Чем бактерии похожи на людей

Люди привыкли считать бактерии примитивными организмами. Ещё со школы мы думаем о них как первой ступеньке жизни. Затем они сменяются одноклеточными организмами с ядром, а потом - развитыми многоклеточными организмами, вплоть до венца природы — человека. При этом часто забывают: бактерии прошли эволюционный путь не меньший, чем высшие животные, а вовсе не стояли на месте.


Микроскопические размеры хорошо защищают от любопытных глаз. Человек большую часть обозримой истории не подозревал об их существовании. Даже после изобретения микроскопа, бактерий считали скорее забавным фактом, чем реальной силой. Мысль о том, что такие крохи способны влиять на человека и тем более климат, казалась просто смешной.

Современные данные говорят иное. Общая масса бактерий и еще более древних архей не уступает совокупному весу животных и растений. Им принадлежит 95  процентов биологического разнообразия. Они освоили все возможные ниши обитания. Бактерии представляют реальную силу в масштабах планеты. Совсем неплохо для примитивных крох. А если взглянуть глазами микробиолога, и вовсе откроется мир удивительной сложности. Давайте посмотрим, чем бактерии похожи на людей, на примере самой изученной из них — кишечной палочки.


 1.jpg

Группа бактерий кишечной палочки (Escherichia coli)


Старость

Принято считать, что бактерии не стареют. Сложно представить постепенное увядание организма способного поделиться на дочерние клетки за 20 минут. Но исследование биологов Калифорнийского университета (Лин Чао, Камилла Рэнг, Энни Пенг) показало: способность стареть позволяет бактериям лучше приспособиться к условиям среды. Жизнь любого организма сопровождается накоплением неисправимых повреждений, например окислением молекул белков. Они остаются в клетке мёртвым грузом и мешают нормальной работе. При делении у бактерии два варианта: поровну распределить мусор между потомками или полностью передать его лишь одному.

Учёные пришли к выводу, что бактерии идут по второму сценарию, передавая больше повреждений одной «старой» дочерней клетке и меньше другой — «молодой». Молодая клетка более активна и чаще делится. Старая сестра тоже способна к делению и даёт начало молодой и ещё более старой дочкам. Примерно через 100 циклов деления молодая клетка стареет настолько, что уже не способна к дальнейшему размножению, и погибает.

Почему это выгодно бактериям? Разве ускорение и замедление размножения потомков не уравновешивают друг друга? С вопросом легко справятся экономисты, сталкивающиеся с этим эффектом при оптимизации инвестиций. Математика подсказывает: выгоднее вложить 500 тысяч под 10 процентов годовых и 500 тысяч под 6 процентов годовых (вариант деления на «молодого» и «старого» потомков), чем 1 миллион под 8 процентов годовых (вариант равномерного распределения клеточного мусора). В первый год вы не почувствуете разницы, но в конце второго, благодаря сложному проценту в первом варианте, сумма будет на 400 рублей больше* (следовательно, этот вариант выгоднее). Оказалось, бактерии разбираются в экономике.

 

Общение

Бактериям часто приходится сталкиваться с неблагоприятными условиями: отсутствие пищи, атака антибиотиков и изменения среды подчас становятся смертельной угрозой для отдельного микроорганизма. Путь один — объединяться.

Ученые давно знакомы с биопленками, которые часто появляются в пробирках с бактериями. Но потребовалось не одно десятилетие, чтобы понять — это настоящие города со сложной организацией и разделением труда. Решение о формировании биопленки не способна принять одна бактерия. В процессе строительства каждая клетка включает и выключает сотни генов по сложной согласованной схеме. Необходима система развитой коммуникации. И её действительно обнаружили. Сегодня учёные, подобно агентам ЦРУ, умеют прослушивать бактериальные переговоры. По крайней мере, некоторые сигнальные молекулы нам уже известны.

Значительные ресурсы, затраченные каждой клеткой на формирование биопленки, окупаются высокой сопротивляемостью вирусам, факторам среды и антибиотикам. Бактериальный город переживает одиночек во время катастроф, но распадается при возвращении комфортных условий. Это лишь один пример сложного поведения наших микроскопических соседей.


2.jpg

Участок биопленки, образованной кишечной палочкой


Самопожертвование

Как и люди, бактерии объединяются не только ради победы над средой, но и ради войны с чужаками. Несмотря на коммуникативные навыки, бактерии не смогли принять конвенцию о запрете химического оружия и пользуются им в полную силу. Их основной боеприпас — колицины. Это большая группа веществ с разными эффектами, но суть одна: микроб, не имеющий противоядия, погибает. Бактерии не могут построить химические заводы, но сама их клетка выступает молекулярной фабрикой по производству ядов и антидотов. Близкие родственники обычно имеют сходные составы атакующих и защитных молекул — травить родных не в интересах бактерии. Но если рядом много чужаков — самое время начинать атаку.

В этот момент часть бактерий популяции жертвуют собой. Они подхлёстывают синтез колицинов и быстро накапливают огромные запасы. Проблема в том, что механизмов выведения яда наружу у кишечной палочки нет. Единственный способ это сделать — разрушение собственной клетки. Самоубийство части клеток наполняет среду токсином, безвредным для их родных, но смертельно опасным для чужаков. Тем самым камикадзе обеспечивает выживание и размножение копий собственных генов, заключённых в родственных клетках.

 

Индивидуальность

Близкие родственники, о которых сказано выше, на деле часто оказываются почти точными генетическими копиями — клонами, так как являются потомками одной клетки. Но если бактерии идентичны, то непонятно, как именно выбираются клетки готовые пожертвовать собой. Если на них действуют одинаковые факторы среды и у них одинаковый генотип, то в чем тогда различия? Оказалось, клоны обретают индивидуальность в результате случайных событий, а наследственная информация передаётся не только через гены. Речь идёт об эпигенетике.

Один из способов изменить активность гена, не повреждая его, — присоединить к нему маленький молекулярный участок — метильную группу. ДНК в разной степени покрыта этими молекулами, как колпачками-предохранителями. Количество и расположение метильных групп зависит от наследственности и факторов среды, но присутствует также и случайный компонент. Этим обусловлена, например, разная степень упорства при движении к пищи даже у генетически одинаковых бактерий. Кроме того, мы уже знаем, что бактерии могут находиться на разных этапах старения, что тоже будет влиять на скорость обработки сигналов и конечную реакцию клетки.

Это лишь часть сложных механизмов, работающих и в теле человека. Поэтому даже однояйцевые близнецы никогда не будут точной копией друг друга, а ваш клон удивит окружающих своей индивидуальностью.

 

Любовь

Любят ли бактерии? Вряд ли мы это узнаем. Но некоторое подобие полового размножения у них присутствует. Сам процесс далек от привычного нам и называется конъюгация. Но главный признак — участие двух особей — при конъюгации сохранен. «Самец», обладающий специальным аппаратом (F-фактором), с помощью полового отростка (пиля) прикрепляется к «самке» и передает часть собственной генетической информации.

При этом размножения как такового не происходит. Две вступившие в связь бактерии не порождают четырех, а так и остаются двумя. Биологи называют это явление половым процессом. Но зачем клеткам, способным размножаться делением, тратить время на сложный путь, который не ведет к увеличению особей? Дело в том, что перенос генов создает новые комбинации, недостижимые другим способом. Это может помочь клетке лучше приспособиться к изменяющимся факторам. Особенно если условия среды далеки от идеальных и приходится на время приостановить деление. В эти промежутки стоит заняться обновлением собственного генома: вдруг повезёт получить что-то полезное, например гены устойчивости к антибиотику.

«Самцы» бактерий удивительно любвеобильны. Их интересуют «самки» не только собственного вида, но и тысячи иных, а в редких случаях и другие «самцы». Даже клетки грибов и бактерий иногда выступают объектом желания бактерий. Стремление «самцов» распространить гены сильнее любых барьеров.


3.jpg

Процесс конъюгации, хорошо заметен половой пиль


Конечно, назвать перечисленные качества аналогами человеческих можно только с натяжкой. Но они демонстрируют, насколько наши обыденные представления о бактериях далеки от реальности. Их мир имеет абсолютно иные масштабы пространства и времени. Количество бактерий, незаметно живущих в теле человека, превышает число всех его клеток. За нашу жизнь сменяется 2 миллиона поколений бактерий, это в тысячу раз больше, чем наш вид может похвастаться за всю свою историю.

Бактерии бывают вредными, полезными или просто безразличными для человека. Но нельзя отказать им в собственной сложной организации, отлаживавшейся миллиарды лет. Бактерии, полноправные хозяева самобытного мира, достойны нашего внимания и уважения.

 

*Расчет доходности инвестиций за два года (проценты приведены в форму десятичной дроби, квадрат отражает время ожидания — 2 года):

Вариант 1:

500 000 х 1,062 + 500 000 х 1,12 = 1166800

Вариант 2:

1 000 000 х 1,082 = 1166400


Автор Александр Шаров

Выберите вариант регистрации как:

Физическое лицо
Эксперт

Нажимая «Зарегистрироваться», я принимаю Политику конфиденциальности Портала и мобильного приложения.

Войдите в свой аккаунт

Забыли свой пароль? Регистрация

Войти с помощью:

Восстановление пароля

Ваш пароль успешно выслан вам на email

Форма авторизации на сайте
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь:
Войти как пользователь
Вы можете войти на сайт, если вы зарегистрированы на одном из этих сервисов:

Регистрация на Портале с помощью электронной почты

Нажимая «Зарегистрироваться», я принимаю Политику конфиденциальности Портала и мобильного приложения.

Спасибо за регистрацию. Теперь можете войти на портал с помощью логина и пароля.

Зарегистрируйтесь на Портале.

Выберите удобный для Вас вариант регистрации.



или


Нажимая «Зарегистрироваться», я принимаю Политику конфиденциальности Портала и мобильного приложения.

Регистрация Эксперта на Портале







Нажимая «Зарегистрироваться», я принимаю Политику конфиденциальности Портала и мобильного приложения.

Спасибо за регистрацию. Теперь можете войти на портал с помощью логина и пароля.

Портал профессионального образования Хабаровского края создан по инициативе Краевого государственного автономного образовательного учреждения дополнительного профессионального образования «Хабаровский краевой институт развития системы профессионального образования» (КГАОУ ДПО ХКИРСПО). Вы так же можете скачать мобильное приложение профессионального образования Хабаровского края. Мобильное приложение разработано для iOS и Android.