Цианобактерии предвидят холодную погоду и укрепляют свои мембраны от замерзанияЦианобактерии предвидят холодную погоду и укрепляют свои мембраны от замерзания
С приближением зимы медведи нагуливают жир перед спячкой, а деревья сбрасывают листья.
А недавно биологи доказали, что по крайней мере один вид бактерий по-своему готовится к холодам - это первая подобная сезонная реакция, известная среди микроорганизмов. Когда дни становятся короче и температура падает, цианобактерии, которые повсеместно распространены на суше и в воде, делают свои мембраны более эластичными, чтобы обеспечить бесперебойную работу клеточных механизмов, сообщили на днях исследователи в журнале Science.
«Можно было бы подумать, что [такое сложное поведение] ограничивается многоклеточной жизнью», - говорит Майкл Руст, биофизик из Чикагского университета, не принимавший участия в работе, но «это происходит и в [одноклеточных организмах]. Это говорит о том, что данная способность является очень фундаментальным свойством».
Раньше биологи считали, что бактерии - не самые лучшие хронометристы. Новое поколение одноклеточных организмов начинается каждые шесть или около того часов, поэтому отслеживание 24-часовых циклов, как это делают многие животные с циркадными ритмами, считалось не под силу бактериям. Затем в 1990-х годах Карл Джонсон показал, что один из видов цианобактерий (когда-то их называли сине-зелеными водорослями, поскольку они, как и водоросли, получают энергию из солнечного света) следует суточному ритму. Несколько лет спустя Джонсон и его коллеги определили гены, отвечающие за чувство времени у цианобактерий. Оказалось, что и другие микробы делают то же самое. Но Джонсон, ныне хронобиолог в Университете Вандербильта, скептически отнесся к идее своей новой аспирантки Марии Джаббур, которая предположила, что микробы могут расширить свое ощущение суточных часов, чтобы отслеживать времена года.
Холод может посеять хаос внутри клетки. Это происходит потому, что при низких температурах жиры в их мембранах застывают, затрудняя передвижение молекул. Джаббур знала, что когда клетки всех организмов охлаждаются, биохимия их мембран меняется, делая их менее вязкими за счет увеличения доли ненасыщенных жиров, что позволяет молекулам продолжать движение. Представьте себе оливковое масло с высокой концентрацией ненасыщенных жиров, которое остается жидким в холодильнике. Джаббур задалась вопросом, могут ли цианобактерии заранее изменить биохимию своей мембраны, чтобы избежать замерзания. Чтобы выяснить это, она сначала поместила пробирки с бактериями в ведро со льдом на различные промежутки времени, чтобы узнать, как долго они смогут выдерживать низкие температуры. Затем она искусственно укоротила дни для поколений цианобактерий, ограничив их освещенность, и обнаружила, что в ответ они действительно укрепили свои мембраны, даже если не были погружены в ледяную ванну. По ее словам, короткие дни «в итоге дали большой эффект».
Но когда она отключила гены, отвечающие за внутренние часы бактерии, те перестали изменять свои мембраны в ответ на сокращение дней. Это показало, что ежедневный хронометраж был важен для способности бактерии предвидеть сезонные изменения - способность, которую ученые называют фотопериодизмом. Похоже, эти организмы «предсказывают времена года и предвидят понижение температуры», - отмечает Э. Дж. Брейкинк, биохимик из Утрехтского университета, который не принимал участия в работе. Джонсон добавляет, что считалось, что фотопериодизм развился гораздо позже, у многоклеточных организмов, и никогда не наблюдался у бактерий.
Джаббур также обнаружила значительные различия в том, какие гены были активны при разной длине дня. Гены, помогающие метаболизму, активизировались при коротком дне, возможно, чтобы противостоять замедленному метаболизму, который обычно сопровождается меньшим количеством света и более низкими температурами в зимний период. Более длинные дни активизировали гены, участвующие в защите микробов от повреждений, наносимых солнцем, что свидетельствует о том, что организм также реагирует на повышенное воздействие солнечного света.
«Это похоже на то, как если бы в зависимости от длины дня использовались разные [генетические] программы».
Джаббур тестирует другие бактерии на предмет фотопериодического поведения. Ее особенно интересует, могут ли организмы, ответственные за цветение водорослей, предугадывать время года, поскольку такое понимание может помочь ученым лучше предсказывать, когда может произойти цветение. Брейкинк предупреждает, что естественная среда обитания бактерий значительно отличается от лабораторной. Но Марта Мерроу, хронобиолог из Мюнхенского университета, изучающая хронометраж у почвенных бактерий, считает, что сезонная готовность микроорганизмов может быть более распространенной.
«Я думаю, что любой организм, который успешно живет в среде с [зимой и летом], скорее всего, будет использовать эту информацию, чтобы предвидеть сезонные изменения и реагировать на них». Она добавляет, что планирует проверить, могут ли почвенные бактерии в ее лаборатории также предвидеть сезоны. «Полученные результаты заставляют нас искать [новые] адаптации, - соглашается Стефан Мишель, хронобиолог из Медицинского центра Лейденского университета, не принимавший участия в работе, - а также по-новому взглянуть на то, какие организмы обладают фотопериодическими адаптациями.
По его словам, это исследование показывает, «что можно сделать с помощью ведра льда, если отважиться задать правильный вопрос».
