Личинки многих морских существ дрейфуют в планктоне, затем оседают на морское дно и превращаются во взрослых особей. Бактерии часто помогают животным выбрать место для поселения - и это, возможно, лишь фрагмент гораздо более обширного общения.
Жаль бедного трубчатого червя, жизнь которого сопряжена с риском. Как и многие морские беспозвоночные, червь проводит свои первые дни в виде крошечной личинки, дрейфующей в планктоне, но рано или поздно он должен выбрать место, где обосноваться. Прикрепившись к твердой поверхности, червь начинает свой метаморфоз, после которого он выходит на свет в великолепной взрослой форме. Вторых шансов не бывает: Червь, выбравший неудачное место, не может повторить попытку. Столкнувшись с таким судьбоносным решением - самым важным в своей жизни, - личинка нуждается в любой помощи, которую она может получить. Часто эта помощь приходит из другого царства жизни.
Ученые уже несколько десятилетий знают, что личинки некоторых животных, в том числе и трубчатых червей, выбирают места для метаморфоза, отслеживая химические сигналы, выделяемые бактериями. Но они только сейчас начинают понимать, насколько широко может быть распространена эта связь и насколько она сложна - иногда для доставки сигналов к личинкам используются специализированные бактериальные механизмы. Это означает, что связь между животными и бактериями в океанах может быть гораздо богаче и более тесной, чем предполагалось ранее. И это может иметь практическое применение: возможно, когда-нибудь специалисты найдут способы управлять этой коммуникацией, чтобы поощрять особей селиться в одних местах, например, на устричных фермах, и препятствовать им в других, например, на корпусах кораблей.
Неудивительно, что трубчатые черви и другие планктонные личинки полагаются на бактериальные сигналы, помогающие выбрать подходящее место для метаморфоза. В конце концов биопленка бактерий покрывает каждую доступную поверхность океана. Новизна заключается в широте распространения этого явления. "В каждой крупной ветви древа жизни животных есть виды, которые претерпевают метаморфозы в ответ на воздействие бактерий", - говорит Николас Шикума, микробиолог из Государственного университета Сан-Диего, соавтор статьи о том, как бактерии влияют на метаморфоз животных, опубликованной в журнале Annual Review of Microbiology.
Бактериальная индукция метаморфоза широко распространена в животном царстве, встречаясь почти в каждой крупной группе животных.
В некоторых случаях личинки, похоже, просто подслушивают химические сигналы, которые просачиваются, когда бактерии конкурируют друг с другом или занимаются своими делами. Однако в других случаях исследователи подозревают, что личинки являются основной, "целевой" аудиторией для сигнала. В одном замечательном случае, как выяснила группа Шикумы, бактерия биопленки под названием Pseudoalteromonas luteoviolacea производит молекулярные шприцы, которые активно впрыскивают белок, запускающий метаморфоз, в личинки трубчатого червя Hydroides elegans.
Многие бактерии имеют шприцеподобный механизм впрыска, но впервые показано, что он играет роль в метаморфозе животных. Чаще всего он используется для доставки токсинов. Некоторые бактерии, например, Vibrio cholerae, используют токсины для уничтожения клеток своего хозяина. Другие используют их для межмикробной войны. Шприцы эволюционно связаны с белками в хвостах бактериофагов, которые используют их для введения своего генетического материала в бактерии-хозяева - и в какой-то момент в далеком прошлом бактерии должны были получить эти гены и использовать их в своих целях. Большинство бактерий используют свои шприцы поодиночке, как это делают фаги. Но Pseudoalteromonas разительно отличается от них. Вместо одного шприца она производит структуру, состоящую из нескольких сотен. Бактериальная клетка строит структуру в компактной, сложенной конфигурации, как складное кресло.
Затем клетка лопается, и аккуратная упаковка разворачивается, превращаясь в полусферическую массу - "звезду смерти",
как любит называть ее Шикума. (Только около 2,4 % клеток Pseudoalteromonas в биопленке создают "звезду смерти", предположительно для коллективного благополучия колонии).
Каждая шприцевая трубка внутри этой звезды смерти содержит белок Mif1, который вызывает метаморфоз у личинок Hydroides. Скорее всего, белок связывается с мишенью внутри личиночной клетки, поскольку внеклеточный Mif1 не оказывает никакого эффекта. В лаборатории Шикумы ищут, выполняет ли Mif1 другие функции, например, атакует другие бактерии, но пока не нашли, говорит он, и эта неудача, а также сложная система доставки заставляют его думать, что Hydroides может быть предполагаемой целью звезды смерти. По словам Шикумы, если бактерия идет на такие хлопоты, чтобы помочь Hydroides заселиться, это говорит о том, что она получает что-то взамен. Он еще не определил, что это за выгода, но предполагает, что, заманивая Hydroides поселиться, Pseudoalteromonas тем самым убеждается, что ее биопленка будет первой в очереди на колонизацию новых поверхностей - новой среды обитания - которую обеспечит растущее тело трубчатого червя.
Если он прав, или если бактерии получают какую-то другую выгоду от червей, это может изменить представления о балансе сил в поселении личинок. "Мы считали, что животное является главным, а бактерии просто служат пассивным сигналом из окружающей среды", - говорит Шикума. "Но бактерии могут извлекать из взаимодействия больше пользы, чем мы думали".
Модель "звезды смерти", созданной бактерией Pseudoalteromonas luteoviolacea. Эта структура представляет собой полусферический массив, содержащий десятки молекулярных шприцов, которые впрыскивают белок в личинки трубчатого червя Hydroides elegans, вызывая метаморфоз. Многие бактерии используют отдельные молекулярные шприцы, часто для защиты, но эта гораздо более сложная система является единственной известной системой, влияющей на метаморфоз животных. (Credit: N.J. Shikuma ET AL/Science 2014)
Некоторые другие исследователи не готовы принять эту идею. "Я лично не думаю, что пока есть все доказательства, чтобы действительно утверждать, что это активное участие", - говорит Брайан Недвед, биолог по личинкам из Гавайского университета, который также работает с Hydroides. Вместо этого Недвед считает более вероятным, что звезда смерти играет какую-то еще не раскрытую роль в защите Pseudoalteromonas от конкурирующих бактерий. Mif1 также не является единственным задействованным фактором. Другие молекулы также могут вызывать метаморфоз Hydroides через различные механизмы, говорит Недвед. Шикума, тем временем, обнаружил те же гены, участвующие в создании звезды смерти, в совершенно не связанных с ними видах бактерий - тех, которые являются частью нормальной микробной флоры в кишечнике человека. "Очень любопытно, что они там есть, и нам интересно выяснить, каково их применение", - говорит он.
ВМС США достаточно заинтересованы, чтобы финансировать его работу, в основном потому, что знание того, почему личинки таких животных, как Hydroides, селятся именно там, где они селятся, может привести к лучшим способам защиты от них корпусов кораблей.
Но ВМС также заинтригованы и другими, более футуристическими возможностями, говорит Шикума, такими как выяснение того, как загрузить звезду смерти терапевтическими препаратами - например, противомикробными препаратами, которые когда-нибудь смогут принимать солдаты для профилактики диареи путешественников.
По словам Сюхелен Иган, микробиолога-эколога из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), изучающей взаимодействие между морскими водорослями и бактериями, в этом есть и более важная идея. Если Шикума прав - что морские личинки не просто подслушивают бактерии, а ведут активный разговор, - то же самое может быть справедливо и для многих других экологических систем. А это может означать, что микробные сообщества гораздо теснее интегрированы с высшими организмами, на которых они живут, и среди которых они обитают, чем это признавалось экологами ранее.
Эти взаимодействия не обязательно должны быть интимными беседами один на один, отмечает Иган. Вместо этого они могут быть больше похожи на коктейльную вечеринку, где самые разные участники взаимодействуют с самыми разными партнерами в рамках свободных, изменчивых ассоциаций. Пока никто не знает, но причудливые отношения между трубчатым червем, который загрязняет корпус судна, и бактериями "звезды смерти" - это хорошее место для начала изучения.
