«ПЕРВЫЙ СРЕДИ РАВНЫХ...»
Нормативные документы
Противодействие коррупции
Поступающим
Студентам
Выпускникам
Проект 5-100
Аккредитация специалистов
06.04.2009

«Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире

Многие живые организмы принимают коллективные решения демократическим путем при помощи так называемого «чувства кворума». Часто это проявляется в том, что при увеличении скученности совокупность особей превращается в организованный коллектив (сообщество, стаю, толпу). Базовые принципы такого превращения сходны у разных организмов — от бактерий до животных. Об этом свидетельствуют результаты двух новых исследований, одно из которых выполнено на светящихся бактериях, другое — на атлантической сельди. Бактерии начинают дружно светиться по достижении пороговой концентрации выделяемых ими веществ, а у рыб сигналом к формированию многомиллионных организованных стай служит время суток и пороговая плотность популяции.

Этот график иллюстрирует работу «молекулярного переключателя», регулирующего поведение светящейся бактерии Vibrio harveyi в зависимости от концентрации двух сигнальных веществ (AI-1 и AI-2), которые используются бактериями для общения друг с другом. По горизонтальным осям — концентрации двух веществ, по вертикальной оси — величина, обратная силе реакции бактерии на данный химический сигнал. Видно, что «молекулярный переключатель» имеет три устойчивых состояния: «синее» (концентрации обоих веществ высокие, реакция максимальная), «зеленое» (концентрация одного из веществ, причем любого из двух, высокая, а другого — низкая, реакция промежуточная) и «красное» (концентрации обоих веществ низкие, реакция минимальная). Рис. из обсуждаемой статьи в PLoS Biology

Этот график иллюстрирует работу «молекулярного переключателя», регулирующего поведение светящейся бактерии Vibrio harveyi в зависимости от концентрации двух сигнальных веществ (AI-1 и AI-2), которые используются бактериями для общения друг с другом. По горизонтальным осям — концентрации двух веществ, по вертикальной оси — величина, обратная силе реакции бактерии на данный химический сигнал. Видно, что «молекулярный переключатель» имеет три устойчивых состояния: «синее» (концентрации обоих веществ высокие, реакция максимальная), «зеленое» (концентрация одного из веществ, причем любого из двух, высокая, а другого — низкая, реакция промежуточная) и «красное» (концентрации обоих веществ низкие, реакция минимальная). Рис. из обсуждаемой статьи в PLoS Biology

«Чувство кворума» (Quorum sensing) — широко распространенный в природе механизм, позволяющий группам организмов выполнять координированные, слаженные действия — подобно тому, как это постоянно делают клетки многоклеточного организма. Однако в многоклеточном организме слаженность поведения клеток обеспечивается специальными системами централизованного управления (например, нервной системой). В группе отдельных самостоятельных организмов таких централизованных систем управления обычно нет, поэтому согласованность действий обеспечивается иными способами, в том числе при помощи «чувства кворума».

Это явление лучше всего изучено на одноклеточных организмах, у которых согласованное групповое поведение, как правило, основано на своеобразном химическом «голосовании». Например, все бактерии в популяции выделяют сигнальное вещество, и когда концентрация этого вещества в окружающей среде достигает некого порогового значения, все клетки дружно меняют свое поведение (например, начинают испытывать «тягу» друг к другу и собираться в большие скопления). На молекулярном уровне изменение поведения микробов обеспечивается резким (иногда скачкообразным) изменением уровня активности определенных генов в ответ на пороговый уровень возбуждения рецепторов, реагирующих на сигнальное вещество. Одним из первых объектов, на которых стали изучать чувство кворума, была светящаяся бактерия Vibrio fischeri, о которой рассказано в заметке Симбиоз кальмаров со светящимися бактериями зависит от единственного гена, «Элементы», 06.02.2009.

Ключевым сигналом, запускающим механизм превращения множества разрозненных индивидуумов в единую сплоченную общность, обычно является скученность. Например, Vibrio fischeri не светится, пока плотность популяции микробов остается низкой. Однако по достижении определенного порога плотности (что происходит, например, в светящемся органе кальмара, где бактериям обеспечены идеальные условия для жизни) все микробы разом начинают светиться, и кальмар получает фонарик для охоты в темноте.

У многоклеточных организмов «чувство кворума» и быстрые согласованные изменения поведения тоже широко распространены, хотя и хуже изучены, чем у одноклеточных. Иногда переход от индивидуальной жизни к согласованному групповому поведению может иметь поистине драматические последствия, как, например, у саранчи (см.: Серотонин за два часа превращает скромную пустынную саранчу в хищных налетчиков, «Элементы», 10.02.2009). Характерно, что у саранчи переход к стадному поведению регулируется плотностью популяции (скученностью), точно так же, как и свечение Vibrio fischeri.

На прошлой неделе опубликованы две интересные статьи, посвященные изучению чувства кворума у двух весьма непохожих друг на друга организмов — светящихся бактерий Vibrio harveyi (близких родственников V. fischeri) и у атлантической сельди. Обе работы основаны на применении новых методов, причем в обоих случаях речь идет о радикальном изменении масштабов рассмотрения изучаемых объектов. В случае с микробами масштаб был изменен в сторону большей детальности: обычно изучают совокупную реакцию больших популяций микробов (например, суммарную силу свечения), однако в данном случае исследователи регистрировали изменения в поведении отдельных микробов. При изучении очень крупных объектов, таких как многомиллионные стаи сельди, обычно приходится ограничиваться небольшими выборками, по которым трудно судить о стае в целом. Однако на этот раз исследователи воспользовались изобретенным три года назад методом высокочувствительного эхолокационного сканирования больших акваторий (Makris et al., 2006), который позволил наблюдать за формированием стай протяженностью в десятки километров в реальном времени.

За поведением сельди наблюдали в районе ее нереста в заливе Мэн осенью 2006 года. Оказалось, что в течение нерестового периода сельдь каждый вечер самоорганизуется в громадные скопления численностью до четверти миллиарда особей, которые согласованно и дружно плывут на мелководье, где сельдь нерестится.

В течение дня рыбы плавают порознь вблизи дна в глубоких местах, где хищников гораздо меньше, чем на мелководье. Незадолго до захода солнца сельдь начинает постепенно скапливаться на глубине от 160 до 190 м. Поначалу плотность рыб растет медленно. Однако в тот момент, когда плотность достигает порогового значения 0,2 рыбы на квадратный метр, поведение рыб радикально меняется. Рыбы вдруг устремляются навстречу друг другу и образуют плотное скопление (до 2–5 рыб на кв. м), которое становится своеобразным «центром кристаллизации» для гигантской стаи. От этого первичного скопления стремительно распространяется «волна» измененного поведения: рыбы видят, что их сородичи уже поспешили на сбор, и сами начинают плыть друг к другу.

В результате скопление рыб разрастается со скоростью, на порядок превышающей ту скорость, с которой может плыть отдельная рыба. Наконец образуется плотная стая длиной до 20–30 км и шириной порядка 3–4 км, вытянувшаяся с запада на восток на глубине 160–190 м вдоль северного склона нерестовой отмели. Затем вся эта громадная масса рыб начинает согласованное движение на юг и вверх, к месту нереста. Теперь движение происходит как раз с той скоростью, с какой обычно плавает сельдь. Передний край движущейся стаи ровный и четкий, задний — неровный и размытый из-за «отстающих», которые продолжают подтягиваться из глубины. Нерестится сельдь ночью на глубине около 50 м, а к рассвету стая рассеивается до следующего вечера.

В чем смысл такого поведения? Во-первых, нерест у сельди — дело коллективное, самки должны дружно выметать икру, а самцы — совместными усилиями оплодотворить ее, поэтому синхронизация поведения этим рыбам очень важна. Во-вторых, большинство хищников предпочитает ловить сельдь на мелководье, поэтому рыбам выгодно прибывать на место нереста большими группами (см.: Общественный образ жизни повышает стабильность системы «хищник–жертва», «Элементы», 29.10.2007), как можно быстрее делать свое дело и возвращаться на относительно безопасную глубину.

 Последовательные этапы формирования стаи сельди. Изображения получены при помощи эхолокационного сканирования акватории размером 7 на 32 км (расстояние от эхолокационной установки отмечено на нижнем и левом краях рисунка). В левом верхнем углу каждой диаграммы указано время суток (все изображения получены вечером 3 октября 2006 года). Разными цветами показана плотность рыб (см. легенду слева вверху). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Последовательные этапы формирования стаи сельди. Изображения получены при помощи эхолокационного сканирования акватории размером 7 на 32 км (расстояние от эхолокационной установки отмечено на нижнем и левом краях рисунка). В левом верхнем углу каждой диаграммы указано время суток (все изображения получены вечером 3 октября 2006 года). Разными цветами показана плотность рыб (см. легенду слева вверху). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Исследование показало, что у сельди, как и у других организмов, обладающих «чувством кворума», внезапное изменение поведения и превращение неорганизованного множества особей в упорядоченное целое происходит в ответ на достижение пороговой концентрации особей (в данном случае пороговая плотность составляет 0,2 особи на кв. м.). На какие сигналы — зрительные или, скажем, обонятельные — ориентируется сельдь, оценивая плотность популяции, пока неизвестно, и выяснить это очень трудно.

Намного проще разобраться в физиологических механизмах «чувства кворума» у бактерий, у которых нет ни зрения, ни слуха, ни нервной системы и которым поэтому доступен только один способ общения — химический, аналогичный запаховой коммуникации у животных.

Однако молекулярно-генетические системы, обеспечивающие «чувство кворума» у бактерий, могут быть очень сложными, что хорошо видно на примере светящегося микроба Vibrio harveyi. Эти бактерии выделяют в окружающую среду три сигнальных вещества-«автоиндуктора» (autoinducers, AI). Каждому веществу соответствует рецептор, реагирующий на наличие «своего» вещества в среде. Все три рецептора передают полученный сигнал внутрь клетки, активируя регуляторный белок LuxU. Он, в свою очередь, активирует другой белок (LuxO), который активирует работу нескольких генов, кодирующих малые регуляторные РНК. Эти регуляторные РНК блокируют работу гена, кодирующего белок LuxR. Последний является ключевым участником регуляторного каскада: от него зависит активность множества генов, в том числе и тех, благодаря которым бактерия светится.

Разумеется, эта непростая система нужна не только для регуляции свечения. От нее зависит множество других аспектов поведения бактерии, просто свечение легче всего регистрировать и измерять. В этой регуляторной системе уже известны многие детали, но кое-что остается загадочным. Например, непонятно, зачем нужны целых три разных сигнальных вещества и три рецептора для них, если всё в конечном итоге сводится к одному и тому же результату: либо ген LuxR оказывается включен, и тогда микробы светятся, либо он выключен, и тогда бактерии гаснут. И дело принципиально не меняется от того, что LuxR регулирует множество разных генов, а не только «гены свечения». Всё равно работа всех подконтрольных систем зависит только от одной переменной: от степени активности гена LuxR. Казалось бы, бактерии вполне могут обойтись одним сигнальным веществом и одним рецептором, то есть одной переменной «на входе», чтобы регулировать одну-единственную переменную «на выходе». Однако бактерии почему-то считают иначе и общаются между собой при помощи трех разных сигнальных веществ.

Чтобы разобраться в этой непростой проблеме, исследователи сконструировали несколько генно-модифицированных штаммов Vibrio harveyi, у которых система химической коммуникации была существенно упрощена. Во-первых, всем бактериям удалили ген, кодирующий один из трех рецепторов. Теперь микробы могли реагировать только на два из трех сигнальных веществ (AI-1 и AI-2). Во-вторых, были отключены гены, необходимые для производства сигнальных веществ. Это было сделано для того, чтобы исследователи могли держать концентрацию веществ AI-1 и AI-2 под своим полным контролем. В-третьих, они прикрепили к регуляторному участку (промотору) одной из малых регуляторных РНК, участвующих в регуляторном каскаде, ген зеленого флуоресцирующего белка. Это дало им возможность по силе флуоресценции отдельных бактериальных клеток судить о степени активации регуляторного каскада «чувства кворума» с гораздо большей точностью и детальностью, чем это можно было бы сделать по силе естественного свечения бактерий.

Оказалось, что оба сигнальных вещества (AI-1 и AI-2) действуют на систему практически одинаково, причем система может находиться в одном из трех устойчивых состояний:

    1) Если концентрация обоих веществ низкая, бактерии активно производят зеленый флуоресцирующий белок. Это значит, что синтез белка LuxR приостановлен, и, следовательно, все гены, которые блокируются белком LuxR, работают активно, а все гены, которые этим белком активируются, отключены (в том числе и гены, отвечающие за естественное свечение).

    2) Если концентрация любого из двух веществ — AI-1 или AI-2 — поднимается до порогового значения (которое соответствует примерно одной молекуле вещества на объем, занимаемый одной бактерией), то зеленая флуоресценция заметно слабеет, но не прекращается совсем. Это «промежуточное» состояние довольно стабильно. Уровень флуоресценции остается почти неизменным в широком диапазоне концентраций сигнальных веществ — лишь бы концентрация одного из веществ была больше, а второго — меньше порогового уровня.

    3) Наконец, если концентрация обоих сигнальных веществ превышает пороговый уровень, зеленый флуоресцирующий белок практически перестает синтезироваться. Это означает, что регуляторный каскад полностью активирован. Только в этом случае включается естественное свечение.

Иными словами, оказалось, что использование двух сигнальных веществ позволило бактериям создать молекулярный «переключатель», способный принимать не два, а три устойчивых состояния. Каждому из этих трех состояний, по-видимому, соответствуют свои наборы включенных и выключенных генов, то есть своя «манера поведения» микробов.

Авторы предполагают, что на самом деле у этого переключателя может быть даже не три, а четыре устойчивых состояния — ведь существует еще и третье сигнальное вещество, которое в экспериментах не учитывалось.

По мнению авторов, такая замысловатая система химической коммуникации позволяет бактериям регулировать свое поведение в зависимости от фазы развития микробного сообщества (биопленки; см. Biofilm). Теоретически, концентрации сигнальных веществ — равно как и поведение бактерий — могут закономерным образом меняться в ходе развития колоний Vibrio harveyi, и в настоящее время авторы заняты поиском доказательств этого предположения.

«Чувство кворума» у сельдей и у светящихся бактерий вызывает синхронизацию поведения, заставляя всех индивидуумов вести себя одинаково. Однако известны и случаи «бимодальной» реакции популяции на коллективные сигналы. Это означает, что один и тот же сигнал вызывает у разных особей одну из двух альтернативных реакций, причем выбор того или иного варианта может определяться даже не генотипом особи, а простой случайностью. Тем самым достигается разнообразие фенотипов (поведения), независимое от разнообразия генотипов. Обычно при бимодальной реакции устойчивость каждого из двух альтернативных состояний организма обеспечивается за счет положительных обратных связей. Пример такого поведения рассмотрен в заметке Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть («Элементы», 27.02.2006).

Существует ли «чувство кворума» у людей? По-видимому, ответ на этот вопрос следует искать в научной литературе по так называемой «психологии толпы» (см., например: А. П. Назаретян. Толпа и закономерности ее поведения).

Источники:
1) Nicholas C. Makris, Purnima Ratilal, Srinivasan Jagannathan, Zheng Gong, Mark Andrews, Ioannis Bertsatos, Olav Rune Godø, Redwood W. Nero, J. Michael Jech. Critical Population Density Triggers Rapid Formation of Vast Oceanic Fish Shoals // Science. 2009. V. 323. P. 1734–1737.
2) Tao Long, Kimberly C. Tu, Yufang Wang, Pankaj Mehta, N. P. Ong, Bonnie L. Bassler, Ned S. Wingreen. Quantifying the Integration of Quorum-Sensing Signals with Single-Cell Resolution // PLoS Biology. 2009. V. 7(3). P. e1000068. doi:10.1371/journal.pbio.1000068.


Исходная статья: Элементы
Авторы:  Александр Марков