुच्छों में घिर जाती हैं। दूसरे चरण में, गुच्छेदार कोशिकाएं खुद को एक खोखले गोले में पुनर्व्यवस्थित करती हैं। सबसे बाहरी कोशिकाएं खुद को आपस में चिपका लेती हैं, जो एक सूक्ष्म बर्फ ग्लोब की तरह कुछ बनाती हैं। अंदर की कोशिकाएं अधिक गतिशील हो जाती हैं, जैसे-जैसे वे फंसे हुए एल्गिनेट का उपभोग करती हैं, तैरती रहती हैं। तीसरे चरण में, भंगुर बाहरी परत टूट जाती है, चक्र को नए सिरे से शुरू करने के लिए अच्छी तरह से खिलाई गई आंतरिक कोशिकाओं को मुक्त करती है।

प्रभाव में, विब्रियो प्रत्येक चरण में अपने व्यवहार को नियंत्रित करने के लिए विभिन्न जीनों का उपयोग करने वाले बैक्टीरिया के साथ कोशिकाओं का एक विषम मिश्रण बन जाता है। चूंकि कोशिकाएं संरचना में अपने पड़ोसियों के साथ बातचीत करती हैं, जो उभरती है वह "जटिलता की एक आश्चर्यजनक मात्रा" है, श्वार्टज़मैन ने कहा, जो जनवरी में दक्षिणी कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय में अपनी प्रयोगशाला लॉन्च कर रहा है। "बैक्टीरिया लगातार अपने पर्यावरण से जानकारी ले रहे हैं, और कभी-कभी वे ऐसे तरीकों से प्रतिक्रिया करते हैं जो पर्यावरण को बदलते हैं।"

यह जटिलता इसके लिए भुगतान करती है विब्रियो कई मायनों में। एक बहुकोशिकीय चरण को शामिल करने के लिए अपने जीवन चक्र को बदलकर, बैक्टीरिया एल्गिनेट को कुशलता से पचा सकते हैं: उनकी संख्या बढ़ जाती है, और खोखला खोल एंजाइमों को केंद्रित करने में मदद करता है। इस बीच, समुदाय की संरचना बहुत अधिक कोशिकाओं को पैदा होने से रोकती है। खोल में कोशिकाएं पुनरुत्पादन का अवसर खो देती हैं, लेकिन उनका डीएनए अगली पीढ़ी में वैसे भी रहता है, क्योंकि कक्षा में सभी कोशिकाएं क्लोन होती हैं।

बहुकोशिकीयता कितनी सामान्य है?

काम "एक सुंदर कागज" है, के अनुसार जोर्डी वैन गेस्टेल, जो यूरोपीय आणविक जीवविज्ञान प्रयोगशाला में माइक्रोबियल विकास के विकास का अध्ययन करता है और अनुसंधान में शामिल नहीं था। वैन गेस्टेल का कहना है कि परिणाम इस विचार को बल देते हैं कि, अपवाद होने से बहुत दूर, माइक्रोबियल समूह रहना आदर्श है।

"यह इस तरह के सरल बैक्टीरिया में जीवन चक्र की जटिलता को खूबसूरती से दिखाता है," उन्होंने कहा।

अनाहित पेनेस्यानऑस्ट्रेलिया में मैक्वेरी विश्वविद्यालय के एक माइक्रोबायोलॉजिस्ट का कहना है कि श्वार्ट्जमैन और कोर्डेरो का काम बैक्टीरिया के बारे में पूर्व धारणाओं के लिए एक उपयोगी चुनौती पेश करता है। "यह हमारी समझ में उत्कीर्ण है कि एक सूक्ष्म जीव केवल एक कोशिका है," उसने कहा, और इसके परिणामस्वरूप, शोधकर्ता अक्सर जटिल व्यवहार की तलाश नहीं कर रहे हैं जो माइक्रोबियल जीवन पर हावी हो सकते हैं। "यह एक पौधे के बीज या बीजाणु को देखने जैसा है और यह अनुमान लगाने की कोशिश कर रहा है कि पूरा पौधा कैसा है।"

नई विब्रियो खोज उन रोगाणुओं की बढ़ती सूची में जुड़ जाती है जो अपने जीवन के कम से कम हिस्से के लिए बहुकोशिकीय बन सकते हैं। पिछले साल, जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने बताया कि उनकी प्रयोगशाला में एककोशिकीय खमीर विकसित हुआ है विशाल बहुकोशिकीय रूप सिर्फ दो साल में। और अक्टूबर में, जापान में शोधकर्ता उनकी खोज की घोषणा की बैक्टीरिया जो गुफाओं की दीवारों पर बहुकोशिकीय संरचनाओं में विकसित होते हैं; जब चट्टानें भूमिगत धाराओं द्वारा विसर्जित की जाती हैं, तो संरचनाएं अन्य स्थानों पर उपनिवेश बनाने के लिए बीज जैसे विशेष कोशिकाओं को बाहर निकालती हैं।

श्वार्टज़मैन और वैन गेस्टेल दोनों का मानना ​​है कि बहुकोशिकीयता की क्षमता जीवन के इतिहास में जल्दी विकसित हुई और बैक्टीरिया के प्राचीन चचेरे भाई, आर्किया के साथ साझा की जाती है, जो एककोशिकीय भी लगती है। उन्हें लगता है कि यह केवल कुछ समय की बात है जब तक कि शोधकर्ता समान गुणों वाली अन्य प्रजातियों को नहीं ढूंढते - और श्वार्ट्जमैन ने पहले ही देखना शुरू कर दिया है।

जेम्स शापिरो, शिकागो विश्वविद्यालय से एक सेवानिवृत्त सूक्ष्म जीवविज्ञानी, को इसमें कोई संदेह नहीं है कि वह इसे ढूंढ लेगी।

1980 के दशक की शुरुआत में, शापिरो और अन्य सूक्ष्म जीव विज्ञान प्रकाशक जैसे बोनी बस्लर प्रिंसटन विश्वविद्यालय ने दिखाया कि अच्छी तरह से अध्ययन किए गए बैक्टीरिया की एकल-कोशिका वाली जीवन शैली अक्सर कृत्रिम फ्लास्क वातावरण की एक कलाकृति थी जिसमें वे उगाए गए थे। में एक 1998 लेख में सूक्ष्म जीव विज्ञान की वार्षिक समीक्षा, शापिरो ने तर्क दिया कि बैक्टीरिया एककोशिकीय कुंवारे नहीं हैं। "मैं इस निष्कर्ष पर पहुंचा कि मूल रूप से सभी बैक्टीरिया बहुकोशिकीय जीव हैं," उन्होंने कहा।

अपने चार दशक के करियर में, शापिरो ने अपनी परिकल्पना को लगभग विधर्मी से असंगत में बदल दिया। उन्होंने कहा, "पहले तो मैं सिर्फ चकित रह गया, लेकिन अब यह पारंपरिक ज्ञान बन गया है।" "बहुकोशिकीयता बैक्टीरिया की एक अंतर्निहित संपत्ति है।"

संपादक का नोट: कोर्डेरो माइक्रोबियल इकोसिस्टम के सिद्धांतों पर सिमंस सहयोग के सह-निदेशक हैं। श्वार्ट्जमैन, कोर्डेरो और उनके सहयोगियों के शोध को सिमंस फाउंडेशन के सहयोग से समर्थन मिला, जो इस संपादकीय स्वतंत्र पत्रिका को भी प्रायोजित करता है।