Без царства бактерий биосфера на нашей планете не то, что прекратила бы своё существование, она бы даже не появилась. Эти организмы играют огромную роль не только в круговороте ключевых элементов, которые входят в состав каждого обитателя планеты Земля, но и обеспечивают их биодеградацию после прекращения процессов жизнедеятельности, чтобы вновь включить углерод, азот, серу и другие атомы в геохимические циклы.
Уже более века назад стало известно, что очень немногие бактерии живут в виде отдельных клеток, формируя сообщества для лучшей приспособляемости к окружающей среде и повышению эффективности сложных биохимических процессов. В настоящее время бактерия уже рассматривается не как одиночное автономно живущее существо, она аналогична клетке, входящей в состав многоклеточного организма. Бактерии организуются в очень сложно конгломерированные сообщества, суть функционирования которых ещё далека от понимания современной микробиологии. Они способны к обработке информации, принятию решения и на его основании уже реализуют выработанную стратегию поведения, в частности секретируя специальные химические соединения для направленной миграции, охоты на своих жертв или защиты от неблагоприятных воздействий.
Именно в организованных сообществах бактериям удаётся оптимизировать биохимические процессы, в то время как в одиночку это бы просто не представлялось возможным.
Так, Anabaena, представитель фотосинтезирующих бактерий, обитающая в водоёмах с пресной водой, обладает способностью к двум взаимоисключающим друг друга в одной клетке процессам – фотосинтезу и фиксации атмосферного азота. Дело в том, что образующийся при фотосинтезе кислород инактивирует нитрогеназу, фермент фиксирующий азот из атмосферы и включающий его в химические клеточные циклы. Когда в клетках колонии имеется достаточное количество азотсодержащих соединений, все её члены морфологически похожи друг на друга и осуществляют процесс фотосинтеза. Однако, когда резервы азота начинают исчерпываться, появляются гетероцисты, иные, более крупные клетки, способные уже к переработке и фиксации атмосферного азота, но прекратившие процессы фотосинтеза. Дж. Голден и Р. Хазелкорн из Чикагского Университета установили, что в новых клетках колонии происходит специфическая перестройка генного аппарата, результатом которой служит появление последовательности ДНК, кодирующей одну из субъединиц фермента нитрогеназы. В колонии бактерии Anabaena образуют нити, иногда спутываясь в клубки. В каждой нити имеются субмикроскопические каналы, соединяющие клетки обоих типов, по которым между ними осуществляется обмен азотсодержащими соединениями и продуктами фотосинтеза.
Миксобактерии являются ярчайшим примером коллективного поведения в этом царстве, большинство из них вообще никогда не существуют как отдельные клетки. Эти организмы образуют плодовые тела, секретируют тяжи слизи, которые направляют движения групп клеток. Вся колония передвигается по питательной среде как единое целое, и если вдруг одна из клеток «случайно отбивается» от материнского организма, то тут же устремляется обратно, как будто её притягивает невидимая сила.
Дж. Бернхэм со своими коллегами из Медицинского колледжа в Огайо установили, что Myxococcus xanthus в процессе охоты образуют сферические колонии, которые захватывают бактерию-жертву в «карманы» на поверхности сферы, окружают её и переваривают.
Группа учёных под руководством А.Д. Кайзера из Медицинской школы Стэнфордского Университета выявила наличие двух систем, ответственных за взаимодействия, процессы агрегации, движения и дифференцировки Myxococcus xanthus. Оказалось, что первая система, её назвали А (от англ. Adventure – приключение), ответственна за способность клеток к индивидуальному передвижению, в то время как система S (от англ. Social – социальный) обеспечивает скоординированное движение уже групп клеток. Для функционирования обеих систем необходима слаженная работа как минимум 33 генетических локусов.
Рост колоний у бактерий – это строго регулируемый процесс, находящийся под перманентным контролем и определяющийся некими общими правилами. Колонии стремятся обрести форму круга и растут за счёт увеличения числа клеток по его периметру. Внутри круга можно выделить концентрические и радиальные элементы. Первые в виде колец располагаются в центре, а вторые, сектора, выглядят как куски нарезанного пирога. Зачастую клетки из разных секторов генетически различаются. Характер ритмических пульсаций и роста, в частности, наблюдаемые у миксобактерий, свидетельствуют о наличие биологических часов, обеспечивающих контроль развития во времени, что ранее было установлено только у высших организмов.
Колонии Proteus mirabilis состоят из двух различных типов клеток: длинных, «роящихся», в данном случае быстро растущих и способных перемещаться на значительные расстояния, для этого имеющих сотни жгутиков, и коротких, «нероящихся», с малым количеством жгутиков. Из коротких клеток, находящихся в центре колонии появляются длинные клетки, которые мигрируют к краям колонии. Интенсивным, синхронным вращением жгутиков они обеспечивают перемещение всей колонии по поверхности питательной среды. Причём «роение» возможно только в составе многоклеточный структуры, отдельная клетка не обладает этой способностью до тех пор, пока её не поглотит многоклеточный конгломерат.
М. Дворкин из Университета штата Миннесота зафиксировал процесс охоты хищных бактерий Myxococcus xanthus, которые в поисках добычи образовывали так называемые странствующие языки из множества клеток в поиске бактерий-жертв. Обнаружив цель, язык круто поворачивал в её направлении и, если объект оказывался съедобным, то останавливался и поглощал пищу. В случае если это была ложная цель, установленная экспериментаторами, например, пластиковый шарик, кончик языка продолжал движение в прежнем направлении.
Бактерии демонстрируют коллективное поведение и разделение функций не только в пределах своей колонии и даже не в сообществе особей своего биологического вида. Два разных вида микроорганизмов – анаэробные метанотрофы и сульфатредуцирующие бактерии совместно осуществляют процесс анаэробного окисления метана. Метан является высокоэнергетической, но очень стабильной молекулой, её нелегко использовать в биохимических реакциях, чтобы высвободить электроны и получить энергию. Анаэробные метанотрофы могут выполнять эту работу, но в результате появляется избыточное число электронов, что приводит к остановке их метаболизма. Однако побочный продукт для одного микроба – это ценный ресурс для другого. Сульфатредуцирующие бактерии используют избыток электронов для превращения сульфата в сульфид и утилизируют полученную в результате энергию.
Ещё один пример совместного цикла жизнедеятельности – это Prochlorococcus, самый маленький, но наиболее распространённый фотосинтезирующий организм, и Pelagibacter, также один из широко встречающихся морских обитателей. В то время как Prochlorococcus потребляет углекислый газ и выделяет органические соединения углерода днём, Pelagibacter поглощает эти соединения и выделяет другие молекулы, которые Prochlorococcus может использовать для получения энергии, когда солнце садится. Оба организма перерабатывают продукты жизнедеятельности друг друга, извлекая неиспользованную партнёром энергию.
Подобные примеры сложной организации в очередной раз подтверждают положение социобиологии о том, что коллективные формы поведения имеют генетическую природу и жизнь в одиночку невозможна. Демонстрируемая чёткая последовательность, удивительная синхронность и ритмичность действия представителей этого царства в своё время даже заставили создателя пенициллина, легендарного Александра Флеминга выдвинуть гипотезу о существовании у бактерий нервной системы.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов, и теперь статьи канала Intellectus увидят только его подпиcчики. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Занимательная биология»: