Pogosto in zmotno je prepričanje, da je termin plankton razvrstitev na drevesu življenja; tako kot so razvrščene opice, arheje in podlubniki. Pa ni. Beseda izhaja iz grščine in pomeni klatež, nanaša pa se na vsa živa bitja v morju, ki so prepuščena gibanju vode. Posledično je skupina nebogljenih nomadov zelo raznolika, obsega rastline in živali; vse od mikrometrskih virusov, bakterij do meduz, nezmožnih upiranja tokovom. Nasprotje planktona je nekton: ribe, mehkužci in podobno - kar plava.

Stoletno prepričanje je z znanstvenim člankom v reviji Nature Communications načela skupina raziskovalcev ljubljanske biotehnične fakultete na čelu z Davidom Stoparjem, v sodelovanju s fakulteto za matematiko in fiziko ter medicinsko fakulteto. Ugotovila je, da se drobne planktonske bakterije medsebojno povezujejo in niso zgolj prosto lebdeče. Še več, nevidna struktura, ki jih povezuje, bi lahko bila eden izmed načinov, kako so davno tega večcelična bitja sploh nastala. Kako se je življenje po milijardah let enostavnih bakterij in arhej prelevilo v vse tisto, kar danes krasi planet Zemlja.
"Termin plankton je bil 130 let kar trdno formiran, posamezne bakterijske celice pač ... prosto lebdijo. Nobenih povezav ni. Prenaša jih tok in gibljejo se neodvisno druga od druge. So osamljena, solitarna bitja, ki nimajo povezav," je za MMC pojasnil Stopar.

"Mi smo o tem malo podvomili."

Bakterijski tango
V laboratoriju za mikrobiologijo so naredili eksperiment, ki naj bi splošno sprejeto domnevo preveril. V suspenziji so gojili planktonske bakterije. Eno izmed njih so prijeli z optično pinceto in jo začeli premikati. Na precejšnje presenečenje ni lokacije spreminjalo samo zgrabljeno bitje, ampak sinhrono tudi sosednje bakterije.

Razdalje med mehansko sklopljenimi bakterijami so bile velike. "Da si lahko bolje predstavljamo: na naši prostorski skali je to primerljivo, kot če bi vas prijel, premaknil in bi se hkrati premaknil tudi nekdo, ki stoji 100 metrov stran," je ponazoril Stopar. Uporabljene bakterije več vrst (navedeno desno) so velike dva mikrometra, medtem ko so razdalje med sinhronimi sosedami presegle sto mikrometrov. Kako to pojasniti?

Nekaj je moralo biti med bakterijami, neka molekulska struktura, ki lahko mehansko prenaša silo na takšne razdalje. Ni pa bilo jasno, kaj, saj je pod svetlobnim mikroskopom niso uzrli.

Z nadaljnjimi poskusi so pokazali, da je nevidna mreža polimerne narave, torej iz velikih, ponavljajoče se sestavljenih molekul. Bakterije v svoji notranjosti lahko proizvajajo polimere in jih izločajo v okolico, kar sosede poveže. Takšna molekula bi lahko bila dolgoverižna zunajcelična nukleinska kislina (eDNK), ki so jo raziskovalci dokazali. Če bi bakterija izločila svoj nukleinski zapis in ga zunaj v celoti razvila, bi bil od nje kar 1.000-krat daljši. Poleg tega celice izdelujejo polisaharide, "osnovno lepilo v biološkem svetu", proteine ... Vse to so kandidati.

Povezave med celicami so značilne za biofilme, strukture, kjer se bakterije lokalno tako nagnetejo, da jih zunajcelični biopolimeri povežejo v trdno mrežo. V poskusih na biotehniški fakulteti so pokazali, da se bakterije mehansko povežejo že zelo zgodaj, mnogo prej, kot bi biofilm sploh lahko nastal.

Do zdaj je veljalo, da je mehanika bakterij, ki tvorijo biofilm, popolnoma različna od bakterij v planktonu.

Najdba je odprla več vprašanj, kot podala odgovorov. Mehanska povezava je dokaj krhka. Kakšna je potem lahko njena vrednost? Je to sploh evolucijska pridobitev ali le začasen, stranski proizvod, ki mikroživlju bolj škoduje kot koristi? Mogočih je več razlag.
Stopar: "Odstrli smo novo, širšo zgodbo ... potencialno novo poglavje v biologiji. Ne zgolj neki detajl, ki bi izkristaliziral sliko. Našli smo nekaj, o čemer se prej sploh ni razmišljalo, ker ni obstajalo v kolektivni zavesti raziskovalcev."

Daleč nazaj v čas
Življenje na Zemlji je bilo večino časa na tem planetu sila preprosto - enocelično. Vse od nastanka pred 3,8 milijarde (morda pa kar 4,3 milijarde) pa do pred približno 600 milijonov let (morda tudi več) je evolucija potrebovala za nastanek kompleksnejših večceličnih oblik, kot so živali. Vzroki in mehanizmi za ta gigantski evolucijski preskok so še vedno nejasni. Bakterije so prve razvile koncept večceličnosti, vendar so začetki tega procesa še vedno negotovi. Morda, pravi Stopar, so pod mikroskopom videli začetni mehanizem, ki so ga uporabljali praprapredniki večceličnih bitij. "V to smer razmišljamo," je izjavil.
"Poznano je, da so skozi evolucijo bakterije razvile skoraj vse mehanizme, ki so jih potem drugi kompleksnejši organizmi, ki so prišli na ta planet pozneje, sprejeli in optimizirali. V tem pogledu imamo vsi organizmi tega planeta istega prednika. Težava je pri razlagi razvoja koncepta večceličnosti. Poznano je, da se je bakterijska večceličnost večkrat neodvisno razvila. Kako, tega ne vemo - in tu noter pade naše odkritje," je dejal. "Zdi se, da imamo zdaj osnovne elemente, ki bi lahko razložili pojav mikrobnih tkiv."

"Pri višjih organizmih vemo, da tkiva lahko opravljajo funkcije, ki jih vsaka posamezna celica ne zmore. Tkiva so zato zelo pomembna organizacijska struktura kompleksnih organizmov. Poglejmo denimo človeka. Človek je narejen iz nekje 10¹³ celic ali celo več. Številka je astronomska. Če povezave med posameznimi celicami razdremo, kaj dobimo? Ustrezno število enoceličarjev. To seveda ni več človek. Celice se sestavljajo, ustvarjajo tkiva in organe, ki opravljajo določene funkcije. In to je bistvo celotne biološke organizacije - razen pri bakterijah. Ves čas je veljalo, da so striktno enoceličarji tisti, ki lahko preživijo samostojno, popolnoma ločeno od drugih. Odkritje postavlja to domnevo pod vprašaj," je nadaljeval.

Pri vsej stvari je zanimivo to, da se bakterije za odkritje ne zmenijo prav veliko. "Bakterijske celice so bile povezane tudi pred odkritjem, le mi tega nismo videli. Verjetno si s povezavami tudi pomagajo, vendar trenutno ni jasno, kako. Odkritje novih temeljnih naravoslovnih fenomenov je v 21. stoletju je razmeroma malo verjetno, saj je znanost izjemno napredovala. Zato bo še toliko zanimiveje izvedeti, kaj novo odkritje o povezanosti bakterij pomeni za njih same in kako bi to lahko izrabili v našo korist."

Delo z optično pinceto
Kako je skupina lahko zgrabila nekaj tako drobnega, kot je dvamikrometrska bakterija, ne da bi jo poškodovala? Pomagala je svetloba. Njeni fotoni, čeprav nimajo mase, omogočajo lovljenje drugih delcev. Če snope laserske svetlobe fokusiramo skozi objektiv mikroskopa, se lahko ustvari točka v prostoru, iz katere malo bitje ne more zbežati. Ker je mogoče laserski žarek usmerjeno premikati po prostoru, so raziskovalci lahko ujeto bakterijo premikali v želene smeri.

"Žarek peljemo skozi objektiv in ga fokusiramo na določeno ravnino v volumnu bakterijske suspenzije. Izberemo lahko, na kateri ravnini lovimo bakterije oziroma v vodi suspendirane delce mikrometrskih velikosti. Ko pride delec ali bakterija v bližino optične pasti, v fokus žarka, se ustvari močan gradient električnega polja, ki delec potegne v sredino optičnega snopa in ga tam drži. In če morebiti objekt uide - včasih se tudi to zgodi -, potem ga optična sila potegne nazaj v fokus. S premikanjem laserskega žarka v treh razsežnosti lahko dejansko peljemo objekt, kamor želimo," je ponazoril sogovornik.

Čemu sploh koristi matriks?
Stopar bo s svojo skupino raziskave nadaljeval. Treba bo ugotoviti točno sestavo medceličnega matriksa, predvsem to, kakšne so fiziološke koristi od povezav. Trenutno smo na stopnji, ko ne moremo trditi, ali so povezave sploh koristne ali ne. "Mogoče je, da gre zgolj za naključno fizikalno-kemijsko ravnovesje, kjer so celice v zunajcelični prostor odložile veliko polimernega materiala in se preprosto ujele v lastno mrežo, lahko pa se v ozadju skriva nekaj precej večjega in bistveno zanimivejšega."

Morda pri antibiotikih
Zanimivo bo tudi na področju raziskav učinkovitosti delovanja antibiotikov. Testiranje teh sredstev namreč pogosto poteka v redkih suspenzijah, kjer so gostote celic zelo nizke. Pri teh pogojih antibiotik dobro deluje. Slabše pa v primerih, ko se celice začnejo grupirati. V teh primerih opazimo eksponentno zniževanje učinkovitosti antibiotikov. Morda ima medcelični matriks, ki se začne formirati že zelo zgodaj, kaj pri tem? Odgovor bodo dali čas in dodatne znanstvene raziskave, je sklenil.
Video: Kratek izsek iz eksperimenta