Одноклеточным организмам, живущим в сообществах, нужно как-то общаться друг с другом. Но как они могут это делать? Нервной системы, общей на всех, у них нет.
Конечно, они могут выделять в окружающую среду какие-то сигнальные вещества, которые по воде доплывут до соседей. А можно использовать в качестве передатчика сигнала саму воду.
Исследователи из Стэнфорда изучали простейшее под названием Spirostomum ambiguum, чьи вытянутые и довольно крупные (до 1,3 мм) клетки похожи на микроскопических червей. Все виды рода Spirostomum известны своими сократительными способностями: S. ambiguum укорачивается на 40% от своей длины, причём чрезвычайно быстро, всего на 5 миллисекунд; а вот разжимается она уже намного медленнее – за 1 секунду.
Записав сокращения тысяч S. ambiguum на видеокамеру, которая делала 10 000 кадров в секунду, и рассчитав физические параметры сжимающихся простейших, авторы работы показали, что вокруг сокращающихся S. ambiguum возникают вихреобразные потоки жидкости, распространяющиеся довольно далеко от клетки. Но почему S. ambiguum вообще так себя ведут? Исследователи предположили, что простейшие сжимаются, почувствовав какие-то беспокоящие сигналы, и что эти сигналы могут быть теми же токами воды, которые распространяются либо от хищника, либо от соседних S. ambiguum.
Гипотезу проверили в специальном аппарате, куда сажали одну-единственную S. ambiguum, вокруг которой с разной скоростью двигалась вода. Из-за потоков жидкости клеточная мембрана чувствовала напряжение, и если напряжение достигало определённой величины, в мембране открывались механочувствительные ионные каналы, и перемещение ионов становилось уже сигналом к сокращению. То есть механочувствительные ионные каналы служили «органами», которые чувствовали движение воды. (Впрочем, чтобы абсолютно точно в этом убедиться, нужно как-то отключить у S. ambiguum ионные каналы и посмотреть, что получится.)
Но самое любопытное оказалось в том, что простейшие с помощью потоков воды передавали сигналы друг другу. Когда S. ambiguum выращивали в лаборатории, то с определённого момента, когда плотность группы клеток становилась достаточно велика, они начинали демонстрировать согласованное коллективное поведение – то есть стоило сжаться какой-то одной клетке, вслед за ней начинали сжиматься и другие. Причём волна сокращений распространялась довольно быстро, со скоростью 0,25 м/с.
Но зачем S. ambiguum сокращаться хором? Одно из объяснений – чтобы всем вместе выпустить в окружающую среду токсин и отпугнуть хищника. Если приближение опасности почувствует по движению воды одна из клеток, она мгновенно сожмётся, и потоки воды от её сжатия почувствуют все вокруг, и все вместе высвободят достаточно отпугивающего вещества. Теоретическая модель такое развитие событий описывает вполне удовлетворительно, но всё равно тут нужны ещё прямые экспериментальные наблюдения, в которых сопоставлялись бы поведение простейших и уровень токсина.
Результаты исследований опубликованы в Nature.
Автор: Кирилл Стасевич