Ekologija zajednica

Prof. dr Slaviša Stanković

Kolonizacija i rekolonizacija

Disperzija, sukcesija i stabilno stanje

Diverzitet vrsta

Biofilm i mikrobijalni tepih

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 - 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.

Metagenomika: nova metoda za odgovor na

pitanja ekologije zajednica

▪ .

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:

1. 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