«Маленький и беззащитный детеныш, отбившись от стада, рискует стать добычей голодного хищника» — подобную фразу можно частенько услышать в документальных фильмах про дикую природу. Суть ее ясна — некоторым видам гораздо проще выжить в коллективе, нежели в одиночку. Со столь прямолинейной логикой природы поспорить сложно, ведь социальные виды на то и социальные, что живут и выживают в группах. Однако в любом обществе, будь то люди или простейшие организмы, есть индивиды, которые идут против общесоциальных целей и действуют по-своему. Для нас это интроверты — одиночки, которые не особо любят скопления людей, стараются держаться в стороне от вечеринок, концертов и прочего. Подобное поведение чаще всего ассоциируется с психологией и чертами характера человека, однако в дикой природе подобное поведение обусловлено чем-то большим. Группа ученых из Принстонского университета (США) провели исследование с участием амеб D. discoideum, которые обычно живут поодиночке, но в некоторых ситуациях формируют группы, что позволяет изучить аспекты интроверсии и социализации. Чем так необычно поведение амеб, как оно влияет на развитие и сохранения вида, и насколько важны одиночки для социальных видов? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Учитывая последние тревожные (мягко говоря) события, протекающие в мире, многие из нас в той или иной степени стали интровертами, пусть и вынужденно. Однако, даже в спокойные времена и даже в самом идеальном обществе, где все друг друга любят и уважают, всегда были и будут одиночки, которые скорее проведут вечер под пледом с книгой, нежели пойдут на какое-то социальное мероприятие. Мы расцениваем такое поведение с точки зрения психологии и психиатрии. Интроверсия может быть обусловлена как характером человека, так и каким-то событием прошлого, которое привело к самоизоляции.
Учитывая эволюцию не только человека, но и технологий, наш вид перестал нуждаться в социализации на уровне выживания. Другими словами, отдельно взятый человек вполне может выжить и без общения с другими людьми, хоть такое существование и будет в определенной степени сложным опять же с точки зрения психологии. Однако многие социальные виды, такие как антилопы гну или сельдь, эксплуатируют свою социализацию по полной. Большое скопление особей сбивает с толку хищников, позволяет быстрее замечать опасность или пищу (больше особей — больше глаз, как говорится) и т.д.
Тем не менее, нет ничего идеального. Даже среди огромного стада антилоп гну, которые во время миграции будто подчиняются единому разуму, имеются особи, которые предпочитают действовать самостоятельно.
Сами исследователи приводят в качестве примера саранчу. У этих насекомых имеется две фазы социального поведения — одиночное и стадное. В начале своей жизни особи саранчи выживают поодиночке, а по достижению определенного возраста начинают собираться в многочисленные группы (вплоть до миллионов и даже миллиардов особей).
На данный момент протекает одно из крупнейших нашествий саранчи, затронувшее несколько стран Африки и Среднего Востока.
Исследования показали, что часть особей при переходе в зрелых особей не присоединяются к рою. Даже во время экспериментов, когда этих одиночек намеренно подсаживали к группам сородичей, они не приобретали потребности в роении.
Даже среди растений наблюдается подобная тенденция. Например, бамбук, который обычно цветет массово и очень синхронизировано, не лишен одиночек, которые цветут по своему графику, так сказать.
Все эти наблюдения заставляют задуматься — случайна ли интроверсия или же имеется какой-то скрытый смысл? Возможно одиночки это неизбежная статистическая ошибка крупномасштабных скоплений особей, а возможно и намеренное запрограммированное поведение, обеспечивающее запасной план выживания для целого вида.
Ученые отмечают, что ранее изучению этого вопроса уделялось очень мало внимания, потому точных ответов на эти вопросы пока не было дано. Те немногочисленные работы, которые все же были проведены, утверждают, что одиночки это не более, чем случайности. Естественно, авторы рассматриваемого нами сегодня труда с этим не согласны, поскольку часто одна и та же теория не может быть применена к разным видам существ.
В своем труде ученые сконцентрировали внимание на изучении поведения амеб вида диктиостелиум (Dictyostelium discoideum). У данного организма, как и у саранчи, есть две фазы жизни: одиночная и стадная. Фазы эти обусловлены наличием или отсутствием пищи.
Обитает D. discoideum в почве и подстилке (опавшие листья) смешанных лесов умеренного климатического пояса, а питается бактериями. Если пищи достаточно, одноклеточные особи D. discoideum держат дистанцию друг от друга. Если же пищи становится критически мало, они начинают соединяться друг с другом, формируя Мегазорда мигрирующую «стаю». В этот период в клетках происходит экспрессия гликопротеинов и аденилатциклазы. Гликопротеины обеспечивают межклеточную адгезию (слипание клеток для формирования многоклеточной системы), а аденилатциклаза синтезирует цАМФ (циклический аденозинмонофосфат), который координирует слипание клеток, являясь сигналом клеточного голода.
Особи D. discoideum формируют мигрирующего слизня.
Далее формируемая система начинает подниматься вверх, а потом ложится набок и формирует мигрирующий слизевик — подвижный псевдоплазмодий длиной 2-4 мм. Организм движется туда, где больше света, тепла и более сухой воздух. Достигнув оптимальной локации, слизень переходит в стадию «сомбреро», когда передние и задние клетки псеводплазмодия меняются местами. Передние клетки формируют плодовое тело со спорами на вершине, которые рассеиваются после созревания.
Весь этот удивительный процесс перерождения изучался на протяжении последних лет семидесяти, но крайне мало внимания уделялось тем особям, которые по каким-то причинам не участвовали в формировании единого многоклеточного тела. Конечно, в условиях продолжительного голода такие одиночки погибали, но если пищи было хоть немного, то они продолжали существовать и делиться, формируя новые особи, которые могут в дальнейшем сформировать многоклеточную систему.
По словам ученых, амебы-интроверты могут быть вполне осознанными участниками жизненного цикла своего вида, т.е. важной частью стратегии выживания.
Чтобы подтвердить эту теорию, исследователи провели наблюдения за поведением различных штаммов D. discoideum, также было проведено моделирование за счет полученных данных.
Результаты исследования
Чтобы определить, является ли поведение одиночки наследственным и, таким образом, существует ли потенциал для естественного отбора, был разработан экспериментальный протокол для идентификации и количественного определения клеток-одиночек (1А и 1В). Это позволило охарактеризовать их пространственное распределение (1С), количественно определить их плотность (1D и 1E) и установить жесткие границы для возможных ошибок измерений.
Изображение №1
В исследовании были использованы три природных штамма, которые были собраны в одном и том же месте. Это гарантировало, что наблюдаемое поведение отдельных штаммов не является ошибкой лабораторного разведения.
Первые наблюдения показали, что клетки-одиночки в большей плотности находились на границах образующейся многоклеточной системы, нежели в центре агрегации (1C).
При повторных экспериментах в контролируемых условиях плотность одиночек постоянно находилась в пределах одинакового распределения (выделено на 1E). Помимо этого, распределение одиночек у некоторых штаммов значительно различалось по их среднему значению и дисперсии (сравните штаммов NC28.1 и NC85.2 на 1D). Это подтверждает, что поведение разделения особей на агрегаторов и одиночек наследуемое.
Чтобы охарактеризовать процесс самоорганизации, лежащий в основе разделения, необходимо сначала определить, зависит ли решение отдельной особи участвовать в агрегации или оставаться одиночкой от внешних факторов.
Если такое «принятие решения» со стороны клетки не зависит от контекста (т.е. без внешних сигналов), то плотность одиночек должна линейно возрастать с плотностью первоначально плакированных клеток (нарастающих слой за слоем в процессе формирования многоклеточной системы).
Однако наблюдения показали обратную ситуацию: при низких начальных плотностях клетки были слишком редкими (далеко друг от друга), потому агрегация не происходила, и все клетки оставались одиночками. Когда плотность достигала выше необходимого для агрегации уровня, этот процесс протекал с увеличивающейся эффективностью, а плотность одиночек снижалась. Удивительно, но при высоких начальных плотностях клеток плотности одиночек выравнивались (становились постоянными, плато на 1D).
Далее определялась эффективность агрегации штамма как значение этого плато: было установлено, что один штамм является лучшим агрегатором, чем другой, если первое плато имеет более низкое значение, чем второе. Если штамм называют лучшим агрегатором, это значит, что большинство его клеток участвуют в агрегации; если штамм называют худшим, то среди его клеток очень много одиночек.
Эксперименты с разной пористостью субстрата, где обитали подопытные особи, показали, что в менее пористом субстрате плотность одиночек больше (1E). Пористость также влияла и на дисперсию одиночек.
Данные наблюдения говорят о том, что наследуемое разделение агрегатор/одиночка зависит и от внешних стимулов, в частности от абиотических факторов*.
Абиотические факторы* — совокупность прямых или косвенных воздействий неорганической среды на живые организмы.
Для определения степени влияния внешних факторов на формирование разделения агрегатор/одиночка была создана модель с изменяемыми условиями предполагаемой среды.
В соответствии с экспериментальным планом, моделирование началось с популяции клеток сразу после истощения пищи. Эти клетки находятся в предагрегирующем состоянии (P). Учитывая экспериментальные данные, которые показывают снижение подвижности вегетативных клеток в многочисленных популяциях, было предложено, что P-клетки не двигаются. Р-клетки испускают внеклеточные сигнальные молекулы со специфической для штамма скоростью γ.
Сигнал рассеивается с коэффициентом диффузии D и служит для определения кворума (минимальной популяции клеток), который регулирует стохастический переход в состояние агрегации (A): когда сигнал, воспринимаемый клеткой, превышает порог чувствительности, модель предполагает, что клетка имеет специфическую для деформации вероятность в единицу времени λ стать агрегирующей A-клеткой.
А-клетки продолжают излучать сигнал и движутся к центру агрегации с постоянной удельной скоростью ν. В центре клетки становятся многоклеточной системой (M-состояние), а также перестают двигаться и излучать сигнал.
Ученые отмечают, что их модель была намеренно упрощена, так как фокусировалась на изучении распределении популяций клеток. То есть некоторые аспекты реального процесса агрегации были намеренно упущены.
Например, перед агрегацией клетки должны определенное время голодать, становятся возбудимыми (сигнал к агрегации) за счет циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и переходить в хемотаксис (движение клеток в ответ на химический раздражитель). Некоторые из этих этапов (например, клеточное голодание) являются необратимыми. А вот распределение цАМФ и хемотаксис являются обратимыми процессами. Упрощение модели состоит в связывании всех этапов в один необратимый процесс перехода от преагрегирующего до агрегирующего состояния (P-A переход). По причине этого упрощения недетерминированные факторы, которые связаны со всеми этими процессами и которые могут влиять на время P-A перехода, включены в λ.
В результате стохастичности периоды, в которые P-клетки переходят в A-состояние, следуют за распределением, ширина которого задает степень синхронизации в процессе агрегации. Более высокие значения λ приводят к более узким распределениям и, следовательно, к более синхронизированным P-A переходам, в то время как более низкие значения λ приводят к более широким распределениям и более асинхронному процессу.
Несмотря на примененное прощение, полученная модель все же способна повторить большинство свойств наблюдаемого распределения популяции (1F).
Общая плотность одиночек зависит от того, насколько быстро P-клетки переходят в А-состояние относительно того, как быстро они остаются без кворума (λ / ν), а также от того, насколько легко поддерживать кворум. Таким образом, чем больше скорость λ P-A перехода, тем меньше остается одиночных клеток, поскольку P-клетки, воспринимающие кворум, более синхронно переходят в A-состояние.
Имеется противоположная ситуация со скоростью агрегации ν: чем больше скорость агрегации ν, тем больше одиночек остается, потому что A-клетки отдаляются быстрее и сужают временное окно, в котором P-клетки поддерживают кворум. Другими словами, одиночки не успевают присоединиться к остальным клеткам, участвующим в агрегации.
Изображение №2: схема модельной агрегации. А — при высокой начальной плотности все P-клетки достигают необходимого кворума для инициации агрегации; В — некоторые Р-клетки переходят в А-состояние; С — во время агрегации А-клеток некоторые Р-клетки остаются без кворума и становятся одиночками; D — в конце процесса Р-клетки наиболее удаленные от центра агрегации остаются без кворума и остаются одиночками.
Следовательно, чем дальше клетка находится от центра агрегации, тем скорее она останется без кворума, и тем более вероятно, что она станет одиночкой.
Эти результаты показывают, что одиночки D. discoideum могут быть результатом взаимодействия между степенью синхронизации P-A перехода и временем, в течение которого кворум сохраняется до того как A-клетки перейдут в многоклеточную фазу.
Также было установлено, что более низкая диффузия приводит к более высокой плотности одиночек, так как сигнал остается высоко сконцентрированным вокруг излучателей, и клетки должны быть более плотно упакованы, чтобы поддерживать кворум. Более того, уменьшение коэффициента диффузии влияет на худшие и лучшие агрегаторы (1G), поскольку скорость диффузии и распространение сигнала связаны между собой нелинейно.
Если диффузия и вправду является регулятором всего процесса, то как минимум одна молекула из участвующих в кворум-зависимом распределении клеток должна выделяться на фоне остальных. То есть определенные сигналы от клеток, участвующих в процессе распределения агрегатор/одиночка, должны быть движущей силой этого процесса (аутокринная сигнализация, когда клетки реагируют на вещества, выделяемые этими же клетками). Это могут быть сигналы PSF (фактор пре-голодания), CMF (фактор среды) или ФДЭ (фосфодиэстераза).
Важно отметить, что во время фазы роста выделяется PSF, а на ранней стадии голодания выделяется CMF. Соответственно, сигналы на ранних этапах процесса распределения могут играть самую важную роль в том, как он протекает. Чтобы проверить эту теорию, было проведено два отличных друг от друга эксперимента.
Первый эксперимент был похож на тот, что показан на изображении №1, за исключением добавления тонкого слоя воды поверх культивируемых клеток. Водный слой испарялся в течение 4 часов, но до этого момента он мог облегчить диффузию сигнальных молекул.
Если ограниченная диффузия молекул, секретируемых в течение этих 4 часов голодания, способствует образованию клеток-одиночек, то предполагается, что водный слой уменьшит число наблюдаемых одиночек.
Изображение №3: влияние изменения сигналов на образование одиночек.
Во втором эксперименте клеткам позволили расти в бактериальной суспензии до тех пор, пока ресурсы не истощатся, после чего их помещали в агаровый гель. При таком варианте начальные ответы на истощение ресурсов происходили в хорошо смешанной среде (то есть при очень высокой диффузии сигналов), и любые сигнальные молекулы, секретируемые на этой стадии, должны были однородно достигать всех клеток, тем самым увеличивая их поведенческую координацию. Потому ожидалось, что среди клеток, перешедших в состояние агрегации, останется минимум одиночек.
Все ожидаемые результаты были подтверждены на практике, а это говорит о том, что в процессе распределения агрегатор/одиночка важную роль играют не только сигналы на поздних стадиях голодания, а и сигналы на ранних этапах голодания и даже до его начала. Подобное поведение еще больше отдаляет процесс образования одиночек от эпитета «случайный», подтверждая теорию о том, что этот процесс запрограммирован изначально и должен протекать в любых условиях.
Изображение №4: взаимодействие клеток во время совместной агрегации разных штаммов.
Еще одним важным фактором, влияющим на поведение клеток-одиночек, является происхождение соседствующих клеток, т.е. процесс совместной агрегации клеток из разных штаммов (4A).
Во время следующего опыта было использовано два штамма: NC28.1 (лучший агрегатор) и NC85.2 (худший агрегатор), которые развивались совместно в условиях голодания.
Было выявлено, что общая плотность одиночек у смешанных штаммов сильно отклонялась от линейной комбинации (когда штамм только один), отображая сигмоидальную кривую на графике 4B.
Таким образом, когда лучший агрегатор был более распространенным в смеси (25%: 75%), общее количество одиночек было меньше, чем предсказывалось линейной комбинацией. Если же более распространенным был худший агрегатор (75%: 25%), то одиночек было больше.
Следовательно, клетки разных штаммов взаимодействуют друг с другом, влияя на агрегацию и формирование одиночек. К сожалению, опытным путем нельзя было определить происхождение каждой клетки (определить к какому штамму она относится), однако это можно было сделать теоретически посредством моделирования.
Расчеты показали, что поведения штаммов зависело от свойств друг друга: лучший агрегатор становился еще лучше в присутствии худшего агрегатора и наоборот, что увеличивало разность этих взаимодействующих штаммов.
На практике же пространственное распределение одиночек смешанных штаммов позволяет оценить их потенциальный состав (4C и 4D). Как только худший агрегатор становится частью смеси, пространственное распределение смешанных одиночек в смеси почти идентично таковому у худшего агрегатора и крайне отличается от распределения у лучшего штамма. Это говорит о том, что в смеси большая часть одиночек представлена именно клетками из худшего агрегатора.
Если совместная агрегация имеет столь значимое влияние на клеточное распределение агрегаторов и одиночек, то столь же сильное влияние должно быть и на процесс формирования слизевика. И это влияние может проявляться не только в визуальных отличиях слизевика из одного штамма или смеси нескольких, но и в том, как клетки внутри этой системы взаимодействуют друг с другом.
В природе, когда имеет место совместная агрегация двух штаммов, они могут пройти не только один этап голодания, но несколько, т.е. совместно пройти несколько полных жизненных циклов, постоянно объединяясь.
Моделирование подобной ситуации показало два возможных развития событий: штаммы, участвующие в совместной агрегации, становятся более отличными друг от друга (5А) или же более похожими друг на друга (5В).
Изображение №5: последствия взаимодействия двух штаммов в процессе развития.
Чтобы оценить, как может протекать процесс совместной агрегации и какие будут ее последствия для штаммов-участников, в имеющуюся модель была добавлена дополнительная «переменная» — взаимная конкуренция штаммов за ресурсы в течение последовательных циклов голодания и роста.
Было проведено моделирование для двух пар штаммов. Для каждой пары проводилось сравнение результатов смешивания и совместной агрегации двух штаммов с гипотетическим сценарием, в котором два штамма идеально сегрегировали и избегали совместной агрегации.
Между двумя периодами голодания дифференциальное выживание спор и одиночек в сочетании с задержкой спор в потреблении ресурсов приводило к изменениям в относительной численности штаммов (то есть разнице в приспособленности штаммов). Независимо от того, происходила ли совместная агрегация в какой-либо среде, существовало конкурентное исключение. Следовательно, исход конкуренции определялся двумя факторами: какой из штаммов преобладает и сколько времени потребовалось на вымирание проигравшего штамма.
Было установлено, что штаммы, в которых больше одиночек, являются более конкурентоспособным, и наоборот, меньше одиночек — ниже конкурентоспособность.
В детерминированных средах штамм победителя также был детерминированным и не изменялся в результате совместной агрегации (вставка на 5C и 5D); однако совместная агрегация изменила время до исчезновения проигравшего штамма (вставка на 5E и 5F).
Напротив, в стохастических средах существует ряд сред, в которых штамм победителя является неопределенным, и этот диапазон резко изменяется в результате совместной агрегации (5C и 5D). Как и в детерминированных средах, совместная агрегация также влияла на время до исчезновения проигравшего штамма (5E и 5F).
Из этого следует, что процентное распределение клеток разных штаммов во время совместной агрегации напрямую влияет на то, как протекает конкуренция за ресурсы между этими штаммами.
В суровых условиях, когда пищи мало, победитель в конкуренции всегда очевиден: когда пары штаммов конкурируют за ресурсы в течение многих циклов роста-голодания, худший агрегатор всегда проигрывает. Однако из-за того, что штаммы изменяют свое поведение при взаимодействии друг с другом, время до исчезновения худшего агрегатора изменяется.
В случаях, когда пара штаммов сегрегируют, худший агрегатор становится еще хуже и, следовательно, производит еще меньше спор. От этого лучший агрегатор становится еще лучше, что приводит к сокращению времени до исчезновения худшего агрегатора.
В случаях, когда пара штаммов совмещаются, худший агрегатор становится лучше и, таким образом, увеличивается производство его спор, что приводит к увеличению численности его клеток в последующем цикле роста и, следовательно, к увеличению времени исчезновения худшего агрегатора.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде было изучено поведение клеток-одиночек D. discoideum, которые не спешат объединяться со своими сородичами для формирования многоклеточной системы. Подобное поведение можно назвать деструктивным и даже опасным для самих его инициаторов, однако результаты экспериментов и моделирования говорят об обратном.
Если все клетки будут идти по одному пути, который в теории может вести к гибели, то все они дружно погибнут. Если же какая-то часть клеток останется позади, у них будет шанс на размножение и создание собственной колонии. Это ничто иное как диверсификация рисков.
Похожая ситуация наблюдается и среди более развитых существ. Если среди многочисленного стада антилоп гну начнется распространение какого-либо инфекционного вирусного заболевания, их коллективное поведение будет только помогать заразе распространяться, убивая все больше и больше особей. В это же время, если какое-то число особей будет держаться по-дальше от основного стада, они выживут.
Конечно, в коллективном поведении есть множество преимуществ, которые нельзя просто так исключать из уравнения, однако есть и риски, которые также нельзя не учитывать.
Рассказывая про это исследование, сложно не думать про жуткие события, происходящие сейчас по всему миру. Наше общество достигло огромных высот во многих направлениях, однако наличие развитой центральной нервной системы и тысячелетий истории не может быть щитом от всех возможных угроз. Микроскопический организм, у которого нет мозга или хватательной кисти, решил напомнить человечеству, что быть на вершине эволюции не значит быть неуязвимым.
Тем не менее, борьба продолжается. И сейчас, ссылаясь на рассмотренное нами сегодня исследование, хотелось бы предложить всем (по возможности, конечно) коллективно стать интровертами, ибо так мы сможем не только обезопасить самих себя, но и сильно упростить и без того тяжелый труд медиков, ученых и исследователей, которые сражаются с вирусом.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими, хорошей всем рабочей недели, берегите себя и своих близких.
Немного рекламы 🙂
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
