Эволюция жизни: ключ — в поведении бактерий

Электронно-микроскопические изображения многоклеточных магнитотактических бактерий, которые были представлены на обложках журнала ISME Journal за 2022 год. Изображение было создано Шайбле и его коллегами в рамках наград NASA. Автор: Roland Hatzenpichler / Montana State University

В недавнем исследовании ученые получили новое представление о жизни бактерий, которые выживают, группируясь вместе, как если бы они были многоклеточным организмом. Организмы в исследовании являются единственными бактериями, которые, как известно, делают это таким образом, и их изучение может помочь астробиологам объяснить важные этапы эволюции жизни на Земле.

Организмы в исследовании известны как многоклеточные магнитотактические бактерии (ММБ). Будучи магнитотактическими, ММБ являются частью избранной группы бактерий, которые ориентируют свое движение на основе магнитного поля Земли, используя крошечные «стрелки компаса» в своих клетках. Как будто этого было недостаточно, ММБ также живут, сгруппированные в скопления клеток, которые, по мнению некоторых ученых, демонстрируют «облигатную» многоклеточность, черту, на которой сосредоточено новое исследование.

В биологии облигатный означает, что организму требуется что-то для выживания. В этом случае это означает, что отдельные клетки ММБ не могут выживать сами по себе. Вместо этого клетки живут как консорциум из множества клеток, которые ведут себя во многих отношениях как один многоклеточный организм. Это требование жить вместе означает, что когда ММБ размножаются, они делают это путем репликации всех клеток в консорциуме одновременно, удваивая общее количество клеток. Затем эта большая группа клеток разделяется на два идентичных консорциума.

Электронно-микроскопическое изображение и рисунок консорциума ММБ, подчеркивающие его характерные особенности, включающие полое пространство в центре клеточного консорциума. Автор: PLOS Biology (2024). DOI: 10.1371/journal.pbio.3002638

MMB — единственный пример бактерий, которые, как известно, живут таким образом. Многие другие бактерии скапливаются вместе как простые агрегаты отдельных клеток. Например, цианобактерии скапливаются вместе в колонии и образуют структуры, подобные строматолитам или биопленкам, которые видны невооруженным глазом. Однако, в отличие от MMB, эти цианобактерии могут также выживать как отдельные, индивидуальные клетки.

В новом исследовании ученые выявили еще большую сложность в отношениях между клетками ММБ. Во-первых, вопреки давним предположениям, отдельные клетки в консорциумах ММБ генетически не идентичны, они немного отличаются по своей генетической схеме. Кроме того, клетки в консорциуме демонстрируют различное и взаимодополняющее поведение с точки зрения метаболизма.

Предполагаемый жизненный цикл многоклеточных магнитотактических бактерий (ММБ). Автор: George Schaible

Каждая клетка в консорциуме ММБ играет роль, которая способствует выживанию всей группы. Такое поведение похоже на то, как ведут себя отдельные клетки в многоклеточных организмах. Например, человеческие тела состоят из десятков триллионов клеток. Эти клетки дифференцируются в определенные типы клеток с различными функциями. Костные клетки — это не то же самое, что клетки крови. Жировые клетки, которые хранят энергию, отличаются от нервных клеток, которые хранят и передают информацию. Каждая клетка играет свою роль, и вместе они составляют единое живое тело.

Больше информации: George A. Schaible et al, Multicellular magnetotactic bacteria are genetically heterogeneous consortia with metabolically differentiated cells, PLOS Biology (2024). DOI: 10.1371/journal.pbio.3002638

Источник: NASA