Исследуя коллективную реакцию бактерий на стрессовое воздействие, ученые раскрыли новые аспекты работы механизма принятия решений нашим собственным мозгом.

Изучение реакции бактериальной колонии на внешний стресс позволило построить математическую модель, описывающую сложное взаимодействие участвующих в ней генов и белков, которые инициируют использование той или иной стратегии выживания. Эта-то модель и позволяет узнать нечто новое не только о бактериях, но и о нас с вами, о поведении людей. Впрочем, начнем с начала.

«Каждому знакомо наше стремление откладывать принятие критически важных решений на самый последний момент. Однако существуют и куда более простые создания, действующие примерно таким же образом и потому способные показать нам наши собственные особенности. И это — бактерии», — поясняет израильский биолог Эшель Бен Якоб (Eshel Ben Jacob), который провел это интересное исследование совместно со своим американским коллегой Хосе Онучикем (José Onuchic).

В естественных условиях бактерии живут многочисленными колониями, каждая из которых по числу отдельных «особей» может в сотни раз превосходить все человеческое население планеты. И колонии эти — не просто набор индивидуальных организмов, но цельное их сообщество, действующее часто по своим, куда более сложным законам. В ответ на внешний стресс — скажем, голод (недостаток питательных веществ), отравление (присутствие токсичных соединений), излучение — многие бактерии реагируют образованием спор, в виде которых и пережидают неблагоприятные условия. Отбросив излишки воды, уменьшившись в объеме и покрывшись плотной белковой оболочкой, спора способна выдерживать огромные механические, температурные и химические воздействия, а при возвращении «хороших времен» возвращаются к нормальной жизнедеятельности. В отличие от растений, споры бактерий — способ не размножения, а выживания, и в этом механизме у, скажем, палочек Bacillus subtilis задействованы более 500 генов, а «окукливание» клетки в спору занимает около 10 часов.

При этом надо помнить, что бактерии внутри своих огромных колоний активно коммуницируют друг с другом посредством сложных химических сигналов и реагируют на сигналы других клеток сложным генным и белковым ответом. Реакция каждой клетки на стресс — скажем, то, будет ли она формировать спору — не индивидуальна, а зависит от «решения» соседей.

При образовании споры копия ДНК бактерии заключается в надежную капсулу, а сама материнская клетка умирает, ее оболочка разрушается, и в окружающую среду выделяется ее ДНК и белки. Кроме того, спорообразование — это не «дорога в один конец», и на многих этапах бактерия может свернуть с нее, перейдя в так называемое «компетентное» состояние. В таком состоянии клеточные стенки и мембрана становятся легко проницаемы для ДНК и белков, поступающих из внешней среды — в том числе и от разрушенных в ходе спорообразования бактерий. Бактерия продолжает выживать за счет других.

Это — еще одна стратегия выживания, состояние, позволяющее переждать трудные времена без образования споры. В сравнении со спорой, она обладает хотя бы тем преимуществом, что позволяет быстро вернуться к нормальной жизни и начать питание и размножение раньше, чем «окуклившиеся» сородичи. С другой стороны, если обстановка продолжит ухудшаться, такая клетка погибнет куда скорей, чем ее соседи, решившие перейти в состояние споры. Словом, имеется классическая дилемма заключенного.

Напомним, что известная по теории игр «дилемма заключенного» состоит в выборе, сотрудничать ли со следствием, стоящем перед парой сообщников. Если да, то сотрудничающий преступник получает скидку и проведет в тюрьме 2 года, а его сообщник загремит на все 6 лет. Если оба «расколются», то получат по 4 года, но если оба предпочтут запирательство, то их придется выпустить (допустим, у следователя недостаточно улик). Казалось бы, надо молчать — но преступник не знает о решении своего напарника, и если он будет молчать, а тот проговорится, то он получит «по полной». В рамках этой задачи оптимальное решение для индивидуума — рассказать все, а для коллектива — молчать.

Впрочем, вернемся к бактериям. «Для каждой клетки в отдельности компетентное состояние представляет рискованную игру, и бактерии переходят к нему лишь в том случае, если большинство клеток колонии уже «решились» на споруляцию, — поясняет Хосе Онучик, — Опыт показывает, что к этой стратегии прибегает около 10% клеток в колонии, но что именно стимулирует именно эти бактерии прибегнуть к этой стратегии выживания, оставалось неясным». И, как показал ученый с коллегами, процесс принятия решения при этом оказывается куда более сложным, нежели обычная дилемма заключенного.

Дело тут хотя бы в том, что участников процесса не двое, а миллиарды, а то и сотни миллиардов, а ограниченное время на принятие решения в неблагоприятных условиях требует поторопиться. «Каждая бактерия стоит перед выбором, — говорит Хосе Онучик, — либо сотрудничать с другими, пойдя по пути споруляции, либо «предать» сообщество и перейти к компетентному состоянию, выживая за счет других, но с определенным риском в итоге все-таки оказаться в глобальном проигрыше. Нам удалось показать, что в каждой клетке действуют «внутренние часы», скорость хода которых меняется в зависимости от уровня стресса, которому она подвергается. Так, при более высокой опасности они ускоряются — прямо как у людей. У нас в ответ на особенно мощный стресс выделяется адреналин, одним из результатов воздействия которого состоит в субъективном «замедлении» времени. Скорость «хода внутренних часов» бактерии зависит не только от степени стрессового воздействия, но и от того, какие сигналы она получает от своих соседей». Бактерии не обманывают друг друга и посылают химические сигналы о своих «намерениях» перейти к образованию споры.

Весь этот сложный процесс взаимодействия бактерий друг с другом и принятия ими «решения» об использовании той или иной стратегии выживания, вовлекающий множество генов и белков, Онучику и Бен Якобу удалось описать математически. И оказалось, что эта математическая модель вполне применима ко многим случаям из нашей собственной жизни, в которой полно подобных дилемм.

К примеру, стоит ли игнорировать потенциальную опасность новой вакцины против потенциально смертельного вируса, или же принять на себя определенный риск — и отказаться от вакцинации? Если подавляющее большинство населения будет вакцинировано, то адекватным выбором для индивидуума будет отказаться от вакцинации. И наоборот, если процент вакцинированных недостаточно высок — лучше рискнуть и сходить к врачу.

Бактерии в популяции, по сути, используют «масс-медиа» в виде химических сигналов, чтобы понять степень и скорость распространенности «вируса» в своей среде и стратегию, которую выбрали другие для реакции на эту новую опасность. «Решение» принимается ей на основе полных и точных данных. Кроме того, чем более критична ситуация, тем больше уходит на формирование решения клетки: она тратит больше времени на «ознакомление» с положением и «оценку» потенциальных рисков того или иного пути. Словом, все как у людей.

На людей похожа и другая особенность бактериальной колонии — обязательное наличие в ней определенного небольшого процента «тунеядцев». Читайте об этом: «Враги сообщества».

По пресс-релизу University of California, San Diego