В мире бактерий
Познакомимся с миром бактерии, которая демонстрирует нам пример живого существа с большими возможностями, способностями и многообразием поведенческих проявлений. Она, несомненно, являет собой шедевр организации. Ведь в рамках одной клетки бактерия должна справляться со всеми задачами, которые многоклеточные организмы решают с помощью миллионов клеток своего тела. В тоже время, существующее мнение о примитивности одноклеточных организмов настойчиво воспроизводится в учебной и популярной литературе: «Можно сказать, что бактериальная клетка – просто мешочек, набитый различными веществами». Может быть, такое понимание основывается только на видимой в микроскоп и схематично изображаемой «простоте строения» бактерии и недостаточном знакомстве с научными фактами об удивительных проявлениях этих живых существ.
Уже столетия назад ученым была известна эфемерность видимого в биологии. Да и ведущие современные биологи стараются не опираться в своих выводах только на видимое, зависящее от современного уровня исследовательской техники. Они понимают, что в науке о жизни, как и в физике, непосредственная ненаблюдаемость того или иного феномена и невозможность изображения не означает отрицание его существования. На том же самом основании физиками не могли быть открыты элементарные частицы. И в биологии – если мы и не видим у живых существ определенных органов, то нам все же приходится признавать у них ту или иную деятельность. Дышат все животные, даже те, которые не имеют конкретных дыхательных органов. Одноклеточное животное принимает пищу и переваривает ее, хотя у него нет ни желудка, ни кишки. Оно передвигается без мышц, чувствует и действует не только произвольно, но и целесообразно.
В представленных далее материалах вы сможете убедиться, что бактерия тоже наделена всем, во-первых, для осуществления питания и пищеварения, обмена веществ и удаления его продуктов. Во-вторых, эта удивительная бактерия наделена ощущениями и восприятием внешней и внутренней среды, памятью и способностью принимать нужные решения, осуществлять координацию и управление процессами жизнедеятельности. Она обеспечена даже довольно сложным репродуктивным инстинктом – свою пару бактерия «призывает» так же, как и многоклеточные животные, посылая в окружающую среду сигнальную информацию – строго специфичные каждого вида вещества (феромоны). И все это за счет одной единственной клетки!
Возможности организма
Об основной части (99,9 %) всех видов бактерий мы ничего не знаем, т. к. они в основном не культивируются в лабораторных условиях. Знания наши основаны на 0,1 % видов бактерий (а их 3 млн. видов). Но и это исследованное их количество показывает, что мир живого непостижимо сложен и поистине неисчерпаем! Рассмотрим это на примерах.
Жизнедеятельность в экстремальных условиях. Этим миниатюрным существам дано все, чтобы Земля была населена представителями живого мира от края и до края. Ведь бактерии живут там, где не могут жить ни растения, ни животные. Благодаря тому, что многие из них не нуждаются в кислороде, вездесущие микроорганизмы проникают в толщу земли на сотни метров, населяют пресные воды, моря и океаны. Их удается обнаруживать в верхних слоях атмосферы на высоте нескольких десятков километров, в глубоких подземных скважинах и в толще ледников. А когда бактерий, обнаруженных под мощным льдом Антарктиды, отогрели, малыши ожили, хотя возраст их был тысячи лет.
Бактерии могут жить в широком диапазоне отрицательных и положительных температур, в кислой и щелочной среде (при рН от 0 до 10), при давлении до 1000 атм. Одним из недавних открытий явилось то, что бактерии некоторых видов способны жить в воде с температурой 4000 С! Такие источники находятся в океанских глубинах. Когда в земной коре образуются разломы, горячая вода устремляется наружу. И только огромное давление удерживает ее в таком состоянии. Ученые пока не сумели выяснить, каким образом эти создания способны жить при температурах, которые убивают все живое. А например, галобактерии не могут существовать ни в пресной, ни в обычной морской воде. Их организм устроен для жизнедеятельности в таких очень соленых бессточных водах, как в Мертвом озере, т. е. практически в «рассолах». Некоторые же бактерии прекрасно себя чувствуют даже в воде, охлаждающей ядерные реакторы, где очень высокий уровень радиации. Бактерии целого ряда видов обитают в живых организмах. При этом в одном теле сосуществуют представители тысяч различных видов полезных и вредных для хозяина бактерий.
Широкий диапазон условий обитания этих микроскопических существ показывает, какими удивительными возможностями наделен их организм.
что организм, даже одноклеточный, всегда занят изготовлением и починкой сложных молекул, из которых он состоит. Как только он перестанет это делать, то умрет и превратится в совокупность более или менее свободных атомов. А они уже будут не способны сами соединиться в макромолекулы, которые автоматически не могут объединиться, чтобы восстановить живую клетку.
не знает себе равных! Обнаружены бактерии одного из видов, выносящие дозу радиации, в 60000 раз большую смертельной для многоклеточного животного. И хотя такое излучение буквально рвет в клочки ДНК бактерии, после прекращения облучения ее организм способен привести свою макромолекулу в полный порядок. Но ведь по классической теории именно ДНК является «банком» различных информационных данных и управляет процессами синтеза всех молекул. Какая же тогда структура возглавляет сложнейший комплекс работ по воссозданию самого носителя генетической информации? Выходит, что существует другой управляющий центр клетки и носитель наследственных знаний по построению макромолекулы ДНК, который не подвержен изменениям при облучении.
правильные решения, чтобы адекватно реагировать на любые воздействия, да и вообще проявлять индивидуальные черты? – задались вопросом ученые. И сами же на него с изумлением ответили. Всем этим критериям отвечают одноклеточные бактерии, хотя по традиционным понятиям, ограниченным рамками существующих концепций, они должны представлять собой самые простые и бесчувственные формы жизни. Продемонстрируем это на примерах.
Загадки чувствительности бактерий. Даже не совсем сложные исследования с миниатюрными одноклеточными существами позволяют убедиться, какой необычайной способностью реагировать на присутствие веществ и различных полей они наделены. Среди них можно найти рекордсменов, способных ощущать отдельные молекулы веществ и улавливать самые слабые известные нам, а возможно, и неизвестные поля. А ведь у многих существ их удивительные приборы нельзя рассмотреть даже в электронный микроскоп.
Химическое чувство у бактерий подобно восприятию запаха и вкуса. Они, например, умеют распознавать различные вещества и активно реагировать на них направленными движениями (хемотаксис). Известны привлекающие, обычно полезные для бактерий, вещества (аттрактанты), в числе которых – аминокислоты, и отпугивающие вещества (репелленты) – всякого рода вредные химикаты.
Известно, что сигнальные молекулы этих аттрактантов и репеллентов бактерия ощущает посредством находящихся на ее поверхности специфических рецепторов (хеморецепторов). Причем каждый вид рецепторов взаимодействует только с определенным сигнальным веществом, благодаря чему они управляют поведением бактерии. Она уплывает от вредных веществ и стремится к полезным. Удивительным является, во-первых то, что бактериальный организм обеспечен не только собственным рецептором на каждое из них, но и «знает» всю гамму важных для его жизни конкретных химических молекул. А во-вторых, что бактерия ощущает «запах» или «вкус» просто приятных или неприятных веществ сложнейшего состава. Например, бактерия активно движется в направлении «вкусной» для нее еды – куриного бульона. Откуда у бактерии знания, что компоненты куриного отвара полезны или приятны, и сигнал на них от рецепторов вызывает положительный отклик ее организма?
В некоторых случаях бактерии чувствуют вещества гораздо лучше, чем мы. Они ощущают буквально считанные ионы или молекулы, присутствующие в больших объемах водной среды. Или, например, бактерия может ощутить разницу между одной и двумя частицами среди десяти тысяч таких же частиц. Представьте для сравнения, что перед вами две стеклянные банки, заполненные монетками, и вам нужно «почувствовать», в какой из них ровно десять тысяч монет, а в какой – 9999!
Загадочную способность бактерии откликаться на одну-единственную молекулу ученые пытаются объяснить различными теориями, в том числе «эффектом домино». Рецепторы на поверхности клетки соединены в гигантский кластер (группу). И стоит только одной из молекул вещества вступить во взаимодействие с одним из рецепторов, как срабатывает «эффект домино». Весь кластер перестраивается, меняя состояние поверхности клетки, ее функции и поведения.
Восприятие различных видов энергий. Молекулярно организованные, но не видимые пока нами «органы чувств» бактерии предназначены для регуляции процессов ее жизнедеятельности. Они информируют бактерию о различных внешних событиях, причем не только благодаря показанному выше химическому взаимодействию с сигнальными веществами. Бактерия дифференцированно воспринимает в виде раздражения и многие виды энергий: световые волны, энергии молекул пахучих веществ, звуковые колебания, гравитацию, вибрации, угловые ускорения и т. п.
Например, у многих видов бактерий, проживающих в соленых водах и осадках, имеются крохотные цепочки кристаллических частиц магнетосом. Они содержат железо в виде магнетита и помогают бактерии ощущать магнитные поля, направляя их движение с помощью геомагнитного поля Земли. Так, бактерии из морских отложений благодаря своему компасу легко ориентируются и быстро мигрируют в нужном направлении. Бактерия, создающая себе компас, – факт удивительный. Интересно, что в отличие от большинства бактерий с магнетосомами, три их вида, предпочитающих, насыщенные серой, воды, строят свои компасы не из окиси железа. Они образуют кристаллическое вещество – греигит, соединяя железо с серой. Интересно, что представители каждого вида создают собственный кристалл греигита по уникальной, пока не разгаданной людьми технологии. Ее, как и все феноменально сложное и целесообразное, что вложено в эти одноклеточные существа, бактерии в неизменном виде передают через века: от предков – к потомкам.
способные менять свою окраску, служат главной «деталью» сверхчувствительного прибора. На что они реагируют – на изменение электромагнитных полей или сигнальные частицы, летящие от Солнца, – пока не выяснено. А некоторые бактерии могут даже служить сенсором для определения качества приготовленной пищи, т. к. могут в ней менять акустический спектр в диапазоне 100 кгц – 15 мгц.
Как показано ранее, чувствительность бактерии – это результат воздействия на ее «органы чувств» различных сигналов. Они отражают как внутренние процессы в организме, так и влияние на него внешней среды. И циркуляция этих информационных сигналов внутри бактериального организма представляет собой весьма сложную систему со многими связями. Чтобы правильно реагировать на сигналы из окружающей среды, клетка бактерии должна решить несколько задач:
• обработать полученную информацию;
• выключить системы реагирования после исчезновения сигналов и т. д.
науке непостижимый по сложности «мозговой» центр и аналог нервной системы, как у многоклеточных животных. Рассмотрим это подробнее.
Поскольку у бактерии «в одном лице» представлены и клетка и организм в целом, то, восприняв раздражение, они, каждый по-своему, автоматически реагируют на него. Клетка переходит в состояние возбуждения – к активной физиологической деятельности, выражающейся, например, в возникновении биоэлектрического потенциала, способного к распространению, а организм – к активному движению.
Одни бактерии способны к скользящему передвижению за счет специально существующей слизистой капсулы на поверхности клетки. Другие же имеют особые органы движения – жгутики (от 1 до 50). Они берут свое начало под цитоплазматической мембраной, закрепляясь там с помощью пары дисков. Вращая эти жгутики бактерия сможет достаточно активно передвигаться, причем направление их вращения периодически меняется. При вращении жгутиков в одну сторону, бактерия кувыркается на месте, а при обратном вращении плывет по прямой линии. В однородной среде бактерия передвигается в случайном направлении, которое меняется после каждого периода кувыркания. Если же она встречается с повышенной концентрацией какого-то привлекательного для нее вещества, то кувыркания происходят реже, а периоды прямого движения удлиняются, что приводит к целенаправленному перемещению в сторону большей концентрации этого вещества. И наоборот, если окажется, что она плывет по направлению к какому-то «отпугивающему» ее веществу, то кувыркания учащаются, что способствует перемене направления.
сверхмалый «мотор» размером до 30 нм (1мм – 30 000 таких моторчиков) может достигать 100 оборотов в секунду! Вращается он как вперед, так и назад, давая возможность бактерии осуществлять четко направленные движения. Для «строительства» такого «ротационного двигателя» должны быть закодированы тысячи специфических внутриорганизационных структур. Жгутики – это совершенно уникальное образование, которое больше не встречается ни у кого в природе!
«Память» бактерий. Механизм движения бактерий, казалось бы, простой, но даже в нем есть тонкости, которых трудно ожидать от бактерии. Например, кувыркание зависит не от абсолютной концентрации какого-то вещества, а от ее изменения. Хотя градиент концентрации – явление пространственное, бактерия воспринимает его во времени, по мере того, как плывет. Она замечает, что концентрация становится выше или ниже, чем была перед этим. Иными словами, у бактерии есть что-то вроде памяти. Поэтому можно заменить пространственный градиент временным. Если взять аминокислоту и добавить фермент, разрушающий ее с подходящей скоростью, то концентрация аминокислоты будет снижаться. Бактерии отвечают на это увеличением частоты кувыркания и меняют направление движения так, как будто они плывут вдоль градиента в зону с более низкой концентрацией.
Продолжая эксперименты по воздействию на бактерии различных полезных или вредных для их жизнедеятельности, веществ, ученые выяснили, что бактерии обладают не только кратковременной, но и долговременной памятью. Они помнят, где именно находили пищу. Столкнувшись с неизвестным объектом, они используют ту или иную стратегию обращения с ним, а в следующий раз действуют по памяти. И это одноклеточная бактерия! Ведь мы с вами, решая, наступать нам или отступать, двигаться вперед или назад, задействуем сотни и даже тысячи клеток мозга! Так существует или нет примитивные живые существа? Ученым пока не удалось обнаружить ни одного.
Бактерия не «биочип», а индивидуальность. Некоторые ученые считают, что бактерия – это своеобразный, подвижный самоуправляемый модуль, «биочип», размером менее 10 мкм, который объединяет в одном «корпусе» сенсор, логическое и исполнительное устройство, а также системы подвижности. Однако сейчас достоверно известно, что бактерии обладают не только памятью, но для них характерны и проявления индивидуальности! Кто же такой индивид? Это отдельный организм, элементарная единица жизни, имеющая все признаки, свойственные виду, к которому она принадлежит. И вместе с тем, индивид имеет свои особенности, отличающие его от других таких же организмов этого вида. Это характерно и для бактерий.
что отдельные бактерии обладают совершенно уникальными поведенческими возможностями. И это несмотря на одинаковость генетической структуры и окружающей среды в процессе экспериментов!
которая сохраняется до его смерти. Бактерии, как ясно из вышеизложенного, не нарушают закон индивидуальности.
Бактерии умеют «принимать решения». Поскольку характерной чертой живых существ, способных к самостоятельной жизнедеятельности является постоянное принятие решений и целесообразное реагирование на изменения микро– и макроокружения, то особая важность в этих процессах принадлежит информационной составляющей жизненных процессов. И, как было показано выше, любые, даже мельчайшие одноклеточные организмы, включая бактерию, способны оценивать и сортировать информацию по ее значимости для сохранения своей жизнеспособности.
Исследователями установлено, что когда бактерии получают информацию о местонахождении «вкусной» еды, они не только активно перемещаются в ее направлении, но даже способны «принимать решение». Убедившись, что экспериментальные особи знают, где находится эта пища, ученые поместили на пути следования преграду в виде слабого раствора дезинфицирующего средства. Бактерии сумели с помощью своего «мозгового» центра оценить информацию о местонахождении полезных и вредных веществ на их пути. Очень довольно быстро нашли путь в обход ядовитой преграды и направились к пищевому источнику. Эти результаты исследований ошеломили ученых.
|
