Starożytne filtratorki

Żyjące na naszej planecie od kilkuset milionów lat gąbki osiągają rozmiary od 1 cm do wielkości małego samochodu dostawczego. Oczywiście w zależności od gatunku. Zasiedlają rzeki, jeziora oraz morza i oceany, od płytkich lagun po głębiny. Są przy tym prawdopodobnie najdłużej żyjącymi zwierzętami – wiek niektórych osobników ocenia się na ponad 10 tys. lat, co znaczy, że istniały jeszcze w czasach, gdy ludzie dopiero zaczynali uprawiać rolę i udomawiać bydło.

Cała budowa gąbek jest podporządkowana filtrowaniu wody, a więc i zdobyciu jak największej ilości pokarmu. Każdego dnia przepuszczają one przez swoje ciało ilość wody równą własnej objętości pomnożonej przez 50 tys. To tak, jakby przeciętna osoba dziennie wypijała niemal 3,5 mln litrów wody! Gąbkom udaje się to pomimo niesamowicie prostej budowy ciała – organizmy te nie mają nie tylko tkanek, ale również żadnych organów ani układów, a więc mięśni, krwi, układu nerwowego czy trawiennego. Ich ciało składa się z warstwy zewnętrznej i wewnętrznej, pomiędzy którymi znajduje się bezpostaciowa substancja wypełniona komórkami macierzystymi, mogącymi przekształcić się w każdy rodzaj komórek. Przez warstwy te przechodzą liczne otwory, otoczone kurczącymi się komórkami, które regulują przepływ wody. Gąbki zachowują swój kształt dzięki szkieletowi zbudowanemu z węglanu wapnia, krzemionki lub organicznej substancji zwanej sponginą.

Większość gąbek jest detrytofagami, co znaczy, że żywią się zarówno znajdującymi się w wodzie niewielkimi szczątkami innych organizmów, jak i planktonem, bakteriami albo amebami. Nie są przy tym wcale wybredne i stołują się tym, co przyniesie woda. Zazwyczaj kolonizują obszary bogate w plankton i materię organiczną, czyli np. rafy koralowe. Pożywienie niektórych tropikalnych gąbek jest tak małe, że 80% filtrowanego przez nie materiału jest mniejsze niż zdolność rozdzielcza mikroskopu świetlnego.

Jednak nie wszystkie wody są tak samo bogate w pożywienie i dlatego pewne gatunki stały się drapieżnikami (wiemy, że ta zmiana wydarzyła się co najmniej 2 mln lat temu). W 1995 r. francuscy naukowcy po raz pierwszy opisali organizm, który przystosował się do mięsożernego trybu życia do tego stopnia, że zatracił charakterystyczną dla gąbek budowę. Znaleziono go w płytko położonych jaskiniach Morza Śródziemnego, gdzie panują uniemożliwiające fotosyntezę ciemności i ze względu na słabe prądy morskie dociera mało planktonu i materii organicznej. Kolejne gatunki odkryto np. w północnym Pacyfiku ponad 3 tys. m pod powierzchnią wody. To właśnie w morskiej otchłani, na głębokości dochodzącej nawet do ponad 8 km, żyje zdecydowana większość mięsożernych gąbek. Od tamtej pory badaczom udało się zidentyfikować ponad 130 takich gatunków, chociaż z pewnością nie jest to ostateczna liczba. Wiadomo, że wszystkie w podobny sposób zastawiają sidła na swoje ofiary. Komórki budujące ich ciała, zamiast organizować się w charakterystyczne dla gąbek pory i kanały, tworzą długie, cienkie, lepkie nici, które swobodnie unoszą się w wodzie. U Chondrocladia lyra, przypominającej kształtem harfę bądź lirę, nici rozpostarte są pomiędzy „strunami”. U gąbki nazywanej drzewem ping-pong lepkie nici znajdują się blisko struktur przypominających piłeczki. Powierzchnia nici usłana jest haczykowato zakończonymi wypustkami, w które zaplątuje się ofiara. Wtedy do jej ciała zaczynają migrować komórki gąbki, które najpierw szczelnie otaczają zdobycz, a potem rozpoczynają trawienie. Skorupiaki nieprzekraczające 8 mm długości nie mają szans na przeżycie. Po zaledwie kilku dniach nie ma już po nich śladu.

Mistrzynie regeneracji

W każdym żywym organizmie tkanki, a nawet pojedyncze komórki zużywają się i nie mogą już dalej pełnić swoich funkcji. Aby utrzymać je w pełnej sprawności, konieczne jest ciągłe „serwisowanie” i zastępowanie szwankujących elementów nowymi, czyli – używając bardziej fachowego terminu – regeneracja. Jak doskonale wiemy choćby z własnego doświadczenia, zdolności do regeneracji zazwyczaj nie są nieograniczone. Złamana kość zrośnie się, a otarty naskórek odtworzy, lecz utrata dużej powierzchni kości bądź skóry w wyniku wypadku zostawia nas z poważnym problemem, z którym nasze ciała nie są sobie w stanie same poradzić. Dla gąbek są to rozważania raczej abstrakcyjne nie tylko dlatego, że nie posiadają tak skomplikowanych tkanek, ale również dlatego że ich zdolności do regeneracji nie mają sobie równych.

Pierwszym badaczem, który dokładnie opisał zdolność gąbek do odtwarzania dorosłego organizmu z pojedynczych komórek, był prof. Henry Van Peters Wilson z University of North Carolina w Chapel Hill. 110 lat temu postanowił rozetrzeć żywą gąbkę i przepuścić ją przez jedwabne sito. W efekcie tego nieco brutalnego traktowania otrzymał na szalce jej pojedyncze komórki. Potem obserwował ich zachowanie pod mikroskopem. Komórki zaczęły migrować i tworzyć coraz większe agregaty. Początkowo były to jedynie zlepki komórek, później – przypominająca siateczkę masa komórek, aż w końcu powstała z nich niewielka gąbka ze wszystkimi cechami budowy anatomicznej organizmu, który wcześniej został przepuszczony przez sito. Dość powiedzieć, że ostatecznie z komórek wyrosły pełnowymiarowe osobniki.

Eksperymenty z regeneracją gąbek na tym się jednak nie skończyły. Badacze postanowili sprawdzić, jak zachowają się komórki dwóch gatunków gąbek przesiane do tej samej szalki. Okazało się, że potrafią one rozróżnić, czy mają do czynienia ze „swoimi”, czy z „obcymi”. Nawet jeżeli wchodziły ze sobą w jakąś chwilową interakcję, to szybko ją kończyły i przemieszczały się w poszukiwaniu komórek swojego gatunku. W ten sposób na szalkach powstawały gąbki dwóch gatunków składające się wyłącznie z komórek danego gatunku. Podobne rezultaty uzyskano z przeszczepami pomiędzy gąbkami – nie było problemów, gdy naukowcy przenosili fragmenty organizmów w obrębie jednego gatunku, ale jakikolwiek obcy przeszczep był momentalnie odrzucany.

Wniosek płynący z tych eksperymentów jest równie prosty, jak doniosły. Te najprostsze ze zwierząt są już w stanie odróżniać komórki swojego gatunku od obcych. A zdolności te mają przecież kluczowe znaczenie także i dla nas, ludzi. Bo przecież komórki powstających naczyń krwionośnych muszą wiedzieć, kiedy wchodzą w interakcje z sobie podobnymi, a kiedy stykają się z otaczającą tkanką. To tylko jeden z nieskończonej liczby przykładów na interakcje między komórkami. Fakt, że już gąbki potrafią rozróżniać komórki, świadczy o tym, że zjawisko to musiało pojawić się w historii życia na Ziemi bardzo wcześnie.

Przyjrzyjmy się zatem, jak to działa. Chociaż komórki widziane pod mikroskopem wyglądają, jakby ich powierzchnia była zupełnie gładka, to prawda jest zgoła inna. Do błony komórkowej przymocowane są najróżniejsze cząsteczki o rozmaitych funkcjach. Ich interakcje prowadzą do zbliżenia się dwóch komórek. Oczywiście każdy gatunek gąbki ma własny wzór cząsteczek na powierzchni komórek, nierozpoznawalny przez komórki innych gatunków.

Pochodzenie

Dotychczas najstarszą skamieniałą pozostałość organizmu, który przypomina gąbkę, znaleziono w Namibii. Obszar kojarzący się nam raczej z sawannami i stadami antylop był kiedyś przykryty oceanem i to właśnie tutaj znajdują się skały liczące 650–750 mln lat. Osad, który je buduje, powstał w epoce geologicznej nazywanej ze względu na niskie temperatury kriogenem. Życie na Ziemi stanowiły wówczas żyjące w oceanach jednokomórkowe organizmy, np. bakterie, algi czy ameby. Odkrycie skamieniałości gąbek nazwanych Otavia antiqua w namibijskich skałach każe nam sądzić, że były one prawdopodobnie jedynymi wielokomórkowymi organizmami zamieszkującymi wówczas naszą planetę. Stawia to te organizmy wielkości ziarna piasku na pozycji najstarszych ewolucyjnych przodków wszystkich zwierząt. Pojawiły się i żyły jeszcze przed epoką ediakaru, znaną z form życia o iście fantastycznych kształtach i planach budowy, a także na długo przed kambrem, kiedy to życie w oceanach niemal dosłownie eksplodowało.

Gąbki były również obiektem wielu badań molekularnych, mających na celu ich dokładne umiejscowienie na drzewie życia. Porównywano budowę DNA i białek pomiędzy ich różnymi gatunkami, a także między nimi i innymi organizmami. Na podstawie liczby mutacji można ocenić pokrewieństwo pomiędzy dwiema grupami. Im więcej różnic w obrębie tej samej sekwencji DNA, tym gatunki są mniej spokrewnione. Wraz z rozwojem technik sekwencjonowania gąbki zamieniały się od czasu do czasu miejscami na drzewie życia z żebropławami, by ostatecznie – po dokładnej analizie przeprowadzonej w 2017 r. – zająć najniższą pozycję wśród zwierząt.

Przodków gąbek poprawnie zidentyfikował jeszcze w XIX w. James Clark. Zauważył on, że przedstawiciele rodziny wiciowców kołnierzykowych żywią się pływającymi w wodzie bakteriami. Ponieważ ich poruszająca się nieprzerwanie wić generuje ruch wody, bakterie zostają uwięzione w otaczającym ją kołnierzyku. Wspomniane wiciowce znane są z tego, że mogą żyć samotnie, ale i tworzyć wielokomórkowe kolonie. Jednak i wtedy każdy osobnik nadal jest w pełni autonomicznym i samowystarczalnym organizmem.

Nie trzeba wielkiej wyobraźni, by skojarzyć te organizmy z komórkami kołnierzykowymi (choanocytami) wchodzącymi w skład wewnętrznej warstwy ciała gąbek i również posiadającymi wić. Tu też kołnierzyk otaczający wić wyłapuje zawieszone w wodzie mikroorganizmy. W środowisku wodnym trawienie zewnątrzkomórkowe się nie sprawdza, więc najlepszą opcją dla gąbek jest trawienie wewnątrzkomórkowe. Zatrzymane na kołnierzyku choanocytów cząsteczki pożywienia są otaczane błoną komórkową i w postaci zamkniętego pęcherzyka „wciągane” do wnętrza komórki. Zawierający pokarm i otoczony błoną pęcherzyk łączy się z lizosomem – innym typem pęcherzyków wewnątrzkomórkowych, wypełnionych enzymami trawiennymi. Ponieważ nie wszystkie komórki gąbek wychwytują pokarm, specjalny ich rodzaj pobiera od choanocytów pęcherzyki z jedzeniem i dystrybuuje je po całym organizmie.

Zmiana stylu życia i porzucenie przez niektóre z tych komórek samodzielności na rzecz dobra całej kolonii musiały oznaczać jakieś korzyści. Pierwszą z nich jest prawdopodobnie fakt, że nawet niewielka zmiana mogła zwiększyć ilość filtrowanej wody i dostępnego pokarmu, przekształcając kolonię w przodka wszystkich gąbek. Dodatkowe rodzaje komórek umożliwiały skuteczniejszą odpowiedź na zmiany w środowisku, ale i osiąganie większych rozmiarów. Reszta prowadziła tylko do usprawnienia filtracji, a poprzez to – do powstania pierwszych gąbek, które nie mają jeszcze tkanek, lecz różne rodzaje komórek o w miarę jasno określonych funkcjach.

Gąbki dla każdego

Gąbki jednak nigdy kompletnie nie zerwały więzi ze swoimi jednokomórkowymi przodkami i podobnie jak wszystkie organizmy na Ziemi stanowią środowisko samo w sobie dla niezliczonej ilości bakterii, archeonów, protistów, alg i grzybów. W niektórych przypadkach te jednokomórkowe organizmy stanowią ponad 40% objętości gąbki. Dla jednych gąbki są prawdopodobnie wyłącznie kolejną powierzchnią do skolonizowania, ale inne, jak fotosyntezujące cyjanobakterie, żyją z nimi w pełnej symbiozie. Gąbka zapewnia im schronienie i dogodne warunki do życia, za co one odwdzięczają się, generując dla swoich gospodarzy pokarm.

Zupełnie innym przykładem współżycia gąbek i zwierząt jest żyjąca na dużych głębokościach gąbka nazywana koszyczkiem Wenery. Jej ciało przypominające pleciony kosz generuje impulsy światła, by zwabić do swojego wnętrza larwy krewetek. Do tego żywego kosza zawsze dostaje się para tych skorupiaków – samiec i samica. Gdy dorosną, nie mogą opuścić wnętrza gąbki. W zamian zaś za schronienie i regularne dostawy pokarmu dbają o czystość i dobry stan gospodarza. Jest to jeden z piękniejszych przykładów współżycia organizmów.

Wydawałoby się, że stateczne i z pozoru bezbronne gąbki będą przysmakiem wielu gatunków zwierząt. Jest jednak zupełnie odwrotnie – żywią się nimi jedynie niektóre ryby i żółwie morskie. Ich mineralny szkielet lub wydzielane toksyny skutecznie zniechęcają innych poszukiwaczy pożywienia. Dzięki temu gąbki są bezpiecznym schronieniem dla wielu gatunków ryb czy skorupiaków. Na szczęście nie są jeszcze zagrożone wyginięciem, ale zanieczyszczenie wód, połowy i ocieplanie się oceanów stanowią już początek ich poważnych kłopotów.

Jakub Zimoch
Uniwersytet w Zurychu

***

Ochraniacz dla delfina

Ludzie oczywiście stosowali gąbki do celów higienicznych od starożytności, ale nie tylko my je wykorzystujemy. U zachodnich wybrzeży Australii żyje populacja delfinów zakładających fragmenty gąbek na pyski. To zachowanie stanowiło dla naukowców zagwozdkę przez długie lata, aż w końcu zaobserwowali oni, że gąbki służą delfinom za ochraniacz podczas polowań pomiędzy twardymi i ostrymi koralowcami.