Бактерии и индивидуальность: стратегия выживания в трудные времена

Будь вы человек или бактерия, именно ваша среда определяет, как вы сможете развиваться. В частности, существуют две фундаментальные проблемы. Во-первых: какие ресурсы вы можете использовать для выживания и роста? И, во-вторых: как вы реагируете, если ваше окружение внезапно меняется?

Группа международных исследователей из Eawag, ETH Zurich, EPFL Lausanne и Института морской микробиологии имени Макса Планка в Бремене недавно обнаружила, что количество индивидуалистов в бактериальной колонии увеличивается, когда число источников пищи ограничено. Их вывод идет вразрез с преобладающим в научных кругах мнением, что бактериальная колония просто реагирует задним числом на условия окружающей среды. Исследование свидетельствует, что бактерии-индивидуалисты могут подготовиться к таким изменениям заранее.

В недавней статье, опубликованной  в журнале «Nature Microbiology», ученые, работающие с Франком Шрайбером, доказали, что отдельные клетки в колонии бактерий могут сильно отличаться в реакции на недостаток питательных веществ. Хотя все клетки в группе генетически идентичны, то, как они обрабатывают питательные вещества из их окружения, может варьироваться от одной клетки к другой. Например, бактерии, называемые  Klebsiella oxytoca, преимущественно забирают азот из аммония (NH4 +), так как это требует относительно мало энергии. Когда нет достаточного количества аммония для всей группы, некоторые из бактерий начинают забирать азот из элементарного азота (N2), несмотря на то, что это требует больше энергии. Если аммоний вдруг вообще заканчивается, эти клетки, по крайней мере, готовы к его отсутствию. В то время как отдельные клетки страдают от голода, вся группа может продолжать расти. «Хотя все бактерии в группе генетически идентичны и подвергаются воздействию одних и тех же условий окружающей среды, клетки различаются между собой», –  рассказывает Шрайбер.  

Шрайбер и его коллеги смогли выявить поразительные различия между бактериями, лишь изучив их совсем вблизи. «Мы должны были измерить поглощение питательных веществ отдельными бактериальными клетками – даже если они были только 2 мкм величиной»,  – объясняет Шрайбер. – Как правило, микробиологи изучают коллективные свойства миллионов или даже миллиардов бактерий. Только благодаря тесному сотрудничеству между исследовательскими группами и объединению опыта и технического оснащения мы смогли изучить бактерии в таких деталях».

Настоящее исследование показывает, в какой степени индивидуальность  – в бактериях и вообще – может иметь важное значение в меняющихся условиях. Различия между людьми дают группе новые свойства, позволяя ей иметь дело с жесткими условиями окружающей среды. «Это свидетельствует о том, что биологическое разнообразие важно не только на уровне разнообразия видов растений и животных, но и на уровне отдельных индивидуумов внутри одного вида», – говорит Шрайбер.

Далее Шрайбер и его коллеги планируют изучить, имеет ли индивидуалистическое поведение конкретных особей эквивалентное значение в естественной среде.