Бактерии показали класс синхронного плавания (видео)
Пустынный регион на севере Мексики давно будоражил воображение профессора Джоэла Ставанса, изучающего в Институте Вейцмана физику биологических процессов и особенно интересующегося естественными бактериальными сообществами. Он узнал об уникальной водной среде в бассейне Куатро-Сьенегас (в переводе с испанского «четыре болота»), расположенном в штате Коауила. Этот район известен необычайным разнообразием форм жизни. Ставанса особенно занимали редкие микробные сообщества, процветающие в экстремальных условиях, подобных тем, которые существовали на Земле в докембрийскую эпоху, около 700 миллионов лет назад.
Джоэл Ставанс и его ученик доктор Ринат Арбель-Горен, старший научный сотрудник лаборатории Института Вейцмана, отправились в экспедицию по сбору биологического материала в этом регионе. По возвращении в Израиль с несколькими образцами этих древних видов к ним присоединился доктор Оскар Гальярдо-Наварро, работающий в Институте Вейцмана микробиолог из Мексики, хорошо знакомый с этой уникальной средой.
В одном из экспериментов Гальярдо-Наварро с удивлением обнаружил, что, несмотря на рост в статических условиях, бактериальные культуры образовывали как мутные, так и прозрачные динамические зоны, видимые невооруженным глазом. Это были узоры, характерные для каждого вида бактерий. Они и определили все дальнейшее исследование, результаты которого опубликованы в журнале Nature Communications.
Исследовательская группа Ставанса обнаружила, что различные виды бактерий, которые тяготеют к областям с более высокой концентрацией кислорода, демонстрировали уникальные модели самоорганизации. Каждый вид создавал свою собственную пространственную структуру: одни формировали шестиугольники, другие — вытянутые или извилистые линии. По мнению ученых эти открытия могут расширить наше понимание коллективного движения в природных системах, таких как стаи птиц, косяки рыб и колонии муравьев, и могут иметь значение для изучения коллективного поведения людей и даже роботов.
Джоэл Ставанс считает, что наблюдаемые закономерности — результат процесса, известного как биоконвекция. И в естественном водоеме, и в лабораторной чашке Петри аэробные бактерии поднимаются к поверхности воды, где кислорода больше.
Поскольку плотность бактериальных клеток выше плотности воды, гравитация тянет их обратно вниз, как только они достигают поверхности. Возникает взаимодействие противоположных сил: гравитации, тянущей вниз, и биологической потребности бактерий в кислороде, тянущей их вверх. В итоге образуется долговременный самоподдерживающийся цикл.
Биоконвекция — хорошо изученное научное явление, но это исследование открывает его новую грань — поразительное разнообразие видоспецифичных паттернов. Предыдущие эксперименты были сосредоточены в основном на модельных бактериях, выращенных в лабораторных условиях, и никто не задумывался о подробном изучении отличительных особенностей коллективного поведения различных видов и штаммов бактерий из естественного сообщества.
Видео демонстрирует пространственную сегрегацию и закрепление биоконвективных паттернов бинарной суспензии Exiguobacterium sp. и B. cereus. Виды обозначены красным и зеленым цветами соответственно. Временные метки в ролике указывают время после смешивания суспензии. Масштабная линейка 2 мм.
Принцип сегрегации
Поскольку все виды происходили из одной среды обитания и сообщества, ученые задались вопросом: что произойдет, если смешать их в лаборатории. Экспериментаторов ждал сюрприз: бактерии не смешивались, они сохраняли пространственную сегрегацию внутри культуры!
Исследователи тщательно смешивали различные виды бактерий в разных пропорциях и наблюдали возникновение новых биоконвекционных паттернов, создаваемых каждым видом. Ученые пометили виды различными флуоресцентными цветами и с высокой точностью отслеживали местоположение каждого вида в захватывающем калейдоскопе.
Пытаясь выяснить, как и почему произошла столь впечатляющая сегрегация, команда исключила биологическое притяжение или отталкивание между видами как причину. Без биоконвекции не наблюдалось никакой пространственной сегрегации. Морфологические различия между видами также не могли объяснить это явление.
Исследователи предположили, что это может быть связано с характеристиками подвижности микробов. Анализируя особенности передвижения разных бактерий, они обнаружили, что у каждого вида своя средняя скорость и частота смены направления. Чем больше была разница «стилей плавания», тем более выраженной была наблюдаемая пространственная сегрегация.
Поразительно видеть, как микроскопические различия в движении приводят к появлению видимых узоров на площадях, в тысячи раз превышающих размеры этих невероятно дисциплинированных пловцов!Джоэл Ставансмикробиолог, биофизик.
Исследователи полагают, что сегрегация развилась у микроорганизмов как стратегия, призванная минимизировать столкновения между бактериями, находящимися вместе. Ее цель — позволить каждому виду наилучшим образом удовлетворять свои потребности в кислороде в общей среде обитания. Эти выводы могут быть применимы не только к бактериальным сообществам бассейна Куатро-Сьенегас, но и к микробным экосистемам по всему миру.
Как отмечает Ставанс, результаты могут иметь значение для области, которую физики называют физикой активной материи. Она изучает системы, в которых коллективное поведение возникает из-за самопроизвольного движения отдельных компонентов, даже если отдельные члены не обязательно взаимодействуют друг с другом.
Недавно мы рассказали, как бактерии борются с опасными заболеваниями, истребляя личинок комаров.
