Когда вы слышите слово «бактерии», то, наверное, представляете себе кишечные палочки, налипшие на слизкий желкиштракт, или стафилококковые горошинки, рассыпанные по бледной коже, или лапшевидные боррелии, шагающие по сосудам лимфоцитовой походкой, или синезеленые «водоросли», пукающие кислородом в океан, – то есть одноклеточные, хотя и многочисленные, свободноживущие индивидуумы. Вот только большинство бактерий живут вовсе не по одиночке: они формируют колонии (охотничьи швармы миксококков, желейные массы ностока) и особые консорциумы биопленки (обрастания на камнях, налет на зубах, слизегрязь в водопроводе) – в такой форме существуют чуть ли не 99% всех микроорганизмов в природе. Даже в открытом море, без всяких поверхностей и ядер концентрации, может возникнуть микробный конгломерат.
Удивительный пример бактериальной многоклеточности обнаружила микробиолог Джулия Шварцман в лаборатории Отто Кордеро в Массачусетском технологическом институте (США). Вместе с другим постдоком, Али Эбрахими, она изучала, как бактерии Vibrio splendidus питаются альгинатами – гелеобразными углеводами, которые зачастую являются единственным источником энергии в открытом океане. В отличие от глюкозы, фруктозы и других простецких сахаров, легко проходящих через клеточную мембрану, альгинаты формируют в воде коллоид из длинных закрученных прядей, часто намного более крупных, чем сами бактерии. При этом выделяемые бактерией ферменты, необходимые для разрушения альгинатов, быстро размываются и растекаются в окружающей воде. Как же тогда обеспечивается эффективность их питания?
Ученые выращивали Vibrio splendidus в колбах с теплым бульоном с небольшим количеством альгинатов – как в естественных условиях. Обычно, когда бактерии размножаются, прозрачный бульончик постепенно превращается в мутную похлебку и, фиксируя изменения в мутности, можно смоделировать динамику роста бактериальной популяции – как правило, кривая гладко идет наверх, сначала медленно, потом экспоненциально. Но кривая культуры Vibrio splendidus скакала ухабисто, а бульончик не мутнел так, как ожидалось, сколько эксперимент ни повторяли. Чтобы понять, в чем дело, Шварцман поместила капельку бульона под микроскоп с сорокакратным увеличением и увидела… нет, не хаотичный рой индивидуальных вибрионов, а прекрасный слоистый шарик из сотен или даже тысяч сожительствующих бактерий!
С точки зрения питания объединение вибрионов имеет смысл: одиночная бактерия производит мало ферментов, а совместно разрушать альгинаты гораздо проще. Но если бактерий слишком много, еды на всех не хватит. Эту дилемму Vibrio splendidus решают усложненным жизненным циклом из трех фаз. Поначалу индивидуальная клетка многократно делится, как делятся и ее дочерние клетки, постепенно формируя растущую кучку. Затем кучка перестраивается в полый шар, снаружи которого клетки дружно склеиваются в сферическую оболочку, а внутри плавают мобильные клетки, поглощающие попавший в ловушку альгинат в условиях повышенной концентрации ферментов. В самом конце сфера рассыпается и сытые внутренние вибрионы выходят наружу, чтобы запустить цикл заново. Внешние же бактерии, не поемши, утрачивают возможность делиться – тем самым сдерживается рост популяции. Их ДНК в любом случае переходит в новое поколение, поскольку все клетки шара являются клонами изначальной клеточки.
Получается, что Vibrio splendidus на определенном этапе жизни существует в форме гетерогенной смеси клеток, причем на каждой фазе их поведение контролируется разными генами, отмечают исследователи. «Бактерии постоянно считывают информацию из окружающей среды и иногда реагируют таким образом, что меняют ее», – говорит Шварцман, восхищенная «удивительным количеством сложности» взаимодействий микробов друг с дружкой. Вибрионный шарик как будто бы удовлетворяет традиционным критериям многоклеточности: взаимодействие клеток, их функциональная разнотипность, самопожертвование части клеток ради интересов целого организма.
Дивное открытие пополняет растущий список бактерий, которые можно назвать многоклеточными, по крайней мере в течение некоторого периода жизни. Не далее как в прошлом месяце появилась научная публикация о новых бактериях Jeongeupia sacculi, которые формируют живое подобие жидких кристаллов на стенах подтопляемой известняковой пещеры на острове Кюсю (Япония). Когда колония погружается в воду, часть клеток отправляются в свободное плавание и, достигнув других участков пещерного лабиринта, оседают на стенках и порождают новые колонии. Это еще один пример того, как окружающая среда играет роль в эволюционном развитии сложности. (Подробнее об исследовании этих бактерий можно почитать здесь.)
Предвзятое убеждение об одноклеточности бактерий веками мешало искать сложность в их поведении и морфологической организации, хотя такая сложность может быть для них вполне себе нормой. Одноклеточный образ жизни зачастую является лишь артефактом искусственных сред, и многоклеточность может оказаться неотъемлемым свойством бактерий, да и других микроорганизмов тоже. Джулия Шварцман полагает, что она появилась очень рано в истории жизни и характерна в том числе и для архей. Эти кузены бактерий и предки эукариот тоже кажутся поголовно одноклеточными, но кто знает, вдруг в каких-то потаенных уголках нашей планеты скрываются древние многоклеточные археи?
Текст: Виктор Ковылин. Научная статья: Current Biology (Schwartzman et al., 2022)
Вас также могут заинтересовать статьи:
Цианобактерии потеют светом в тесных блинчиках
Волосы продемонстрировали кворум
Каждой поре по твари: угревые палочки уникальны в альковах вашего лица
Комментарии: