Ekologija zajednica

Disperzija, sukcesija i stabilno stanje Biofilm i mikrobijalni tepih Kolonizacija i rekolonizacija Disperzija, sukcesija i stabilno stanje Diverzitet vrsta Biogeografija mikroorganizama?

Ekologija zajednica proučava interakcije između vrsta koje žive zajedno u definisanom fizičkom prostoru (arealu) kao i biogeografiju, zastupljenost i distribuciju koegzistirajućih populacija nauka o grupama granice zajednice i struktura zajednice granice – teško se određuju struktura - može definisati kroz : 1. sastav vrsta, broj vrsta (bogatstvo vrsta) i 2. relativnu zastupljenost različitih vrsta u okviru zajednice (abundancu)

Metagenomika: nova metoda za odgovor na pitanja ekologije zajednica Metagenomika - neodgajivačka metoda koja analizira ukupni genom svih članova populacije. Takva istraživanja rasvetljavaju prirodu i funkcionisanje prisutnih mikroorganizama. Prva velika metagenomska istraživanja su sprovedena na mikrobijalnim zajednicama u Sargaskom moru. Rezultati su ukazivali na prisustvo bar 1800 vrsta bakterija i arhea, uključujući i 148 ranije nepoznatih filotipova i mnogo novih gena. Sekvenciranje DNK bez prethodne amplifikacije u PCR reakciji.

Analiza jednog gena nasuprot metagenomskom pristupu u proučavanju zajednica mikroorganizama .

Biofilm i mikrobijalni tepih (biomat) Biofilm se potencijalno može formirati na svakoj tvrdoj ili polutvrdoj površini koja ima dovoljno vode i nutrijenata. Opalo (i živo) lišće, koreni biljaka, drveni otpaci, bazeni, cevi za vodu, unutrašnjost gastrointestinalnog trakta, čestice suspendovane u vodi jezera, potoka, okeana, dentalni plak, skrama na površini ustajale vode... U ekstremnim sredinama, koje nisu pogodno stanište za male životinje koje pasu (vreli izvori, npr.), akumulacije mikroorganizama mogu biti debele i nekoliko centimetara – mikrobijalni tepih („mat“) Vrlo kompleksna i stabilna zajednicu fototrofnih, autotrofnih i heterotrofnih mikroorganizama – ekosistem u malom.

Definicija koje bliže opisuju biofilm : Struktuirana zajednica jedne ili više vrsta mikroorganizama koji su imobilisani u supstratu a često i obmotane matriksom koji proizvode članovi zajednice. Površinska akumulacija koja nije obavezno uniformna u vremenu i prostoru, pričvršćena na biološke ili nežive supstrate ili inerfejse. Može biti građen od značajnog udela neorganskih ili abiotičkih supstanci koje sve zajedno drži i okuplja biotički matriks.

Prednosti i mane života u biofilmu Štiti njegove stanovnike od isušivanja, smrzavanja, UV zračenja, ekstremnih pH, štetnih supstanci (toksični metali, soli, antibiotici) kao i od predatora. EPM „čuva“ enzime i nakuplja nutrijente A kompeticija? Zašto je evolucija favorizovala ovakav vid zajednice? Evolutivna dobit koja je proizašla iz „površinskog rasta“ nekako je nadmašila cenu kompeticije. Prisustvo površine povećava metaboličku aktivnost mikroorganizama, zbog koncentracije nutrijenata i jona na interfejsu tečno-čvrsto = strategija za pribavljanje nutrijenata u oligotrofnim sredinama To utiče na povećanje brzine rasta i time se prevazilazi cena kompeticije.

Formiranje biofilma teče predvidivim tokom = KOMUNIKACIJA 1. Pionirski stadijum: uspostavljanje rasta ranih kolonizatora na otvorenim mestima; planktonske ćelije se pričvršćuju, reverzibilno, na površinu ili interfejs. 2. Stadijum izgradnje: maksimalna pokrivenost kolonizatorskim vrstama sa nekoliko pridruženih vrsta; ćelije se umnožavaju i nereverzibilno se udružuju. 3. Zreli stadijum: kompleksna asocijacija vrsta sa malo novih kolonizatora: zajednica biofilma raste, dodajući trodimenzionalnosti zajednice. 4. Degeneracija: zbog starenja biota ili nekih fizičkih faktora (struganje ili sušenje) otvaraju se pojedina mesta u biofilmu što dovodi do kolonizacije novim vrstama što vodi ka povećanju diverziteta i biološke komplesnosti. Odvojeni delovi mogu inicirati nastanak biofilma na drugom mestu.

Formiranje biofilma teče predvidivim tokom

Kako sprečiti formiranje biofilma u različitim fazama?

Stepen do koga su formiranje biofilma kao i tip i struktura koji se formiraju kontrolisani genetikom, odnosno sredinom je područje aktivnog istraživanja. Geni su uključeni u ćelijsku signalizaciju, adheziju i formiranje pila, flagela i egzopolimera. U istraživanjima u kojima su nokautirani određeni geni, pokazano je da formiranje biofilma nije sprečeno, ukazujući na redundantnost ovih gena, tj., da postoje u više kopija ili više gena ima istu funkciju.

Promene strukture zajednice tokom sukcesije biofilma Model sistem - formiranje dentalnog plaka 1. Rani kolonizatori, obično pripadnici roda Streptococcus, pričvršćuju se uz pomoć jedinjenja koja se nazivaju adhezini za različite receptore u novom biofilmu na zubima. 2. Drugi rani kolonizatori (pioniri) će se vezati za ove pionirske vrste formirajući raznovrsne koagregacije. 3. Rani kolonizatori koagregiraju sa drugim ranim kolonizatorima, ali ne i sa kasnijim kolonizatorima koji retko koagregiraju sa drugim vrstama. 4. Jedan određeni tip bakterija, fuzobakterije, koagregiraju i sa ranim i sa kasnijim kolonizatorima formirajući vezu u okviru biofilma

Promene strukture zajednice tokom sukcesije biofilma dentalnog plaka Formiranje dentalnog plaka. (1) oralni aglutinin. (2) fragment bakterijske ćelije, (3) sijalilarni mucini, (4) α-amilaza, (5) aglutinin pljuvačke, (6) fragment bakterijske ćelije, (7) protein bogat prolinom. (I) Streptococcus oralis, Streptococcus mitis, Streptococcus sanguis; (II) Streptococcus gordonii; (III) Streptococcus oralis. (A) Haemophilus parainfluenzae, (B) Propionibacterium ecnes, (C) Veillonella atypica, (D) Actinomyces naeslundii. (a) Fusobacterium nucleatum, (b) Prevotella intermedia, (c) Actinobacillus actinomycetemcomitans, (d) Treponema denticola, (e) Porphyromonas gingivalis, (f) Eubacterium sp., (g) Selenomonas flueggei.

Formiranje organizovanih zajednica: quorum sensing Jedan od načina koji bakterije koriste za komunikaciju a u isto vreme je i značajan za formiranja biofilma i ekstracelularnih polimernih supstanci i za proizvodnju toksina, antibiotika i drugih faktora virulencije i kompetencije, kao i za konjugaciju, sporulaciju i pokretljivost Široko rasprostranjen među bakterijama (i gram-pozitivnim i gram-negativnim) i može biti intraspecijski ali i između različitih vrsta.

Formiranje organizovanih zajednica: quorum sensing

Anti quorum sensing Neki organizmi (pro- i eukarioti) mogu da „ometaju“ quorum sensing proizvodeći „quorum-sensing-interfering“ (QSI) supstance. Neke bakterije i biljke (grašak, pirinač, soja, paradajz...) mogu da proizvode jedinjenja koja manipulišu quorum sensingom različitih bakterija. Biljni patogen Pseudomonas aureofaciens osluškuje susedstvo kompetitivnih bakterija i tek kad je neophodno proizvodi antibiotik fenazin da bi eliminisao konkurenciju. Neke bakterije mogu da daju lažan signal drugoj vrsti i na taj način je „poguraju“ u quorum sensing pre vremena.

Mikrobijalni tepih Izuzetno debeli biofilm – i do nekoliko cm Slojevi zajednice su građeni od vrsta iz različitih mikrobijalnih esnafa čijim aktivnostima upravlja dostupnost svetlosti i drugih resursa. Veoma oštar gradijent koncentracije različitih nutrijenata i metabolita -kreiranje jedinstvenih niša na različitim dubinama u tepihu Cijanobakterijski tepih – mikrobijalni ekosistem Hemolitotrofni tepih - Thioploca

Kolonizacija i rekolonizacija mikroorganizama Ultimativni kolonizacijski događaj je bila kolonizacija Zemlje od strane Bacteria i Archaea. Štetne i korisne Katastrofični prirodni događaji mogu dovesti do potpunog uništenja svih oblika života u nekom staništu. Mikroorganizmi veoma brzo rekolonizuju gole površine, dolazeći iz okolne sredine, vazdušnim strujama, donesene na životinjama koje se vraćaju na zahvaćeno područje (imigracija i ponovno naseljavanje) kao i oporavkom eventualno zaostalih populacija (ponovni rast).

Kolonizacija digestivnog trakta novorođenčeta GIT odmah nakon rođenja sterilan Već nakon nekoliko sati kolonizacija započinje što konačno dovodi, posle nekog vremena, do razvića zajednice koja broji i do 400 različitih vrsta aerobnih i anaerobnih mikroorganizama. Kolonizacija GIT novorođenčeta zavisi od majke i faktora sredine. Novorođenčad koja dolaze na svet carskim rezom pokazuju shemu kolonizacije bakterijama iz bolničkog okruženja dok deca rođena vaginalno odslikavaju mikrobiom majke. Dojenje proizvodi drugačiji mikrobiom GIT u odnosu na novorođenčad koja se hrane mlečnom formulom. Mikrobijalna zajednica GIT novorođenčadi se menja i postaje sličnija onoj kod odraslih ljudi kada pređu na dohranu.

Disperzija, sukcesija i stabilno stanje Sukcesije predstavljaju temporalne promene u zajednici. Šta utiče na struktuiranje zajednica i na kompleksnost njihovih sukcesija tokom vremena? Mogu se odigravati na staništu koje je već imalo biološku aktivnost ili na novoformiranom staništu (npr., posle vulkanske aktivnosti). Na ishod sukcesija utiču: dostupnost mesta diferencijalna dostupnost vrsta performanse vrsta Slučaj sukcesije u/na lešinama kitova na dnu okeana - dominantnu ulogu u sukcesiji ima kolaboracija (kooperacija) a ne kompeticija. Kompeticioni model - dominantna uloga u sukcesiji data kompeticiji.

Disperzija i sukcesija u okeanu – lešine kitova kao disperzivni agens između hidrotermalnih ventila

Model sukcesije i disperzije sa predloženim fazama: Pokretni lešinari – vertebrate i invertebrate kolonizuju i otklanjaju meka tkiva kita. 2. Faza oportunista – polihete i ljuskari kolonizuju okolni sediment obogaćen razgradnjom mekih tkiva i izloženih kostiju. 3. Sulfofilna faza – veliki broj različitih vrsta organizama koristi sulfide koji nastaju tokom razgradnje lipida iz kosne srži od strane mikroorganizama koji redukuju sulfate iz vode do sulfida tokom razgradnje lipida. 4. Greben – organizmi koji se hrane filtriranjem vode koriste mineralne komponente koje ostaju nakon što se iscrpe organski sastojci.

Kompeticija kao agens struktuiranja sukcesije Formiranje biofilma na potopljenim površinama Bogatstvo vrsta raste tokom vremena a zatim opada Broj vrsta se smanjuje usled kompeticije Kompeticija struktuira zajednicu? U kasnijim fazama formiranja biofilma, bogatstvo vrsta ponovo raste Tada diverzitet resursa oblikuje zajednicu

Kompeticija kao agens struktuiranja sukcesije Model struktuiranja zajednice. Mnoge vrste kolonizuju novo stanište (A), ali kako se kompeticija za važne resurse povećava (B), broj vrsta (S) se smanjuje. Inicijalna kompeticija na velikim skalama struktuira zajednicu; kako se povećava prostor koji zauzima niša, fina kompeticija prevazilazi onu na velikim skalama (B). Kako kompeticija na malim skalama sve više utiče na struktuiranje prostora niše, broj vrsta S ponovo se povećava (A).

Funkcionalni diverzitet zajednica Prema jednoj struji mišljenja, smatra se da stabilnost zajednice zavisi od broja vrsta koje zauzimaju neko stanište (lokaciju). Druga struja smatra da stabilnost više zavisi od funkcionalne redundancije na tom lokalitetu. To znači da različite vrste mogu biti eliminisane ali zajednica će ostati stabilna ako druge vrste, koje vrše istu funkciju ostanu. Narušavanje je događaj koji dovodi do smrti, premeštanja ili ozlede individua u populaciji, zajednici ili ekosistemu i otvara mogućnosti za nove individue da ih zamene. Redundantnost doprinosi elastičnosti ekosistema u velikim narušavanjima.

Ekosistemi pod stresom imaju manji diverzitet vrsta i gena. Promene se dešavaju naglo (u jednom koraku), nakon što se dostigne određena tačka, tek nakon što je duže periode vremena ekosistem uspevao da puferiše stres (posmatrano kroz neku funkciju).

Stabilnost zajednice Stabilne zajednice su one koje mogu da se vrate na prethodni sastav vrsta, diverzitet i gustinu i koje zadržavaju svoje genetičke osobine nakon narušavanja. Diverzitet vrsta i sledstveno tome funkcija vrsta su prepoznati kao značajni faktori elastičnosti. Uragan – cijanobakterijski tepih u San Salvadoru Raznovrsnije zajednice su stabilnije

Diverzitet vrsta Bogatstvo vrsta i njihova relativna zastupljenost u određenoj sredini ili zajednici. Da li je prisutno mnogo slabo zastupljenih vrsta ili nekoliko dominantnih vrsta? Određivanje diverziteta zavisi od veličine uzorka i kreativnih sposobnosti istraživača. Neka ograničenja je nemoguće prevazići:

1. Veoma retko se mogu uzorkovati cele oblasti, moraju se uzimati reperezentativni uzorci. 2. Veličina alata kojim uzimamo uzorak utiče na ishod. 3. Obim istraživanja obično značajno ograničava broj uzoraka koji se mogu uzeti. 4. Vreme koje je potrebno za analizu uzoraka takođe ograničava broj uzoraka.

Indeksi diverziteta Tri su glavne kategorije alata: 1. Indeksi bogatstva vrsta (tj., broj vrsta koji je prisutan). Od male su koristi u ekologiji zato što svaka vrsta ima istu težinu bez obzira na zastupljenost. Jedino određivanjem indeksa bogatstva vrsta na istom mestu kroz vreme može dati neku kvalitetnu informaciju. 2. Indeksi ujednačenosti vrsta (proporcionalna zastupljenost različitih vrsta, daje sliku ujednačenosti/dominancije u zajednici). 3. Distribucija zastupljenosti vrsta (Shannon-Weiner indeks i Simpsonov indeks).

Shannon-Weiner indeks H’ Uzima u obzir zastupljenost svake vrste i pretpostavlja da su sve vrste iz zajednice poznate. Indeks je mera stepena neizvesnosti u predviđanju identiteta naredne individue uzorkovane u zajednici sa S vrsta i N individua. H’ dostiže maksimum (Hmax) kada svaka vrsta ima isti broj jedinki, tj., kada je verovatnoća uzorkovanja jedinke svake vrste ista. Oprez pri poređenju različitih staništa, posebno kada je totalni broj vrsta različit.

Primer Gustina različitih hipotetičnih vrsta u tri staništa _____________________________________________________________________________ Vrsta Stanište 1 Stanište 2 Stanište 3 ___________________________________________________________________ A 960 200 100 B 10 200 200 C 10 200 400 D 10 200 200 E 10 200 100 Ukupno 1000 1000 1000 Bogatstvo vrsta 5 5 5 Diverzitet vrsta H’ 0,0178 0,698 0,640 ________________________________________________________________________ Jedinica gustine je broj individua/površini

Efekat uzorkovanja Slika 57. Efekat veličine uzorka u hipotetičkim populacijama različitih smajlija na određivanje realnog mikrobijalnog diverziteta

Efekat uzorkovanja Diverzitet zajednica smajlija određen alatima različite veličine.

Biogeografija Proučavanje distribucije biodiverziteta kroz prostor i vreme Cilj: otkriti GDE i ZAŠTO TU organizmi žive, koliko su zastupljeni Nudi uvid u mehanizme koji stvaraju i održavaju diverzitet: specijaciju, ekstinkciju, disperziju i interakcije Ispoljavaju li mikroorganizmi biogeografski obrazac? Da li je biogeografija mikroroganizama slična biogeografiji makroorganizama?

Biogeografija Relativni uticaj savremenih faktora sredine nasuprot nasleđu istorijskih događaja na trenutnu shemu distribucije Provincija = oblast čiji biotički sastav odražava nasleđe istorijskih događaja Tip staništa = sredina definisana biotičkim i abiotičkim osobinama

Okvir mikrobijalne biogeografije Hipoteza I: Mikroorganizmi su nasumično rapoređeni u prostoru (jedno stanište i jedna provincija). Hipoteza II: Biogeografija mikroorganizama odslikava uticaj trenutnih varijacija sredine (više staništa) u okviru jedne provincije. Baas- Becking-ova hipoteza „ Sve je prisutno svuda ali sredina vrši selekciju“ Hipoteza III: Prostorne varijacije su posledica dugotrajnih efekata istorijskih događaja (više provincija a samo jedno stanište) Hipoteza IV: Distribucija mikrobijalnih taksona odražava uticaj i događaja u prošlosti i trenutnih uslova sredine – distribucija mikroorganizama je oblikovana mnoštvom staništa i provincija

Okvir mikrobijalne biogeografije Hipoteza I: Dokazi govore protiv I dalje ostaje pitanje: Koliko prostorna varijacija u distribuciji mikroorganizama zavisi od savremenih (trenutnih) uslova sredine a koliko od istorijske slučajnosti? U nekoliko studija je pokazano da je razdaljina bitna, ukazujući, u najmanju ruku, da neka vrsta provincijalizma postoji Da li je važniji istorijski ili ekološki faktor izgleda da zavisi od veličine uzorka.

Okvir mikrobijalne biogeografije Studija zajednica Synechococcus i Sulfolobus u vrelim izvorima je pokazala značajne diferencijacije u odnosu na razdaljinu ali ne i korelaciju sa mnogim sredinskim varijablama koje su merene. Znači, na razdaljinama koje se mere desetinama hiljada kilometara, nasleđe istorijskih razdvajanja može da prevaziđe bilo koji efekat sredinskih faktora Ali to ne znači da savremena sredina nema uticaja na sastav zajednica već da je taj efekat relativno mali u odnosu na samu razdaljinu. Za razliku od toga, za efekte sredine je pokazano da imaju snažan uticaj na sastav zajednica na malim prostornim skalama za koje je razdaljina, čini se, zanemarljiva. Na intermedijarnim skalama (10-3000 km) i istorijski i ekološki faktori su značajni (mogu se detektovati)

Biogeografija – da ili ne? Slobodnoživeći mikroorganizmi ISPOLJAVAJU biogeografske obrasce Deo sintagme „... sredina vrši selekciju“ je istinit i, bar delimično, odgovoran za prostorne varijacije mikrobijalnog diverziteta. Međutim, studije pokazuju da NIJE „sve svuda“ – posledice istorijskih događaja ostavile su trajan pečat na distribuciju mikrobijalnih zajednica, čak i na razdaljinama od 500tinak km