Большинство свободноживущих микроорганизмов на планете не проявляют особой активности.
Это связано с тем, что жизнь - это стресс, и когда что-то вызывает стресс у микроба - будь то изменение температуры или антибиотики, - многие из них переходят в состояние пониженной метаболической активности и отсутствия роста. В этом состоянии «спячки» микроб ждет пока условия не станут подходящими, чтобы снова активизироваться, будь то через несколько часов или миллионы лет. Хотя микробная спячка проявляется в разных формах (эндоспоры, миксоспоры, персистеры и т.д.), цель у них одна: сидеть тихо, чтобы дожить до лучших времен.
Тем не менее дремлющие микробы играют важнейшую роль в формировании того, как микробные популяции выживают, эволюционируют и реагируют на постоянно меняющуюся окружающую среду, что становится все более актуальным на фоне резкого изменения климата. Исследователи изучают динамику микробного покоя, чтобы лучше понять, что он означает для будущего жизни на Земле, и как мы можем использовать его, чтобы сделать это будущее более светлым. Чтобы использовать преимущества спячки, исследователи должны сначала ответить на обманчиво простой вопрос: что это вообще такое?
Большинство людей имеют общее представление о том, что такое спячка: на ум приходят спящие медведи или семена растений. Эти примеры и бесчисленное множество других, охватывающих древо жизни, соответствуют многим определениям спячки: это обратимое состояние пониженной метаболической активности, при котором организм сохраняет жизнеспособность в менее идеальных условиях окружающей среды. Примечательно, что «когда клетка находится в состоянии покоя, она не может размножаться, то есть делиться и увеличивать численность популяции», - поясняет Эшли Шейд, директор по исследованиям Национального центра научных исследований Франции. «Получается такой любопытный компромисс между защитой и размножением».
У микробов различные фенотипы характеризуются названием «спячка». Тем не менее, суть того, что значит «микробный сон», варьируется в разных областях, поскольку разные ученые применяют эту идею к организмам и вопросам, которые лежат в основе их исследований. В качестве примера Шейд отмечает, что клинические микробиологи часто отождествляют спящий режим с персистерами (клетками, которые выживают под воздействием антибиотиков без генов/мутаций устойчивости к антибиотикам, предположительно за счет перехода в низкоэнергетическое состояние). Однако экологические микробиологи видят спящий режим несколько иначе. "Мы думаем о нем как об очень распространенном состоянии существования микроорганизмов в мире, потому что окружающая среда сурова, а условия сильно отличаются друг от друга", - говорит Шейд. То есть речь идет не столько об отдельном фенотипе, сколько об общей стратегии выживания.
Сложность проблемы «спячки» и достижения консенсуса относительно того, что она означает, заключается в том, что ее трудно измерить. Существует множество способов определить, активна или неактивна клетка и в зависимости от используемого метода измерения выводы могут отличаться в разных исследованиях. Более того, есть лишь несколько случаев, когда можно однозначно сказать: «этот микроб находится в состоянии покоя» (например, бактериальные споры, которые представляют собой жесткие нерепродуктивные структуры, значительно отличающиеся от активной клетки). Для большинства клеток состояние покоя более тонкое и включает в себя такие действия, как уменьшение объема клетки или изменение клеточной мембраны.
Джей Леннон, профессор биологии из Университета Индианы, согласен с этим. «Не существует единственно возможного способа достижения состояния покоя», - отмечает он. Разные микробы (или иные таксоны) будут впадать в состояние покоя по-разному». Ученые могут придумывать для них разные названия, но в конечном итоге это все равно спячка, точно так же, как и то, что жуки, летучие мыши и птицы «летают». По словам Леннона, заблудившись в семантике, можно упустить из виду, что спячка - это широкое биологическое явление, которая независимо эволюционировало в самых разных организмах. Главное - создать рабочее определение, которое бы отражало этот термин, но оставляло пространство для размышлений, чтобы признать нюансы, связанные с каждым организмом. Чем больше ученых смогут это сделать, тем легче будет создать общую концептуальную основу для понимания смысла сложных биологических систем.
По мнению Сергея Мельникова, исследователя из Newcastle University Biosciences, именно это идеологическое столкновение и отталкивание само по себе приводит к новому пониманию. «Наука - это отсутствие консенсуса», - говорит он. «Мы постоянно оспариваем наши предположения». Старые концепции и определения постоянно пересматриваются и уточняются по мере появления новых знаний. Но что не меняется, так это важность участия в дебатах о спящем состоянии. Я думаю, что это очень важно, потому что вопрос «что такое спячка?» связан с вопросом «что такое жизнь?».
Хотя концептуальные и семантические основы понятия «спячка» могут меняться, его значение в микробном мире не вызывает сомнений. "Мы склонны думать о жизни как о форме движения", - говорит Мельников. И все же, как это ни парадоксально, «основная деятельность многих биологических систем заключается в том, чтобы ничего не делать».
По оценкам ученых, 90% бактерий и грибов в почве в определенный момент находятся в состоянии покоя. Концентрация бактериальных эндоспор в одних только морских отложениях позволяет предположить, что они составляют не менее 10% глобальной микробной биосферы (это без учета других существующих режимов микробного покоя, а значит, реальный процент может быть гораздо выше). Другими словами: спячка доминирует. Можно считать, что совокупность спящих микробов в данной среде образует "банк семян", «который представляет собой сумму или резервуар всех спящих особей», - объясняет Леннон. Этот семенной банк сохраняет информацию о популяции, разнообразие и, в конечном счете, продолжительность жизни во враждебной среде».
Из-за снижения метаболических способностей спящие микробы оказывают решающее влияние на функционирование и эволюционную траекторию микробных популяций.
Например, генетические мутации - часто связанные с ошибками копирования ДНК во время деления клеток - являются пищей для естественного отбора. «Однако если у вас есть большой "банк семян" и многие организмы не делятся, то поступление новых мутаций будет уменьшено. Это должно иметь последствия для эволюции», - отмечает Леннон. С другой стороны, когда спящие клетки реанимируются (то есть возобновляют рост и размножение), они вносят свой вклад в генетическую вариативность популяции, что может ускорить темпы адаптивной эволюции.
Дремлющее состояние влияет на микробы и другими способами, в том числе определяя способы их взаимодействия друг с другом. Патогены могут использовать состояние покоя для выживания в организме хозяина, а также в присутствии противомикробных препаратов, что делает лечение инфекций сложной задачей. Более того, подобно семенам растений, пассивно перемещающимся между средами с помощью ветра или в экскрементах животных, состояние покоя может позволить микробам рассеиваться в новых местах. В таких случаях, если микроб возрождается и размножается в новой среде, его популяция может повлиять на форму и функции существующего микробного сообщества, а также на то, как это сообщество взаимодействует с более широкой экосистемой.
То, как микробы (находящиеся в состоянии покоя) влияют на функционирование экосистем, приобретает новое значение, если рассматривать их через призму изменения климата. Микробы являются движущей силой многих фундаментальных биогеохимических процессов, которые поддерживают жизнь на Земле (вспомните углеродный и азотный циклы). При изменении климата меняется и среда в которой живут эти микробы. Понимание того, как микробные сообщества реагируют на повышение температуры и другие стрессовые факторы, связанные с климатом, важно для определения их функционального воздействия. А если учесть, что ученые узнали о повсеместном распространении спячки в микробном мире, то включение спящих микробов в эти оценки крайне важно, особенно для выработки стратегий по смягчению негативных последствий изменения окружающей среды.
«Дело в том, что неактивные микробы или микробы с низкой активностью не вносят большого вклада в функционирование организма, а могут и вовсе не вносить, в зависимости от того, насколько они неактивны в данный момент», - говорит Шейд. «И поэтому при изменении климата или стрессовых воздействиях на окружающую среду можно ожидать, что некоторые процветающие микробы станут неактивными или даже вымрут в ответ на эти стрессовые воздействия, а другие проснутся. Мы действительно не знаем для многих ситуаций, как микробы будут активизироваться или инактивироваться в ответ на стрессовые факторы, связанные с изменением климата, и это напрямую повлияет на функции, которые обеспечивают микробные сообщества в этих средах».
