Находясь в состоянии споры, покрытой прочной оболочкой, бактерии переживают неблагоприятные условия, останавливая все свои жизненные процессы. По сути, такая клетка почти мертва, однако ученые выяснили, что и «мертвые» бактерии постоянно отслеживают состояние внешней среды, реагируя даже на незначительные изменения условий.
В отличие от растений и грибов, споры бактерий служат не для размножения: в частности, они образуются внутри клеток при резком ухудшении условий внешней среды, например, понижении температуры или сокращении влажности. В таком состоянии бактерия способна выдерживать различные физические и химические воздействия, сохраняя жизнеспособность в течение многих лет: известен случай, когда проросли бактериальные споры, образовавшиеся около 30 миллионов лет назад.
Чтобы сохранять способность к прорастанию так долго, бактерия сводит на ноль все свои физиологические процессы, останавливая даже движение цитоплазмы за счет потери большей части воды. Но было неизвестно, остается ли при ней способность «отслеживать» состояние внешней среды, реагируя на те условия, которые еще не подходят для прорастания. Иными словами, инертны ли бактериальные споры вплоть до момента прорастания или они как-то реагируют на незначительные изменения снаружи?
Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) смогли разгадать эту загадку, обнаружив, что споры сенной палочки (Bacillus subtilis) действуют как конденсаторы, используя накопленную электрохимическую энергию для отслеживания внешних условий в состоянии полного покоя. Благодаря этому споры реагируют даже на кратковременные и слабые улучшения внешних условий, но прорастают только тогда, когда сумма таких изменений достигает некоторого порога, пригодного для полноценной жизнедеятельности.
Разработав математическую модель, объясняющую этот процесс, исследователи обнаружили, что споры используют мембранный потенциал для отслеживания состояния окружающей среды. Грубо говоря, спора высвобождает небольшое количество ионов калия в ответ на каждое незначительное улучшение внешних условий (в данном случае это были добавляемые в раствор со спорами аминокислоты), но прорастает лишь тогда, когда разница концентраций калия снаружи и внутри оболочки споры достигнет нужного значения.
Это похоже на работу нейронов в нашем мозгу, у которых мембранный потенциал служит для передачи сигналов между клетками. Удивительно, что бактерии могут выделять ионы калия без каких-либо энергетических затрат, а нейроны — одни из самых «энергичных» клеток нашего тела.
Новые данные позволяют переосмыслить наши представления о бактериальных спорах и могут послужить в космических миссиях, ищущих признаки существования внеземной жизни. Если в будущем космонавты обнаружат споры бактерий на метеоритах или других планетах, с помощью отслеживания мембранного потенциала ученые смогут определить оптимальные условия для прорастания таких организмов и перевести их в форму полноценной клетки для дальнейшего изучения.
Исследование опубликовано в журнале Science.