Бактерии дружно прошли полосу препятствий

Способность живых организмов кооперироваться для преодоления препятствий – давно известна, но от этого не менее удивительна. Новый эксперимент, проведённый американскими исследователями с бактериями группы кишечной палочки, весьма расширил понимание того, на что способны даже столь примитивные организмы, чтобы выжить.

Учёные из Принстонского университета (Princetone University) решили проверить, на что пойдут большие группы бактерий Escherichia coli, если их заставить ни много ни мало, а пройти полосу препятствий. Смышлёные микроорганизмы не подвели исследователей.

Для наблюдения за тем, как будут вести себя бактерии, был сконструирован микроканал шириной 100 микрометров и разделённый на 85 секций длиной 150 мкм каждая. На границах отсеков устанавливались воронки (они видны на рисунке), в 80 случаях направленные в одну сторону и в четырёх – в другую. Таким способом учёные сформировали четыре ловушки, которые должны были сдерживать продвижение E. Coli.

Фрагмент микроканала, где а – 5 мкм, d – 40 мкм, угол 2Ф – 60 градусов. Бактерии, обозначенные зелёным цветом, попадают в ловушку, образованную разнонаправленными воронками (иллюстрация Guillaume Lambert et al./Physical Review Letters).

Проходил опыт следующим образом: американцы помещали в первую камеру определённое число микроорганизмов и следили за тем, сможет ли хоть один из них дойти до финиша, двигаясь в условиях питательной среды Лурия-Бертани (LB).

Как показали результаты, группа из 200 бактерий всё ещё не способна справиться с "полосой препятствий", но если на старте находится хотя бы тысяча E. coli, происходит удивительное: на глазах наблюдателя формируется целых три отдельных отряда мигрантов.

График отражает изменение количества бактерий (цветная шкала) в разных секциях с течением времени. Можно чётко увидеть три крупные группы мигрирующих кишечных палочек, (образуются через 0,5, 2 и 4 часа) (иллюстрация Guillaume Lambert et al./Physical Review Letters).

По мнению авторов, такой резкий скачок можно объяснить тем, что когда бактерии поглощают питательные вещества, они создают обеднённые участки – "пустоши". Если плотность размещения E. coli достаточно высока, то перепады концентрации этих веществ всё увеличиваются, пока не достигают определённой отметки.

Дальше происходит следующее. Поскольку для кишечной палочки свойственен хемотаксис (т.е. они движутся по направлению к питательным веществам), бактерии предполагают, что аттрактанты находятся где-то поблизости – и получают стимул смещаться вперёд.

Двигаясь скопом они и преодолевают препятствия. Что характерно, при отсутствии питательных элементов в среде E. coli с треском проваливали задание.

Раскадровка движения отдельных бактерий, полученная из видеозаписи длиной 7,5 секунд. Красным цветом обозначен вектор движения в сторону "ловушки", кружок – исходное положение конкретной E. coli на момент начала записи (иллюстрация Guillaume Lambert et al./Physical Review Letters).

Принстонские учёные предполагают, что такие эффекты могут наблюдаться и в других, практически более важных биологических системах — например, сообществах мигрирующих раковых клеток. В дальнейшем учёные намерены продолжать опыты и найти "спринтера" — штамм бактерий, которые будут пробегать микроканал быстрее всех остальных.

Следует заметить, что данные эксперимента вполне гармонично вписываются в предложенную почти полвека назад теоретическую модель Келлера-Сегеля. Она, в частности, описывает на примере других экспериментов, формирование и распространение хемотаксических "колец" бактерий.

На довольно примитивном (и единственно возможном для E. coli) уровне, явление, которое наблюдали американские специалисты, хотя его и сложно назвать альтруизмом, явно находится где-то в подножии лестницы взаимовыручки, по возрастающей выглядящей так: сперматозоиды, амёбы, насекомые, крысы, гиены, шимпанзе – и, конечно же мы, люди, которым стоит порой брать пример с наших меньших братьев.