В первой статье заслуженный профессор физики и биологии Теренс Хва вместе с докторантом Джонасом Кремером и другими исследователями Калифорнийского университета в Сан-Диего работали с модельной бактерией E. coli, чтобы показать, что хемотаксис обеспечивает механизм для бактериальных популяций, чтобы предпринять высокоэффективный режим организованного исследования незанятых прилегающих территорий. Вместо того, чтобы начинать исследования, когда в текущей среде заканчиваются питательные вещества, как это обычно считается, исследовательская группа обнаружила, что бактерии запускают исследования, когда успешно растут в нынешней среде.
«На самом деле, чем лучше окружающая среда, тем активнее бактерии участвуют в исследованиях, что напоминает о том, насколько успешные корпорации, такие как Google®, более активно участвуют в диверсификации, несмотря на бурно развивающийся основной бизнес», – сказал Хва.
Используя высокоскоростные микроскопы, исследователи смогли отследить движение отдельных бактерий в многотысячной популяции, которая сформировала так называемое «рое кольцо» хемотаксиса – легко заметную «рябь», которая расширяется наружу после капля бактерий попадает в среду обитания, богатую питательными веществами. К своему удивлению, исследователи заметили, что «кольцо роя» было не просто небольшой группой отвлеченных бактерий, как обычно думают. Вместо этого в круг бактерий входили первопроходцы-исследователи, которые воспроизводились по мере миграции, оставляя за собой след потомков.
«В отличие от следов муравьев, следящие бактерии не будут мигрировать, а будут реплицироваться в соответствующих местах за расширяющимся кольцом, в конечном итоге заполняя все пространство, заключенное в кольце», – пояснил Хва. "Эти бактерии, по-видимому, достаточно умны, чтобы знать, что экспоненциальный рост не может поддерживаться в данной местности в течение длительного времени.
Таким образом, первопроходцы отправляются в путь, пока питательные вещества в изобилии, чтобы население не застряло, когда питательные вещества закончатся."
Хва отметил, что, хотя ученые хорошо знали, что бактерии перемещаются по своему пути, двигаясь к более высоким концентрациям определенных молекул, называемых «хемоаттрактантами», долгое время считалось, что эти молекулы «привлекательны», потому что они являются хорошими источниками питательных веществ. Команда Хва, однако, показала, что сильнодействующие хемоаттрактанты не являются хорошими источниками питательных веществ для бактерий, и они наиболее эффективны, когда представлены в малых дозах в сочетании с хорошими питательными веществами.
Это привело исследователей к выводу, что хемоаттрактанты больше похожи на запах, чем на пищу для бактерий.
«Мы показали, как бактерии-первопроходцы могут эффективно преобразовать низкие уровни хемоаттрактантов в градиент для управления процессом исследования, определения направления, а также увеличения скорости перемещения населения», – сказал Кремер.
Исследовательская группа завершила свою работу, сравнив управляемый режим исследования, поселения и репликации бактерий с неуправляемым процессом «расширения ареала», не связанным с хемотаксисом, как это обычно предполагается в экологии (см. Фильм 1). Поскольку популяция распространяется быстрее и приносит больший прирост при навигационных исследованиях, Хва и Кремер предсказывают, что этот процесс может широко применяться в природе, далеко за пределами бактериального мира.
«Нетрудно представить, что популяция высших животных может использовать ту же стратегию, что и бактерии, – модифицируя окружающую среду и генерируя сигналы, которые заставляют популяцию быстро расширяться на незанятые территории."
Быстрее, но не обязательно лучше
Вторая статья, опубликованная в Nature, основана на уроках, извлеченных из первой. В этой статье Хва и Кремер, работая с учеными из Китайской академии наук в Шэньчжэне, Китай, изучали эволюционные основы стратегии навигационных исследований, проводимой хемотаксическими бактериями.
Посредством серии лабораторных экспериментов по эволюции выбирая E. coli, которые успешно заселяют среды обитания разного размера, исследователи изучили преимущества приспособляемости хемотаксических бактерий на разных расстояниях от общей исходной позиции.
«Для нескольких типов бактерий с диапазоном скоростей традиционная мудрость предполагает, что первый вид, достигший незанятой среды обитания, будет иметь решающее преимущество в колонизации этой среды обитания по сравнению с другими бактериями с аналогичным поведением роста», – сказал Хва. "Но наши эксперименты по эволюции неожиданно показали, что быстрее не обязательно выгодно. В то время как более быстрые деформации имеют преимущества на больших расстояниях, более медленные деформации предпочтительны на меньших расстояниях."
Эти результаты вместе с результатами первой статьи позволили команде обнаружить ограничение между скоростью роста популяции и размером среды обитания, которую популяция может успешно колонизировать – это просто размер, который может увеличить фронт популяции. достичь за несколько раз репликации.
Хва объяснил, что это ограничение отражает требуемую координацию между скоростью экспансии и темпами роста населения, необходимыми для успешной колонизации вновь приобретенных местообитаний.
«Если экспансия будет происходить со скоростью, превышающей способность организмов размножаться на новой земле, то они в конечном итоге потеряют свои права на землю, даже если они сначала оккупируют ее», – сказал Хва. "Это, возможно, аналогично тому, почему армия Чингисхана могла охватить половину цивилизованного мира, не имея возможности управлять завоеванной землей."
Предложенное ограничение было количественно подтверждено исследователями, которые повторили эксперименты по эволюции в разных средах обитания, допуская множество комбинаций скорости и темпов роста.
По словам Хва, количественное предсказание результатов эволюционных экспериментов очень редко, но успех этих исследований может дать надежду на более эффективные подходы к исследованию эволюционных процессов в будущем.
Hwa также предположил, что ограничения, которые они обнаружили в стратегии разведки, могут применяться к другим типам исследовательских систем, включая, возможно, растущие опухоли или даже расширение бизнеса.
Соавторами первой статьи являются Томоя Хонда из Отделения биологических наук и Инь Тан, Джером Вонг-Нг и Массимо Вергассола из Отделения физики. Над второй работой Хва и Кремер работали с соавторами Вейронг Лю, Дэнджин Ли и Ченли Лю из Китайской академии наук.