Фото: epoch.org.il  | Epoch Times Россия
Фото: epoch.org.il

Бактерии обладают «памятью» и способностью к сотрудничеству

Учёные хотят понять, почему...
Автор: 26.06.2022 Обновлено: 26.06.2022 06:27
Недавние исследования показывают, что бактерии и вирусы действуют не случайным образом, а посредством сложных стратегий теории игр.

Вы сидите в ресторане быстрого питания, вокруг много детей, и вы просто ждёте, когда вас позовут забрать заказанные вами пиццы. После прикосновения ко всевозможным местам не очень чистого стола в торговом центре дети поедают пиццу, не думая о количестве бактерий, которые проглотили.

Многие из нас думают, что бактерии — это простые и одиночные одноклеточные организмы, которые работают без особых изысков: питаются, делятся на дочерние клетки, и не более того. Но теперь выясняется, что бактерии, попавшие в детские организмы, действуют не в одиночку — это вестники, посланные своим сообществом, которое было выстроено изощрённо, и теперь вторгается с помощью своих представителей на другую территорию.

Это бактериальное сообщество называется «биоплёнка» — плотная масса бактерий, которая развивается посредством механизма, основанного на химической связи, называемой «ощущением счёта». Этот механизм позволяет бактериям определять, когда их достаточно в окружающей среде, без дискриминации бактерий того или иного вида. Биоплёнка обычно развивается на поверхностях и окружает себя межклеточным материалом («матрицей»).

Матрица содержит всё хорошее, что нужно бактериям: воду, белки, сахара, жиры, аминокислоты и многое другое, и даже обеспечивает им эффективную защиту от окружающих их угроз. В пределах такой тесноты бактерии разных штаммов могут легко распространять между собой важные гены, то есть развивать важные признаки. Они делают это путём прямого переноса гена от одной бактерии к соседней.

Например, если в определённой биоплёнке есть устойчивые к антибиотикам бактерии, они могут передавать генетическую информацию другим бактериям в той же биоплёнке, так что они тоже становятся невосприимчивыми. Проблема знакома в основном из больничной среды, где сообщества устойчивых бактерий встречаются на разных поверхностях и вызывают осложнения у пациентов, которые вступают с ними в контакт.

Всё это не означает, что вы всегда должны поддерживать стерильную среду или запрещать детям играть в не совсем чистой среде. Наоборот. Когда обычные бактерии попадают в организм в определённой дозе, они могут помочь нам укрепить иммунную систему и сделать её более эффективной в борьбе с серьёзными заболеваниями. Также известно, что когда биоплёнки строят свои сообщества в кишечнике, они могут даже помогать процессам пищеварения и играть положительную роль.

Исследователям уже давно известны эти преимущества и недостатки, но только в последние годы они начинают понимать «гениальность» этого сложного сообщества. Вот пример: группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством профессора Горола Зюэля в 2020 году показала, что биоплёнки функционируют как «суперорганизмы», как суперсущества, способные сохранять воспоминания подобно тому, как нейроны хранят воспоминания в мозгу.

Вероятно, это несложные воспоминания, такие как знания, которые мы накопили в течение жизни или при чтении книг. Скорее всего, это информация, связанная, например, с источником света, воздействию которого на короткое время подверглись некоторые из биоплёночных бактерий. Когда исследователи освещали сине-фиолетовым светом (длина волны 438 нанометров) в течение пяти секунд определённый участок, они обнаружили, что бактерии Bacillus subtilis, подвергшиеся воздействию света, запоминали это на следующие несколько часов — электрическое напряжение в их клеточных мембранах значительно возрастало.

В 2017 году профессор Зюэль и его партнёры обнаружили ещё одну интересную особенность в бактериальном сообществе. Исследователи позволили бактериям Bacillus subtilis прикрепиться друг к другу для создания биоплёнки и комфортно расти. После того, как сообщество биоплёнок уже содержало около миллиона бактерий, исследователи заметили, что они начали общаться друг с другом с помощью ионов калия, испускаемых их клеточными мембранами.

Это происходило с разной интенсивностью, в циклах по два с половиной часа (примерно час с четвертью связь между бактериями была обширной) выделялось относительно много ионов калия, в то время как в остальное время цикла бактерии «разговаривали» меньше друг с другом, что означает испускание меньшего количества ионов.

Что удивило исследователей, так это то, что среда использовалась для призыва близлежащих бактерий присоединиться к биоплёнке. Когда исследователи помещали отдельные бактерии подальше от биоплёнки, в моменты, когда из биоплёнки испускалось много ионов калия, они призывали отдельные бактерии, даже если они были другого вида, плыть к биоплёнке и прикрепляться к ней. В течение периода времени, когда биоплёнки были относительно спокойными, то есть испускались лишь некоторые из ионов, отдельные бактерии оставались на месте, вдали от биоплёнки.

Группа исследователей из Университета Стратклайда в Шотландии углубилась в структуру биоплёнки и обнаружила, что это вовсе не простая структура. В исследовании, проведённом в 2020 году, они обнаружили, что питательные вещества достигают глубины биоплёнки благодаря сети каналов, созданных бактериями.

Группа исследователей из Гарвардского университета продемонстрировала в 2011 году, что под действием веществ, выделяющих бактерии Bacillus subtilis в разные участки биоплёнки, одни бактерии активируют разные гены в каждом участке, другие бактерий остаются свободными от биоплёнки и могут покидать её для поиска новых регионов распространения.

Некоторые бактерии становятся спящими и относительно устойчивыми к неблагоприятным воздействиям окружающей среды (споры), пробуждение которых ожидается только при улучшении условий жизни, например, при обнаружении дополнительных источников пищи.

Вирусы координируют атаки

Если одноклеточных бактерий принято рассматривать как простые организмы, то вирусы обычно называют ещё более простыми организмами. Вирусы даже не одноклеточные, как бактерии, а состоят из небольшого количества генетической информации, такой как молекулы ДНК, и некоторых белков, поддерживающих эту генетическую информацию. Они не в состоянии постоять за себя и действуют как паразиты, полностью зависящие от механизмов клеток, в которые они внедряются, и только с их помощью способны размножаться.

Однако в 2017 году исследователи из Института Вейцмана обнаружили химический язык, используемый вирусами для создания определенного типа связи между ними, что позволяет им узнавать о наличии других вирусов в окружающей среде. Такая информация позволяет вирусам «решать», атаковать ли ту или иную клетку яростно и немедленно, или же просто оставаться в ней какое-то время в спящем и в не опасном состоянии.

В интервью с профессором Блейку Виденхефту из Университета Монтаны в США, он сказал мне, что вирусы не только общаются друг с другом, но, вероятно, также координируют атаки на бактерии, чтобы одержать победу над «бактериальной иммунной системой» (по заложенному в нашем организме принципу бактерии отсекают вторгающиеся вирусы).

«Первые вирусы, которые проникают в бактерию, скорее всего, будут уничтожены, но в дальнейшем они ослабляют иммунную систему [бактерии] и делают клетку более уязвимой для последующих инфекций. За это время шансы на успешную атаку следующего вируса уже намного выше», — поясняет он.

Но вирусы не всегда взаимодействуют друг с другом. Иногда они также умеют перехитрить друг друга и воспользоваться друг другом. В конце 1990-х Пол Тернер и Линн Чоу из Мэрилендского университета в США смогли показать, как вирусы конкурируют друг с другом, применив принципы, известные нам из теории игр. Они стали вести себя эгоистично и «укоротили» немного свою генетическую информацию, чтобы быстрее воспроизводиться.

Это имело цену. С этого момента они больше не могли производить некоторых веществ, необходимых для их развития, и стали полностью зависеть от других, менее эгоистичных вирусов, которые производят всё. Исследователи обнаружили, что это ставит вирусы в сложную динамику из теории игр: когда вирусу стоит начать быть эгоистичным и эксплуатировать своих сверстников, а когда ему не стоит этого делать.

Подобно бактериям, вирусы способны передавать друг другу генетическую информацию путём прямого общения. Когда исследователи из Техасского университета в США изучили состав вирусного слоя вирусов полиомиелита в 2017 году, они обнаружили, что, когда атакующая популяция состояла из нескольких разных штаммов вируса, они воспользовались столкновением между ними, чтобы обновить себя. Они «редактировали» свою генетическую информацию, делясь своими молекулами РНК (RNA), что сделало их атаки более жестокими.

После этих важных открытий в последние годы всё чаще звучат голоса, осмеливающиеся бросить вызов общепринятому мнению и призывающие изучить координацию и сотрудничество между вирусами. Пара исследователей из Франции заявила в статье, опубликованной в 2011 году, что, когда вирусы совместно перемещаются из зараженной клетки в новую клетку, которую они атакуют, они на самом деле соединяются с биоплёнкой, подобно бактериям, и таким образом им удаётся быть гораздо более активными, яростными в своих атаках. Исследователи также предполагают, что такие биоплёнки связаны с хроническими вирусными инфекциями, такими как СПИД и ATL (агрессивный Т-клеточный лейкоз).

В 2017 году в журнале Cell была опубликована интерпретирующая статья, призывающая к развитию новой области исследований: «социовирусологии». Авторы статьи ссылаются на теорию социальной эволюции (Social evolution theory), которая первоначально предназначалась для объяснения поведения животных, но позже была распространена на бактерии и другие одноклеточные организмы.

Они призывают распространить эту теорию и на вирусы, утверждая, что для понимания и прогнозирования их активности потребуется анализировать их с помощью инструментов социальных исследований.

Комментарии
Дорогие читатели,

мы приветствуем любые комментарии, кроме нецензурных.
Раздел модерируется вручную, неподобающие сообщения не будут опубликованы.

С наилучшими пожеланиями, редакция The Epoch Times

Упражения Фалунь Дафа
ВЫБОР РЕДАКТОРА