Bakterielles Deodorant: eine symbiotische Beziehung zwischen Laubfröschen und Pseudomonas-Bakterien

Ein Fluss beginnt mit einem blauen Bach, aber Freundschaft beginnt mit für beide Seiten vorteilhaften symbiotischen Beziehungen zwischen zwei biologischen Einheiten. Unter rauen Bedingungen in freier Wildbahn, wenn die Hälfte der Einwohner Sie essen möchte, hilft ein Lächeln selten. Was aber genau hilft, ist die oben erwähnte Symbiose - eine für beide Seiten vorteilhafte Zusammenarbeit zwischen Individuen verschiedener Arten. Jeder Teilnehmer einer solchen Beziehung erhält etwas Eigenes: Schutz, Nahrung, ein Haus, ein Fahrzeug usw. Aber hier brauchen Laubfrösche der Boana prasina- Art eine Symbiose mit bestimmten Bakterien für Liebesbeziehungen. Heute werden wir die erstaunlichen Beobachtungen von Wissenschaftlern kennenlernen, die herausgefunden haben, dass die Bakterien, die auf der Haut von Fröschen leben, zur Freisetzung eines Duftes beitragen, der für einzelne Geschlechter einzigartig ist und eine wichtige Rolle bei der Suche nach einem Partner und dementsprechend bei der Fortpflanzung spielt. Warum schnüffelten Wissenschaftler an Fröschen, wie riechen sie (Frösche, keine Wissenschaftler) und wie entstand eine so ungewöhnliche Symbiose zwischen Amphibien und Bakterien? Antworten erwarten uns in einem Studiengruppenbericht. Lass uns gehen.

Über Freundschaft in der Natur

Für eine Person ist der Nutzen der Freundschaft normalerweise psychologischer (emotionaler) Natur. Wir lernen neue Leute kennen, beginnen Freunde zu finden und zu kommunizieren, weil es uns einfach Spaß macht. Gleiches gilt für unsere Haustiere. Katzen, Hunde, Hamster, Fische usw. Sie sind Freunde einer Person und eher moralisch als körperlich unterstützt. Obwohl es Menschen gibt, die nach dem Prinzip einer Mutter aus dem Film "Prostokvashino" leben:

- Nun, Sie selbst denken, was nützt diese Katze?
"Nun, warum ist es unbedingt gut?" Was nützt dieses Gemälde zum Beispiel an der Wand?
- Dieses Bild an der Wand ist sehr nützlich - es blockiert ein Loch in der Tapete!

Aber zurück zur Flora und Fauna. In freier Wildbahn (wir werden Symbiose unter kontrollierten Bedingungen nicht in Betracht ziehen) sind Beziehungen zwischen Vertretern verschiedener Arten notwendig, um zu überleben oder ein komfortableres Leben zu führen.


Clownfisch in Anemone.

Ein auffälliges und eines der bekanntesten Beispiele sind Clownfische und Seeanemonen (Seeanemonen). Fische, bei deren Anblick viele so etwas wie "Oh, Nemo!" Ausrufen, die in der Anemone leben, sind immun gegen ihre Knidozyten (stechende / stechende Zellen), aber Raubtiere sind sehr anfällig. Mit anderen Worten, Clownfische leben in einem Haus mit einem elektrischen Zaun. Seeanemonen profitieren auch von einer solchen Nachbarschaft in Form von Nährstoffen aus Fischabfällen (ja, der Ausdruck "neue Beziehungen" für Seeanemonen klingt wörtlich).


Eine weitere ungewöhnliche Symbiose, einige Anemonenarten bilden sich mit Einsiedlerkrebsen.

Aus den Tiefen des Meeres ziehen wir auf eine blühende Wiese. Wen vertreten wir immer neben einer Blume? Natürlich Bienen. Diese Workaholics sammeln Nektar aus Blumen, das heißt, sie erhalten Nahrung. Gleichzeitig fliegen sie von Blume zu Blume und führen eine sogenannte indirekte Bestäubung durch, die den Pflanzen bei der Fortpflanzung hilft. Mit anderen Worten auf die Frage "Was, hast du eine Kerze gehalten?" Die Biene würde bejahen, wonach sie Sie für solche unangemessenen Fragen stechen würde.


Bienen auf einer Sonnenblume.

Neben Bienen helfen auch andere Arten von Insekten (Ameisen, Hummeln, Schmetterlinge usw.) sowie Wirbeltiere (Vögel, Fledermäuse, Nagetiere usw.) den Pflanzen bei der Bestäubung.

Wie wir bereits verstanden haben, sind symbiotische Beziehungen keine Seltenheit. Wir sind eher überrascht von den Teilnehmern an diesen Beziehungen als von der Tatsache ihrer Existenz.

Es ist erwähnenswert, dass Geruch ein chemisches Signal ist, mit dem Sie bestimmte Informationen über seine Quelle erhalten können. Nicht nur Frösche, sondern auch viele Wirbeltierarten nutzen Gerüche, um Informationen auszutauschen. Denken Sie daran, was Katzen tun (besonders oft im Frühjahr) - auf diese Weise informieren sie andere Vertreter ihrer Spezies über ihre Anwesenheit, ihr Recht auf Territorium usw. Wenn wir die Geruchsquellen im Allgemeinen betrachten, gibt es mehrere Hauptquellen:

• primäre (de novo) sekretorische Synthese in bestimmten Drüsen;
• Nebenprodukte der Ausscheidung, dh Sekrete der lebenswichtigen Aktivität des Körpers;
• Nutzung der Umwelt;
• Stoffwechselprodukte symbiotischer Bakterien.

In den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde eine "Theorie der Fermentation" aufgestellt, die besagte, dass symbiotische Bakterien in Säugetieren Proteine ​​und Lipide metabolisieren, die in aromatischen Drüsen gefunden werden. Folglich werden flüchtige Verbindungen hergestellt, die der Träger zur Kommunikation verwendet.


Ein krächzender Tigerfrosch.

Wenn wir über Frösche und Kröten sprechen, dann wurde hier die Hauptmethode zur Übertragung von Informationen (d. H. Kommunikation) immer als Geräusche (akustische Signale) betrachtet. Den Gerüchen wurde jedoch nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt, da sie in diesem Prozess nicht so wichtig waren. Es stellte sich heraus, dass dies alles anders ist. Der Geruch ist nicht nur sehr wichtig für die Übermittlung von Informationen (Geschlechtsbestimmung, Anziehung eines Partners, Schutz vor Raubtieren usw.), sondern entsteht auch mithilfe symbiotischer Organismen, nämlich Bakterien.

Den Wissenschaftlern gelang es herauszufinden, dass das von der Haut der Frösche verborgene Geheimnis organische Sulfide * , Sesquiterpene * und Methoxypyrazine * enthält . Die Quelle dieser chemischen Verbindungen waren Bakterien aus der Pseudomonas- Gruppe, die auf der Haut der untersuchten Personen leben.

Organische Sulfide * - schwefelhaltige Analoga von Ethern.

Sesquiterpene * - eine Gruppe organischer Verbindungen aus der Klasse der Terpene, zu denen Kohlenwasserstoffe von C ₁₅ H ₂₄ bis C ₁₅ H _{32 gehören} .

Methoxypyrazine * sind chemische Verbindungen, die Gerüche erzeugen.

Wie ich bereits erwähnt habe, haben Wissenschaftler Laubfrösche der in der südamerikanischen Region lebenden Boana prasina- Arten als Subjekte ausgewählt. Diese Art hat eine ziemlich lange Fortpflanzungszeit, in der Männchen akustische Signale verwenden und einen sehr starken und charakteristischen Geruch abgeben. Wissenschaftler betonen, dass bereits Studien zur Rolle von Gerüchen bei der sozialen Aktivität von Laubfröschen durchgeführt wurden, die Quelle dieser Gerüche jedoch noch nicht untersucht wurde.

Nachdem wir uns nun mit dem Konzept der Symbiose, den Forschungsteilnehmern und den Zielen der Wissenschaftler vertraut gemacht haben, werden wir uns mit den Ergebnissen der Beobachtungen vertraut machen.

Forschungsergebnisse

Mithilfe von TFME (Festphasen-Mikroextraktion) und GC / MS (Gaschromatographie / Massenspektrometrie) konnten Wissenschaftler feststellen, dass die Zusammensetzung der flüchtigen Sekretion der Haut von Männern und Frauen der Spezies B. prasina etwa 60 bis 80 verschiedene chemische Verbindungen, einschließlich Alkohole und Aldehyde, umfasst , Alkene, Ester, Ketone, Methoxypyrazine, Terpene (Hemiterpene, Monoterpene und Sesquiterpene) und Thioether.


Bild Nr. 1: Vergleich der chemischen Zusammensetzung der flüchtigen Sekretion der Haut von Männern und Frauen von B. prasina.

Bezeichnungen zur obigen Tabelle: Mop - Methoxypyrazine; Het - Hemiterpene; Mnt sind monoterpen; Sqt - Sesquiterpene; Hyc - Kohlenwasserstoffe; Zehen - Thioether; Ethester ; Ket - Ketone; c * - aromatische Verbindungen, die auch in Terrarien vorkommen.


Tabelle Nr. 1: Daten aus einer chemischen Analyse der flüchtigen Sekretion der Haut von Männern und Frauen von B. prasina-Arten.

Gleichzeitig stellte sich heraus, dass der Großteil dieser „duftenden Suppe“ für beide Geschlechter Hemiterpene, Ketone und Alkohole sind (49,9–78,3%).

Wenn wir die chemische Zusammensetzung vergleichen, um ihre Unterschiede bei Männern und Frauen zu bestimmen, werden SQT (Sesquiterpene), TOE (Thioester) und MOP (Methoxypyrazine) unterschieden, was in 2A und 2B zu sehen ist .


Bild Nr. 2: eine vergleichende Analyse der chemischen Zusammensetzung der Sekretion von Männern und Frauen.

Der Doppelgraph 2A basiert auf dem relativen Gehalt an flüchtigen Verbindungen. Die Probendispersionsschwerpunkte sind als Kreis für Frauen und als Dreieck für Männer dargestellt. 2B zeigt den relativen Beitrag jeder Klasse chemischer Verbindungen zu den ersten vier Hauptkomponenten, die bei der PCA-Analyse erhalten wurden (Hauptkomponentenmethode). Die Größe des Kreises gibt den absoluten Wert des Beitrags an, und die Farbe (von rot nach blau) gibt den negativen oder positiven Beitrag an.

Dank der Schaffung der LDA-Funktion (lineare Diskriminanzanalyse) wurde Wissenschaftlern klar, dass es möglich ist, das Geschlecht eines Individuums anhand eines chemischen Profils ( 2C ) zu unterscheiden: Kruskal-Wallis-Test: DF = 1, P = 0,001.

Eine kleine Erklärung der Terminologie in den Daten:

• Das Wort „Interaktion“ bedeutet, dass bei der Analyse der Daten beide Faktoren berücksichtigt wurden - das Geschlecht des Einzelnen und die Methode der Probenahme.
• das Wort "Geschlecht" bezeichnet die Analyse von Daten ausschließlich zur Bestimmung des Geschlechts unter bestimmten Bedingungen der Probenahme;
• in vivo - Analyse an einem lebenden Organismus (nicht an einer entnommenen Probe);
• Probe - Analyse von Hautproben eines lebenden Individuums (getrennt vom Individuum selbst analysiert).

Von den drei charakteristischsten Klassen (TOE, SQT und MOP) waren MOPs (Methoxypyrazine) bei Frauen stärker ausgeprägt als bei Männern. Dies geht aus dem Likelihood-Ratio-Test hervor. Wechselwirkung: χ ² ₁ = 1,20; P = 0,2729; Geschlecht: χ ² ₁ = 12,778; P = 0,0004.

Darüber hinaus war bei Männern die SQT (Sesquiterpene) höher als bei Frauen. Wechselwirkung: χ ² ₁ = 23,817; P <0,0001; Geschlecht (in vivo): χ ² ₁ = 22,933; P <0,0001; Geschlecht (Stichprobe): χ ² ₁ = 1,317; P = 0,2511.

Schließlich zeigte die Analyse der TOE-Daten (Thioester), dass Männer mehr von dieser chemischen Verbindung haben, jedoch nur, wenn sie an einem lebenden Individuum analysiert wurden (in vivo). Wechselwirkung: χ ² ₁ = 10,618; P = 0,0011; Geschlecht (in vivo): χ ² ₁ = 10,9505; P = 0,0009; Geschlecht (Stichprobe): χ ² ₁ = 2.0051; P = 0,1568.

Bei einer detaillierteren Untersuchung der Zusammensetzung von SQT und TOE identifizierten die Wissenschaftler zwei Hauptsubstanzen, die am stärksten exprimiert wurden, nämlich Dihydroedulan II in SQT und C ₆ H ₁₂ S in TOE.

Darüber hinaus beschlossen die Forscher, sich eingehender mit Methoxypyrazinen (MOP) zu befassen, von denen 4 isoliert wurden:

• MOP1 - 2-Isopropyl-3-methoxypyrazin (C ₈ H ₁₂ N ₂ O)
• MOP2 - 3-Isopropyl-2-methoxy-5-methylpyrazin (C ₉ H ₁₄ N ₂ O)
• MOP3 - 2-sec-Butyl-3-methoxypyrazin (C ₉ H ₁₄ N ₂ O)
• MOP4 - 3-sec-Butyl-2-methoxy-5-methylpyrazin (C ₁₀ H ₁₆ N ₂ O)

Bild 3: Daten für alle vier Arten von MPAs bei Männern und Frauen.

Wie aus den Analysedaten ersichtlich ist, ist MOR3 bei Männern sehr ausgeprägt, bei Frauen jedoch nicht, unabhängig von der Analysemethode (Interaktion: χ ² ₁ = 0,1219; P = 0,727; Geschlecht: χ ² ₁ = 49,4548; P <0) 0001).

Im Gegensatz dazu wird MOR4 jedoch stark bei Frauen und nicht bei Männern exprimiert (Interaktion χ ² ₁ = 5,3977; P = 0,0202; Geschlecht (in vivo): χ ² ₁ = 25,5523; P <0,0001; Geschlecht (Probe): χ ² ₁ = 33,1275; P <0,0001).

MOP1 und MOP2 waren bei beiden Geschlechtern eher schlecht vertreten und machten zusammen etwa 0-12,8% der Gesamtzahl der Methoxypyrazine aus.

Wir haben die Daten, Zahlen, Vergleiche von "wer hat mehr" herausgefunden und jetzt zu den interessantesten.

Tatsache ist, dass TOE und MOP chemische Verbindungen sind, die (normalerweise) von Mikroorganismen produziert werden. Daher mussten Wissenschaftler prüfen, ob dies bei Laubfröschen der Fall ist. Es wurden Proben entnommen, aus denen mit der Haut assoziierte Bakterien isoliert, kultiviert und identifiziert wurden.

Aus 128 flüchtigen Metaboliten in Bakterien identifizierten die Wissenschaftler 16, die sich auch in Fröschen befanden. Außerdem wurden 5 Verbindungen identifiziert, die nur in Bakterien gefunden wurden.


Bild Nr. 4: 4A - MPA, gefunden in der Haut von Fröschen (1-4) und im Bakterium Pseudomonas (5-8), 4B - GC / MS-Chromatogramm des Gesamtionenstroms, das die Produktion von MPA 1-8 (links) durch kultiviertes Pseudomonas-Bakterium zeigt in Müller-Hinton-Agar (rechts).

Und hier ist eine weitere sehr interessante Tatsache: Alle 4 Arten von MPAs (wir haben sie zuvor untersucht) wurden von einem einzigen Bakterienisolat hergestellt. Zusätzlich zu den in MPA 1-4-Fröschen vorhandenen produzierte das Bakterium mehrere zusätzliche (5-8 in Bild 4A ), die in Fröschen nicht nachgewiesen wurden. Es ist auch erwähnenswert, dass bei Bakterien das "massereichste" MPA die Nummer 5 war (C ₇ H ₁₀ N ₂ O oder 2-Methoxy-3,5-dimethylpyrazin), was ungefähr 82,4 ± 16,7% der Gesamtzahl der Methoxypyrazine ausmacht.

Ein Vergleich von MOP1-4 in Bakterien und Fröschen zeigte, dass MOP2 in Bakterien besser exprimiert wird (5,9 ± 6,9%), MOP3 und MOP4 jedoch schlechter als in Fröschen (2,6 ± 5,0% und 2) 7 ± 2,1%).


Bild Nr. 5: Eine Population von Bakterien auf der Haut von Testpersonen aus verschiedenen Regionen und zu verschiedenen Zeiten.

Die Individuen für die Studie wurden aus der Wildnis entnommen, genauer gesagt aus 4 verschiedenen Regionen ( 5A ). Die Anzahl der Bakterien unterschied sich bei Individuen aus verschiedenen Regionen und hing von der Zeit ab, die in Gefangenschaft verbracht wurde ( 5B ).

Trotz Variationen in mehr als der Hälfte der Anzahl aktiver taxonomischer Einheiten (OTUs), die in Hautbakterienkolonien an vier Standorten (60–63%) und in fünf verschiedenen Probenahmezeiträumen (56–66%) beobachtet wurden, können sie als Vertreter der folgenden Bakterienfamilien identifiziert werden: Enterobacteriales , Pseudomonadales , Methylophilales , Oceanospirillales , Actinomycetales , Bacillales , Alteromonadales und Burkholderiales . Am ausgeprägtesten unter dieser Sorte waren Klebsiella ( Enterobacteriales ) und Pseudomonas ( Pseudomonadales ). Dies ist in den Diagrammen 5A und 5B gezeigt .

Es wurden keine besonderen Unterschiede zwischen den getesteten Personen aus verschiedenen Regionen gefunden. Aber der Einfluss der Zeit in Gefangenschaft war spürbar. Somit nahm die Vielfalt der Bakterien und ihre Anzahl im Laufe der Zeit (in Gefangenschaft) ab: 1. Tag - 163 ± 26, 3 .: 145 ± 35, 10 .: 100 ± 9, 2 Wochen: 104 ± 41 und 8 Monate : 155 ± 34.

Der Unterschied war je nach Wohnort und Zeit in Gefangenschaft auch bei den Bakterien Pseudomonas sichtbar. Einige OTUs wurden nur in Fröschen aus einer bestimmten Region ( 5C ) gefunden oder wurden bereits in Gefangenschaft ( 5D ) gezeigt. In den meisten Proben wurden jedoch noch 4 Arten von Bakterien dieser Gattung gefunden, dh sie hingen nicht von geografischen Faktoren und der Zeit in einer kontrollierten Laborumgebung ab. Gleichzeitig gab es einen Unterschied in der Anzahl der Pseudomonas- Bakterien bei Männern (durchschnittlich 1,7%) und Frauen (durchschnittlich 2,4%). Diese Indikatoren nahmen während ihres Aufenthalts in Gefangenschaft bei beiden Geschlechtern ab, insbesondere in den ersten drei Tagen: vom Maximum am ersten Tag von 8,8 ± 4,3% bis zum Maximum am dritten Tag - 0,4 ± 0,2%.

Angesichts der analysierten Daten kann geschlossen werden, dass es die Pseudomonas-Bakterien sind, die aktiv an der Sekretion flüchtiger Verbindungen beteiligt sind, die vom Träger verwendet werden, d.h. Frösche, um das Geschlecht zu bestimmen, ziehen während der Brutzeit und zum Schutz vor Raubtieren einen Partner an.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht der Forschungsgruppe und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Die Tatsache, dass Gerüche im Leben vieler lebender Organismen, einschließlich Amphibien, eine äußerst wichtige Rolle spielen, ist seit geraumer Zeit bekannt. Solche Studien, deren Zweck es ist, die Hauptquelle dieser Gerüche und Mechanismen für die Herstellung flüchtiger chemischer Verbindungen zu identifizieren, wurden jedoch noch nicht durchgeführt.

Wissenschaftler konnten genau herausfinden, welche chemischen Verbindungen für die Geruchsbildung wichtig sind und welche sie produzieren. Auf der Haut von Laubfröschen leben eine Reihe von Bakterien aus verschiedenen Familien. Wissenschaftler schlagen vor, dass von Amphibienhaut synthetisierte Biomoleküle als Filter dienen, durch den einzigartige Kombinationen verschiedener Arten von Bakterien auf der Haut verweilen können. Und die flüchtigen Verbindungen, die von den MOP-produzierten Bakterien Pseudomonas in der Haut des Frosches ausgeschieden werden, können als Infochemikalien wirken, dh als Kommunikationsmittel zwischen den Bakterien selbst.

Laubfrösche wiederum verwenden dies als eine der Arten von Signalen, die anderen Personen während der Paarungszeit gegeben werden, zusammen mit akustischen Signalen, was durch Verhaltenstests in freier Wildbahn und unter Laborbedingungen bestätigt wird.

In Zukunft werden die Forscher ihre Arbeit fortsetzen, um das Zusammenspiel von Bakterien und Laubfröschen genauer zu untersuchen. Wissenschaftler nennen diese Arbeit die ersten Schritte zum Verständnis der symbiotischen Beziehung zwischen Amphibien (und nicht nur) und verschiedenen Mikroorganismen.

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