» » Внутригрупповое сотрудничество помогает бактериальным популяциям противостоять конкурентам

Внутригрупповое сотрудничество помогает бактериальным популяциям противостоять конкурентам


Внутригрупповое сотрудничество помогает бактериальным популяциям противостоять конкурентам

Внутригрупповое сотрудничество помогает бактериальным популяциям противостоять конкурентам

Рис. 1. Схема взаимоотношений между бактериями, производящими антибиотик (P, Producing, красные кружки), не производящими антибиотик, но защищенными от него (R, Resistant, зеленые кружки) и чувствительными к антибиотику (S, Sensitive, синие кружки). A — взаимоотношения «камень-ножницы-бумага»: P убивают S, S вытесняют R (потому что не тратят ресурсы на производство средств защиты), R вытесняют P, потому что не тратят ресурсы на производство антибиотика. B — в смешанной популяции, изначально содержащей все три разновидности, в итоге останется только одна, потому что сначала бактерии P отравят всех S, а потом будут вытеснены штаммом R. C — в пространственно-структурированных местообитаниях может наблюдаться циклическая динамика: штаммы будут вытеснять друг друга попеременно. D — внутригрупповая кооперация помогает поддерживать разнообразие (ситуация, рассмотренная в обсуждаемой статье): две популяции, каждая из которых производит свой антибиотик и состоит из штаммов P и R, устойчиво сосуществуют и не могут вытеснить друг друга, потому что обладают защитой только от своего, но не от чужого антибиотика. Остается только понять, что мешает штаммам R вытеснить P внутри каждой популяции. Изображение из синопсиса к обсуждаемой статье в Science


Американские микробиологи расшифровали сложную систему взаимоотношений между 185 генетическими линиями (штаммами) морских бактерий Vibrio, которые подразделяются на 9 «экологических популяций», связанных генетическим родством и схожими экологическими предпочтениями. Оказалось, что 44% штаммов выделяют антибиотики, угнетающие рост одного или нескольких других штаммов. В большинстве случаев антибиотики действуют только на представителей чужих популяций и безвредны для «своих», то есть межгрупповой антагонизм преобладает над внутригрупповым. Это позволяет говорить о своеобразной внутригрупповой кооперации, которая защищает бактериальные сообщества от экспансии чужаков.

Многие микроорганизмы ведут друг с другом химическую войну, выделяя антибиотики, угнетающие рост микробов-конкурентов. При этом между микробами складываются сложные системы антагонистических отношений. Например, часто встречается ситуация, напоминающая детскую игру «камень-ножницы-бумага» (см. рис. 1). В эту игру любят играть бактерии, производящие антибиотик (P), с теми, кто антибиотика не производит, но имеет средства защиты от него (R), и теми, кто не имеет средств защиты (S). Как производство антибиотика, так и синтез защитных средств имеет свою цену: бактериям приходится тратить ресурсы на производство соответствующих веществ. Поэтому ни один из трех вариантов не может получить решающего преимущества. Бактерии P убивают своим антибиотиком бактерий S, однако их самих побеждают в конкуренции бактерии R, которые не расходуют ресурсы на производство антибиотика и потому размножаются быстрее, чем P. Когда P будут вытеснены и в популяции останутся только R, сообщество окажется беззащитным перед экспансией S, которые не тратят ресурсы на производство противоядий и потому размножаются быстрее, чем R. Но когда R будут вытеснены и в сообществе начнут доминировать S, туда снова cмогут внедриться P. Они отравят всех S, но торжествовать будут лишь до тех пор, пока не начнется вторжение R... и так до бесконечности.

Наши знания о войнах в микромире пока основываются в первую очередь на теоретических моделях и экспериментах с лабораторными культурами. О том, как обстоит дело в природе, известно немного. Американские микробиологи из Массачусетского технологического института (MIT), изучающие природные популяции морских планктонных бактерий рода Vibrio, пытаются восполнить этот пробел. Об одном из их исследований «Элементы» уже рассказывали (см. В эволюции бактерий горизонтальный генетический обмен играет ту же роль, что и половое размножение у высших организмов, «Элементы», 09.04.2012). В новой статье, опубликованной в недавнем выпуске журнала Science, ученые описали систему взаимоотношений между 185 генетическими линиями вибрионов. Эти линии подразделяются на девять групп, связанных генетическим родством и схожими экологическими предпочтениями. Группам формально присвоены видовые названия (Vibrio ordalii, Vibrio breoganii и т. д.), однако авторы предпочитают не называть их видами (слишком уж всем биологам надоела полемика о сущности и критериях вида) и пользуются более безопасным термином «популяция».

Для каждой из девяти популяций характерен свой набор предпочитаемых субстратов. Это могут быть, например, плавающие в воде частицы взвеси разного размера, поверхность тела мелких планктонных животных или одноклеточные водоросли. Впрочем, между группами нет экологической изоляции: представители разных популяций сплошь и рядом встречаются вместе, на одном и том же субстрате, просто где-то преобладают одни, где-то другие.

Авторы выращивали представителей 185 подопытных линий в искусственной среде попарно, чтобы выявить антагонистические взаимодействия, то есть случаи, когда одна линия подавляет рост другой. Всего было проверено около 35 000 парных комбинаций. Антагонистические взаимодействия были зарегистрированы в 830 случаях. Выяснилось, что 44% изученных линий выделяют антибиотики, подавляющие рост хотя бы одной другой линии. Большинство (86%) линий чувствительно хотя бы к одному из антибиотиков. Около 5% линий оказались «сверхубийцами» (super-killer strains): их антибиотики губительны более чем для 25% изученных линий. При этом в каждой из девяти популяций производством антибиотиков занимаются не все, а лишь часть линий.


Внутригрупповое сотрудничество помогает бактериальным популяциям противостоять конкурентам

Рис. 2. Генеалогическое дерево 185 изученных штаммов морских вибрионов и структура антагонистических взаимодействий между ними. Дерево основано на сравнении нуклеотидных последовательностей шести генов. Кружки с цифрами соответствуют последним общим предкам девяти популяций: 1 — V. ordalii, 2 — V. fischeri, 3 — V. breoganii, 4V. alginolyticus, 5V. sp. F12, 6V. crassostreae, 7V. cyclotrophicus, 8V. tasmaniensis, 9V. splendidus. Стрелками показаны антагонистические взаимодействия: зелеными — межгрупповые, коричневыми — внутригрупповые. Видно, что межгрупповой антагонизм преобладает над внутригрупповым. Снаружи от круга голубыми прямоугольниками отмечены штаммы, чей рост подавляется хотя бы одним другим штаммом (то есть чувствительные хотя бы к одному антибиотику), черными — штаммы, подавляющие рост хотя бы одного другого штамма, красными — «сверхубийцы». Изображение из обсуждаемой статьи в Science


Анализ сети антагонистических взаимодействий (рис. 2) показал, что межгрупповой антагонизм резко преобладает над внутригрупповым. В большинстве случаев бактерии защищены от антибиотиков, производимых другими представителями той же популяции, но часто оказываются беззащитны перед «чужими» антибиотиками.

Химическая природа антибиотиков пока неизвестна, но авторы сумели показать при помощи специальных мембран, не пропускающих белки, но пропускающих небольшие молекулы, что 96% антагонистических взаимодействий обусловлены малыми молекулами, а не белками.

У одного из штаммов «сверхубийц» удалось выявить группу генов, ответственную за синтез антибиотика. Повреждение этих генов лишает штамм способности убивать других бактерий. Как выяснилось, этот генный комплекс представляет собой мобильный генетический элемент, который, по-видимому, часто передается от одних бактерий другим в ходе горизонтального генетического обмена. У тех представителей популяции, которые не производят антибиотик, этот комплекс генов отсутствует. Гены, ответственные за устойчивость к данному антибиотику, не входят в состав генного комплекса и расположены в другом участке хромосомы.

На этом факты кончаются и начинаются интерпретации. По мнению авторов, результаты показывают, что природные популяции вибрионов имеют внутреннюю структуру, основанную на кооперации. Это помогает микробным популяциям противостоять конкурентам. Кооперация заключается в том, что некоторые микробы (P) производят антибиотик, который защищает популяцию от вторжения чужаков. Другие микробы (R) устойчивы к этому антибиотику, но сами его не производят. Таким образом, выгоду от антибиотика получают все члены сообщества, но не все несут бремя расходов на его производство. «Кооперация» получается какая-то односторонняя: пока одни тратят свои ресурсы на производство общественно-полезного продукта, другие живут на готовеньком. При желании, конечно, можно назвать такие взаимоотношения кооперативными, но скорее тут напрашивается аналогия с альтруизмом и нахлебничеством (похожая ситуация описана в заметке Альтруизм у бактерий помогает им противостоять антибиотикам, «Элементы», 07.09.2010).

По мнению авторов, вся совокупность данных свидетельствует о том, что в природе бактерии P и R, относящиеся к одной и той же популяции, могут мирно сосуществовать длительное время, не вытесняя друг друга. Если бы генетическое разнообразие популяции поддерживалось за счет циклической динамики, показанной на рис. 1C, то есть если бы штаммы попеременно вытесняли друг друга, то локальные микросообщества бактерий имели бы очень низкий уровень генетического разнообразия, чего не наблюдается. Почему же бактерии R («эгоисты») не вытесняют бактерий P («альтруистов»)? Ведь R не тратят ресурсы на производство антибиотика и должны размножаться быстрее. Ответа на этот вопрос пока нет. Будем надеяться, что его дадут дальнейшие исследования. Может быть, в данном случае срабатывает какая-то форма группового отбора, например так называемый «парадокс Симпсона» (см. Альтруисты процветают благодаря статистическому парадоксу, «Элементы», 16.01.2009).

Французский эволюционный эколог Элен Морлон (Helene Morlon) в синопсисе к обсуждаемой статье указала еще на одну интересную возможность, связанную с горизонтальным генетическим обменом. Как показали недавние исследования, морские вибрионы меняются друг с другом генами очень часто. Поэтому с точки зрения мобильного элемента, содержащего гены для синтеза антибиотика, помощь бактериям R, возможно, не так уж бескорыстна. Дело в том, что бактерии R с большой вероятностью могут сами приобрести этот генный комплекс в ходе горизонтального обмена (и превратиться в P): ведь они устойчивы к данному антибиотику, поэтому такое приобретение безопасно для них. Этого нельзя сказать о бактериях из других популяций, для которых данный антибиотик смертелен. Поскольку гены защиты от антибиотика не входят в состав комплекса для его производства, чужак, позаимствовавший этот комплекс, погибнет. Таким образом, помогая бактериям R из «своей» популяции, ген антибиотика помогает не кому попало, а своим будущим потенциальным носителям. Возможно, тем самым он блюдет свои «корыстные интересы». Какое из двух объяснений ближе к истине — геноцентрическое или основанное на групповом отборе — покажет будущее.

Источники:
1) Otto X. Cordero, Hans Wildschutte, Benjamin Kirkup, Sarah Proehl, Lynn Ngo, Fatima Hussain, Frederique Le Roux, Tracy Mincer, Martin F. Polz. Ecological Populations of Bacteria Act as Socially Cohesive Units of Antibiotic Production and Resistance // Science. 2012. V. 337. P. 1228–1231.
2) Helene Morlon. Microbial Cooperative Warfare // Science. 2012. V. 337. P. 1184–1185.

См. также:
1) В эволюции бактерий горизонтальный генетический обмен играет ту же роль, что и половое размножение у высших организмов, «Элементы», 09.04.2012.
2) Альтруизм у бактерий помогает им противостоять антибиотикам, «Элементы», 07.09.2010.

Александр Марков


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Бактерия превращается из симбионта в паразита, обратимо меняя свой геном

Светящаяся бактерия Photorhabdus живет попеременно то в круглых червях, где она выступает в роли полезного сожителя, то в насекомых, для которых она — смертельный патоген. Микробы превращаются из

В долгосрочном эксперименте зафиксировано поэтапное формирование эволюционного новшества

В ходе долгосрочного эволюционного эксперимента на бактериях E. coli в одной из 12 подопытных популяций появился новый полезный признак — способность питаться цитратом в аэробных условиях. Сначала

Мобильная ДНК заставляет бактерии жертвовать собой

Швейцарские ученые на примере бактерий из рода Pseudomonas уточнили механизм передачи крупных мобильных элементов («геномных островков») от клетки к клетке. Фермент интеграза, вырезающий этот кусок

Самые многочисленные фотосинтезирующие организмы на планете постоянно выделяют органику, упакованную в мембранные пузырьки

Некоторые бактерии отпочковывают от своих клеток пузырьки диаметром 70–100 нанометров, окруженные липидной мембраной и содержащие разнообразные органические вещества. Американские биологи обнаружили,

Новые результаты долгосрочного эволюционного эксперимента: приспособленность подопытных бактерий продолжает расти

Долгосрочный эволюционный эксперимент на бактериях, начатый Ричардом Ленски в 1988 году, продолжает приносить интересные результаты. Как выяснилось, по прошествии 50 000 поколений подопытные бактерии

Простая система межклеточной коммуникации обеспечивает разнообразное коллективное поведение

Эксперименты на генетически модифицированных дрожжах показали, что разнообразные формы коллективного поведения клеток могут порождаться простой системой межклеточной коммуникации, основанной на том,
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаNASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?