Биосоциальность одноклеточных. Биосоциальность одноклеточных (на материале исследований прокариот)

• Название: Биосоциальность одноклеточных (на материале исследований прокариот)
• Анкор: Биосоциальность одноклеточных
• Дата: 14.11.2022
• Размер: 247 Kb.
• Имя файла: Биосоциальность одноклеточных.doc
• Тип: Документы; #788329
• страница: 1 из 3

УДК 571.03

Биосоциальность одноклеточных (на материале исследований прокариот)

А.В. Олескин, сектор биосоциальных проблем,

кафедра физиологии микроорганизмов, Биологический факультет,

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Журнал общей биологии

- том 70, № 3, Май-Июнь 2009, С. 225-238
Настоящий обзор посвящен вопросу приложимости биосоциальных концепций и терминов к микроорганизмам. Основное внимание уделено данным последних десятилетий, полученных с бактериями. Они проявляют различные формы коллективного поведения, включая афилиацию (когезию), кооперацию, координированную агрессию и избегание (изоляцию от «чужаков»). Бактериальные системы также характеризуются контактной и дистантной коммуникацией; последняя опосредуется химическими сигнальными веществами (включая феромоны/аутоиндукторы, участвующие в кворум-зависимых системах коммуникации) или физическими факторами. Бактерии формируют надклеточные системы (колонии, биоплёнки, флоки и др.), которые можно рассматривать как бактериальные биосоциальные системы, по аналогии с сообществами животных. Бактериальные биосоциальные системы характеризуются целостностью, единым жизненным циклом («онтогенезом культуры» в терминологии Н.Д. Иерусалимского) и иерархической или сетевой организацией. Бактериальные клетки в биосоциальных системах морфологически дифференцированы, и у целого ряда видов бактерий также специализированы по функциям. Клетки коллективно образуют структуры, служащие «органами» целой биосоциальной системы (например, водоносные каналы, наружную мембрану целой колонии, гемопротеин-содержащие гемосомы, а также внеклеточный биополимерный матрикс как структурная основа колонии или биоплёнки). Биосоциальный подход к микроорганизмам способствует взаимодействию микробиологии с цитологией и этологией. Этот подход также имеет практическую ценность для медицины и биотехнологии.
В последние десятилетия всё более очевидным становится тот факт, что не только высшие животные и человек, но и всё расширяющийся круг «примитивных» организмов, включая одноклеточные существа, способны к тем или иным формам коллективных взаимодействий (социальное поведение), обмену информацией (коммуникация), к формированию более или менее целостных ассоциаций из многих индивидов (биосоциальных, или просто социальных, систем).

Примечательно, что аналоги социальных феноменов наблюдаются не только у различных свободноживущих одноклеточных организмов (грибов, микроводорослей, простейших, бактерий), но также и у клеток в составе тканей многоклеточных растений и животных. По-прежнему актуальным представляется сравнение многоклеточного организма с «клеточным государством», принадлежащее перу немецкого ученого XIX века Рудольфа Вирхова. По словам Ю.М. Васильева (2000, С.189), «каждая клетка в нашем и любом многоклеточном организме является… членом сложнейшего сообщества… И в государстве, и в организме поведение индивидуума (клетки или человека) разумно и нормально тогда, когда он адекватно реагирует на социальные сигналы – сигналы от других членов сообщества. Человек, не реагирующий на социальные сигналы, часто становится преступником. Клетка, неадекватно реагирующая на социальные сигналы, может дать начало опухоли». Проблематика коллективных взаимодействий клеток животных и человека рассматривается в самостоятельном обзоре данного выпуска Журнала общей биологии (Самойлов, Васильев, 2008).

В настоящей обзорной работе мы рассматриваем проблематику социальности одноклеточных организмов, включая аналоги социального поведения, коммуникации, (био)социальных систем, на данных, полученных с представителями империи Prokaryota (бактерии).

Бактерии часто формируют различные надклеточные структуры – компактные колонии на поверхности или в объеме плотных питательных сред, поверхностные биоплёнки¹, а также суспензии и локальные агрегаты клеток в жидкой среде – микроколонии, флоки и более крупные формации (скажем, миллиметровые гранулы, формируемые метанобразующей ассоциацией микроорганизмов). Так, флоки в виде длинных жгутов формируются в жидкой среде бактериями Zoogloaeramigera(Павлова и др., 2007). В последние годы особое значение придавалось исследованию биоплёнок как «пространственно и метаболически структурированных сообществ микроорганизмов, заключенных во внеклеточный полимерный матрикс и расположенных на границе раздела фаз» жидкость-воздух, твердое тело-воздух, твердое тело-жидкость или жидкость-другая (несмешивающаяся) жидкость (Николаев, Плакунов, 2007, С.149).
Коллективные взаимодействия (социальное поведение)

Prokaryota: этологический подход
Этология обычно понимается как наука о поведении животных. В рамках этологии особое развитие в последние десятилетия получили исследования социального поведения животных и формируемых ими групповых структур (социальная этология). Особая ее область посвящена исследованию поведения человека (этология человека), включая политическую деятельность (политическая этология, тесно связанная с современной биополитикой, см. Олескин, 2007).

Применимы ли этологические категории к микробным системам? Целый ряд отечественных и зарубежных микробиологов склоняется к положительному ответу на этот вопрос.

Так, С.Г. Смирнов ввел ещё в 1972 г. понятие «этология бактерий», определяя её как «формирующееся учение о поведенческих реакциях прокариот на клеточном и популяционном уровнях» (цит. по Смирнов, 1985). Смирнов подчеркивает «целесообразность» бактериального социального поведения, причем «целесообразность» понимается им «как сложная иерархическая структура поведенческих реакций, направленных на достижение генетически детерминированной цели – сохранения вида в разнообразных условиях среды обитания путём накопления максимального количества биомассы» (Смирнов, 2004. С.9). В рамках «этологического» аспекта рассматриваемого научного направления особый интерес представляют данные о координированном поведении клеток, включающем:

1. Афилиацию. Она определяется в рамках этологии животных каквзаимное притяжение особей одного вида, группы, семьи друг к другу, это «стремление животных быть вместе» (Дьюсбери, 1981). У одноклеточных существ к числу аналогов афилиации, несомненно, относится когезия – сцепление (слипание) клеток одного клона или одной ткани. Например, если культивируемые вне организма клетки печени и почек мыши смешать, то «подобное стремится к подобному», и в культуре появляются обособленные агрегаты печеночных и почечных клеток. У многих бактериальных видов в составе колонии имеются не только (или даже не столько) одиночные клетки, сколько клеточные агрегаты. У кишечной палочки Escherichiacoliсоотношение одиночных и агрегированных клеток можно изменить в эксперименте, добавив в среду биогенные амины (дофамин, серотонин, норадреналин, гистамин, см. подробнее ниже, в разделе о коммуникации).

Яркий пример представляют также миксобактерии. В случае нехватки питательного субстрата клетки выделяют фактор А (смесь гидрофобных аминокислот и коротких пептидов), под воздействием которого клетки объединяются в рои. Далее в игру вступает контактная коммуникация с участием недиффундирующего (прикрепленного к выделившей его клетке) фактора С. Он запускает процесс формирования плодовых тел с созревающими миксоспорами;

2. Кооперацию – объединение двух или более особей ради выполнения той или иной задачи. Она также допускает интересные аналогии в мире одноклеточных. Достаточно указать на поведение иммунных клеток животного организма (макрофагов и лимфоцитов) в ответ на проникновение чужеродного агента. Макрофаги связывают проникший в организм чужеродный агент (антиген) и представляют его Т-лимфоцитам, одновременно вырабатывая интерлейкин-1. Т-лимфоциты активируются и взаимодействуют с В-лимфоцитами, вырабатывающими антитела, обезвреживающие попавший в организм агент» (Олескин, 2007, С.175).

Поведение, аналогичное кооперации, характерно для миксобактерий, способных к коллективному захвату и перевариванию экзоферментами пищевых частиц (Шапиро, 1988). У нитчатых цианобактерий «сообщество обладает сложным комплексом поведенческих ответов, направленных на поддержание его жизнедеятельности как целостного образования» (Сумина, 2006. С.532). Так, при механическом повреждении (разрыве) биопленки цианобактерий наблюдается ее регенерация: нити клеток активно движутся в сторону бреши, заделывая ее.

Отметим, что уже Н.Д. Иерусалимский (1952) в докторской диссертации указывал на недопустимость сведения всех форм взаимодействия между микробными клетками в популяции только к конкуренции, «взаимной борьбе между микробными особями и вытеснению слабых форм более сильными». Этой точке зрения (названной им «популяционной теорией») Иерусалимский противопоставлял идею взаимодействия микробных клеток на благо целой системе. Кооперация между клетками одной колонии позволяет этой колонии перемещаться по субстрату как единое целое – данный вывод содержался уже в работе К.Н. Шерстобаева (1961), выполненной на примере бацилл. В дальнейшем идея координированного движения клеток в масштабе целой колонии получила популярность на Западе, была подтверждена в приложении к микcобактериям (Alberts et al., 1983) и использована Дж. Шапиро (1988) в качестве одного из доводов в пользу сходства бактериальных колоний и многоклеточных существ.

Кооперация в микробном мире проявляется также в выделении клетками веществ, облегчающих решение тех или иных проблем другим клеткам и популяции в целом. Примерами таких веществ служат антимутагены (оказывающие также реактивирующее воздействие на бактериальные клетки, Аоробьеве и др., 1993; 1995а, б) и протекторы, защищающие бактериальные клетки в условиях стресса (см. Rowbury, Goodson, 2000; Николаев и др., 2006).

3. Изоляцию популяций друг от друга – отражение избирательности афилиации между микробными клетками. Это проявляется в часто наблюдаемом явлении «неслияния колоний» микроорганизмов, растущих на одной чашке Петри (Будрене, 1985; Новикова, 1989). Как уже отмечалось, имен такая взаимная изоляция, являясь аналогом феномена «избегания чужаков» у различных животных (и в человеческом обществе), способствует структурировнности и обособленности микробной биосоциальной системы.

4. Агрессию (в особенности коллективную), классическое определение которой в применении к животным дано Н. Тинбергеном (Tinbergen, 1968): это «приближение к противнику и нанесение какого-либо вреда, или, по крайней мере, генерация стимулов, побуждающих противника подчиниться». Микробными аналогами агрессии можно считать, например, выработку антибиотиков, бактериоцинов и др. с целью подавления конкурентов. В этом случае от «чужаков» не просто изолируются: их уничтожают², что также имеет многочисленные аналоги, к примеру, в жизни социальных членистоногих. В этом пункте да будет автору позволено совершить также краткий экскурс в биополитику (см. Олескин, 2007). Ксенофобия (неприятие представителей других этнических групп, наций, рас) в человеческом социуме допускает два существенно различных варианта (van der Dennen, 1999): 1) сравнительно мирное отношение со стремлением к изоляции от остальных этносов (так китайцы эпохи Хань относились к периферическим народам) и 2) воинственное, агрессивное, непосредственно чреватое конфликтами отношение к чужим (комплекс избранного народа).
Коммуникация в мире прокариот.
Микробиологи располагают ныне обширным массовом данных о том, что «бактерии, как и все живые организмы, в процессе жизнедеятельности получают, обрабатывают и используют информацию об окружающем мире… Обмен информацией или ее получение от других живых объектов называется коммуникацией» (Николаев, 2000). Микроорганизмы, и в их числе бактерии, используют следующие каналы коммуникации:

Контактная коммуникация предполагает наличие межклеточных контактов различных типов – цитоплазматических мостиков (плазмодесм), участков слияния наружных мембран (у грамотрицательных бактерий) или пептидогликановых клеточных стенок (у грамположительных бактерий, см. Tetz et al., 1990, иллюстрировано: рис. 1). Выдвинута интересная гипотеза, что по цитоплазматическим мостикам, как по волноводам, могут передаваться от клетки к клетке несущие информацию электромагнитные волны различных диапазонов (Высоцкий и др., 1991). Контактная коммуникация между клетками микобактерий Myxococcus xanthus необходима для реализации поздних стадий формирования плодовых тел. Эта контактная коммуникация основана на рецепции клетками M. xanthus недиффундирующего белкового фактора С, продукта гена csgA. Межклеточные контакты формируются за счет мно­гообразных поверхностных структур, включая микрофибриллы, шишковидные выступы, эвагинаты клеточной стенки, гликокаликс, отражая "генетически детерминированную закономерность развития микробных популяций как саморегулиру­ющихся многоклеточных систем" (см. Ботвинко, 1985; Олескин и др., 2000). Мы вернемся к проблематике межклеточных контактов и «обслуживающих» их межклеточных «контактных» структур ниже в ином контексте – в связи с формированием бактериальных аналогов неиерархических сетевых структур.

Дистантная химическая коммуникация между пространственно разделенными клетками. Многие из участвующих в дистантной химической коммуникации веществ отвечают за координацию в масштабах колонии (биопленки) процессов роста и развития клеток – за кооординированнную смену стадий онтогенеза микробных культур (в терминологии, разработанной акад. Н.Д. Иерусалимским, 1952, 1963). Такие сигнальные вещества обозначаются в литературе как ауторегуляторные вещества, или ауторегуляторы и определяются как “микробные метаболиты, выделяемые всей популяцией клеток или ее частью в окружающую среду, не используемые в целях конструктивного и энергетического метаболизма, но играющие важную сигнальную роль и, таким образом, влияющие на физиологическое состояние и репродуктивные способности организмов» (Эль-Регистан и др., 1979). Так, установлено (Пшеничнов и др., 1975; Вахитов и др., 2003), что в период лаг-фазы и экспоненциальной фазы роста культура E. coliвыделяет в среду вещества, стимулирующие рост другой культуры E. coli(аутостимуляторы), а в период замедления роста и в стационарную фазу – вещества, ингибирующие рост другой культурыэтой бактерии (аутоингибиторы).

Другой пример ауторегуляторов -- вырабатываемые микробными популяциями факторы d₁ (факторы анабиоза) – алкилоксибензолы и факторы d₂ (факторы автолиза) – ненасыщенные жирные кислоты (Дуда и др., 1982; Светличный и др., 1983; Плакунов, Эль-Регистан, 2004). Факторы d₁ переводят бактериальные клетки в покоящиеся состояния разной глубины (в зависимости от концентрации факторов) и повышают их стрессоустойчивость; факторы d₂ вызывают разобщение мембранного фосфорилирования, а при высоких концентрациях нарушают целостность мембран, что приводит к гибели клеток.

Детально изучены так называемые кворум-зависимые (quorum-sensing, QS) системы, ставящие под контроль плотности микробной популяции (кворума), оцениваемой по концентрации вырабатываемых всеми клетками популяции сигнальных веществ – феромонов (или аутоиндукторов), многие важные процессы (см. Fuqua et al, 1994; Kell et al., 1995; Gray, 1997; Waters, Bassler, 2005; Хмель, 2006). К этим процессам относятся: люминесценция, синтез антибиотиков и ферментных комплексов, межклеточный перенос генетической информации (трансформация, конъюгация), клеточная агрегация, секреция белков, формирование биоплёнок, споруляция, образование факторов вирулентности и др. «Бактерии образуют малые, легко диффундирующие молекулы, называемые аутоиндукторами, и когда эти сигнальные вещества достигают критической концентрации, соответствующие QS-системы активируются или репрессируются. У некоторых, но не у всех объектов, сами QS-системы регулируются по принципу положительной обратной связи (аутоиндукция)» (Duan, Surette, 2007, P.4827).

Так, у грамотрицательных бактерий в большинстве кворум-зависимых систем аутоиндукторами (феромонами) служат ацилированные гомосеринлактоны. Эти вещества связываются c R-белками, и полученный комплекс активирует транскрипцию генов, отвечающих за кворум-зависимые процессы, перечисленные выше. Феромоны активируют также транскрипцию ферментов, катализирующих синтез самих феромонов. Если плотность бактериальных клеток достаточно высокая, то бактерии предпринимают те или иные коллективные действия. Например, морские бактерии Vibriofischeriи V. harveyiначинают светиться.

У грамположительных бактерий распространены quorum-sensing системы, в которых роль феромонов (аутоиндукторов) играют пептиды, которые могут быть линейными или включать в себя тиолактоновое кольцо. Эти QS-системы являются двухкопонентными: содержат сенсорную гистидиновую киназу, которая в ответ на связывания феромона фосфорилирует второй компонент системы – белковый регулятор ответа. Запускается каскад киназ, в конечном счете фосфорилирующий и тем самым активирующий белок, который индуцирует транскрипцию определенного оперона ДНК. Например, у клинически важного «золотистого стафилококка» Staphylococcusaureusподобная QS-система регулирует синтез токсинов, факторов адгезии и колонизации, протеаз и других важных для инфекционного процесса компонентов.

Многие из изученных бактерий одновременно содержат несколько QS-систем (например, у V. harveyiсвечение находится под контролем трех QS-систем). QS-системы вступают в разнообразные взаимоотношения между собой. Они могут функционировать параллельно или последовательно, могут конкурировать или противодействовать друг другу. Так, опасная для человека синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa вырабатывает факторы вирулентности – вещества, необходимые для внедрения в организм хозяина и разрушения его тканей – под контролем по крайней мере двух последовательно действующих QS-систем (LasI-LasR и RhlI-RhlR). Функционирование системы LasI-LasR приводит к запуску системы RhlI-RhlR (Waters, Bassler, 2005).

Как грамотрицательные, так и грамположительные бактерии используют в качестве феромонов также фураноны. Если гомосеринлактоны и пептиды видоспецифичны, то фураноны воспринимаются как сигналы представителями разных видов бактерий и, по-видимому, служат для межвидового общения в микробных ассоциациях (см. обзоры Олескин и др., 2000; Волошин, Капрельянц, 2004; Waters, Bassley, 2005; Хмель, 2006). В частности, фуранон АИ-2, выступает как почти универсальный регулятор в бактериальном мире: он регулирует свечение у Vibrioharveyi, вирулентность возбудителя холеры Vibriocholerae и других патогенов (Streptrococcuspyoegenes, патогенных штаммов E. coli), спорообразование у Bacillussubtilisи другие процессы у различных бактерий (см. Waters, Bassler, 2005; Хмель, 2006).Впрочем, у бактерии Salmonellatyhimuriumимеется свой особый фуранон, который, в отличие от АИ-2, не содержит атома бора.

Соединения, напоминающие сигнальные агенты плотностно-зависимых систем прокариот, могут вырабатываться эукариотическими клетками как конкурентами или антагонистами прокариотов. “Зная” об информационных функциях подобных химических веществ у прокариот, эукариоты, вероятно, создают своего рода “дезинформационные помехи”, “сбивая с толку” бактериальные клетки. Возможно, именно поэтому, например, галогенированные фураноны – близкие аналоги бактериальных феромонов – образуемые красной водорослью р. Delysea, представляют собой эффективные антимикробные агенты (Givskov et al., 1996).

Немаловажную роль в микробной коммуникации, по-видимому, играют биогенные амины (с нейромедиаторной и гормональной функциями у животных), такие как серотонин, норадреналин, дофамин, гистамин. Установлено, что серотонин стимулирует рост у дрожжей Candidaguillermondii (Страховская и др., 1993)и бактерий Enterococcusfaecalis (Страховская и др., 1993), Rhodospirillumrubrum(Олескин и др., 1998) и E. coli, у которой он также стимулирует агрегацию клеток («микробную социальность») и формирование межклеточного матрикса (Олескин и др., 1998).Серотонинспособствует формированию цист у миксобактерий Polyangiumsp., а в высоких концентрациях снижает мембранный потенциал (Олескин и др., 1998). Впоследствии была продемонстрирована стимуляция роста E. coliи дрожжейS. cerevisiae, дофамином и в незначительной мере норадреналином (Кагарлицкий и др., 2003; Анучин и др., 2007). В случае E. coliиспытан также гистамин и показан его ростстимулирующий эффект. Продемонстрировано, что дофамин уменьшает, а норадреналин, секротонин и гистамин увеличивают количество клеточный агрегатов, спаянных матриксом, в колониях E. coli(Анучин и др., 2007; Oleskin, 2007). Поскольку все эти вещества обнаружены в нативной биомассе той же бактерии (Цавкелова и др., 2000), то представляется вполне вероятной ауторегуляторная роль этих веществ как ингибиторов (дофамин) или стимуляторов (остальные тестированные амины) бактериальной социальности. Норадреналин, дофамин, адреналин стимулируют рост энтеропатогенных бактерий. Они индуцируют рост бактерий на средах с сывороткой при низкой норме инокулята (т.е. малом количестве засеваемых в культиватор бактериальных клеток), которые не растут в этих условиях без добавления аминов (Lyte, Ernst, 1993; Burton et al., 2002; Freestone et al., 2007).

Дистантная физическая коммуникация. В дистантной передаче информации между клетками бактерий предполагается участие электромагнитных и звуковых волн разных диапазонов. Еще в 20-30-е годы ХХ века в нашей стране А.С. Гурвич и его сотрудники изучали «митогенетические лучи» (ультрафиолетовое излучение), кванты которого испускаются живыми клетками и стимулируют деление других клеток, в том числе и бактериальных. Так, ультрафиолетовое излучение дрожжей р. Nadsoniaповышает плотность клеток в облучаемых культурах бактерий р. Bacillus(Sewertzowa, 1929).

Ю.А. Николаев показал, что гибнущая под воздействием хлорамфеникола культура Vibriocosticolaпосылает сигнал, стимулирующий рост другой культуры, отделенной от неё слоем кварцевого стекла (Николаев, 1992). Через несколько лет сходные данные были представлены группой японских ученых (Matsuhashi et al., 1996a, b). Природа передающих информацию факторов не установлена. Ю. Николаев предполагает вклад электромагнитных волн разных диапазонов; японские ученые – роль ультразвуковых волн. В последующих работах Николаева продемонстрировано синергидное(взаимоусиливающее) действие различных каналов межклеточной коммуникации, а именно химических сигналов и физических полей; это вытекает из опытов по влиянию одной бактериальной культуры (Pseudomonasfluorescens) на адгезивные свойства другой культуры того же вида (Николаев, Проссер, 2000 и другие публикации Николаева).

В свете приведенных фактов возникает, однако, вопрос, позволяет ли микробная коммуникация создавать структурированные биосоциальные системы, отделенные и противопоставленные окружающей среде. Если каждый муравейник, например, «знает свои границы», то есть микробные аналоги характерного для животных (растений, грибов) феномена «различения своих от чужих»?

Обращаясь к накопленным в микробиологии данным, мы можем констатировать: «коммуникация коммуникации рознь». Есть в микробном мире передача сообщений всем представителям данного вида и коммуникация между представителями разных видов и даже царств живого (пример представляют рассмотренные выше фураноны).

Тем не менее, есть и микробные сигналы, преимущественно распространяемые в пределах только данной колонии (биоплёнки, флока, мата или иной микробной надклеточной системы).

Немаловажную роль в ограничении радиуса действия коммуникативных сигналов, вероятно, играют межклеточные биополимеры (матрикс). Матрикс обволакивает микробные системы и представляет собой гидрофильную среду для распространения экзометаболитов и продуктов автолиза клеток, включая химичес­кие сигнальные вещества, в том числе служащие для оценки плотности собственной популяции (quorum sensing, см. выше). В ряде случаев сигнальные вещества присутствуют в супернатанте микробной культуры лишь в незначительных концентрациях, поскольку задерживаются в матриксе, где и выполняют свою функцию; здесь необходимо подчеркнуть, что мно­гие виды бактерий сохраняют надклеточную орга­низацию и соответственно внеклеточный матрикс и при культивировании на жидких средах. Именно в матриксе нами были детектированы биогенные амины (дофамин, норадреналин) как предполагаемые сигнальные агенты в популяции BacuillussubtilisM (Цавкелова и др., 2000). Ниже мы вернемся к межклеточному матриксу и его функциям.

Помимо коммуникации как таковой, структурирование и обособление микробных биосоциальных систем связано также с явлением взаимной изоляции колоний (биопленок и др.). Подобно животным, микроорганизмы проявляют избирательную афилиацию к «товарищам по коллективу» Эти социальные феномены мы уже кратко рассмотрели в предшествующем разделе.