A different way of looking at living things could change health care, agriculture, nature conservation and the science of biology itself

“How many cells are there in a human being?” It sounds like a question from a nerdy pub quiz. It is also a profound philosophical inquiry. One answer is around 37trn. This is the number, in a typical adult weighing 70kg, that trace their descent from the fertilised egg which brought that human into existence. Look at it another way, though, and you arrive at a figure roughly twice as large. That adds in the archaean, bacterial, fungal and protist cells which occupy the mouth, gut, skin, lungs and almost every other surface, nook and cranny of the human body. These cells contribute only about 0.3% to a person’s body weight. But being, on the whole, much smaller than “proper” human cells, they are almost equally numerous. That human beings have this accompanying microbiome is not news. Nor is it news that, while some of those extra cells are mere passengers, others are actively beneficial. The idea of symbiosis, in which different species live together intimately and collaboratively, goes back to the 19th century. Yet what started as a finite list of unusual cases has gradually grown to the point where it is clear that almost every multicellular organism—and even some single­celled ones—have symbionts. This suggests to some biologists that the time is ripe for a “paradigm shift”—a new way for scientists to look at the world. Out, they say, with the old idea of plants and animals “having a microbiome”, and in with the idea that both are merely parts of a united meta­organism whose components evolve in concert with each other. And in, too, with a name for these communal critters: holobionts. Holistic thinking One believer in this way of thinking is Thomas Bell, head of the Leverhulme Centre for the Holobiont at Imperial College, London, which opened in January. Paradigm shifts have many causes. But one that has helped tip the balance in this case is a technology called metagenomics. Dr Bell and his colleagues plan to apply it to a wide range of known and potential holobionts. Metagenomics analyses simultaneously the genomes of everything in a sample— be it of soil, water, leaf litter or a mashedup part of a plant or animal. Before its invention, trying to work out which microbes were present in such samples was tricky. Few bugs are amenable to being cultured in a laboratory, so many were, in effect, invisible to science. These days you can run a relevant extract of any organism you care to mention through the metagenomics mill—and if you do so, it is likely to show up as a holobiont. Dr Bell and his colleagues are looking, in particular, at insects, amphibians and plants. Besides being eukaryotes—meaning their cells have proper nuclei and contain complex structures called organelles—these have little enough in common, evolutionarily speaking. Each group was picked for study because viewing its members as holobionts rather than individual creatures is illuminating. Among insects, the centre is starting with bark beetles and honeybees. Bark beetles’ holobiont nature is emphasised by the fact that some have evolved special structures called mycangia, which carry fungal spores. The spores grow thin tendrils called hyphae that allow them to digest wood. That releases nutrients which the beetles can metabolise. But if these fungi (one of the best known of which causes Dutch elm disease) get out of hand, they can devastate entire forests.
Honeybees, meanwhile, are important pollinators, a behaviour that may result in hives exchanging microbiomes via flowers their members visit. Some bee populations also show signs of being under stress, possibly from insecticide use. Several of Dr Bell’s colleagues suspect the explanation for this lies not in the animal part of the holobiont, but rather in its microbial part. Amphibians are on the list because many are threatened with extinction by skin fungi called chytrids, which have been spread from their Asian homeland by humans. Along with researchers at London Zoo, the centre’s scientists are studying the diversity of amphibian skin microbiomes, and whether this can give the meta­organism immunity to chytrid infection. Plants find themselves in the centre’s crosshairs because most are accompanied by a “rhizosphere” of bacteria and fungi attached to, or even penetrating their roots. The rhizosphere’s biochemical pathways increase the range of nutrients available to the holobiont as a whole. The rhizosphere is sustained in turn by carbohydrates and other nutrients synthesised by the holobiont’s plant component. A beneficial alliance Work like Dr Bell’s means the idea of holobionts as a meaningful category is catching on (see chart). But for it to be accepted fully, it needs to be disentangled and defined. As Scott Gilbert, a developmental biologist at Swarthmore College, puts it, “This notion [of holobionts] challenges and seeks to replace the concept of a monogenomic individual whose essential identity arises during development, is maintained by the immune system, and which is selected through evolution.” That is a big claim. One possible stumbling block is individual continuity. For organisms as conventionally classified, the link between parent and offspring is clear. For putative holobionts, it can be less so. Rather than growing from a single fertilised egg, holobionts have to be assembled. Sometimes the components are passed between parents and offspring. Humans, for example, are born with some microbes already in their guts. They pick up others during the messy process of birth, and more from their mother’s milk. In these circumstances it is easy to see how the various components of a holobiont could co­evolve into a single, functioning unit. Plants tend to make their associations horizontally—forming alliances with microbes already living in the soil in which they germinated. That might be thought to weaken the case for the resulting alliances behaving as single evolutionary units. In fact, calculations by Joan Roughgarden, an evolutionary biologist at Stanford University, show that horizontal transmission also supports co­evolution, and thus the emergence of true holobionts. One piece of evidence to suggest she is right comes from a study of switchgrass by Thomas Juenger, a biologist at the University Texas, Austin. If plants and their rhizospheres are evolutionary units, they might be expected to collect a “core” microbiome that is encouraged into existence by specific genes in the plant. Switchgrass has three genetically distinct populations in North America. By comparing these and their associated rhizospheres, Dr Juenger showed a relationship between a plant’s genes, particularly those associated with its immune system, and which bacteria thrived in the resulting rhizosphere. Sometimes, as with bark beetles and their mycangia, the evolutionary integration of primary host and microbiome is obvious even without a genetic analysis. Mastotermes darwiniensis, an Australian termite, relies on gut microbes to break the tough wood it eats into molecules which the holobiont’s animal part can metabolise. Mixotricha paradoxa, one of those fi­ bre­digesting components, is itself a composite of a protist (a single­celled eukaryote) and four types of bacteria. Lynn Margulis, the American biologist who coined the term holobiont in 1991, called this critter “the beast with five genomes”. Aphids are equally intriguing. All members of this group carry bacteria of the genus Buchnera, a variety unknown anywhere else. In a relationship reckoned to date back around 200m years, Buchnera live inside specialised aphid cells called bacteriocytes. The bacteria are so cossetted that they have shed most of the genes they started with, relying on their animal partners to fill the biochemical gaps. In exchange, they synthesise amino acids the insects are unable to make for themselves. Nor does the story end there. Many aphids host a second bug, Hamiltonella defensa, in their bacteriocytes. These critters, which also rely on Buchnera for their supply of amino acids, kill the larvae of parasitic wasps that would otherwise consume an aphid alive. But that, in turn, happens only in the presence of a virus called APSE—an even smaller metaphorical flea in the holobiont hierarchy. All that is reminiscent of the most extreme case of holobiontry: that of organelles called mitochondria and chloroplasts. Mitochondria generate energy by metabolising glucose, and are found in all eukaryotes. Chloroplasts engage in photosynthesis, and are restricted to algae and plants. Both are the distant descendants of formerly free­living bacteria that began their relationship with the cells they now call home over a billion years ago. (It was these two cases which led Margulis to coin the term holobiont.) The holobionic man The varying degrees of intimacy on display—from surface passenger to vital cellular component—do raise the question of where, exactly, the borders of the term “holobiont” lie. But biology is full of concepts that are at once fuzzy and useful (“species” is one). Perhaps the most important job of the concept is to act as a reminder to biologists never to neglect a possible role for the microbiome in any phenomenon they are trying to understand. For example, the study of the evolution of pesticide resistance in insects usually involves the genome of the insect itself. But resistance by pests called bean bugs to fenitrothion, an insecticide, is conferred by bacteria of the genus Burkholderia which live in their guts—important knowledge, if you want to counter that resistance. And there are even stranger powers brought to holobionts by their microbial parts. For example, certain bacteria are sensitive to magnetic fields. Researchers suspect some may have formed alliances with creatures such as turtles and birds, enabling these animal­based collectives to use Earth’s field to navigate. More familiarly, it is the holobiont nature of dogs (and also hyenas and other carnivores with anal glands) that enables them to communicate via scent marks. The odours they deposit this way are created by bacterial degradation of secretions into these glands. The best studied animal holobiont of all is Homo sapiens. Topologically, a human being is a torus—a three­dimensional object with a hole through the middle. The hole in question is the alimentary canal. Nearly the whole surface of this torus is home to microbes, though different parts have different inhabitants. By far the largest numbers of them live in the lower gut. These gut microbes extend the digestive capabilities of the human holobiont in the same way (though not to the same degree) as happens in termites, by breaking up fibrous plant polymers into smaller molecules that the other 37trn cells can metabolise. But they produce lots of other molecules, too, some of which send sig

nals to the holobiont’s animal cells. Those cells, moreover, often signal back. This signalling seems particularly influential over parts of the nervous system. Among the molecules secreted by gut bacteria are serotonin, GABA and catecholamines. All are neurotransmitters, chemicals which carry impulses between nerve cells. The microbiome is thus an integral part of the gut­brain axis, the constant neural chatter between the largest group of nerve cells in the body (the central nervous system) and the second­largest (the enteric nervous system). The third big interaction between host and microbiome involves the immune system. This brokers the deal that keeps the whole show on the road by preventing any particular part of the microbiome running riot—a task at least as important as fending off infectious diseases. In return, a wellbalanced microbiome assists the immune system by preventing pathogenic bugs from multiplying in the intestines. The gut microbiome is thus deeply integrated with the mammalian part of the human holobiont—as can be seen when that integration goes wrong. Dysbiosis, as this is known, is at least associated with, and in many cases probably helps cause, obesity, diabetes, high blood pressure, atherosclerosis, asthma, inflammatory bowel disease, some liver diseases, various cancers, autism, Parkinson’s disease and depression. And this is not an exhaustive list. Looking beyond the 37trn mammalian cells in this way can be medically fruitful. A largely plant­based diet, for example, encourages fibrolytic bugs, while a meat­rich one favours those that thrive on fat and proteins. As a consequence, plant­based diets yield molecules such as butyric and propionic acids which are known to regulate inflammation and other immune­system functions. Meat­based ones result in branched­chain fatty acids, and phenols and indoles, which have a range of bad effects, including being risk factors for bad cardiovascular health. Fixing things with holobionics Crop breeders, too, are starting to take the holobiont concept seriously. Field agents for Indigo Ag, in Boston, Massachusetts, identify rare survivors in farmers’ fields of events like droughts and infestations, and send these plants in for study. The assumption is that there is something special about such survivors. Indigo’s foundational guess was that this special something is often in the rhizosphere. Pursuing that thought, the firm has found—and now markets—rhizospheric bugs which confer drought­tolerance on cotton, maize, soyabeans and wheat; improve resistance to fungi in maize, soyabeans and wheat; guard against nematode attack; liberate phosphorus and potassium from the soil; and “fix” atmospheric nitrogen by turning it into molecules such as nitrates, which plants can use to make amino acids, the building blocks of proteins. Another firm, Pivot Bio of Berkeley, California, is concentrating on nitrogen fixation. Pivot’s researchers have edited the genes of two types of nitrogen­fixing bacteria so that they continue to work even when there is already plenty in the soil, and also turn out more fixed nitrogen than they usually would. When planted alongside a crop such as maize, a cocktail of these bugs provides an instant, nitrogenfixing rhizosphere for each seedling. That can reduce fertiliser use by a fifth. Jean­Michel Ané of the University of Wisconsin­Madison, who is, inter alia, a scientific adviser to Pivot, has two other nitrogen­fixing ideas up his sleeve. One, observing that legumes grow special root nodules to house nitrogen­fixing bacteria, is to reshape the roots of cereals (rice is the main target) so that they grow similar nodules. He and his colleagues have identified two leguminous genes that, when transplanted to poplars (a common experimental plant) cause them to grow nodules too. Dr Ané’s other idea is based on unusual strains of maize and sorghum that grow aerial roots which secrete a gel in which nitrogen­fixing bacteria like to live. This gel then drips to the ground, where the fixed nitrogen is absorbed by the plant’s roots. In the case of maize, he and his colleagues have managed to cross­breed plants carrying this trait with commercial cultivars, and are now into the fifth generation of plants bearing it. Cattle and other livestock are also coming under scrutiny. Their termite­like digestive systems generate more than 100m tonnes of methane a year, about 6% of the greenhouse­gas emissions for which humans are responsible. The bugs in question can be curbed by adding either of two substances to cattle feed—a chemical called 3­nitrooxypropanol or a seaweed called Asparagopsis taxiformis. Indeed, adding A. taxiformis not only curbs methane output, but also increases the conversion rate of feed into milk or meat. Conservationists see promise in thinking of organisms as holobionts, too. That is the motive for Dr Bell’s work on amphibians. Others, though, are looking to help entire ecosystems. Both forests and coral reefs are temperature­sensitive and thus threatened by global warming. Viewing their members as holobionts may allow ecologists to help them adjust. Like Indigo’s researchers, Cassandra Allsup, Isabelle George and Richard Lankau, of the University of Wisconsin–Madison, have been looking at soil microbes. They have sampled forests in their home state and in Illinois to the south. Testing seedlings of various species grown near the north and south of this span, which are 5.8 degrees of latitude apart, they found that those grown in soil inoculated with bacteria from sites with similar climates grew faster than those in soil given bugs from different ones. Though inoculating entire forests is not practical, they hope that treating nursery­grown saplings intended for local reforestation projects might help those trees’ survival. Like humans, corals are a particularly well­studied meta­organisms. Their tourist­attracting colours come from photosynthetic protists called zooxanthellae that live inside special cells in the sessile animals responsible for secreting the limestone of which coral heads are made—and it is these which provide the holobiont with most of its nutrition. A weakness of this arrangement is that if zooxanthellae get too hot, their photosynthetic mechanisms go haywire, generating toxic oxygen­rich molecules called free radicals. The coral animals then expel them, a phenomenon called bleaching. If conditions return to normal in time, recolonisation may occur. But corals that remain bleached for too long will die. Some people are trying to inculcate resistance to rising temperatures by tinkering with the genes of the animal part of the system. But Madeleine van Oppen of Melbourne University, in Australia, and Raquel Peixoto of King Abdullah University, in Saudi Arabia, are looking, in separate projects, to tweak either the zooxanthellae, or some of the many bacteria which are also part of the holobiont. Such ecosystem engineering represents holobionic thinking on a grand scale. Whether it will lead somewhere fruitful remains to be seen. But the very fact that it is happening at all is, surely, testament to an

idea whose hour has come.

Source: The Economist

نگاه متفاوت به موجودات زنده می تواند مراقبت های بهداشتی، کشاورزی، حفاظت از طبیعت و خود علم زیست شناسی را تغییر دهد.

"چند سلول در یک انسان وجود دارد؟" به نظر می رسد یک سوال از یک مسابقه میخانه عصبی است. همچنین یک تحقیق عمیق فلسفی است. یک پاسخ حدود 37 تریلیون است. این تعداد در یک فرد بالغ معمولی با وزن 70 کیلوگرم است که ردیابی آنها از تخم بارور شده ای است که آن انسان را به وجود آورده است. با این حال، به شکل دیگری به آن نگاه کنید و به رقمی تقریباً دو برابر بزرگتر می رسید. این به سلول های باستانی، باکتریایی، قارچی و پروتیست می افزاید که دهان، روده، پوست، ریه ها و تقریباً هر سطح دیگر، گوشه و کنار بدن انسان را اشغال می کنند. این سلول ها تنها حدود 0.3 درصد به وزن بدن افراد کمک می کنند. اما از آنجایی که در مجموع بسیار کوچکتر از سلول های انسانی "مناسب" هستند، تعداد آنها تقریباً به همان اندازه است. اینکه انسان ها این میکروبیوم همراه را دارند، خبری نیست. همچنین خبری نیست که در حالی که برخی از آن سلول‌های اضافی مسافران صرف هستند، برخی دیگر به طور فعال سودمند هستند. ایده همزیستی، که در آن گونه‌های مختلف به صورت صمیمی و مشترک با هم زندگی می‌کنند، به قرن نوزدهم بازمی‌گردد. با این حال، آنچه که به عنوان فهرست محدودی از موارد غیرمعمول شروع شد، به تدریج به جایی رسید که مشخص شد تقریباً هر موجود چند سلولی - و حتی برخی از تک سلولی ها - همزیستی دارند. این به برخی از زیست شناسان نشان می دهد که زمان برای "تغییر پارادایم" فرا رسیده است - راهی جدید برای دانشمندان برای نگاه کردن به جهان. آنها می گویند، با ایده قدیمی گیاهان و حیوانات "دارای یک میکروبیوم" و با این ایده که هر دو صرفاً بخش هایی از یک متا ارگانیسم متحد هستند که اجزای آن در هماهنگی با یکدیگر تکامل می یابند. و همچنین با نامی برای این موجودات جمعی: هولوبیونت ها. تفکر کل نگر یکی از معتقدان به این طرز تفکر توماس بل، رئیس مرکز Leverhulme برای Holobiont در امپریال کالج لندن است که در ژانویه افتتاح شد. تغییرات پارادایم دلایل زیادی دارد. اما یکی از مواردی که به بهبود تعادل در این مورد کمک کرده است، فناوری به نام متاژنومیکس است. دکتر بل و همکارانش قصد دارند آن را در طیف وسیعی از هولوبیونت های شناخته شده و بالقوه به کار ببرند. متاژنومیکس به طور همزمان ژنوم همه چیز را در یک نمونه تجزیه و تحلیل می کند - اعم از خاک، آب، بستر برگ یا قسمت له شده یک گیاه یا حیوان. قبل از ابداع، تلاش برای یافتن اینکه کدام میکروب ها در چنین نمونه هایی وجود دارند مشکل بود. تعداد کمی از حشرات قابل کشت در آزمایشگاه هستند، بنابراین بسیاری از آنها در واقع برای علم نامرئی بودند. این روزها می‌توانید عصاره‌ای از هر ارگانیسمی را که می‌خواهید به آن اشاره کنید، از طریق کارخانه metage nomics اجرا کنید - و اگر این کار را انجام دهید، احتمالاً به عنوان یک هولوبیونت ظاهر می‌شود. دکتر بل و همکارانش به طور خاص به دنبال حشرات، دوزیستان و گیاهان هستند. علاوه بر یوکاریوت بودن - به این معنی که سلول های آنها دارای هسته های مناسب و دارای ساختارهای پیچیده ای به نام الل اندام هستند - از نظر تکاملی، اینها به اندازه کافی مشترک نیستند. هر گروه برای مطالعه انتخاب شد، زیرا دیدن اعضای آن به‌عنوان هولوبیون‌ها و نه موجودات منفرد، روشن‌کننده است. در میان حشرات، مرکز با سوسک های پوستی و زنبورهای عسل شروع می شود. ماهیت هولوبیونتی پوست زنبور عسل با این واقعیت مورد تاکید قرار می گیرد که برخی از آنها ساختارهای خاصی به نام میکانژیا را ایجاد کرده اند که حامل هاگ های قارچ هستند. هاگ ها باعث رشد پیچک های نازکی به نام هایف می شوند که به آنها اجازه هضم چوب را می دهد. این مواد مغذی را آزاد می کند که سوسک ها می توانند آنها را متابولیزه کنند. اما اگر این قارچ ها (یکی از شناخته شده ترین آنها که باعث بیماری نارون هلندی می شود) از کنترل خارج شوند، می توانند کل جنگل ها را ویران کنند.

در این میان زنبورهای عسل گرده افشان‌های مهمی هستند، رفتاری که ممکن است منجر به تبادل میکروبیوم‌ها از طریق گل‌هایی شود که اعضای آن‌ها از آن بازدید می‌کنند. برخی از جمعیت‌های زنبور عسل نیز نشانه‌هایی از استرس را نشان می‌دهند که احتمالاً ناشی از استفاده از حشره‌کش است. چند تن از همکاران دکتر بل معتقدند که توضیح این امر نه در بخش حیوانی هولوبیونت، بلکه در بخش میکروبی آن نهفته است. دوزیستان در این لیست قرار دارند زیرا بسیاری از آنها توسط قارچ های پوستی به نام کیتریدها که توسط انسان ها از سرزمین آسیایی آنها پخش شده است در معرض انقراض قرار دارند. به همراه محققان در باغ وحش لندن، دانشمندان این مرکز در حال بررسی تنوع میکروبیوم‌های پوست دوزیستان هستند و اینکه آیا این می‌تواند به متا ارگانیسم در برابر عفونت کیترید مصونیت بدهد یا خیر. گیاهان خود را در تلاقی مرکز قرار می‌دهند، زیرا اکثر آنها با یک "ریزوسفر" از باکتری‌ها و قارچ‌ها همراه هستند که به ریشه‌هایشان چسبیده یا حتی در آنها نفوذ می‌کنند. مسیرهای بیوشیمیایی ریزوسفر دامنه مواد مغذی موجود در کل هولوبیونت را افزایش می دهد. ریزوسفر به نوبه خود توسط کربوهیدرات ها و سایر مواد مغذی سنتز شده توسط جزء گیاهی هولو بیونت حفظ می شود. یک اتحاد سودمند کار مانند دکتر بل به این معنی است که ایده هولو بایونت ها به عنوان یک مقوله معنادار در حال گسترش است (نمودار را ببینید). اما برای اینکه به طور کامل پذیرفته شود، باید از هم گسسته و تعریف شود. همانطور که اسکات گیلبرت، زیست شناس رشدی در کالج سوارثمور، می گوید: «این چیزی نیست [هولوب]

ionts] را به چالش می کشد و به دنبال جایگزینی مفهوم یک فرد تک ژنومی است که هویت اصلی آن در طول رشد به وجود می آید، توسط سیستم ایمنی حفظ می شود و از طریق تکامل انتخاب می شود. این یک ادعای بزرگ است. یکی از موانع احتمالی تداوم فردی است. برای موجوداتی که به طور مرسوم طبقه بندی می شوند، ارتباط بین والدین و فرزندان واضح است. برای هولوبیونت های احتمالی، ممکن است کمتر باشد. به جای رشد از یک تخمک بارور شده، هولو بایونت ها باید جمع شوند. گاهی اوقات اجزاء بین والدین و فرزندان منتقل می شوند. به عنوان مثال، انسان ها با برخی از میکروب ها از قبل در روده خود متولد می شوند. آنها دیگران را در طول فرآیند نامرتب تولد و بیشتر از شیر مادرشان می گیرند. در این شرایط به راحتی می توان دید که چگونه اجزای مختلف یک هولبیونت می توانند به یک واحد واحد و عملکردی تبدیل شوند. گیاهان تمایل دارند تا به صورت افقی پیوندهای خود را ایجاد کنند - اتحادهایی را با میکروب هایی که قبلاً در خاکی که در آن جوانه زده اند زندگی می کنند. ممکن است تصور شود که این امر باعث تضعیف اتحادهای حاصله می شود که به عنوان واحدهای تکاملی واحد عمل می کنند. در واقع، محاسبات Joan Roughgarden، زیست‌شناس تکاملی در دانشگاه استنفورد، نشان می‌دهد که انتقال افقی نیز از تکامل همزمان و در نتیجه ظهور هولبیونت‌های واقعی پشتیبانی می‌کند. یکی از شواهدی که نشان می‌دهد حق با اوست، از مطالعه توماس یونگر، زیست‌شناس در دانشگاه تگزاس، آستین بر روی سوئیچ گراس به دست آمده است. اگر گیاهان و کره‌های ریزوم آن‌ها واحدهای تکاملی باشند، ممکن است انتظار داشته باشیم که یک میکروبیوم هسته‌ای را جمع‌آوری کنند که توسط ژن‌های خاص موجود در گیاه تشویق می‌شود. Switchgrass دارای سه جمعیت ژنتیکی متمایز در آمریکای شمالی است. دکتر یونگر با مقایسه این ریزوسفرها و ریزوسفرهای مرتبط با آن‌ها، رابطه بین ژن‌های گیاه، به‌ویژه ژن‌های مرتبط با سیستم ایمنی آن، و اینکه کدام باکتری در ریزوسفر حاصل رشد می‌کند، نشان داد. گاهی اوقات، مانند سوسک‌های پوست و میکانژی آنها، ادغام تکاملی میزبان اولیه و میکروبیوم حتی بدون تجزیه و تحلیل ژنتیکی مشهود است. Mastotermes darwiniensis، موریانه استرالیایی، برای شکستن چوب سختی که می خورد به مولکول هایی که بخش حیوانی هولوبیونت می تواند متابولیزه شود، به میکروب های روده متکی است. Mixotricha paradoxa، یکی از آن اجزای هضم کننده، خود ترکیبی از یک پروتیست (یک یوکاری تک سلولی) و چهار نوع باکتری است. لین مار گولیس، زیست شناس آمریکایی که در سال 1991 اصطلاح holobiont را ابداع کرد، این موجود را "جانوری با پنج ژنوم" نامید. شته ها به همان اندازه جذاب هستند. همه اعضای این گروه حامل باکتری هایی از جنس Buchnera هستند که در هر جای دیگری ناشناخته است. در رابطه ای که قدمت آن به حدود 200 میلیون سال پیش می رسد، بوچنرا در داخل سلول های تخصصی شته به نام باکتریوسیت زندگی می کند. این باکتری‌ها به قدری متلاشی شده‌اند که با تکیه بر بخش‌های حیوانی خود برای پر کردن شکاف‌های بیوشیمیایی، بیشتر ژن‌هایی را که با آن‌ها شروع کرده بودند، از دست داده‌اند. در عوض، آنها آمینو اسیدهایی را سنتز می کنند که حشرات قادر به ساختن خود نیستند. داستان به همین جا ختم نمی شود. بسیاری از شته ها میزبان حشره دوم به نام Hamiltonella de fensa در باکتریوسیت های خود هستند. این موجودات، که همچنین برای تامین اسیدهای آمینه خود به بوچنرا متکی هستند، لارو زنبورهای پاراسیتیک را که در غیر این صورت یک شته را زنده زنده می‌خورند، می‌کشند. اما این به نوبه خود، تنها در حضور ویروسی به نام APSE اتفاق می‌افتد - یک flea استعاری حتی کوچکتر در سلسله مراتب holobiont. همه آن‌ها یادآور شدیدترین مورد هولوبیونتری است: نمونه‌های عضوی به نام میتوکندری و کلرو پلاست. میتوکندری ها با متابولیسم گلوکز انرژی تولید می کنند و در همه یوکاریوت ها یافت می شوند. کلروپلاست ها در سنتز فتوسنتز شرکت می کنند و به جلبک ها و گیاهان محدود می شوند. هر دوی آنها نوادگان دور باکتری‌هایی هستند که قبلاً آزاد بودند و بیش از یک میلیارد سال پیش رابطه خود را با سلول‌هایی که اکنون خانه می‌نامند آغاز کردند. (این دو مورد بود که باعث شد مارگولیس اصطلاح هولوبیونت را ابداع کند). از اصطلاح "هو لوبیونت" دروغ است. اما زیست شناسی مملو از مفاهیمی است که در عین حال مبهم و مفید هستند ("گونه" یکی است). شاید مهم ترین کار این مفهوم این باشد که به عنوان یادآوری به بیولوژیست ها عمل کند تا هرگز از نقش احتمالی میکروبیوم در هر پدیده ای که سعی در درک آن دارند غافل نشوند. به عنوان مثال، مطالعه تکامل مقاومت به آفت کش ها در حشرات معمولاً شامل نام ژنتیکی خود حشره است. اما مقاومت آفاتی به نام حشرات لوبیا در برابر فنیتروتیون، یک حشره‌کش، توسط باکتری‌های جنس Burkholderia که در روده‌های آن‌ها زندگی می‌کنند، اعطا می‌شود - اگر می‌خواهید با این مقاومت مقابله کنید، دانش مهمی است. و حتی قدرت های عجیب تری وجود دارد که توسط بخش های میکروبی هولوبیون ها به آنها منتقل می شود. به عنوان مثال، برخی از باکتری ها به میدان های مغناطیسی حساس هستند. محققان گمان می کنند که برخی ممکن است با موجودات s متحد شده باشند

مانند لاک‌پشت‌ها و پرندگان، این گروه‌های مبتنی بر حیوانات را قادر می‌سازد تا از میدان زمین برای مسیریابی استفاده کنند. بیشتر آشناتر، این طبیعت هولوبیونت سگ ها (و همچنین کفتارها و دیگر گوشتخواران دارای غدد مقعدی) است که آنها را قادر می سازد از طریق علائم بو با هم ارتباط برقرار کنند. بوهایی که از این طریق رسوب می کنند در اثر تخریب باکتریایی ترشحات به این غدد ایجاد می شود. بهترین هولوبیون حیوانی مورد مطالعه، هومو ساپینس است. از نظر توپولوژیکی، انسان یک چنبره است - یک شی سه بعدی با سوراخی از وسط. سوراخ مورد بحث مجرای گوارش است. تقریباً تمام سطح این چنبره محل زندگی میکروب‌ها است، اگرچه قسمت‌های مختلف ساکنان متفاوتی دارند. بیشترین تعداد آنها در قسمت تحتانی روده زندگی می کنند. این میکروب‌های روده توانایی‌های هضم هولوبیونت انسان را به همان روشی (البته نه به همان درجه) که در موریانه‌ها اتفاق می‌افتد، گسترش می‌دهند، با شکستن پلیمرهای فیبری گیاهی به مولکول‌های کوچک‌تر که سلول‌های 37 تریلیونی دیگر می‌توانند آن را متابولیزه کنند. . اما آنها تعداد زیادی مولکول دیگر را نیز تولید می کنند که برخی از آنها سیگ ارسال می کنند

به سلول های حیوانی هولوبیونت می رسد. علاوه بر این، آن سلول‌ها اغلب سیگنال‌های برگشتی می‌دهند. به نظر می‌رسد که این سیگنال‌دهی به‌ویژه بر بخش‌هایی از سیستم عصبی تأثیرگذار است. از جمله مولکول های ترشح شده توسط باکتری های روده می توان به سروتونین، گابا و آمین های کاتکول اشاره کرد. همه آنها انتقال دهنده های عصبی هستند، مواد شیمیایی که تکانه ها را بین سلول های عصبی حمل می کنند. بنابراین، میکروبیوم بخشی جدایی ناپذیر از محور مغز روده است، گفتگوی عصبی ثابت بین بزرگترین گروه از سلول های عصبی بدن (سیستم عصبی مرکزی) و دومین گروه بزرگ (سیستم عصبی روده). سومین تعامل بزرگ بین میزبان و میکروبیوم شامل سیستم ایمنی بدن می شود. این کار میانجی معامله ای است که کل نمایش را با جلوگیری از هر بخش خاصی از شورش در حال اجرا میکروبیوم - وظیفه ای حداقل به اندازه دفع بیماری های عفونی مهم است. در عوض، یک میکروبیوم متعادل با جلوگیری از تکثیر حشرات بیماری‌زا در روده به سیستم ایمنی کمک می‌کند. بنابراین، میکروبیوم روده عمیقاً با بخش پستانداران انسان هولوبیونت یکپارچه شده است - همانطور که وقتی این ادغام اشتباه می شود مشاهده می شود. دیس بیوز، همانطور که شناخته شده است، حداقل با چاقی، دیابت، فشار خون بالا، آترواسکلروزیس، آسم، بیماری های التهابی روده، برخی بیماری های کبدی، سرطان های مختلف مرتبط است و در بسیاری از موارد احتمالاً به آن کمک می کند. اوتیسم، بیماری پارکینسون و افسردگی. و این یک لیست جامع نیست. نگاهی فراتر از 37 تریلیون سلول های پستانداران از این طریق می تواند از نظر پزشکی مثمر ثمر باشد. به عنوان مثال، یک رژیم غذایی عمدتاً گیاهی، حشرات فیبرولیتیک را تشویق می کند، در حالی که یک رژیم غذایی غنی از آنهایی که با چربی و پروتئین رشد می کنند، حمایت می کند. در نتیجه، رژیم‌های گیاهی مولکول‌هایی مانند اسیدهای بوتیریک و پروپیونیک تولید می‌کنند که برای تنظیم التهاب دیررس و سایر عملکردهای ایمنی شناخته شده‌اند. غذاهای مبتنی بر گوشت منجر به اسیدهای چرب زنجیره‌ای شاخه‌دار و فنل‌ها و ایندول‌ها می‌شوند که دارای طیف وسیعی از اثرات بد هستند، از جمله عوامل خطر برای سلامت قلب و عروق. رفع مشکلات با holobionics، پرورش دهندگان محصولات نیز شروع به جدی گرفتن مفهوم holobiont کرده اند. ماموران صحرایی Indigo Ag، در بوستون، ماساچوست، بازماندگان نادری را در زمینه‌های کشاورزان از حوادثی مانند خشکسالی و هجوم شناسایی می‌کنند و این گیاهان را برای مطالعه می‌فرستند. فرض بر این است که چیز خاصی در مورد چنین بازماندگانی وجود دارد. اساس حدس نیل این بود که این چیزی خاص اغلب در ریزوسفر است. با پیگیری این تفکر، این شرکت حشرات ریزوسفری را پیدا کرده و اکنون به بازار عرضه می کند که باعث تحمل خشکسالی در پنبه، ذرت، سویا و گندم می شود. من مقاومت در برابر قارچ ها را در ذرت، دانه های سویا و گندم اثبات کردم. محافظت در برابر حمله نماتد؛ آزادسازی فسفر و پتاسیم از خاک؛ و نیتروژن اتمسفر "fix" با تبدیل آن به مولکول هایی مانند نیترات، که گیاهان می توانند از آن برای ساخت اسیدهای آمینه، بلوک های سازنده پروتئین ها استفاده کنند. شرکت دیگر، Pivot Bio of Berkeley، California، بر فیکساسیون نیتروژن متمرکز شده است. محققان Pivot ژن‌های دو نوع باکتری تثبیت‌کننده نیتروژن را ویرایش کرده‌اند تا حتی زمانی که مقدار زیادی در خاک وجود دارد به کار خود ادامه دهند و همچنین نیتروژن ثابت بیشتری نسبت به آنچه که معمولا انجام می‌دهند، تولید کنند. هنگامی که در کنار محصولی مانند ذرت کاشته می شود، کوکتل این حشرات یک ریزوسفر فوری و ثابت کننده نیتروژن برای هر نهال ایجاد می کند. این می تواند مصرف کود را تا یک پنجم کاهش دهد. ژان میشل آنه از دانشگاه ویسکانسین مدیسون، که از جمله مشاور علمی Pivot است، دو ایده دیگر نیز در آستین خود دارد. یکی از مواردی که حبوبات برای نگهداری باکتری های تثبیت کننده نیتروژن، ندول های ریشه خاصی رشد می دهند، تغییر شکل ریشه غلات است (برنج هدف اصلی است) به طوری که آنها گره های مشابهی رشد می کنند. او و همکارانش دو ژن حبوبات را شناسایی کرده‌اند که وقتی به صنوبر (یک گیاه آزمایشی رایج) کاشته می‌شوند، باعث رشد گره‌ها نیز می‌شوند. ایده دیگر دکتر آنه بر اساس گونه های غیرمعمول ذرت است

و سورگوم که ریشه‌های ریالی رشد می‌کند و ژلی ترشح می‌کند که در آن باکتری‌های تروژن تثبیت‌کننده دوست دارند زندگی کنند. سپس این ژل به زمین می‌چکد، جایی که نیتروژن ثابت توسط ریشه‌های گیاه جذب می‌شود. در مورد ذرت، او و همکارانش موفق به تلاقی گیاهان حامل این صفت با ارقام تجاری شده اند و اکنون در نسل پنجم گیاهانی هستند که این ویژگی را دارند. گاو و سایر دام ها نیز تحت نظارت هستند. سیستم گوارشی موریانه مانند آنها بیش از 100 میلیون تن متان در سال تولید می کند که حدود 6 درصد از انتشار گازهای گلخانه ای است که انسان مسئول آن است. حشرات مورد بحث را می توان با افزودن یکی از دو ماده به غذای گاو مهار کرد - یک ماده شیمیایی به نام 3nitrooxypropanol یا یک جلبک دریایی به نام Asparagopsis taxiformis. در واقع، افزودن A. taxiformis نه تنها خروجی مت آن را محدود می کند، بلکه نرخ تبدیل خوراک به شیر یا گوشت را نیز افزایش می دهد. حافظان محیط زیست نیز در تلقی ارگانیسم ها به عنوان هولوبیونت، نویدبخش می دانند. این انگیزه کار دکتر بل در مورد دوزیستان است. با این حال، دیگران به دنبال کمک به اکوسیستم های تایر هستند. هم جنگل ها و هم صخره های مرجانی به دما حساس هستند و در نتیجه گرمایش جهانی در معرض تهدید قرار می گیرند. در نظر گرفتن اعضای آنها به عنوان هولوبیونت ها ممکن است به بوم شناسان اجازه دهد تا به آنها کمک کنند تا سازگار شوند. مانند محققان ایندیگو، کاساندرا آلسوپ، ایزابل جورج و ریچارد لان کائو از دانشگاه ویسکانسین پسر مادی، میکروب‌های خاک را بررسی کرده‌اند. آنها از جنگل ها در ایالت خود و ایلینوی در جنوب نمونه برداری کرده اند. با آزمایش نهال‌های گونه‌های مختلف که در نزدیکی شمال و جنوب این دهانه رشد کرده‌اند، که 5.8 درجه عرض جغرافیایی از هم فاصله دارند، دریافتند که نهال‌هایی که در خاک تلقیح شده با باکتری‌های مکان‌هایی با آب‌وهوای مشابه رشد کرده‌اند، سریع‌تر از آن‌هایی که در خاک رشد کرده‌اند حشرات مختلف رشد می‌کنند. آنهایی که اگرچه تلقیح کل جنگل ها عملی نیست، آنها امیدوارند که درمان نهال های پرورش یافته در نهالستان در پروژه های احیای جنگل های محلی ممکن است به بقای آن درختان کمک کند. مرجان ها مانند انسان ها متا ارگانیسم هایی هستند که به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته اند. رنگ‌های جذاب تور آن‌ها از پروتستان‌های فتوسنتزی به نام zooxanthellae می‌آیند که در داخل سلول‌های خاصی در جانوران بی‌صدا زندگی می‌کنند که مسئول ترشح سنگ آهکی هستند که سرهای مرجانی از آن ساخته شده‌اند - و اینها هستند که بخش عمده‌ای از مواد غذایی را برای هولوبیونت فراهم می‌کنند. نقطه ضعف این آرایش این است که اگر زواگزانتلاها بیش از حد داغ شوند، مکانیسم‌های سنتزی عکس آنها خراب می‌شود و مولکول‌های غنی از اکسیژن سمی به نام رادیکال‌های آزاد تولید می‌کنند. سپس حیوانات مرجانی آنها را بیرون می‌کنند، پدیده‌ای که به آن سفید شدن می‌گویند. اگر شرایط به موقع به حالت عادی برگردد، ممکن است مجدداً ایجاد شود. اما مرجان هایی که برای مدت طولانی سفید می شوند، می میرند. برخی از افراد در تلاشند تا با دستکاری ژن‌های بخش حیوانی سیستم، مقاومت در برابر افزایش دما را القا کنند. اما مادلین ون اوپن از دانشگاه مل بورن در استرالیا و راکوئل پیکسوتو از دانشگاه ملک عبدالله در عربستان سعودی در پروژه‌های جداگانه به دنبال اصلاح zooxanthellae یا برخی از باکتری‌های بسیاری هستند که بخشی از آن هستند. از هولوبیونت چنین مهندسی اکوسیستم، تفکر هولوبیونیک را در مقیاس بزرگ نشان می دهد. اینکه آیا آن را به جایی مثمر ثمر بخش به دیده می شود. اما خود این واقعیت که اصلاً اتفاق می افتد، مطمئناً 

اما همین واقعیت که هست

اتفاقی که اصلاً اتفاق می‌افتد، مطمئناً شاهدی بر این است

ایده ای که ساعت آن فرا رسیده است