De la Microbiomul Uman către Microbiomul Planetar

Microbiomul uman cuprinde un număr uriaș de celule bacteriene, de aproximativ 10 ori mai numeroase decât propriile celule din corp, ceea ce ne facem să privim organismul uman ca pe un superorganism sau un întreg sistem ecologic. Însă legile inextricabile ale ecologiei microbiomului uman sunt valabile şi în toate ecosistemele, atât la scară micro, cât și macro, astfel că vom asista în curând la o revoluție uriaşă nu doar în medicină, ci și în multe alte domenii!
Era Microbiomului în care știința intră de acum va schimba întreaga biologie şi ecologie planetară, va schimba modul în care noi înțelegem că funcționează viața; va schimba agricultura, modul în care noi avem grijă de soluri, râuri şi oceanul planetar, va schimba modul în care înțelegem schimbările climatice. Înțelegerea la un nivel macro a lumii microbiene schimbă radical modul în care înțelegem noi cum funcționează viața şi planeta Pământ.

De la microbiomul intestinal la microbiomul plantelor

Pornim de la observația foarte interesantă că, din punct de vedere funcțional, intestinele sunt pentru oameni ceea ce sunt rădăcinile pentru plante. Iată principalele asemănări:
Intestinele oamenilor sunt populate cu microbi simbionți, care îi ajută să digere şi să asimileze nutrienții din alimente; plantele au şi ele propriul microbiom, cu o concentrație a microbilor în jurul sferei de influență a rădăcinilor (rizosferă) mult mai ridicată decât în solul înconjurător.
Atât intestinele, cât şi rădăcinile sunt sisteme deschise, cu suprafețe foarte largi, cu microvili intestinali sau cu rădăcini cât firul de păr.
Atât intestinele, cât şi rădăcinile prezintă structuri cu habitate microbiene diferite, în funcție de gradientul de pH, nutrienți, umiditate şi grad de oxigenare, gradienți ce favorizează colonizarea cu bacterii cu rol foarte specific. Totodată, gradienții sunt o strategie importantă pentru asigurarea unei biodiversități microbiene foarte bogate.
Rădăcinile plantelor secretă anumite substanțe (exudate), cu compoziție chimică precisă, special pentru a recruta anumite tipuri de bacterii; intestinele umane prezintă şi ele o structură mucozală, cu rol de secreție a anumitor substanțe (mucine), care reprezintă mediul de cultură pentru bacteriile microbiomului intestinal, cu care alcătuiesc împreună bariera intestinală.
Rădăcinile au rolul de a prelua nutrienți şi substanțe organice din pământ, intestinele au rolul de a prelua nutrienții din alimente care provin tot din recircularea nutrienților din pământ (ceea ce mâncăm provine şi înglobează substanțele din pământ, ceea ce se elimină se transformă prin compostare în pământ, sub formă de humus organic de calitate).
Microbiomul intestinal şi microbiomul plantelor au multe funcții asemănătoare, asigură protecția împotriva patogenilor concurând împotriva acestora, influențează metabolismul gazdelor, influențează imunitatea gazdelor şi contribuie la o multitudine de procese şi interacțiuni de tip gazdă-simbiont.
Genele din microbiomul intestinal, dar şi din cel al plantelor pot influența exprimarea genetică a organismelor gazdă, constituind un al doilea genom al acestora.
Microbiomul plantelor şi animalelor este guvernat de aceleaşi principii ecologice de bază, diversitatea fiind cheia pentru stabilitatea ecosistemului. La fel, disbiozele grave ale microbiomului plantelor şi animalelor duc la afecțiuni severe, soldate cu debilitarea întregului organism.
Comparațiile dintre rădăcinilor plantelor şi intestinele mamiferelor ne ajută să înțelegem mult mai bine relațiile simbiotice, care există între regnul animal şi vegetal. Interacțiunile dintre microbiom şi rădăcinile plantelor, care funcționează ca „intestine la exterior“, pot fi mult mai uşor studiate şi se pot genera anumite ipoteze care pot fi verificate ulterior şi în oameni. Practic, putem descoperi şi testa mai uşor universalitatea legilor ecologice microbiene în relația cu organismele vii.

Microbiomul influențează sănătatea solurilor

Solurile sunt extrem de importante pentru om, pentru că de sănătatea solurilor depinde în final sănătatea oamenilor! Însă nu numai plantele au microbiom, ci şi solul în general are propriul microbiom. Fără microbi în sol care să asigure prelucrarea materiei anorganice în materie organică, disponibilă pentru plante, fără toată microfauna sa internă (nematode, protozoare, micro-artropode), solul nu poate exista. Solul este un organism viu, plin de viață; fără microbi, pământul ar fi doar rocă minerală, şi nu sol, care să permită existența vieții plantelor şi animalelor. De sănătatea solului depinde în ultimă instanță sănătatea şi existența omului.
În agricultură s-a observat că există anumite soluri mai rare şi deosebite, numite soluri supresive de boli, în care existența unui microbiom foarte sănătos conferă o imunitate deosebită plantelor, care ajung să nu mai facă boli. Pentru plantele care cresc pe ele nu mai este nevoie de intervenții cu pesticide, fungicide, insecticide, din moment ce sunt foarte sănătoase şi rezistente. Însă majoritatea solurilor din ziua de astăzi sunt soluri care predispun plantele la boli, iar analizele arată un grad mare de afectare a stabilității şi diversității microbiomului solurilor respective. Oare nu aşa este posibil să se întâmple şi cu microbiomul uman la oamenii foarte sănătoşi, comparativ cu cei predispuşi la boli? Studiile au arătat deja ca oamenii longevivi, care trăiesc peste 100 de ani, au un microbiom special, deosebit de cel al oamenilor obișnuiți, oare microbiomul va fi cel care ne va oferi secretele longevității?
Vestea bună este că transplantul de sol supresiv de boli poate repara şi îmbunătăți foarte mult microbiomul solurilor care predispun plantele la boli. Un grup mic de cercetători a remarcat ceva extraordinar aici: că transplantul de materii fecale pentru microbiomul uman este similar cu transplantarea de sol cu microbiom sănătos sau cu îmbogățirea solului cu îngrăşăminte naturale organice! Iată deci cum translatarea din cercetarea dintr-un domeniu ne va ajuta să găsim inovații şi în alte domenii corelate. Cercetarea microbilor izolați nu ne poate furniza decât informații disparate sau contradictorii, dar cercetarea lor în cadrul comunităților, ecosistemelor ne poate furniza informații mult mai pertinente şi valoroase!

Plantele nu pot supraviețui fără microbi!

În evoluția lor, plantele au recurs la simbioze interesante cu anumiți fungi, care formează o relație simbiotică cu rădăcinile plantelor, formând o rețea de rădăcini fungale, denumite „micoriză“. Fungii, prin rețeaua lor de fine hife fungale, asigură o suprafață de sute de ori mai mare pentru absorbția nutrienților şi a apei din sol, iar plantele furnizează fungilor carbohidrații de care au mare nevoie. Prin intermediul micorizelor, care pot uni păduri sau culturi întregi, plantele pot efectiv comunica între ele prin semnale chimice care anunță posibile atacuri de dăunători și își transmit diverse alte informații.
Microbii din sol sunt cei care pot ameliora cel mai mult calitățile solului, astfel că următoarele tratamente vor trebui să aibă în centru sănătatea şi stabilitatea ecosistemelor microbiene. Fără un sol sănătos, oamenii nu pot fi sănătoși! Azotul este adesea cel mai limitativ element din sol pentru creşterea plantelor, dar o serie de plante au dezvoltat simbioze interesante cu anumite bacterii (Rhizobiacee), care au format nodozități pe rădăcinile lor, care le-au ajutat să preia azotul vital pentru creşterea lor. Romanii ştiau empiric încă de acum 2000 de ani cum să amelioreze proprietățile solului prin rotația culturilor cu trifoi şi lucernă, care îmbogățeau solul cu azotul prețios.

Microbii: INTERFAțA BIOLOGICĂ dintre tot ce este viu şi neviu

Rădăcinile plantelor nu pot prelucra în mod direct substanțele minerale din sol, au nevoie de microorganisme ca să le convertească în substanțe organice. La fel şi oamenii, dacă ar consuma doar hrană sterilă fără mi­crobi, iar intestinele lor nu ar avea microbiomul necesar, în scurt timp s-ar îmbolnăvi şi ar muri.
Orice interacțiune dintre un organism multicelular viu şi mediul înconjurător se pare că este intermediată şi modulată de către propriul microbiom, nimic nu poate fi prelucrat din mediul abiotic anorganic fără intervenția viului. Este rezonabil să lansăm acum ipoteza extrem de tulburătoare că „Microbii sunt interfața biologică dintre tot ce este viu şi neviu“? Există oare organisme vii care pot prelucra materia, energia şi informația direct din mediul abiotic sau totul este interfațat de aceste organisme vii minuscule, pe care le numim microbi?
După câte am văzut, trăim cu toții într-un imens ocean microbian, cu microbi care se găsesc în atmosferă, în apa oceanelor, pe suprafața şi interiorul pământului, pe toate suprafețele, inclusiv pe pielea noastră.
La fel de interesant este și faptul că cea mai mare densitate microbiană nu este înregistrată în mediul înconjurător, ci chiar în interiorul organismului nostru, sub forma microbiomului intestinal! Aceasta ne demonstrează că organismele vii recrutează în mod activ și selectiv anumiți microbi din mediul înconjurător. Probabil că noi suntem cei mai interesați de această simbioză microbiană, fără de care nu am putea trăi; fără noi, probabil că microbii ar duce-o destul de bine.
Microbii pot remedia solurile contaminate
O serie de experimente vin să confirme faptul că anumiți microbi pot decontamina terenurile contaminate cu reziduuri petroliere şi chiar reziduuri radioactive, prin intermediul plantelor. Microbii pot transforma reziduurile solide în reziduuri volatile, care sunt preluate de către plantele cu care se află în simbioză şi eliberate în atmosferă. Dacă microbii pot decontamina şi detoxifia planeta, oare nu pot avea un rol şi în detoxifierea omului? De fapt chiar așa este, cercetările noi au arătat implicarea microbiomului intestinal în detoxifierea internă a xenobioticelor.

Microbiomul Planetar

Există în momentul de față proiecte de cercetare a microbiomului la nivel planetar, în care sute de mii de probe luate de pe toate continentele şi oceanele sunt secvențiate şi analizate. Descoperiri foarte recente au relevat că există microbi şi în stratosfera înaltă. În cazul norilor, aceştia pot conține o serie de bacterii care pot funcționa pe post de nuclei de înghețare, care pot provoca ploile printr-un fenomen numit bio-precipitare.
De microbiomul planetar depind circuitele globale ale carbonului, azotului, fosforului şi chiar schimbările climatice globale şi încălzirea planetei au legătură strânsă cu funcționarea microorganismelor.
Microbiomul oceanelor ne-a arătat o diversitate imensă a microbilor și microfaunei (planctonul marin), cu o importanță uriaşă pentru toate viețuitoarele din oceane. Oceanele suferă însă din ce în ce mai mult din cauza poluării planetare, care a afectat inclusiv creşterea temperaturii apelor. Această creştere a provocat un adevărat dezastru ecologic prin albirea (moartea) coralilor, omorând acele alge simbiotice care dau coralilor acele culori vii şi spectaculoase.
Important de menționat este şi faptul că totalitatea microorganismelor şi a planctonului din oceanul planetar produc o cantitate de oxigen mult mai mare decât toate pădurile terestre. Să protejăm măcar oceanul de poluare, dacă pădurile n-am reuşit să le protejăm.

Microbii au transformat Pământul pentru a fi locuibil

Studiile ne-au arătat că bacteriile sunt organisme extremofile; s-au găsit bacterii în vulcani, în gheizere, în mijlocul celor mai aride deșerturi, în interiorul ghețarilor antarctici, pe fundurile mărilor şi oceanelor, practic în locuri în care nu se credea că poate exista viață. Rezistența aceasta ne arată capacitatea lor extraordinară de a supraviețui chiar şi în cele mai grele condiții, similar cu cele care au existat la începuturile formării planetei, când viața pe pământ nu era posibilă. Primele bacterii care au apărut pe Pământ au decontaminat apele, pământurile, solurile, au captat energia de la soare, au produs oxigen și au făcut ca aerul să fie respirabil, ei sunt primii rezidenți ai planetei care au transformat Pământul pentru noi într-o planetă locuibilă.

Microbii sunt celulele energiei vieții?

Pământul şi tot ce este viu pe această planetă funcționează prin captarea energiei primare de la Soare. Toate ecosistemele, pe toate nivelurile trofice, prelucrează această energie. Plantele au putut capta această energie prin intermediul cloroplastelor, organite celulare care au captat energia de la soare prin intermediul fotosintezei. Energia soarelui captată şi prelucrată de către plante, ca producători primari, se transmite sub forma biomasei organice în toate lanțurile trofice ale consumatorilor şi prădătorilor. Fără soare şi captarea acestei energii, viața pe pământ nu ar fi posibilă.
Similar cloroplastelor, oamenii şi animalele au în celulele lor mitocondrii, nişte organite specializate în producerea energiei celulare sub forma moleculelor de ATP (adenozin trifosfat), în urma prelucrării nutrienților asimilați prin dietă. Atât mitocondriile, cât şi cloroplastele au, în mod foarte interesant, propriul lor genom şi propriul ADN, similar unor organisme individuale, precum bacteriile. Ambele sunt implicate în sinteza ATP-ului, suportul energetic al tuturor organismelor vii. Teoria endosimbiotică susține că viața eucariotelor a fost posibilă după ce aceste celule au reuşit să facă o simbioză internă cu bacterii care pot produce energia celulară, precum cloroplastele şi mitocondriile. Fără mitocondrii şi fără cloroplaste, viața plantelor şi animalelor nu ar fi posibilă; mai putem noi să ignorăm rolul microbilor ca fundament al vieții?

Concluzii

Omul nu a trăit niciodată separat de ecosistemul microbian natural planetar, de a cărui bună funcționare depind viața şi sănătatea a tot ce viu pe Pământ. Este momentul acum mai mult ca oricând, ca în orice intervenție aplicăm în sănătate, agricultură, industria medicamentelor, industria detergenților, dezinfectanților, industriile poluatoare, să avem în minte în primul rând impactul asupra microbiomului oamenilor, solurilor, apelor, planetei. Trebuie să devenim „microbiome minded“, să analizăm totul și din prisma microbiomului. Tratamentele cu antibiotice nu afectează doar sănătatea oamenilor, animalelor, solurilor și plantelor, ele pot compromite chiar sănătatea planetei! Este momentul ca să luăm toate măsurile necesare încă de acum, cât încă nu e prea târziu. Să reconsiderăm deci rolul complet al microbilor în natură, care sunt mult mai mult decât simple organisme patogene, dacă dorim să ne recăpătăm sănătatea noastră și a planetei pe care trăim!

Microbii trăiesc în ecosisteme

Cercetările noi au înțeles că microbii nu acționează în general izolat, ei trăiesc ca toate animalele mari în ecosisteme naturale, reglate prin miriade de interacțiuni. Mai mult decât atât, ei sunt omniprezenți în toate ciclurile vieții, fiind atât la baza lanțurilor trofice, cât şi la nivelul fiecărui nivel trofic. Microbii sunt de fapt nu doar „descompunătorii“ de biomasă moartă, ei sunt cei care fac posibil transferul de materie, energie şi informație de la un nivel trofic la altul. Fără microbi, pământul ar fi acoperit de o mare de materii fecale şi de munți imenşi de cadavre, care nu s-ar mai descompune. Materia organică ar rămâne blocată în biomasă moartă, iar viața nu ar mai fi posibilă, fără recircularea substanțelor organice de la un nivel la altul. Mai mult decât atât, cele mai multe animale nu ar mai putea digera mâncarea, aproape orice ființă vie se bazează pe ajutorul microbilor din sistemul lor digestiv pentru prelucrarea şi digerarea hranei. Viața ar dispărea într-un timp relativ scurt, iar pământul ar înceta să mai fie o planetă vie.

Referințe:
• nature.com/ismej/journal/vaop/ncurrent/pdf/ismej20157a.pdf
• nature.com/nrmicro/journal/v11/n11/full/nrmicro3109.html
• theatlantic.com/health/archive/2013/06/healthy-soil-microbes-healthy-people/276710/
• sciencedaily.com/releases/2013/09/130918181104.htm
• researchgate.net/publication/232720884_Gut_and_root_microbiota_commonalities
• cell.com/trends/plant-science/abstract/S1360-1385(12)00079-9
• iphylo.blogspot.ro/2012/07/microbiome-as-climate-macrobiome-as.html