Каждую неделю журнал Quanta объясняет одну из самых важных идей, лежащих в основе современных исследований. На этой неделе автор статьи по биологии Ясемин Саплакоглу исследует, как микроскопическое смешение взаимосвязано и направляет жизнь.
Сложные взаимосвязи существуют на всех уровнях — от движения звезд и галактик во Вселенной до экосистем и обществ Земли и взаимодействия микробов, населяющих микроскопический мир.
Эти крошечные организмы ведут довольно активную социальную жизнь. Они могут не болтать о погоде, не устраивать вечеринки и не обмениваться рецептами, но это не делает их асоциальными. Микробы существуют практически везде: процветающие сообщества бактерий обитают в водопроводе вашего дома, в сыре в вашем холодильнике, а также в ваших ушах, коже и кишечнике. Они постоянно взаимодействуют друг с другом — сотрудничают, борются и сосуществуют в рамках своих микроскопических царств.
Они обмениваются генетическим материалом и питательными веществами. Они объединяются в группы, чтобы защитить себя. Они работают сообща для проведения биохимических реакций. Их взаимодействие определяет биологию во многих важных аспектах — от поддержания здоровья кишечника хозяина и улучшения пищеварения до выделения кислорода, которым дышат другие существа. Эти сообщества устроены по-разному. Некоторые из них состоят из представителей одного вида, другие фантастически разнообразны. Некоторые микробы образуют ансамбли, известные как биопленки: тонкие слои клеток, которые прилипают к влажной среде, такой как почва или человеческий язык, и распространяются по ней. Во всех этих ситуациях бактерии должны взаимодействовать, чтобы работать сообща, и они добиваются этого различными способами. Белковые структуры, похожие на волоски, известные как пили, соединяют бактериальные клетки для обмена ДНК. Многие виды упаковывают молекулы в маленькие клеточные пузырьки, известные как везикулы, которые они выбрасывают в окружающую среду, чтобы их подхватили соседи.
Понимание динамики и функций микробных сообществ является монументальной задачей, поскольку они скрыты в невидимости микромасштаба. Будь то в природе или в чашке Петри, сообщество микробов — это не только джунгли разнообразия, состоящие из бесчисленных видов, подвидов и штаммов, но и постоянно меняющиеся сообщества. Мощные технологии микроскопии и генетического секвенирования позволяют микробиологам все глубже изучать процессы взаимодействия микробов. Чем больше исследователи изучают этот вопрос, тем яснее становится, что микробный мир взаимосвязан лучше, чем кто-либо предполагал.
Что нового и заслуживающего внимания
Некоторые бактерии строят мосты для обмена питательными веществами и ресурсами. Эти так называемые бактериальные нанотрубки, которые состоят из клеточных мембран, были впервые обнаружены в лаборатории более десяти лет назад. С тех пор дальнейшие исследования показали, что бактерии передают друг другу такие грузы, как белковые строительные блоки, ферменты и токсины, по этим мостикам. В ходе недавнего исследования ученые обнаружили, что в океане бактериальные нанотрубки соединяют фотосинтезирующие бактерии, известные как Prochlorococcus, которые вырабатывают от 10 до 20% кислорода в атмосфере. Полученные данные свидетельствуют о том, что мир бактерий может быть более сложным и располагаться на больших расстояниях, чем кто-либо предполагал.
В основном отсутствуют объединяющие теории, описывающие, как формируются бактериальные экосистемы. По мнению одной группы микробиологов, это связано с тем, что в большинстве исследований делается попытка дать названия видам, обитающим в них. Они утверждают, что лучший способ продвижения вперед — это организовать клетки по их роли в сообществе, в частности, по их метаболизму. “Таксономия не так информативна, как функция”, — сказал Отто Кордеро, микробиолог из Массачусетского технологического института. Микробиологи надеются разработать инструменты, которые смогут быстро предсказать функционирование микробного сообщества и его возможную эволюцию.
Бактерии — не единственные микробы, ведущие активную социальную жизнь. Социовирологи, самоназванная ветвь вирусологов, обнаружили, что вирусы обманывают и сотрудничают — поведение, которое можно было бы ожидать от людей, насекомых и даже бактерий, но не от обычных одиночных вирусов. Ученые предполагают, что вирусы могут обманывать, размножаясь с помощью белков, созданных другими вирусами; они также могут работать сообща, обмениваясь белками. Возможно, однажды социовирологи узнают достаточно о социальной жизни вирусов, чтобы использовать это поведение против них самих.