Бактериальные сообщества создают калейдоскопические узоры в синхронном плавании

Калейдоскопическое разделение: развитие биоконвекционных узоров, образованных двумя флуоресцентно мечеными популяциями бактерий разных видов (одна помечена зелёным, другая — красным), смешанными в равных пропорциях и наблюдаемыми в течение 30 минут после смешивания. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56244-8

Пустынный регион на севере Мексики вдохновил профессора Джоэла Ставанса, физика, изучающего биологические процессы, особенно природные бактериальные сообщества. Его заинтересовала уникальная водная среда в бассейне Куатро-Сьенегас (что означает «четыре болота» на испанском), расположенном в мексиканском штате Коауила. Этот район отличается необычайным разнообразием жизни, включая редкие микробные сообщества, процветающие в экстремальных условиях, похожих на те, что существовали на Земле около 700 миллионов лет назад, в докембрийскую эру.

Ставанс и доктор Ринат Арбель-Горен, старший научный сотрудник его лаборатории в Институте Вейцмана, отправились в экспедицию, чтобы собрать образцы из этого региона. Вернувшись в Израиль с несколькими древними видами, к ним присоединился доктор Оскар Гальярдо-Наварро, микробиолог из Мексики, специализирующийся на этой уникальной среде, приехавший для постдокторских исследований в Институт Вейцмана.

В одном из экспериментов Гальярдо-Наварро с удивлением обнаружил, что, несмотря на статичные условия роста, бактериальные культуры формируют как мутные, так и прозрачные динамические зоны, видимые невооружённым глазом — уникальные узоры, создаваемые каждым видом бактерий. Эти узоры, наблюдаемые в образцах, легли в основу всего исследования.

Как сообщается в недавней публикации в Nature Communications, исследовательская группа Ставанса обнаружила, что разные виды бактерий, плавающие в направлении областей с более высокой концентрацией кислорода, создают уникальные паттерны самоорганизации.

Другими словами, каждый вид формировал свой собственный пространственный узор: одни образовывали шестиугольные структуры, другие — вытянутые или извилистые формы. Эти открытия расширяют наше понимание коллективного движения в природных системах, таких как стаи птиц, косяки рыб и колонии муравьёв, а также могут иметь значение для изучения коллективного поведения людей и даже робототехники.

«Поразительные узоры, которые мы наблюдали, являются результатом процесса, известного как биоконвекция», — объясняет Ставанс. «Будь то в природном озере или лабораторной чашке, бактерии, не способные выжить без кислорода, плывут вверх к поверхности воды, где его концентрация выше.

Поскольку бактерии плотнее воды, гравитация тянет их обратно вниз, как только они достигают поверхности, создавая конвекционные потоки. Это взаимодействие противоположных сил: гравитации, тянущей вниз, и биологической потребности бактерий в кислороде, толкающей их вверх. Более того, движение вверх и вниз усиливает плавание за счёт создаваемых водных потоков, формируя самоподдерживающийся цикл.

Принцип сегрегации

«Поскольку все виды происходили из одной среды и сообщества, мы задались вопросом: что произойдёт, если мы смешаем их вместе в лаборатории?» — говорит Арбель-Горен. «Нас ждал большой сюрприз: они не смешались. Вместо этого они сохранили пространственное разделение внутри культуры.»

Исследователи тщательно смешали различные виды бактерий в разных пропорциях и с изумлением наблюдали, как возникают новые биоконвекционные узоры, формируемые взаимодействием уникальных паттернов, создаваемых каждым видом. Учёные пометили виды разными флуоресцентными цветами и с высокой точностью отследили расположение каждого в захватывающем калейдоскопе, который образовался.

Биоконвекция в сложной суспензии из пяти видов. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56244-8

Исследователи предположили, что это может быть связано с уникальными характеристиками подвижности каждого вида. Когда они проанализировали плавательное поведение разных бактерий, то обнаружили, что у каждого вида своя средняя скорость и частота смены направления. Чем больше разница в характеристиках плавания между двумя видами, тем более выраженной была наблюдаемая пространственная сегрегация.

«Поразительно видеть, как микроскопические различия в движении — порядка двух микрон — приводят к видимым узорам на площадях, в тысячу раз больших», — говорит Ставанс.

Учёные считают, что эта сегрегация развилась как стратегия для минимизации столкновений между бактериями, плавающими вместе, позволяя каждому виду оптимально удовлетворять свои потребности в кислороде в пределах общего ареала. Эти выводы могут быть применимы не только к бактериальным сообществам бассейна Куатро-Сьенегас, но и к микробным экосистемам по всему миру.

Более того, Ставанс отмечает, что результаты могут иметь значение для области, которую физики называют физикой активной материи, изучающей системы, в которых коллективное поведение возникает из самодвижения отдельных компонентов, даже если они не обязательно взаимодействуют друг с другом.

Больше информации: Oscar Gallardo-Navarro et al, Dynamically induced spatial segregation in multispecies bacterial bioconvection, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56244-8

Источник: Weizmann Institute of Science