Биосоциальность одноклеточных. Биосоциальность одноклеточных (на материале исследований прокариот)
 Скачать 247 Kb.
|
|
Характеристики бактериальных биосоциальных систем В литературе встречаются разные интерпретации биосоциальных систем и их характеристик. Так, в приложении к социальным насекомым особую актуальность имеют следующие характеристики: дискретность фаз развития и поведения, взаимодействие по поводу обмена пищей (трофоллаксис), координация поведения особей в составе биосоциальной системы, дифференциация особей и их функциональных групп (Захаров, 1991). Автор данной работы определяет биосоциальные системы как «объединения особей, характеризующиеся коммуникацией, афилиацией и кооперацией между ними» (Олескин, 2007, С.190). Приложимо ли это определение к миру одноклеточных существ и, в особенности, к империи Prokaryota? В свете всего сказанного выше ясно, что бактериям не чужда избирательная афилиация с изоляцией от «чужих» (не относящихся к колонии, биопленке, флоку), кооперация, а также коммуникация, причем межклеточный матрикс создает условия для селективности коммуникации – ее адресаты ограничены объемом собственной надклеточной системы. Таким образом, представляется, что сущностные характеристики биосоциальных систем, вычлененные в нашем определении, позволяют проводить вполне уместные и плодотворные аналогии с системами, состоящими из клеток, в том числе и бактериальных. В литературе по социальной этологии обсуждается вопрос о «выгодах социального образа жизни». Например, обезьяна даже низкого социального ранга в иерархии все же пользуется некоторыми благами, пока находится в составе группы (зашита от многих опасностей, возможность участия в дележе добычи и др., см. Дерягина, Бутовская, 2004). Аналогично, в микробной колонии или биопленке индивидуальные клетки также наслаждаются «выгодами социального образа жизни», такими как повышенная устойчивость к антибактериальным агентам (включая поверхностно-активные вещества, хлорамин, щелочь, Павлова и др., 2007) и более эффективное использование питательных ресурсов. Ниже кратко остановимся на некоторых других важных общих свойствах биосоциальных систем, которые могут быть экстраполированы на мир прокариот. Гомо- и гетеротипические биосоциальные системы. Биосоциальные системы могут состоять из особей только одного вида (гомотипические) или разных видов (гетеротипические). Гетеротипические биосоциальные системы обозначают также как ассоциации. Одноклеточные существа формируют системы обоих типов. Микробные колонии или биопленки во многих случаях состоят из клеток только одного вида, а междвидовые ассоциации, включающие как про-, так и эукариот, характерны для микробного населения водоочистных сооружений. Межвидовой ассоциацией является и сообщество микроорганизмов, населяющее кишечник животных и человека (симбиотическая микробиота). В свою очередь, гетеротипические биосоциальные системы входят в состав надоорганизменных единиц еще более высокого ранга – биоценозов, экосистем. Собственно, симбиотическая микробиота вместе с самим животным, которого она, населяет, также рассматривается как биоценоз или консорциум (Реймерс, 1992). Иерархия и сеть. Как и в человеческом обществе, среди особей в рамках биосоциальной системы выделяются лидеры, контролирующие поведение других индивидов. Иерархия может быть жесткой или мягкой, в биосоциальной системе может быть один лидер или много лидеров (расщепленная иерархия). В ряде случаев иерархические отношения доминирования-подчинения почти не выражены, и тогда система обозначается как горизонтальная, или эгалитарная. В человеческом социуме к эгалитарным системам близки имеющие высокий социальный и политический потенциал в современных условиях сетевые структуры, где сосуществует много частичных лидеров с ограниченными правами и сферами компетенции (Олескин, 1994, 1998, 2007). В мире одноклеточных есть примеры иерархий. В культуре клеток эпителия, выделенных из организма животного, выделяются «лидерные клетки», которые при росте пласта клеток «вырываются вперед, не разрывая, впрочем, полностью с соседними клетками» (Самойлов, Васильев, 2008). Есть ли примеры иерархических структур в мире Prokaryota? В популяциях голодающих бактерий (например, Escherichia coli) клетки дифференцированы на две функциональных подгруппы (Смирнов, 1985, 2004; Акайзин и др., 1990): Гибнущие клетки, претерпевающие автолиз Активно растущие клетки, утилизирующие продукты автолиза Изучен и генетический механизм этого феномена. «Геном E. coli содержит оперон с двумя генами: mazE и mazF. Ген mazF кодирует стабильный цитотоксический белок, а mazE – нестабильное противоядие к белку MazF, быстро разрушаемое протеазой. В условиях голодания, когда происходит исчерпание фонда свободных аминокислот активируется оперон rel, чей белковый продукт RelA отвечает за синтез гуанозинтетрафосфата. Гуанозинтетрафосфат блокирует экспрессию обоих генов: противоядие разрушается, и в результате стабильный белок-яд MazF вызывает гибель и автолиз части популяции, тем самым пополняя фонд аминокислот и вновь активируя синтез противоядия MazF у оставшихся в живых клеток E. coli» (цит. по: Самуилов и др., 2000)3. Однако, в целом среди одноклеточных существ и, в особенности, прокариот, более распространен эгалитарный сценарий биосоциальной организации, подобный сетевым структурам человеческого социума. Причем, отсутствие единого управляющего центра не препятствует функционированию развитой системы координации социального поведения по крайней мере у некоторых исследованных микробных биосоциальных систем. С системной точки зрения интересно и то, что у микроорганизмов имеются сетевые структуры нескольких порядков. Колония как большая сеть состоит не непосредственно из клеток как обособленных индивидов, а из их агрегатов (микроколоний), каждая из которых представляет собой меньшую сеть, состоящую из десятков или сотен клеток. Клетки внутри такой микроколонии ведут себя координированно, например, у высокоподвижных бактерий рода Proteus они синхронно перемещаются по поверхности питательной среды. Дж. Шапиро (Shapiro, 1995) отмечал факт координированного перемещения по поверхности питательной среды целых групп подвижных бактериальных клеток – «плотов» (rafts). Eсли одна из клеток в такой группе случайно выдвигается вперед остальных клеток, она останавливается до тех пор, пока с ней не поравняются ее соседи. Суммируя результаты микробиологических исследований, можно констатировать наличие по крайней мере трех важных факторов, отвечающих за координацию поведения клеток в составе микробных биосоциальных систем: а) межклеточных контактов; б) химических сигнальных агентов (ауторегуляторов, феромонов); в) межклеточного матрикса. Все три фактора уже были нами рассмотрены, а роль контактов и матрикса иллюстрируется микрофотографиями (рис. 1 и 2). Функциональная специализация. Особи в биосоциальных системах различаются не только рангом в иерархии, если она формируется. Во многих биосоциальных системах имеет место «дифференциация функциональных групп особей» (Захаров, 1991). Так, в муравьином социуме есть представители разных «профессий»: фуражиры, солдаты, разведчики, внутригнездовые рабочие и др. Функциональная дифференциация часто дополняется морфофизиологической, т. е. формированием качественного многообразия форм (Захаров, 1991). В этом случае «специалисты» в разных сферах деятельности выглядят по-разному. Очевидным примеров на клеточном уровне служит специализация и дифференциация клеток разных тканей в многоклеточных организмах животных или растений; сходные явления наблюдаются также в бактериальных колониях и биоплёнках. В бактериальном мире «формирование качественного многообразия форм» обусловлено 1) пластичностью генома, что связано с наличием передающих свою или бактериальную информацию бактериофагов и подвижных генетических элеметнов (транспозонов, эписом, интегронов, плазмид) и 2) многообразием фенотипов даже при неизменном геноме. Профессор Ивановской государственной медицинской академии С.Г. Смирнов выделял в составе микробной популяции “клеточные кластеры” с различающимися свойствами. В этом Смирнов усматривает аналогию между микробной популяцией и многоклеточным организмом, состоящим из различных тканей и органов. Однако эта аналогия не полна, ибо органы и ткани в большинстве случаев представляют компактные локальные структуры, клеточные же кластеры разбросаны по всему объему популяции. По взглядам Смирнова (1985, 2004), на каждом этапе развития культуры преобладает свой субколониальный кластер (Смирнов, 1985). С.Г. Смирнов предложил несколько критериев для выделения кластеров микробных клеток с различающимися характеристиками: кластеры клеток с разной скоростью роста и деления («стайеры», «спринтеры», «миксты») Если «спринтеры» быстро размножаются при наличии большого количества питательного субстрата, то медленно растущие «стайеры», довольствуясь низкими концентрациями питательных веществ, отвечают за выживание всей популяции при нехватке «продовольствия»; кластеры активно делящихся, покоящихся («резервных» клеток, персистеров) и спонтанно автолизирующихся клеток («альтруистов»). Выходящие из автолизирующихся «альтруистов» питательные вещества улучшают состав питательной среды. Покоящиеся клетки различаются по степени глубины и обратимости остановки метаболических процессов и клеточного деления. Клетки в состоянии глубокого покоя могут впадать в жизнеспособное, но не культивируемое состояние» (viable but not culturable, VBNC, см. McDougald et al., 1998). При этом они не растут на обычных средах, но могут сохранять инфекционность (в случае патогенных бактерий) и возвращаться в кластер активно делящихся клеток при обработке специфичными для каждого вида бактерий агентами. Например, у микобактерий роль «пробуждающего» агента играет пептидный фактор Rpf (белок с молекулярным весом 16—17 кДа), который секретируется растущей культурой бактерии Micrococcusluteusи способен «оживлять» жизнеспособные некультивируемые клетки как собственного продуцента, так и других таксонов, например, Mycobacteriumtuberculosis(Mukamolova et al., 1998; Шлеева и др., 2003; Салина и др., 2006). Идентифицированы гомологи фактора Rpf у многих бактерий с богатой гуанином и цитозином ДНК, например, у M. tuberculosis, M. leprae, M. smegmatis, M. bovis, Corynebacteriumglutamicum, а также у представителей рода Streptomyces(см. Волошин, Капрельянц, 2004).; кластеры клеток с разной величиной поверхностного потенциала (ζ‑потенциала), что коррелирует со скоростью деления клеток, их вирулентностью и иммуногенностью (Смирнов, 2004. С.7). В дальнейших исследованиях были выявлены новые варианты клеточных «кластеров» (в терминологии С.Г. Смирнова). Так, микробная биопленка может включать «кластеры» – 1) прочно адсорбированных к поверхности клеток и 2) неприкрепленных, «планктонных» клетки (Stoodley et al., 2002; Agladze et al., 2005). Яркий пример функциональной дифференциации представляют также гетероцисты – толстостенные, специализированные на фиксации азота клетки в популяциях цианобактерий. Гетероцисты не содержат вторую фотосистему, в отличие от вегетативных клеток и поэтому не могут выделять кислород из воды в процессе фотосинтеза. Гетероцисты цианобактерий реализуют функции связывания азота из атмосферы, важную для клеточной популяции в целом. Помимо гетероцист, многие популяции цианобактерий содержат другие специализированные клетки (акинеты, гормогонии). Говоря выше о кластере спонтанно автолизирующихся клеток («альтруистов») в терминологии Смирнова, мы фактически затронули такое важное социальное явление как программируемая смерть индивидуальных клеток ради выживания биосоциальной системы (программируемая смерть в этом случае становится частью той функции, которую исполняет клетка в целой системе). в применении к животным клеткам обозначается как апоптоз. По аналогии с апоптозом трактуется, например, программируемая смерть клеток E. coli, зараженных бактериофагом: погибая, они не позволяют вирусу размножиться и атаковать другие клетки популяции (Shub, 1994; Yu, Snyder, 1994; Самуилов и др., 2000). В терминах функциональной специализации в литературе описывается также следующие явления, приводящие к гетерогенности микробных популяций: 1. Гетероморфизм – формирование в популяции всякого рода аномальных клеточных морфологических вариантов, включая клетки с нарушенным процессом деления, с дефектной клеточной стенкой или вовсе без нее (овальные или шаровидные клетки сферопластного или протопластного типа), нитчатые, игольчатые клетки, гигантские структуры, мельчайшик клетки (L-формы, элементарные тела) и др. Предполагается важная роль этих «монстров» в выживании бактериальной популяции и ее адаптации к меняющимся внешним условиям; в частности, L-формы способны длительное время сохраняться в организме зараженных животных, чтобы дать новую вспышку инфекции при благоприятных условиях (Высоцкий и др., 1991). Гетероморфизм характерен и для популяций цианобактерий (Баулина и др., 1978), в том числе в симбиозе с культивируемыми клетками высших растений, где был описан целый кадастр морфологических вариантов, включая протопласты, сферопласты4, другие варианты клеток с нарушенной клеточной стенкой, в том числе гигантских размеров, аморфные (бесклеточные) массы, а также разные варианты мелких клеток – миниклетки (малые клетки с клеточной стенкой, но без ДНК и потому «временно живые»), микроклетки (малые клетки со стенкой и ДНК), элементарные тела (малые клетки без стенки, но содержащие ДНК, см. Баулина и др., 1984; Баулина, Лобакова, 2002, 2003; Горелова, 2000; Горелова, Корженевская, 2002; Gusev et al., 2002). 2. Фенотипическая (фазовая) диссоциация. Диссоцианты одного и того же вида бактерий, которые часто по внешнему виду колоний обозначают буквами R – rough (шероховатые), S – smooth (гладкие) и М – mucoid (слизистые), различаются по структуре клеточной оболочки и матрикса. Различия в толщине и химическом составе капсулы, клеточной стенки и цитоплазматической мембраны приводят к изменениям в ряде физиолого-биохимических и морфологических характеристик диссоциантов, включая скорость поступления веществ в клетку; скорость выделения веществ из клетки; устойчивость клеток к внешнему воздействию; текучесть мембран; морфологию клеток. Перечисленные изменения характеристик диссоциантов создают им новые экологические ниши и, расширяют границы выживаемости вида в меняющихся условиях внешней среды (Милько, Егоров 1991). Разделение микробных клеток в одной популяции на варианты, различные по физиологическому состоянию, что может во многих случаях отражать их функциональную специализацию, наглядно видно на примере светящихся бактерий, например, Photobacteriumleiognathi, в популяциях которых присутствуют участки скопления темных, тусклых и ярко светящихся вариантов (Медведева и др., 2006). Формирование надорганизменных структур. «Постамент» (ценосарк), объединяющий полипы кишечнополостных в колонию (кормус), не принадлежит никакой из особей по отдельности. Эти структуры соответствуют уровню целой биосоциальной системы и свидетельствуют о высокой степени ее интеграции. Наряду с такими материальными структурами, каждый индивид в биосоциальной системе связан с другими сетью нематериальных уз – конвенций, т.е. «правил, регламентирующих» поведение индивидов «при их взаимодействии друг с другом» (Захаров, 1991). Одноклеточные существа также формируют структуры, функционирующие на уровне целой биосоциальной системы. Уже был упомянут нами биополимерный межклеточный матрикс (см. Ботвинко, 1985; Costerton, Geesy, 1987; Олескин и др., 2000; Sutherland, 2001, 2002) как структура, принадлежащая не отдельной микробной клетке как таковой, а целой биосоциальной системе. Матрикс (в микробиологической литературе обозначаемый также как покровы и гликокаликс, см. Пузырь и др, 2002; Павлова и др., 1990а, б, 2007) – результат слияния наружных слоев индивидуальных клеточных оболочек бактериальных клеток (капсул, внеклеточной слизи и т.п.). В состав матрикса у микроорганизмов входят кислые полисахариды, гликозилфосфатсодержащие биополимеры типа тейхоевых кислот, гликопротеины, у некоторых бактерий (например, бацилл) также полиглутаминовая кислота и другие пептиды, внеклеточные нити ДНК (к которым прикреплены агрегаты белка пилина IV, Jurcisek, Bakaletz, 2007) и т. д. Как важный компоненты, содержащиеся в матриксе и, вероятно, имеющие информационную функцию, рассматривают распространенные у многих бактерий липоолигосахариды. Подчеркнем, что, подобно межклеточному матриксу животных тканей, микробный матрикс также включает фибриллярные элементы. Сходство между животным и микробным матриксом дополняется общностью некоторых химических компонентов (примером служат сиаловые кислоты). Способность к биосинтезу внеклеточных полисахаридов распространена среди бактерий различных таксономических групп. Возможность и степень ее проявления зависят от условий среды обитания продуцентов (Ботвинко, 1985). Матрикс выполняет следующие функции: Cтруктурообразующуюроль. Отмеченный нами факт наличия в колонии как крупной сетевой структуры более мелких сетей (микроколоний) во многом обязан именно матриксу. Микроколонии (субколониальные ассоциации) встречаются и у грамположительных, и у грамотрицательных бактерий и особенно бросаются в глаза при электронно-микроскопическом наблюдении капсулированных бактерий, например клебсиелл или менингококков (Высоцкий и др., 1983). Развивающийся межклеточный матрикс образует «покровы вокруг микроколоний Salmonellatyphimurium, Yersiniaenterocoliticaили Aeromonashydrophila» (Павлова и др., 2007). Взаимодействие кариогенных (т.е. причиняющих кариес зубов) стрептококков в популяции и с другими кариогенными бактериями в зубной бляшке осуществляется при помощи декстрана (Ботвинко, 1985). Адгезивную роль. Матрикс, несомненно, во многих случаях способствует закреплению бактерий на той или иной поверхности с формированием структурированных биопленок.Глюканы стрептококков ротовой полости способствуют прикреплению продуцентов к поверхности зубов, причем для успешной адгезии необходимо наличие в полимере достаточного количества боковых цепочек, содержащих α-(1->6)-связи. По-видимому, экзогликаны играют важную роль в адгезии на субстрате целлюлозо- и бактериолитических скользящих бактерий (см. Ботвинко, 1985; Сафронова, Ботвинко, 1998). Важные с клинической точки зрения примеры адгезии с формированием биоплёнок представляют «синегнойная палочка». Pseudomonasaeruginosa, формирующая биопленки в легких больных цистофиброзом, а также холерный патоген Vibriocholerae, образующий биопленки на слизистой кишечника Патогенные микроорганизмы формируют биопленки на вживляемых в организм больного искусственных клапанах сердца и других имплантантах и даже на контактных линзах, вызывая воспаление роговицы глаза (Ильина и др., 2004; Романова и др., 2006); Защитную (протекторную, барьерную)роль. Обволакивающий клетки матрикс выступает как буферная внутренняя среда колонии (биопленки, флока и др.), предохраняющая отдельные клетки и систему в целом от неблагоприятных воздействий извне (высыхание, нагревание/охлаждение, атака гидролитических ферментов и др.). Полисахаридные и пептидные компоненты матрикса включают в себя, в частности, ряд крио-, термо- и ксеропротекторов. Защитная функция выступает на первый план в случае окутывающих клетки поверхностных слоев матрикса микробной биосоциальной системы – «покровов», представляющих собой «плотные пленки или сферические образования различной величины с гладкими поверхностями» (Павлова и др., 2007). В случае патогенных бактерий вариантом защитной роли матрикса является его маскирующая функция. Матрикс прикрывает антигенные участки поверхности бактериальных клеток, делая их неуязвимыми для атаки Т-лимфоцитов и антител. Патогены в составе упорядоченных структур типа биопленок отличаются повышенной устойчивостью не только к иммунной системе хозяина, но и к антибиотикам (Greenberg, 2003); Коммуникативнуюроль. В матрикс выделяются и по нему распространяются сигнальные вещества, как указано выше. Единый матрикс покрывает многовидовые микробные ассоциации (гетеротипические биосоциальные системы) в природе. Его компоненты прямо вовлечены в межвидовые взаимодействия. Так, взаимодействие молочнокислой бактерии Lactobacillus brevis и дрожжей Saccharomyces delbrückii в симбиотическом сообществе кефирных зерен происходит, по-видимому, посредством образуемого лактобациллами экзополисахарида кефирана (Ботвинко, 1985). Наряду с матриксом, в состав многих микробных колоний или биоплёнок входят и более специализированные структуры, которые не принадлежат никакой из клеток по отдельности и рассматриваются как функциональные органы целой системы, например: воздухоносные или заполненные жидкостью каналы (трубочки) в матриксе – аналог циркуляторной и дыхательной систем. По каналам доставляются питательные субстраты и, в случае аэробных бактерий, кислород, а также выводятся продукты метаболизма. Вокруг каналов наблюдаются зоны концентрации бактериальных клеток (использующих выгоды своего «прибрежного» расположения), а сами каналы могут быть пересечены клеточными тяжами или, у некоторых бактерий (например, Haemophilusinfluenza) – нитями двухцепочечной ДНК (Jurcisek, Bakaletz, 2007). Помимо этого через подобные трубочки мигрируют клетки колоний, обычно в виде мелких L-форм. Подобные "отстрелы", в частности, характерны для видов бактерий, входящих в состав симбиотической микробиоты человека и животных (Павлова и др., 1990а, б). гемосомы в колониях бактерий р. Alkaligenes, окруженные своеобразной «мембраной» и содержащие внеклеточные гемопротеины (Дуда и др., 1995, 1996). Предположительно, такие структуры способствуют транспорту О2 к клеткам в колониях, т. е. речь и в этом случае идёт об аналоге дыхательной системы органов мембранная оболочка, подобно «кожным покровам» покрывающая колоний различных бактерий. Впоследствии мембранная оболочка, особенно у грамположительных бактерий, укрепляется биополимерными компонентами с внутренней и с внешней сторон (Tetz et al., 1993), так что вся структура становится частью матрикса. Единая программа развития биосоциальной системы («онтогенез культуры» микроорганизмов по Н.Д. Иерусалимскому). Целостность микробной биосоциальной системы позволяет во многих случаях говорить о едином ритме ее развития, жизненном цикле, онтогенезе. Об этом писал выдающийся микробиолог академик Н.Д. Иерусалимский еще в работах 50-х годов ХХ века. Онвычленял следующие стадии, которые в принципе сохраняют актуальность и поныне: Эмбриональный период развития культуры (лаг-фаза): заметного роста культуры еще не наблюдается Период молодости (экспоненциальная фаза): культура активно растёт Период зрелости (стационарная фаза): замедление и прекращение роста культуры Период старости: вегетативные клетки практически отсутствуют, культура состоит из отмирающих клеток и покоящихся форм (например, спор у Clostridiumbutyricum, объекта исследований Иерусалимского (1952). С.Г. Смирнов предположил в 1980 г., что самая первая из этих стадий – лаг-фаза – есть «опережающее отражение» в свернутом виде всех последующих стадий роста культуры. Так, лаг-фаза включает в себя короткие стадии второго порядка, которые напоминают стадию «старости» культуры, поскольку сопряжены с гибелью некоторой части популяции. За счет гибнущих и выделяющих в среду свои компоненты клеток подпитываются другие клетки культуры, с самого начала лаг-фазы находящиеся уже на стадии «молодости» (экспоненциальной, или логарифмической, фазы). Таким образом «популяция... репетирует поведенческую программу будущего поколения в основной логарифмической фазе роста» (Смирнов и др., 1982). Подобно С.Г. Смирнову, данные по фазам «второго порядка» в ходе лаг-фазы и «альтруистической» гибели части клеточной популяции ради накопления внутриклеточных питательных веществ в среде культивирования получили В.А. Гусев и Н.И. Боброва (1989); эти авторы также предполагали выделение культурой на стадии лаг-фазы регуляторов собственного роста – стимуляторов и ингибиторов (автосинхронизаторов). Как мы уже указывали, подобные факторы были независимо выделены и охарактеризованы в 70-80-е годы группой Г.И. Эль-Регистан, А.С. Капрельянца и др., а также параллельно Р.А. Пшеничновым, Т.Я. Вахитовым и др. Cтадии “онтогенеза” бактериальных популяций соответствуют концентрическим кругам при развитии колоний на агаризованной среде. Эти круги могут быть выявлены (например, у E. coliна минимальной синтетической питательной среде М9) простым визуальным наблюдением (Будрене, 1985). На агаризованной среде с триптоном и глюкозой концентрические круги могут быть выявлены при добавлении в агар 2,3,5-трифенилтетразолия хлористого, который восстанавливается клетками некоторых (не всех) секторов до окрашенного в красный цвет формазана. В результате колония оказывается состоящей из белых и красных концентрических колец (Будрене, 1985). Шапиро (1988) визуализировал эти кольца у E. coli, на индикаторной среде, позволяющей выявить наличие или отсутствие у клеток -галактозидазной активности. Пути формирования биосоциальных систем. Возможны два пути возникновения биосоциальных систем: |