С приближением зимы медведи откармливаются перед спячкой, а деревья сбрасывают листья. Теперь биологи показали, что по крайней мере один вид бактерий имеет свой собственный способ подготовки к холодному сезону — первый такой сезонный ответ, известный среди микробной жизни. По мере того, как дни становятся короче, а температура падает, цианобактерии, которые распространены повсеместно и процветают на суше и в воде, делают свои мембраны более жидкими, чтобы поддерживать бесперебойную работу своих клеточных механизмов, сообщают исследователи в Science.
«Можно было подумать, что это сложное поведение ограничивается многоклеточной жизнью», — говорит Майкл Раст, биофизик из Чикагского университета, не принимавший участия в работе, но это «происходит и в одноклеточных организмах. Это говорит о том, что эта способность является очень фундаментальным свойством».
Биологи раньше считали, что бактерии не очень хорошо отслеживают время. Новое поколение одноклеточных организмов появляется примерно каждые шесть часов, поэтому считалось, что отслеживание 24-часовых циклов — как это делают многие животные с циркадными ритмами — выходит за рамки их возможностей. Затем в 1990-х годах Карл Джонсон показал, что вид цианобактерий (когда-то называемых сине-зелеными водорослями, потому что они, как и водоросли, получают энергию от солнечного света) следует суточному ритму . Несколько лет спустя Джонсон и его коллеги определили гены , отвечающие за чувство времени у цианобактерий. Оказалось, что и другие микробы делают то же самое .
Однако Джонсон, ныне работающий хронобиологом в Университете Вандербильта, отнесся скептически к предположению его новой аспирантки Марии Луизы Джаббур о том, что микробы могут расширить свои дневные часы, чтобы отслеживать времена года.
Холод может сеять хаос внутри клетки. Это происходит потому, что более низкие температуры затвердевают жиры в их мембранах, что затрудняет перемещение молекул вместе с ними. Джаббур знала, что когда клетки во всех организмах охлаждаются, биохимия их мембран меняется, делая их менее вязкими за счет увеличения доли ненасыщенных жиров, что позволяет молекулам продолжать течь. Представьте себе оливковое масло с его высокой концентрацией ненасыщенных жиров, остающееся жидким в холодильнике. Джаббур задавалась вопросом, могут ли цианобактерии заранее изменить биохимию своих мембран, чтобы избежать замерзания. Чтобы выяснить это, она сначала поместила пробирки с бактериями в ведерко со льдом на разное время, чтобы посмотреть, как долго они смогут выживать при отрицательных температурах. Затем она искусственно сократила дни для поколений цианобактерий, ограничив их воздействие света, и обнаружила, что они действительно истончают свои мембраны в ответ, даже когда они не были погружены в ледяную ванну. Короткие дни «в конечном итоге оказали большое влияние», говорит она.
Но когда она отключила гены, отвечающие за внутренние часы бактерии, она перестала изменять свою мембрану в ответ на укороченные дни. Это показало, что ежедневный хронометраж был необходим для способности бактерии предвидеть сезонные изменения — способности, которую ученые называют фотопериодизмом.
Эти организмы «похоже, предсказывают времена года и ожидают, что температура упадет», — говорит Э. Дж. Брейкинк, биохимик из Утрехтского университета, который не принимал участия в работе. Джонсон добавляет, что считалось, что фотопериодизм развился гораздо позже, у многоклеточных организмов, и никогда не наблюдался у бактерий.
Джаббур также обнаружила большие различия в том, какие гены были активны при разной продолжительности дня. Гены, которые помогали метаболизму, активизировались, когда дни были короткими, возможно, чтобы противостоять более медленному метаболизму, который, как правило, сопровождает меньше света и более низкие температуры зимой. Более длинные дни активировали гены, участвующие в защите микробов от повреждения Солнцем, сообщила она, что является признаком того, что организм также реагирует на повышенное воздействие солнечного света. «Это как если бы использовались разные генетические программы в зависимости от продолжительности дня».
Джаббур, которая с тех пор окончила университет и теперь работает хронобиологом в Центре Джона Иннеса, тестирует другие бактерии на фотопериодическое поведение. Ее особенно интересует, могут ли организмы, ответственные за смертоносное цветение водорослей, предвидеть сезоны, поскольку это понимание может помочь ученым лучше предсказывать, когда может произойти цветение.
Брейкинк предупреждает, что естественная среда обитания бактерий сильно отличается от лабораторной. Но Марта Мерроу, хронобиолог из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, изучающая хронометраж почвенных бактерий, считает, что сезонная готовность микробов может быть более распространенной.
«Я думаю, что любой организм, который успешно развивается в среде с зимой и летом, скорее всего, будет использовать эту информацию для прогнозирования и реагирования на сезонные изменения». Она добавляет, что планирует проверить, смогут ли почвенные бактерии в ее лаборатории также прогнозировать времена года.
«Результаты бросают нам вызов искать новые адаптации», — соглашается Стефан Мишель, хронобиолог из Медицинского центра Лейденского университета, который не принимал участия в работе, а также думать по-другому о том, какие виды организмов имеют фотопериодические адаптации. Исследование просто показывает, говорит он, «что вы можете сделать с ведром льда, если осмелитесь задать правильный вопрос».
