Книга Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - Роб Десалл

1.3 Бактериальное чувство кворума

Микробам часто необходимо чувствовать плотность популяции, чтобы реагировать на изменения окружающей среды. Классический пример этой способности – чувство кворума, присущее биолюминесцентным бактериям Aliivibrio fischeri, населяющим световой орган гавайского короткохвостого кальмара (Euprymna scolopes). Между кальмаром и бактериями установились мутуалистические (взаимовыгодные) отношения: кальмар взращивает в себе A. fischeri, а бактерии, в свою очередь, освещают фотогенный орган кальмара, используемый им для маскировки от хищников. Однако бактериям важно понимать, когда именно надо «зажечь свет»: «светить всегда, светить везде» – ужасное расточительство энергии. Поэтому в световом органе кальмара развился механизм регуляции экспрессии белков, продуцирующих биолюминесценцию, который использует хитрую способность бактерий ощущать размер своей популяции. Бактерии производят белок, называемый индуктором, который они идентифицируют благодаря наличию у них другого белка – рецептора. Когда рецептор и индуктор связываются друг с другом при помощи механизма «замок – ключ», происходит биолюминесцентная реакция, поскольку в бактериальном геноме постепенно «включается» цепочка генов. Когда в световом органе находится недостаточное количество A. fischeri, концентрация индуктора настолько низка, что тот не может эффективно связаться с рецептором и свет не генерируется. Такой вид восприятия происходит полностью на молекулярном уровне.

Во-первых, плотная кластеризация генов, участвующих в формировании магнитосом и содержащих их органелл, указывает на единый механизм этого феномена (по крайней мере у типов, где обнаружены магнитотактические бактерии). Во-вторых, эти гены расположены на так называемом колонизационном участке ДНК, который может передвигаться по горизонтали к другим видам. Этот горизонтальный перенос способен осуществить и ускорить эволюцию магнитотактического признака у других бактерий.

Если никакое другое магнитное поле не мешает, бактерии выравниваются по магнитному полю Земли. Почему микробы делают это? Для выживания им необходимы питательные вещества, а зная направление магнитного поля, легче отыскать подходящую питательную среду. Например, микробы, относящиеся к типам магнитотактических бактерий, жаждут оказаться в тепленьком местечке – в благотворной для них среде: бескислородной зоне или зоне с низким содержанием кислорода. Они эволюционировали в подобной среде и теперь при помощи сильных флагелл (жгутиков) перемещаются в ее поисках. Оказывается, из-за искривления Земли ее магнитное поле направлено не только с севера на юг, но и под углом к ее поверхности. И знание этого угла позволяет бактериям ориентироваться над и под землей. Способность чувствовать магнитное поле помогает магнитотактическим бактериям добраться к бескислородным зонам, находящимся глубоко в недрах, наиболее эффективным путем.

Что же происходит, когда микробы ошибочно реагируют не на магнитное поле Земли, а на какое-то другое? Исследователи Корейского института науки и техники создали крошечный аппарат в виде чашки Петри на платформе, под которой образуется магнитное поле. Магнитное устройство контролируемо вращается таким образом, что преодолевает магнитное поле Земли и управляет поведением бактерий. Магнитотактические бактерии помещаются в чашку Петри, джойстик заводит магнитное поле – и под ритм «Хлопкоглазого Джо»[3] бактерии пускаются в пляс: в лаборатории начинается линейный танец[4]. Смотреть, как танцуют одноклеточные организмы – а они довольно неплохо это делают и демонстрируют достойную версию движений танца в линию, вращаясь в унисон слева направо и двигаясь вперед-назад, – весьма унизительно для такого плохого танцора, как я. Танец – это только метафора, конечно, и очень важно понять, что же именно стоит за ней.

Отдельные клетки должны знать, где они находятся в пространстве, с чем они вступают в контакт и когда именно. Поскольку миллиарды лет назад солнечный свет был преобладающим фактором воздействия на живые организмы, некоторым бактериям необходимо было знать, где тот находится, чтобы использовать его как средство выживания. Поэтому отдельные клетки научились обнаруживать внешние факторы, такие как гравитация, свет и содержащиеся в окружающей среде химические вещества, довольно сложными и эффективными способами. Андрий Анишкин и его коллеги предположили, что тактильное восприятие в оригинальном смысле (как они его называют) служит хорошим аргументом в пользу того, что это первое и, возможно, самое важное чувство, которым наделена клетка. Но все, что касается порядка, в котором клетки и организмы развивали другие чувства, может быть только предположением. Хотя мы и можем придумать довольно логичные объяснения, почему и как клетки формировали тот или иной способ восприятия.

Для некоторых бактерий, как и для растений, свет – это «еда». Цианобактерии, или синезеленые водоросли, способны к фотосинтезу. Молекулы взаимодействуют со светом, поглощая фотоны, и именно за счет этого бактерии и выживают. Механизмы использования света в качестве пищи у растений и бактерий практически одинаковые. На первый взгляд это выглядит полной чушью, ведь бактерии и растения тесно не связаны, у них нет явных общих предков или потомков, что объяснило бы возможное наличие у растений характеристик, присутствующих у бактерий. Но все это лишь до тех пор, пока мы не рассмотрим происхождение хлоропласта – органеллы, превращающей свет в питательное вещество для клеток растений. По сути хлоропласт – это наследие древних цианобактерий, поглощенных клетками предшественников современных растений. Симбиоз, вызванный поглощенными цианобактериями, настолько хорошо сказался на жизни древней растительной клетки, что она застряла в эволюционном контексте и теперь представляет собой основу растительной жизни на планете. История того, как древние эукариотические клетки поглощали различные виды бактерий, сложна и иногда запутанна. Некоторые растительные клетки многократно поглощали другие клетки, и даже многократно поглощенные клетки поглощались снова и снова.

Другой способ использования света бактериями – это изменение молекулярных свойств класса молекул, называемых опсинами. Эти молекулы встроены в клеточные мембраны, где фотоны могут натолкнуться на них. Во внутренней структуре опсинов заперты еще более мелкие молекулы – хромофоры. Хромофор, цепляющийся за внутренности опсина, приводит бо́льшую молекулу, встроенную в клеточную мембрану, в специфическое неактивное состояние. Когда свет определенной длины волны попадает в клетку, он также натыкается на хромофор и вызывает его смещение, а структура самого опсина изменяется, вызывая другие реакции в клетке.

У некоторых одноклеточных бактерий в клеточную мембрану встроена молекула родопсина, которая реагирует со светом. Но в отличие от более сложных организмов родопсин у бактерий действует как насос, который доставляет высокие концентрации ионов хлора или перемещает протоны в клетку, что, в свою очередь, изменяет способ дальнейшей жизнедеятельности клетки. У одноклеточных эукариот тоже есть родопсины, которые реагируют на попадание света. Родопсин бактерий довольно сильно отличается от опсинов высших эукариотов, поэтому неизвестно, являются ли опсины позвоночных продуктом его эволюции. Дело в том, что механизмы обнаружения света опсинами и родопсинами схожи и дают представление о том, как высшие животные воспринимают свет. Еще одна особенность заключается в том, что у одноклеточных организмов эти механизмы реализуются с помощью белков без централизованной обработки информации в мозге. «Решения», которые одноклеточный организм «принимает» под воздействием окружающей среды, – быстрые, химические и внутренние по отношению к отдельной клетке. Высшие организмы и одноклеточные добывают информацию из внешнего мира очень похожими способами, но вот обрабатывают они ее по-разному.