Колония решила: Бактерии и заключенные

«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