Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Февраль 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
05.02.2007
05:17:11
17:37:36
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
26.02.2007
06:54:47
14:47:51
27
28


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Бактерии в сообществе способны к быстрой эволюции


Эволюция как сопротивление энтропии

Эволюция как сопротивление энтропии

Биологическая эволюция не просто создает новые формы — она создает формы, устойчивые к дальнейшей эволюции.

Статья доктора биологических наук Виктора Щербакова

Бактерии в сообществе способны к быстрой эволюции

12.02.2007

Рис. 1. График, показывающий способность Pseudomonas и Acinetobacter сосуществовать при разных условиях культивирования (перемешиваемая среда хемостата или биопленк! а на стекле) и разной концентрации исходной пищи — ! бензилов ого спирта (по оси абсцисс). Величина, отложенная по ординате, — это «относительная приспособленность» (разность удельных скоростей популяционного роста двух видов). Если она равна нулю, то соответствующая концентрация бензилового спирта — это пороговая концентрация, ниже которой Pseudomonas не может внедриться в культуру Acinetobacter. На рисунке показаны: красной линией — рост исходного штамма Pseudomonas в условиях хемостата; синей линией — рост того же штамма на стекле (биопленка); черной линией — рост новой, образовавшейся в ходе опыта, формы Pseudomonas на стекле. Очевидно, что жизнь на поверхности (биопленка) облегчает существование комменсала, требуя меньшей концентрации исходной пищи. Новая же форма Pseudomonas, возникшая в ходе эксперимента, оказалась особо эффективной, но она может жить только как биопленка на стекле. Пунктиром показаны доверительные интервалы. Рисунок из обсуждаемой статьи Hansen ! et al. в Nature
Рис. 1. График, показывающий способность Pseudomonas и Acinetobacter сосуществовать при разных условиях культивирования (перемешиваемая среда хемостата или биопленка на стекле) и разной концентрации исходной пищи — бензилового спирта (по оси абсцисс). Величина, отложенная по ординате, — это «относительная приспособленность» (разность удельных скоростей популяционного роста двух видов). Если она равна нулю, то соответствующая концентрация бензилового спирта — это пороговая концентрация, ниже которой Pseudomonas не может внедриться в культуру Acinetobacter. На рисунке показаны: красной линией — рост исходного штамма Pseudomonas в условиях хемостата; синей линией — рост того же штамма на стекле (биопленка); черной линией — рост новой, образовавшейся в ходе опыта, формы Pseudomonas на стекле. ! Очевидно, что жизнь на поверхности (биопленка) облегчает существование комменсала, требуя меньшей концентрации исходной пищи. Новая же форма Pseudomonas, возникшая в ходе эксперимента, оказалась особо эффективной, но она может жить только как биопленка на стекле. Пунктиром показаны доверительные интервалы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Принято считать, что эволюция бактерий в общих чертах давно закончилась. Однако достигнутое уже на ранних этапах эволюции совершенство, позволяющее бактериям в дальнейшем существовать без радикальных изменений (см. об этом: В. П. Щербаков. Эволюция как сопротивление энтропии), вовсе не означает, что они не подвержены обычному («дарвиновскому») естественному отбору и что они не способны в определенных пределах быстро эволюционировать в ответ на изменения окружающей среды. А окружающая среда для бактерий — это не только совокупность определенных физико-химических условий, но и другие бактерии — как своего, так и чужих видов.

Взаимодействие разных видов бактерий в сообществе особо наглядно проявляется в так называемых «биопленках» (от англ. biofilm) — пластах клеток, соединенных вместе слизистым веществом, выделяемым самими бактериями. Такие пленки часто образуются на любых поверхностях под водой (но также в почве или, к примеру, в полости носоглотки). Когда вы моете банку, в которой долго стояла вода, то часто ощущаете руками слизь — это и есть куски биопленки. В сообществе биопленки разные бактерии нередко тесно взаимосвязаны, поскольку выполняют разные, но полезные друг для друга функции. Продукты обмена веществ (по сути, отбросы) одних бактерий могут использоваться другими в качестве основного источника пищи (субстрата), причем иногда реакция, осуществляемая первой группой организмов, может протекать только при условии изъятия из среды конеч! ного продукта второй группой.

Каким образом совершенно разные бактерии собираются вместе и образуют сообщества, построенные по принципу взаимодополнительности (разделения функций на благо всего сообщества!), а не конкуренции (как, например, сообщество фитопланктона или деревьев в лесу)? Некоторые авторы, например Г. А. Заварзин, видят здесь вызов классическому дарвинизму (см.: Заварзин Г.А. 2003. Лекции по природоведческой микробиологии), поскольку очень трудно представить себе, как путем простой дивергенции из одного вида возникли два, живущие вместе, но осуществляющие принципиально разные реакции.

Поэтому, безусловно, большой интерес вызывает недавно опубликованная работа Зюсс Ханзен (Susse Kirkelund Hansen), молодой исследовательницы из Биоцентра Технического университета Дании, и Пола Рэйни (Paul Rainey), профессора Школы биологических наук Оклендского университета (Новая Зеландия), которые вместе с двумя коллегами их тех же учреждений изучали изменения, происходящие в сообществе, составленном в лаборатории из двух неродственных бактерий.

Участвовавшие в эксперименте бактерии — Acinetobacter sp. и Pseudomonas putida — обитают в почве и в лаборатории могут культивироваться на среде, где единственным источником углерода является бензиловый спирт. При этом Acinetobacter непосредственно использует бензиловый спирт, превращая его в ходе своего метаболизма в бензоат (соль бензойной кислоты). Частично бензоат выделяется во внешнюю среду, и именно за счет него и существует Pseudomonas. Поскольку Pseudomonas зависит от Acinetobacter, а та от нее не зависит, эти отношения можно определить как комменсализм.

Авторы обсуждаемой работы культивировали оба вида как в гомогенной перемешиваемой («неструктурированной») среде хемостата, так и в проточной «структурированной» среде, где виды образовывали биопленку на поверхности стекла. Используя разные концентрации исходной пищи (бензилового спирта), исследователи старались выяснить, какой концентрации надо достичь, чтобы один вид (Pseudomonas) мог внедриться в культуру другого (Acinetobacter). Очевидно, что произойти это может только тогда, когда Acinetobacter «наработает» достаточное количество бензоата — пищи для Pseudomonas. Выяснилось, что если опыт проводится в неструктурированной среде (в хемостате), то внедрение Pseudomonas возможно только при весьма высокой концентрации спирта — 430 микромолей (рис. 1). В условиях же структурированной среды (биопленка на стекле) Pseudomonas может сосущест! вовать с Acinetobacter при значительно более низкой концентрации спирта — 130 микромолей.

Рис. 2. Лазерные фотографии поверхности стекол, обросших бактериями Acinetobacter (показаны красным) и Pseudomonas (показаны зеленым) через 24 часа после начала культивирования. a — при использовании исходной формы Pseudomonas. b — при использовании новой формы Pseudomonas, спонтанно образовавшейся в ходе эксперимента. Полосы снизу и справа — разрезы через биопленку по местам, указанным стрелками. Видно, что новая форма растет быстрее и покрывает сверху сплошным слоем скопления Acinetobacter. с — исходная гладкая колония Pseudomonas. d — отличающаяся неровной поверхностью ко! лония новой формы Pseudomonas. Фото из обсуждаемой статьи Hans! en et&nb sp;al. в Nature
Рис. 2. Лазерные фотографии поверхности стекол, обросших бактериями Acinetobacter (показаны красным) и Pseudomonas (показаны зеленым) через 24 часа после начала культивирования. a — при использовании исходной формы Pseudomonas. b — при использовании новой формы Pseudomonas, спонтанно образовавшейся в ходе эксперимента. Полосы снизу и справа — разрезы через биопленку по местам, указанным стрелками. Видно, что новая форма растет быстрее и покрывает сверху сплошным слоем скопления Acinetobacter. с — исходная гладкая колония Pseudomonas. d — отличающаяся неровной поверхностью колония новой формы Pseudomonas. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Но самое интересное началось дальше. Обследование с помощью микроскопа стекол, на которых поселились бактерии обоих видов, показало, что через пять дней культивирования характер роста Pseudomonas существенным образом изменился. Если в начале опыта клетки Pseudomonas поселялись на участках, не занятых скоплениями Acinetobacter (образовывалось своего рода мозаика из двух видов. (рис. 2a), то через пять дней клетки Pseudomonas стали сплошным ковром обрастать сверху скопления Acinetobacter (рис. 2b). Когда клетки из этого «ковра» высеяли отдельно на агар-агар (среду, содержащую все вещества, необходимые для роста данных бактерий), они стали образовывать колонии с неровной поверхностью (рис. 2d), отличающиеся от колоний исходной формы Pseudomonas, имеющих гладкую поверхность (рис. 2c).

Новые особенности были наследуемы — передавались из поколение в поколение. При выращивании в структурированной среде бактерии новой формы Pseudomonas размножались очень быстро и уже через 24 часа интенсивно обрастали скопления Acinetobacter (рис. 2b). При этом им требовалась значительно меньшая концентрация бензилового спирта (всего 50 микромолей).

В серии дополнительных экспериментов с использованием разных условий культивирования удалось показать, что новая форма Pseudomonas возникает только при комбинации двух условий — наличии бактерий Acinetobacter и наличии твердой поверхности, на которой можно закрепиться. Общая продукция сообщества (то есть нарастающая за единицу времени биомасса) была существенно выше, если в сообщество входила новая форма Pseudomonas. Среди известных ранее мутаций Pseudomonas авторы нашли одну похожую, которая затрагивает синтез липополисахаридов — веществ, входящих в состав клеточных стенок и играющих важную роль в образовании пластов клеток.

Во взаимоотношениях Acinetobacter и Pseudomonas пока далеко не всё еще ясно (помимо комменсализма есть и конкуренция между двумя бактериями за кислород), однако очевидно, что отношения эти могут меняться за счет появления новых (и наследуемых!) особенностей по крайней мере у одного из видов.

Источник: Susse Kirkelund Hansen, Paul B. Rainey, Janus A. J. Haagensen, Søren Molin. Evolution of species interactions in a biofilm community // Nature. 2007. V. 445. P. 533-536.

См. также:
Г. А. Заварзин. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука. 2003. 348 с. (файл djvu)

Алексей Гиляров

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

08.02 Холодная эра наступила внезапно

Палеоклиматологи из США, Китая и Нидерландов получили убедительные подтверждения того, что 34 млн лет назад на планете в очень сжатые сроки произошло глобальное изменение климата. Три события — резкое похолодание в Северной Америке, установление засушливого климата в Азии и образование ледяного щита Антарктиды — произошли практически одновременно по геологическим меркам.

07.02 У африканских рыб обнаружена склонность к инцесту

Германские биологи обнаружили у африканских рыбок Pelvicachromis taeniatus необычные сексуальные наклонности — эти рыбки предпочитают выбирать в качестве брачных партнеров родных братьев и сестер. Возможно, склонностью к инцесту объясняется быстрое видообразование у рыб-цихлид в некоторых озерах.

06.02 Азот в океане связывается там, где он теряется

За счет деятельности азотфиксирующих бактерий в океан из атмосферы попадает около 140 млн тонн азота в год и столько же возвращается в атмосферу в результате восстановления нитратов другими бактериями. Считалось, что азотфиксация и денитрификация пространственно разобщены. Но недавние исследования показали, что азот связывается поблизости от тех мест, где он теряется в ходе денитрификации.

05.02 Горизонтальный перенос генов приводит к новому режиму эволюции

Методы статистической физики позволили найти точное решение некоторых простых моделей генетической эволюции с горизонтальным переносом генов. Выяснилось, что благодаря такому переносу возникает новый, метастабильный режим эволюции.

05.02 Изменения климата не были причиной массового вымирания австралийских животных

Изучение богатого комплекса ископаемых животных, найденного в трех пещерах на юге Австралии, показало, что 100–400 тыс. лет назад климат там был не менее засушливым, чем сегодня. А значит, причиной гибели множества видов крупных животных и обеднения растительности около 40 тыс. лет назад стала не экологическая катастрофа, а, скорее всего, деятельность первобытных охотников.

02.02 Хищных млекопитающих создала конкуренция

Масштабное исследование международной группы биологов показало, что у хищников, живущих на одной территории, морфологические различия больше, чем у тех, кто живет порознь. При этом чем дольше хищники сосуществуют и чем больше площадь совместного обитания, тем резче проявляются различия. Это доказывает ведущую роль конкуренции в видообразовании у хищников.

01.02 Туманности Андромеды сделали спектроскопию желудка

Американские астрономы нашли доказательство того, что галактика М31 (знаменитая Туманность Андромеды) в прошлом испытала столкновение с другой галактикой и полностью поглотила ее. С помощью чувствительного спектрографа DEIMOS скрытый звездный поток — один из остатков исчезнувшей галактики — был обнаружен именно там, где его предсказала компьютерная модель древнего столкновения.

31.01 Молекулярный микрочип уже почти работает

В Калифорнии создан прототип микросхемы памяти с плотностью записи около 100 гигабит на квадратный сантиметр — примерно в 40 раз выше, чем у производимых ныне аналогов. Носителями информации в ней служат молекулы органического соединения [2]-ротаксана, способные переключаться между двумя стабильными состояниями.

30.01 Рыбы обладают способностью к дедукции

Американские биологи показали, что рыбы справляются с тестами на так называемую транзитивную логику не хуже четырехлетних детей. Наблюдая поединки между пятью самцами своего вида, африканская рыбка астатотиляпия безошибочно определяет, какой из двух самцов сильнее, даже если они никогда не сражались друг с другом и имеют равное число поражений и побед.
В избранное