Kolonia zdecydowała: Bakterie i więźniowie

Kolonia miliardów bakterii Bacillus subtilis pod presją zewnętrzną może tworzyć złożone struktury

To i poniższe zdjęcia przedstawiają zabarwione kolonie bakteryjne uchwycone przez Ashel Ben Jacoba podczas pracy.

Badanie reakcji kolonii bakteryjnej na stres zewnętrzny pozwoliło nam zbudować model matematyczny opisujący złożoną interakcję zaangażowanych w nią genów i białek, które zapoczątkowują zastosowanie określonej strategii przetrwania. Ten model pozwala nam również nauczyć się czegoś nowego nie tylko o bakteriach, ale także o tobie i mnie, o ludzkich zachowaniach. Zacznijmy jednak od początku.

„Wszyscy znają nasze pragnienie odłożenia krytycznych decyzji do ostatniej chwili. Istnieją jednak znacznie prostsze stworzenia, które działają w ten sam sposób i dlatego mogą pokazać nam nasze własne cechy. A to są bakterie ”- wyjaśnia izraelski biolog Eshel Ben Jacob, który przeprowadził to interesujące badanie ze swoim amerykańskim odpowiednikiem José Onuchiciem.

W naturalnych warunkach bakterie żyją w licznych koloniach, z których każda może być setki razy większa niż cała ludzka populacja planety pod względem liczby pojedynczych „osobników”. I te kolonie to nie tylko zbiór pojedynczych organizmów, ale cała ich społeczność, często działająca według własnych, znacznie bardziej złożonych praw. W odpowiedzi na stres zewnętrzny - powiedzmy, głód (brak składników odżywczych), zatrucie (obecność toksycznych związków), promieniowanie - wiele bakterii reaguje na tworzenie zarodników, w postaci których czekają na niesprzyjające warunki. Po usunięciu nadmiaru wody, zmniejszonej objętości i pokrytej gęstą białkową skorupą, zarodnik jest w stanie wytrzymać ogromny wpływ mechaniczny, temperaturowy i chemiczny, a gdy „dobre czasy” powrócą, wracają do normalnego życia. W przeciwieństwie do roślin, zarodniki bakteryjne są raczej sposobem na przeżycie niż na rozmnażanie, aw tym mechanizmie, powiedzmy, pręciki Bacillus subtilis, zaangażowanych jest ponad 500 genów, a potomstwo komórki w zarodniku zajmuje około 10 godzin.

Należy pamiętać, że bakterie w ich ogromnych koloniach aktywnie komunikują się ze sobą poprzez złożone sygnały chemiczne i reagują na sygnały innych komórek złożoną odpowiedzią genową i białkową. Reakcja każdej komórki na stres - powiedzmy, czy utworzy zarodnik - nie jest indywidualna, ale zależy od „decyzji” sąsiadów.

Kiedy powstają zarodniki, kopia bakteryjnego DNA jest zawarta w niezawodnej kapsułce, a sama komórka macierzysta umiera, jej błona jest zniszczona, a jej DNA i białka są uwalniane do środowiska. Ponadto tworzenie zarodników nie jest „podróżą jednokierunkową” i na wielu etapach bakteria może się od niej wyłączyć, przechodząc w tak zwany stan „kompetentny”. W tym stanie ściany komórkowe i błona stają się łatwo przepuszczalne dla DNA i białek pochodzących ze środowiska zewnętrznego - w tym bakterii zniszczonych podczas tworzenia zarodników. Bakteria nadal przeżywa kosztem innych.

Jest to kolejna strategia przetrwania, warunek, który pozwala czekać na trudne czasy bez formowania sporu. W porównaniu z zarodnikami ma co najmniej tę zaletę, że pozwala szybko powrócić do normalnego życia i zacząć karmić i rozmnażać się wcześniej niż krewni „szczeniąt”. Z drugiej strony, jeśli sytuacja będzie się nadal pogarszać, taka komórka umrze znacznie wcześniej niż jej sąsiedzi, którzy zdecydowali się wpaść w stan kontrowersji. Krótko mówiąc, istnieje klasyczny dylemat więźnia.

Przypomnijmy, że „dylemat więźnia” znany w teorii gier polega na tym, czy zdecydować, czy współpracować przy dochodzeniu, w którym czeka para wspólników. Jeśli tak, wówczas współpracujący przestępca otrzymuje zniżkę i spędza 2 lata w więzieniu, a jego wspólnik będzie grzechotał przez wszystkie 6 lat. Jeśli oba zostaną podzielone, otrzymają po 4 lata, ale jeśli oboje wolą zaprzeczenie, będą musiały zostać zwolnione (na przykład, śledczy nie ma wystarczających dowodów). Wydawałoby się, że trzeba milczeć - ale przestępca nie wie o decyzji swojego partnera, a jeśli milczy i mówi, otrzyma „w całości”. W ramach tego zadania najlepszym rozwiązaniem dla jednostki jest mówienie wszystkiego, a zespół milczeć.

Wróćmy jednak do bakterii. „Dla każdej komórki osobno kompetentny stan stanowi ryzykowną grę, a bakterie przenoszą się do niego tylko wtedy, gdy większość komórek w kolonii już„ postanowiła ”sporulować”, wyjaśnia José Onuchík. „Doświadczenie pokazuje, że około 10% stosuje tę strategię komórki w kolonii, ale to, co dokładnie stymuluje te bakterie do zastosowania tej strategii przetrwania, pozostaje niejasne. ” I, jak pokazał naukowiec z kolegami, proces decyzyjny w tym przypadku jest znacznie bardziej skomplikowany niż zwykły dylemat więźnia.

Chodzi tutaj o to, że w tym procesie nie ma dwóch, ale miliardy, a nawet setki miliardów uczestników, a ograniczony czas na podjęcie decyzji w niesprzyjających warunkach wymaga pośpiechu. „Każda bakteria musi dokonać wyboru” - mówi José Onuchík - „albo współpracować z innymi, podążając ścieżką sporulacji, albo„ zdradzić ”społeczność i przejść do właściwego stanu, żyjąc kosztem innych, ale z pewnym ryzykiem w dalszym ciągu globalny przegrany. Udało nam się wykazać, że w każdej komórce znajduje się „zegar wewnętrzny”, którego prędkość zmienia się w zależności od poziomu stresu, na jaki jest on narażony. Przy większym niebezpieczeństwie przyspieszają - tak jak ludzie. W odpowiedzi na wyjątkowo silny stres w naszym kraju uwalnia się adrenalina, której jednym z efektów jest subiektywne „spowolnienie” czasu. Szybkość „wewnętrznego zegara” bakterii zależy nie tylko od stopnia narażenia na stres, ale także od sygnałów otrzymywanych od sąsiadów. ” Bakterie nie oszukują się nawzajem i wysyłają sygnały chemiczne o swoich „zamiarach” przejścia na tworzenie zarodników.

Cały skomplikowany proces interakcji między bakteriami i podejmowania „decyzji” w sprawie zastosowania określonej strategii przetrwania obejmującej wiele genów i białek, Onuchik i Ben Jacob udało się opisać matematycznie. Okazało się, że ten model matematyczny ma zastosowanie w wielu przypadkach z naszego życia, w których istnieje wiele podobnych dylematów.

Na przykład, czy warto zignorować potencjalne niebezpieczeństwa nowej szczepionki przeciwko potencjalnie śmiertelnemu wirusowi, czy też wiąże się to z pewnym ryzykiem - i odmawia szczepienia? Jeśli zdecydowana większość populacji zostanie zaszczepiona, odpowiednim wyborem dla danej osoby będzie odmowa szczepienia. I odwrotnie, jeśli odsetek osób zaszczepionych nie jest wystarczająco wysoki, lepiej zaryzykować i udać się do lekarza.

W rzeczywistości bakterie w populacji wykorzystują „media” w postaci sygnałów chemicznych, aby zrozumieć zasięg i szybkość rozprzestrzeniania się „wirusa” w swoim środowisku oraz strategię, którą inni wybrali, aby zareagować na to nowe niebezpieczeństwo. „Decyzję” podejmuje się na podstawie kompletnych i dokładnych danych. Ponadto, im bardziej krytyczna jest sytuacja, tym więcej czasu zajmuje sformułowanie rozwiązania komórkowego: poświęca więcej czasu na „poznanie” sytuacji i „ocenę” potencjalnych zagrożeń w ten czy inny sposób. Jednym słowem wszystko jest jak u ludzi.

Inna cecha kolonii bakteryjnej jest podobna do ludzi - obowiązkowa obecność w niej pewnego niewielkiego odsetka „pasożytów”. Przeczytaj o tym: „Wrogowie społeczności”.

Według komunikatu prasowego Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego

Zalecane

Najszybszy samochód elektryczny na świecie: 1,5 sekundy do 100 km / h!
2019
Serpent Gorynych and urka: Roll the field. Pole minowe
2019
Jak zbudowana jest największa wywrotka
2019