Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4

Журнал «Домашняя лаборатория»

— детекция градиентов концентрации

— невозможность сохранять постоянное направление движения

Решение:

— детекция осуществляется в начале и конце трека прямолинейного движения (протяженность трека 30-100 мкм)

— направление движения периодически изменяется случайным образом.

Регулируется продолжительность прямолинейного движения.

Ниже представлена схема движения бактерии. Когда мотор работает в одну сторону, все жгутики у бактерии складываются и крутятся вместе, и бактерия движется прямолинейно. В конце пробега бактерия останавливается, мотор переключается и начинает работать в другую сторону. Жгутики растопыриваются и «бултыхаются» независимо друг от друга. Бактерия при этом переориентируется в пространстве случайным образом.

Этот процесс называется тамблинг (от англ. tumble — кувыркаться). После этого, мотор опять переключается и начинает работать в ту сторону, в которую жгутики работают вместе, и возникает следующий отрезок прямолинейного движения.

Параметры движения бактерии таковы: скорость перемещения во время пробега — 20–80 мкм/с (E.coli — 30 мкм/с) (для сравнения: аналогичная скорость для человека относительно длины тела — 100 км/ч). Время пробега обычно 1–3 секунды, переключение направления вращения мотора — 0.01 сек, тамблинг занимает 0.1 сек, время передачи сигнала от рецептора к мотору составляет 0.2 сек.

Если есть градиент концентрации аттрактанта, то движение бактерии выглядит следующим образом. Бактерия начинает движение, затем останавливается и переориентируется. При этом замеряется концентрация аттрактанта путем детекции изменения уровня метилирования метилакцептирующих белков. Если концентрация аттрактанта в конечной точке меньше, чем в начальной точке трека, то следующий раунд движения мотора будет дольше (и, соответственно, пробег длиннее). Если концентрация увеличилась, то следующий пробег будет меньше (зачем же бактерии убегать из хорошего места). Понятно, что, двигаясь подобным образом, она попадет туда, куда ей надо. В изотропной среде изменение направления движения бактерий остается случайным, а длина треков приблизительно постоянно (имеет случайные отклонения от среднего).

На рисунке ниже представлен график, иллюстрирующий поведение бактерии, при добавлении аттрактанта (чем хуже бактерии, тем длиннее ее пробеги).

Ниже представлено реальное стереоизображение трека движения кишечной палочки. Фотографии делали в течение 30 секунд. Количество точек — это количество фотографий кишечной палочки. Если вы умеете смотреть стереофотографии, то можно увидеть след движения в трехмерном пространстве.

В критических ситуациях, при падении ДрН (или концентрации АТФ в клетке) ниже критической величины (то есть когда энергозапасов уже не достаточно для того, чтобы вести обычный образ жизни) тамблинг прекращается, и бактерия совершает смертельный рывок — плывет прямолинейно в случайном направлении до тех пор, пока запасы энергии не будут исчерпаны. Иногда ей везет, и она успевает за счет этого рывка из последних сил выбраться из плохого места. Но если она не находит лучшее место для жизни, то она умирает.

Некоторые бактерии в критических ситуациях способны спорулировать (кишечная палочка к этому неспособна). Споры некоторых бактерий настолько живучи, что переживают кипение. Поэтому, когда микробиологи готовят среду для каких-то важных экспериментов, то они эту среду кипятят, затем дают постоять в тепле несколько дней, чтобы споры проросли, а затем опять кипятят (дробная стерилизация).

Таким образом, поведение бактерий мы можем назвать стратегией ненаправленного (случайного) поиска оптимальных условий. То есть, не имея в силу своих маленьких размеров возможности ориентироваться в пространстве, бактерия все равно оказывается там, где ей нужно. Можно сказать, что бактерия не воспринимает пространство, то есть ее пространство нульмерное, и жизнь ее течет только во времени.

Вывод: ПОВЕДЕНИЕ БАКТЕРИИ — СТРАТЕГИЯ НЕНАПРАВЛЕННОГО (случайного) ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ.

Дополнительный материал. Ориентация в пространстве одноклеточных и многоклеточных эукариот

Остановимся на способах ориентации

в пространстве других существ. Размер эукариотической клетки порядка 30-200 мкм. Как было посчитано выше, размеры клетки достаточны для рецептирования градиентов концентраций. У одноклеточной эвглены есть хлоропласты и она способна к фотосинтезу. Для того, чтобы она могла оказаться в месте, где возможно заняться фотосинтезом, у нее есть светочувствительный глазок и стигма (это — скопление пигмента). Сама клетка прозрачная, а стигма — нет. Во время движения эвглена все время вращается, при этом стигма периодически затемняет фоточувствительный элемент. Причем частота этого затемнения зависит от того, движется эвглена по направлению к свету прямолинейно или под углом. От фоторецептора сигнал поступает на жгутик, который переориентирует эвглену таким образом, чтобы она двигалась к свету. У эвглены, как и у инфузории, есть хеморецепция. О хеморецепции поговорим на примере инфузории. Когда инфузория движется, она «машет» своими ресничками, которые покрывают тело инфузории, причем движение клетки происходит по спирали. При этом она воспринимает из среды химические сигналы либо вибрацию той частоты, которую издает объект ее питания. Вращаясь, инфузория сканирует пространство, и если там обнаруживается сигнал, то размах вращений сужается, инфузория переориентируется таким образом, чтобы сигнал поступал на передний конец тела, и плывет дальше к жертве, удерживая этот сигнал. Таким образом, у эвглены и инфузории мир одномерный.

Последний пример ориентировки в пространстве — это плоский червь планария. Он уже вполне макроскопических размеров. Живет этот червь на дне, и там есть все, что ему необходимо для жизни. Он способен воспринимать вибрацию и химические сигналы. Для ориентировки он поднимает передний конец тела, ориентируется в пространстве так, чтобы интенсивность сигнала на рецепторах, разнесенных на разные стороны головы, была одинакова, поворачивается в нужном направлении и ползет.

Ученые проводили следующий эксперимент. Они подвесили кусочек мяса на некотором расстоянии от дна. Червь ориентировался, полз в нужном направлении, проползал под кусочком мяса, останавливался, опять ориентировался, полз обратно, и ползал так очень долго, если только случайно при ориентировке не задевал кусочек мяса головой. Мир этой планарии двухмерен, то есть третье измерение она не воспринимает, так как оно ей не нужно.

СТРУКТУРА ГЕНОМА ПРОКАРИОТ

Все, что бактерия умеет делать кодируется ее генетическим аппаратом. То есть восприятие сигналов из внешней среды зависит от того, какие рецепторы находятся на мембране клетки, а рецепторы кодируются бактериальной ДНК. На примере кишечной палочки рассмотрим, как устроен геном бактерии. Геном — это совокупность всей наследственной информации. У кишечной палочки двухцепочечная ДНК замкнута в кольцо. Это кольцевая молекула состоит из 4,6 млн. пар нуклеотидов, что соответствует молекулярной массе 3х10⁶ Да. Длина молекулы составляет порядка 1.5 мм. Время репликации этой молекулы 20 мин. Есть бактерии, которые размножаются медленнее, чем кишечная палочка.

Структура бактериальной ДНК как кольцевой была предложена в 1956 году Жакобом и Вольманом. Это было революционное предположение, так как до этого считалась, что ДНК линейная. Но революция во взглядах произошла еще раз, когда выяснилось, что геном бактерии может быть представлен как кольцевой, так и линейной молекулой ДНК. Кроме основной молекулы ДНК у нее могут встречаться (а могут и отсутствовать) плазмиды — небольшие (3–5 тысяч нуклеотидов) кольцевые или линейные ДНК, часто несущие гены устойчивости к антибиотикам и другие необязательные системы. Именно из-за наличия плазмид (а они способны передаваться горизонтально от клетки к клетке, даже между бактериями разных видов), распространение устойчивости к антибиотикам происходит очень быстро между всеми бактериями, живущими в одном месте.