Бактерии были первыми сложными формами жизни на Земле, впервые появившись более трех миллиардов лет назад. Кроме того, эти микроорганизмы являются одними из самых жизнестойких. Они способны радикально изменить свой метаболизм и погружаться в состояние покоя. Это позволяет им выживать в течение очень длительных периодов, во время которых они практически полностью останавливают свою биологическую активность.

На изображении показана электрическую активность Bacillus subtilis в ответ на короткие порции питательных веществ. Credit: Suel Lab.

 Так, например, исследователи из США и Японии обнаружили глубоководные микроорганизмы, которые пребывали в спящем состоянии более 100 миллионов лет. Изучая, добытые микробы в лабораторных условиях, эксперты заметили, что бактерии "ожили" и начали активно развиваться несмотря на то, что они еще застали эпоху динозавров.

Спящие бактерии или споры — это форма жизни покоящихся бактерий. Они не просто способны оживать спустя очень долгое время, но и способны выдерживать экстремальные нагрузки, перепады температуры и даже вакуум космического пространства.

С одной стороны, это чрезвычайно интересно, с другой - довольно пугающе. Что если мы однажды воскресим дремлющий чрезвычайно опасный патоген, по сравнению с которым коронавирус покажется ничтожной простудой? По мере повышения температуры из-за изменения климата такая перспектива становится все более вероятной, поскольку тающая ледники и вечная мерзлота разрушаются и исчезают, потенциально обнажая миллиарды тонн углерода и бесчисленные виды дремлющих древних бактерий.

Вот почему так важно узнать как можно больше о механизмах спорообразования и возвращения к активным формам жизнедеятельности. Несмотря на то, что ученым уже давно известно, что гидратация и перезапуск метаболизма способствуют возвращению бактериальных спор к жизни, в этой области остается еще много неизученных моментов. Один из важных вопросов - как спорам удается отслеживать благоприятные условия окружающей среды, когда они якобы находятся в "спячке". 

Споры, которые имеют значение

Эта сложная загадка была решена биологами из University of California San Diego, которые выяснили, что споры некоторых прокариотов способны оценивать окружающую среду, благодаря накопленной электрохимической энергии, которая работает подобно электрическому конденсатору. 

"Это исследование полностью изменило наше понимание природы спор, считавшихся ранее инертными организмами", - рассказывает проф. Гюроль Зюэль, микробиолог из University of California San Diego. " Нам удалось доказать, что эти одноклеточные организмы, пребывающие в состоянии глубокого покоя, способны обрабатывать информацию. Мы выяснили, что споры прокариотов обладают способностью высвобождать накопленную электрохимическую энергию для анализа окружающей среды без каких-либо метаболических усилий". 

В ходе экспериментов со спорами Bacillus subtilis (сенная палочка) было установлено, что эти микробы воспринимают тонкие сигналы внешней среды, такие как потоки ионов калия (К+). Если количество ионов превышало определенный порог, споры выходили из состояния покоя и начинали размножаться. 

Споры бактерий и прокариотов способны улавливать даже кратковременные сигналы, которые не приводят к их пробуждению. Но споры реагировали на каждый из таких сигналов, высвобождая часть запасенного ими калия, а затем суммировали эти благоприятные события, рассчитывая идеальное время для "вылупления".

Это довольно интересная стратегия. Ведь в этом случае не нужно тратить кучу энергии, (которая и так крайне ограничена), на ложный положительный сигнал окружающей среды.

По словам Зюэля, этот механизм очень похож на работу нейронов 

"Как бактерии, так и нейроны, со временем суммируют тонкие кратковременные импульсы, чтобы определить, достигнут ли порог. Как только это происходит, споры запускают процесс активации, а нейроны начинают взаимодействовать с другими нервными клетками головного мозга".

Однако в отличие от нейронов, которые представляют собой наиболее энергозависимые биологические ячейки человеческого организма, споры могут обрабатывать сигналы, не затрачивая при этом никакой метаболической энергии".

Полученные результаты имеют ряд практических применений, поскольку споры окружают нас буквально повсюду. Некоторые из них вызывают пищевые отравления, другие могут стать причиной смертельной сибирской язвы. Проблема в том, что споры устойчивы к антибиотикам, поэтому понимание факторов окружающей среды, которые заставляют их оживать, может привести к созданию новых лекарств, которые уничтожат бактерии навсегда.

Не стоит забывать и об инопланетной жизни, будь то на далеких планетах или даже на астероидах и других космических объектах, ожидающих подходящего момента для своего воскрешения. 

"Результаты этого проекта предлагают альтернативные методы борьбы с возможными рисками, связанными с патогенными микроорганизмами, и дают представление о том, что можно ожидать от внеземных форм жизни", - считает Зюэль. "Если исследователи обнаружат жизнь на Марсе или Венере, она, скорее всего, будет находиться в латентном состоянии, но теперь мы знаем, что формы жизни, которые кажутся абсолютно инертными, все же могут анализировать свои дальнейшие действия". 

Результаты данного исследования были представлены опубликованы в международном издании Science.

Источники: Wikipedia, Journal Nature, Journal Science, Journal Zmescience.
1. (https://ru.wikipedia.org/wiki/Споры_бактерий)
2. (https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7484)
3. (https://www.nature.com/articles/s41467-020-17330-1)
4. (https://www.zmescience.com/science/how-dormant-bacteria-come-back-to-life-even-after-millions-of-years-of-slumber/)