Сезонные изменения отражаются в нашей повседневной жизни - листья меняют цвет, овощи и фрукты на рынке другие, а некоторые предметы одежды перекочевывают в дальний угол шкафа.
Для крупных организмов, таких как человек, а также для других животных и растений, ощущение времени года является неотъемлемой частью жизни, но важно ли или даже необходимо микроорганизмам чувствовать и предвидеть времена года, до недавнего времени было неизвестно. И действительно, недавно ученые обнаружили, что цианобактерии могут предвидеть сезонные изменения, ощущая увеличение и сокращение продолжительности светового дня, или фотопериодов, от лета к зиме. Эти изменения происходят в течение длительных периодов времени, в отличие от суточных колебаний температуры и освещенности, и быстро делящиеся бактериальные клетки могут не пережить весь фотопериод за время своей короткой жизни. Тем не менее, организмам любого размера выгодно чувствовать сезонные изменения в окружающей среде и соответствующим образом адаптироваться.
Для определения фотопериодических изменений необходимы циркадные часы - молекулярный механизм, с помощью которого организмы, от крупных многоклеточных млекопитающих до растений, грибов и бактерий, ведут внутренний отсчет времени. Эти молекулярные часы помогают организму структурировать и синхронизировать огромные сети биологических процессов, включая выработку гормонов, температуру тела и регенерацию клеток у человека в течение 24 часов в сутки. Циркадный ритм способствует адекватной реакции на сигналы окружающей среды, включая изменения света и температуры. Открытие того, как контролируются циркадные ритмы, было настолько значимым, что в 2017 году три пионера в этой области, Джеффри К. Холл, Майкл Росбаш и Майкл В. Янг, были удостоены Нобелевской премии за свою работу.
До конца 1980-х годов считалось, что циркадные ритмы есть только у эукариот, поскольку бактерии считались слишком простыми на молекулярном уровне, чтобы иметь или нуждаться в таком контроле. Однако это мнение было опровергнуто, когда было обнаружено, что цианобактерии - бактерии, способные к фотосинтезу, - обладают внутренними ритмами, которые позволяют им ограничивать определенные биологические процессы конкретным временем суток. Например, на рассвете они активизируют пути фотосинтеза, а в сумерках деактивируют те же пути в пользу дыхательных. Циркадные часы цианобактерий обычно состоят из 3 основных белков - KaiA, KaiB и KaiC. Вместе эти белки образуют циркадный осциллятор, который получает информацию об окружающей среде от сигнальных молекул, чувствительных к внутренним условиям клетки, и регулирует время клеточных процессов, таких как репликация и экспрессия определенных генов.
Хотя почти три десятилетия назад было признано, что бактерии могут поддерживать циркадный ритм, до недавнего времени не было известно, что они могут использовать этот механизм для восприятия сезонных изменений в течение более длительных периодов времени. Чтобы выяснить это, ученые выращивали цианобактерию Synechococcus elongatus PCC 7942 в различных фотопериодах: больше света, чем темноты (длинный день), больше темноты, чем света (короткий день), или равные периоды света и темноты (равноденствие). После выращивания в этих условиях клетки погружали в ледяную ванночку, чтобы оценить уровень их адаптации к холоду. Исследователи обнаружили, что цианобактерии, выросшие в условиях короткого дня, перенесли воздействие холода лучше, чем клетки, выросшие в условиях равноденствия или длинного дня, что говорит о том, что клетки, выросшие в условиях короткого дня, использовали фотопериодическую информацию для адаптации к холодным условиям. Более того, когда исследователи удалили ген kaiABC и повторили эксперимент, клетки были одинаково восприимчивы к холоду, независимо от длины дня, который они пережили до этого. Эти результаты показали, что функциональные циркадные часы и создаваемый ими внутренний ритм необходимы цианобактериям для адекватного восприятия изменений окружающей среды в течение длительных периодов времени.
Однако одного нехарактерно прохладного дня в начале осени обычно недостаточно, чтобы убедить нас в том, что зима не за горами, и цианобактерии тоже не будут обмануты. Ученые также продемонстрировали, что для полного развития реакции адаптации к холоду требуется около четырех коротких дней, что позволяет предположить, что клетки хранят информацию об условиях, в которых они находились накануне. Однако, судя по всему, адаптация также быстро сменяется на противоположную - уже через 24 часа непрерывного освещения клетки короткого дня теряли свою холодоустойчивость и преимущество в выживании перед клетками длинного дня и равноденствия.
Более внимательно изучая клетки короткого дня, ученые обнаружили изменения в составе клеточных мембран. Так, клетки цианобактерий, выращенные в условиях короткого дня, имели в своих клеточных мембранах ненасыщенные липиды, то есть в их липидных цепях появились углерод-углеродные двойные связи. Это важный (известный) механизм холодовой адаптации у бактерий, поскольку он помогает создавать изгибы в липидной цепи и поддерживать клеточные мембраны в текучем состоянии даже при понижении температуры. Кроме того, клетки короткого дня увеличивали производство гликогена, который является основным энергоаккумулирующим соединением, помогающим цианобактериям выжить, когда они не могут осуществлять фотосинтез.
Может показаться странным, что цианобактерии способны чувствовать и реагировать на времена года, в то время как отдельная клетка может прожить недостаточно долго, чтобы ощутить полную сезонную смену. Однако естественный отбор действует не на отдельные бактериальные клетки, а на всю популяцию, и в этом смысле преимущества сезонной адаптации становятся более очевидными. Популяция, способная чувствовать изменения и соответствующим образом адаптироваться, с большей вероятностью выживет в таких условиях, как более низкие температуры, чем популяции, которые не адаптируются, как показали исследователи в своем эксперименте с ледяной ванной.
Исследования продолжают показывать, что бактерии - это не простые организмы. Бактерии обладают многими молекулярными механизмами, которые важны как для прокариот, так и для эукариот, и в этот список теперь входят фотопериодическое чувство и сезонная адаптация. Подобные открытия подчеркивают, насколько древними могут быть эти механизмы, и позволяют предположить, что черты, ранее считавшиеся уникальными для эукариот, могли сформироваться гораздо раньше.
