Несмотря на то, что бактерии живут всего несколько часов перед делением, они способны предвидеть приближение холодной погоды и подготовиться к ней. Это открытие предполагает, что сезонное отслеживание является основополагающим принципом жизни. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Цианобактерии способны связывать ощущение коротких дней, таких как осенние, с наступлением зимы — и готовиться к холодной погоде.
Введение
Каждый год в широтах, достаточно дальних к северу или югу, огромная часть жизни на Земле чувствует приближение зимы. Листья опадают с деревьев, воробьи улетают в тропики, еноты отращивают густую зимнюю шерсть, а мы достаём из шкафов свитера. Теперь учёные показали, что эта способность предвидеть сокращение светового дня и похолодание имеет более фундаментальное значение для жизни, чем кто-либо предполагал: даже короткоживущие одноклеточные организмы могут чувствовать продолжительность светового дня и готовиться к зиме.
Лабораторные эксперименты, результаты которых недавно были опубликованы в журнале Science, показывают, что цианобактерии — тип бактерий, которые получают энергию из солнечного света посредством фотосинтеза — предвидят изменения, объединяясь в группы по-своему. Они активируют набор сезонных генов, включая некоторые, которые регулируют молекулярный состав их клеточных мембран, чтобы повысить свои шансы на выживание.
Авторы исследования были поражены, обнаружив эту способность чувствовать времена года у организма, который в лабораторных условиях живет всего около пяти часов, прежде чем начать делиться. «Казалось совершенно нелепой думать, что бактерии будут обращать внимание на то, что происходит в масштабе, намного превышающем продолжительность их жизни», — сказала Луиза Джаббур, микробиолог-хронобиолог из Центра Джона Иннеса в Норвиче, Англия, и ведущий автор новой статьи.
Однако у цианобактерий есть эволюционный стимул передавать важную информацию своему потомству: каждая клетка делится на два идентичных клона, и каждый из них делает то же самое, до бесконечности. Карл Джонсон, ведущий автор статьи из Университета Вандербильта, сравнил это с тем, как бабочки-монархи мигрируют на юг на зиму, но никогда не совершают обратного пути на север — так поступает их потомство. «Когда начинаешь думать о родословной, или о колонии, или о популяции, — сказал он, — тогда все становится совершенно понятным».
Это открытие связывает цианобактерии с множеством гораздо более сложных организмов, имеющих сезонные ритмы, и указывает на то, что способность предвидеть времена года могла возникнуть на ранних этапах эволюции жизни. Возможно, она даже предшествовала внутренним часам, которые дают организму ощущение дня и ночи. «Вопрос о сезонности может иметь фундаментальное значение для понимания того, почему [биологические] часы вообще существуют», — сказал клеточный биолог Майк Раст, изучающий внутренние ритмы цианобактерий в Чикагском университете и не принимавший участия в новом исследовании. Синхронизация с временами года может быть более древней и более фундаментальной для жизни, чем кто-либо предполагал.
Как клетки отсчитывают время
Когда Джонсон поступил в аспирантуру в 1970-х годах, ученые знали, что циркадные часы — внутренние механизмы организма, регулирующие цикл дня и ночи, — повсеместно распространены в многоклеточных растениях и животных. Эти молекулярные механизмы управляют тонкими процессами, такими как раскрытие листьев растениями утром и их закрытие ночью. (Они также объясняют, почему у людей есть четко определенные часы сна и бодрствования, а также рассогласованные ощущения при переездах между часовыми поясами или бессонной ночи.)
Однако идея о том, что простые организмы, такие как бактерии, тоже могут иметь суточные ритмы, считалась спорной. Джонсон изучал эту возможность в аспирантуре, но безуспешно. Затем, в 1986 году, появились доказательства того, что цианобактерии действительно имеют суточные ритмы. Когда южноафриканский физиолог растений Натанаэль Гроббелар подверг цианобактерии воздействию света и темноты, он заметил, что клетки перерабатывали азот, ключевое питательное вещество, только во время имитированной ночи. Это было первое зарегистрированное свидетельство внутреннего ритма дня и ночи у любого одноклеточного организма.
Это открытие натолкнуло Джонсона на идею: если у цианобактерий есть суточные ритмы, возможно, он сможет определить молекулы, которые, подобно шестерням в часах, заставляют циркадные часы этих организмов работать. В статьях, опубликованных в 1993 и 1998 годах в сотрудничестве с коллегами из Японии и Техаса, он идентифицировал три гена и соответствующие им белки — KaiA, KaiB и KaiC (kai по-японски означает «цикл») — участвующие в работе циркадных часов цианобактерий. Взаимодействие между KaiA и KaiB создает реакцию, в которой KaiC приобретает дополнительную фосфатную группу, а затем ритмично отщепляет ее, синхронно с днем и ночью. Удивительно, но ученые также обнаружили, что весь этот цикл может происходить вне клетки, среди свободных молекул в пробирке.
Колонии цианобактерий пульсируют в течение суточного цикла, поскольку ген, участвующий в работе циркадных часов, включается и выключается. Биологи присоединили к гену циркадных часов биолюминесцентный репортерный ген, чтобы визуализировать ритм циркадных часов клеток. Более яркий цвет указывает на более высокую экспрессию гена циркадных часов.
С тех пор исследователи многое узнали о клеточной биологии, лежащей в основе этих ритмов. Но потребовалось бы еще четверть века, чтобы связать те же самые гены со способностью, охватывающей более длительный период времени, который больше похож на календарь, чем на часы.
Зима приближается
Однажды в 2018 году, изучая литературу о циркадных ритмах цианобактерий, Джаббур поняла, что чего-то не хватает. Она не смогла найти никаких исследований, посвященных взаимосвязи между циркадными ритмами, которые следуют за осевым вращением Земли (день-ночь), и сезонным ритмом, связанным с наклоном земной оси, при котором лето приходится на полушарие, наклоненное к Солнцу.
«Это было несколько шокирующе», — вспоминала Джаббур, потому что циркадные ритмы цианобактерий изучены лучше, чем у любого другого организма. Она задалась вопросом, могут ли те же самые белки приводить к так называемому фотопериодическому ответу — способности реагировать на продолжительность дня и «использовать эту информацию для изменения своей физиологии, метаболизма или поведения в преддверии предстоящих сезонов», — сказала она.
Она поделилась этой идеей с Джонсоном, своим научным руководителем. Сначала он посмеялся над ней. Цианобактерии производят пищу из света, поэтому казалось очевидным, что клетки будут процветать при более длинных световых днях и страдать, когда периоды освещения станут короче. Но он посоветовал Джаббур все же попробовать провести эксперимент, потому что, как гласит записка на двери его кабинета, «прогресс достигается молодыми учеными, которые проводят эксперименты, которые, по мнению старых ученых, не сработали бы».
Хронобиолог Луиза Джаббур, изображенная здесь перед прудом в Центре Джона Иннеса, обнаружила, что даже простые цианобактерии могут предвидеть приближение зимы и холодной погоды, отслеживая продолжительность светового дня.
Она почти сразу же доказала неправоту своего наставника и правильность записки. В течение недели она появилась в кабинете Джонсона с двумя чашками Петри с бактериями. Обе были погружены в ледяную воду, чтобы имитировать наступление зимы. Но на одной из них было больше видимых зеленых цианобактерий, чем на другой. Бактерии, которые там размножились, подвергались более длительным периодам темноты — у них была возможность предвидеть надвигающуюся опасность.
В расширенном экспериментальном протоколе, описанном в новой статье в журнале Science, Джаббур подвергла три группы цианобактерий воздействию различных периодов света и темноты в течение восьми дней, имитирующих зиму (восемь часов света и 16 часов темноты), равноденствие (12 часов света и 12 часов темноты) или лето (16 часов света и восемь часов темноты). Затем она погрузила их в ледяную воду, взяла образцы бактерий из каждой охлажденной пробирки и наблюдала за ростом колоний из живых клеток.
Несмотря на рост при высоких температурах, клетки, подвергавшиеся кратковременному воздействию света, напоминающему зимний период, похоже, предчувствовали приближение холода и смогли к нему подготовиться. После воздействия низких температур они выживали в три раза лучше, чем клетки, подвергавшиеся воздействию холода летом или в период равноденствия. Но как это возможно?
Джаббур сравнила гены, активированные в разных группах клеток. Клетки, находившиеся в зимних условиях, экспрессировали больше генов, связанных с метаболизмом, в то время как клетки, находившиеся в летних условиях, экспрессировали гены, связанные с теплом и ультрафиолетовым излучением, что позволяет предположить, что они адаптировались к другому сезону. Она более подробно изучила одно изменение: молекулярный состав их клеточных мембран.
Цианобактерии Synechococcus elongatus зеленого цвета (внизу справа) получают энергию из солнечного света посредством фотосинтеза. В лаборатории исследователи выращивают эти клетки на чашках Петри (внизу слева) или в колбах с жидкостью (вверху).
Хорошо известно, что клеточные мембраны, в том числе и мембраны цианобактерий, чувствительны к температуре. Подобно маслу, липиды, составляющие мембраны, становятся более жесткими в холодных условиях и более текучими в теплых. Многие организмы могут изменять структуру своих мембран — процесс, известный как десатурация, — чтобы молекулы свободно перемещались по мембране в широком диапазоне температур. Джаббур задалась вопросом, делают ли ее цианобактерии то же самое. Действительно, дальнейшие эксперименты показали, что у ее цианобактерий, подготовленных к зиме, было больше десатурированных липидов, которые предотвращали засорение клеточных мембран при понижении температуры.
Наконец, она хотела выяснить, связаны ли эти фотопериодические адаптации с циркадными ритмами или же они обусловлены отдельным механизмом. Когда исследователи удалили гены, кодирующие белки KaiA, KaiB и KaiC, клетки, находящиеся в зимних условиях, выживали не лучше, чем клетки, находящиеся в летних условиях. Они не смогли адаптировать свой липидный состав. Возможно, суточные молекулярные часы также управляют сезонным календарем.
«Мы до сих пор не знаем, действительно ли эти часы определяют продолжительность суток, — сказал Джаббур. — Но, похоже, они необходимы для реагирования».
Древний талант
Цианобактерии — это самая древняя из известных форм жизни, до сих пор обитающих на Земле, насчитывающая миллиарды лет истории. Около 2,4 миллиарда лет назад они изменили химический состав нашей атмосферы, превратив её в богатую кислородом смесь, которой мы наслаждаемся сегодня. Поразительно осознавать, что нечто столь древнее и маленькое может содержать в себе зачатки сложных сезонных поведенческих реакций, которые мы наблюдаем сегодня: от миграции прибрежных и певчих птиц до зимующих медведей гризли и человеческой тяги к латте с тыквенными специями.
«Поистине впечатляет, что такие древние организмы, как цианобактерии, могли демонстрировать подобную реакцию», — сказал Джаббур. «Это заставляет задуматься о том, когда [фотопериодизм] впервые появился и как выглядела Земля в те времена».
Поскольку организмы проходят суточные циклы чаще, чем сезонные, ученые обычно предполагали, что циркадные ритмы развились раньше фотопериодизма. Но новое исследование предполагает другую возможность. «Фотопериодическое измерение могло быть первым [что эволюционировало]», — сказал Джонсон. Возможно, нашим древнейшим предкам пришлось изобрести внутренние часы, чтобы выжить в условиях сезонных погодных условий, а затем на их основе были построены суточные циклы.
Однако остается загадкой, как такой недолговечный организм смог развить механизм отслеживания времени на протяжении целых сезонов, которые длятся в сотни раз дольше, чем его собственная продолжительность жизни. «Один из интригующих вопросов заключается в том, передаются ли эти сигналы между поколениями клеток, и если да, то как, поскольку сезонные изменения происходят гораздо медленнее по сравнению со временем жизни этих клеток», — сказала Деваки Бхая, старший научный сотрудник Института Карнеги-Сайнс, не участвовавшая в исследовании. Независимо от того, как это происходит, эти механизмы были бы отобраны не для выживания отдельных особей, а для благополучия всей генетической линии, охватывающей многие поколения цианобактерий.
Тем не менее, эти идеи остаются лишь предположениями, пока фотопериодизм выявляется только у одного вида цианобактерий. В своей новой роли научного сотрудника в Центре Джона Иннеса Джаббур планирует изучить фотопериодические реакции большего числа бактерий, чтобы лучше понять, когда могла развиться эта способность предвидеть смену сезонов. Другие штаммы бактерий имеют гены циркадных часов, которые управляют механизмами, существенно отличающимися от механизмов цианобактерий. Они могут раскрыть больше секретов о внутренних ритмах и сезонной адаптации. Только время покажет.
Источник: www.quantamagazine.org
