Βλέποντας την όμορφη νοημοσύνη των μικροβίων
Η ευφυΐα δεν είναι μια ιδιότητα που πρέπει να αποδίδεται ελαφρά στα μικρόβια. Δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι τα βακτήρια, οι μούχλες λάσπης και παρόμοιες μονοκύτταρες μορφές ζωής έχουν επίγνωση, κατανόηση ή άλλες ικανότητες που υπονοούνται στην πραγματική διάνοια. Αλλά ιδιαίτερα όταν αυτά τα κύτταρα κοινωνούν σε μεγάλους αριθμούς, αναδεικνύονται τα εκπληκτικά συλλογικά τους ταλέντα για την επίλυση προβλημάτων και τον έλεγχο του περιβάλλοντός τους. Αυτές οι συμπεριφορές μπορεί να κωδικοποιούνται γενετικά σε αυτά τα κύτταρα από δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, αλλά υπό αυτή την έννοια τα κύτταρα δεν διαφέρουν τόσο από τα ρομπότ που έχουν προγραμματιστεί να ανταποκρίνονται με εξελιγμένους τρόπους στο περιβάλλον τους. Αν μπορούμε να μιλήσουμε για τεχνητή νοημοσύνη για το δεύτερο, ίσως δεν είναι πολύ εξωφρενικό να αναφερθούμε στην υποτιμημένη κυτταρική νοημοσύνη του πρώτου.
Κάτω από το μικροσκόπιο, η απίστευτη άσκηση της συλλογικής νοημοσύνης των κυττάρων αποκαλύπτεται με εντυπωσιακή ομορφιά. Από το 1983, ο Roberto Kolter, καθηγητής μικροβιολογίας και ανοσοβιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και συνδιευθυντής του Microbial Sciences Initiative, ηγείται ενός εργαστηρίου που έχει μελετήσει αυτά τα φαινόμενα. Τα πιο πρόσφατα χρόνια έχει αναπτύξει και τεχνικές οπτικοποίησης τους. Στο φωτογραφικό βιβλίο με δοκίμια Life at the Edge of Sight:A Photographic Exploration of the Microbial World (Harvard University Press), που κυκλοφόρησε τον Σεπτέμβριο, ο Kolter και ο συν-συγγραφέας του, Scott Chimileski, ερευνητής και ειδικός στην απεικόνιση στο εργαστήριό του, προσφέρουν μια εκτίμηση των μικροοργανισμών που είναι τόσο επιστημονική όσο και καλλιτεχνική, και που δίνει μια ματιά στο κυτταρικό θαύματα που είναι κυριολεκτικά κάτω από τα πόδια. Εικόνες από το εργαστήριο εκτίθενται επίσης στην έκθεση World in a Drop στο Μουσείο Φυσικής Ιστορίας του Χάρβαρντ. Αυτή η έκθεση θα κλείσει στις αρχές Ιανουαρίου, αλλά θα ακολουθήσει μια ευρύτερη έκθεση, Microbial Life , προγραμματισμένο να ανοίξει τον Φεβρουάριο.
Η μούχλα λάσπης Physarum polycephalum μερικές φορές μόλις και μετά βίας χαρακτηρίζεται ως μικροοργανισμός:Όταν διαρρέεται από τα φύλλα των φύλλων ενός δάσους κατά τη διάρκεια του ενεργού, αμοιβοειδούς σταδίου του κύκλου ζωής του, μπορεί να μοιάζει με μια λακκούβα κιτρινωπού λίπους πλάτους μεταξύ μιας ίντσας και ενός μέτρου. Ωστόσο, παρά το μέγεθός του, το Physarum είναι ένα τεράστιο ενιαίο κύτταρο, με δεκάδες χιλιάδες πυρήνες που επιπλέουν σε μια αδιάκοπη μάζα κυτταροπλάσματος. Σε αυτή τη μορφή, Physarum είναι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός κυνηγός. Όταν οι αισθητήρες στην κυτταρική του μεμβράνη ανιχνεύουν καλές πηγές θρεπτικών ουσιών, συσταλτικά δίκτυα πρωτεϊνών (που σχετίζονται στενά με αυτά που βρίσκονται στους ανθρώπινους μυς) αρχίζουν να αντλούν ρεύματα κυτταροπλάσματος προς αυτή την κατεύθυνση, προωθώντας τη λάσπη προς αυτό που χρειάζεται.
Αλλά Physarum δεν είναι απλώς αντανακλαστικά κύμα προς το φαγητό. Καθώς κινείται προς μία κατεύθυνση, τα σήματα που μεταδίδονται σε όλο το κύτταρο το αποθαρρύνουν από το να πιέζει αντιπαραγωγικά σε λιγότερο υποσχόμενες διαδρομές. Επιπλέον, τα καλούπια λάσπης έχουν εξελίξει ένα σύστημα για την ουσιαστική χαρτογράφηση του εδάφους τους και την απομνημόνευση πού δεν πρέπει να πάνε:Καθώς κινούνται, αφήνουν πίσω τους ένα ημιδιαφανές χημικό ίχνος που τους λέει ποιες περιοχές δεν αξίζει να ξαναεπισκεφτούν.
Όταν τα βακτήρια παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά μέσω μικροσκοπίου, αιωρούμενα σε υγρό σε διαφάνειες, με την απλότητά τους έμοιαζαν με τα αρχέτυπα των πρωτόγονων, μοναχικών κυττάρων. Η αλήθεια, ωστόσο, είναι ότι στην άγρια φύση, τα περισσότερα βακτήρια είναι πολύ ασυνήθιστα. Μερικά βακτήρια κολυμπούν στο περιβάλλον τους ως μοναχικά άτομα, αλλά τα περισσότερα βακτηριακά κύτταρα - και τα περισσότερα είδη βακτηρίων - προτιμούν να ζουν σε συμπαγείς κοινωνίες που ονομάζονται βιοφίλμ αγκυρωμένα σε επιφάνειες. (Οι μεμονωμένοι κολυμβητές αντιπροσωπεύουν συχνά παραφυάδες βιοφίλμ, επιδιώκοντας να αποικίσουν νέες τοποθεσίες.)
Επιπλέον, τα βιοφίλμ δεν είναι απλώς πυκνές συσσωρεύσεις βακτηριακών κυττάρων. Έχουν περίτεχνες λειτουργικές δομές, μέσα και έξω, που εξυπηρετούν το συλλογικό πεπρωμένο των κυττάρων, όπως φαίνεται στις παρακάτω εικόνες του Pseudomonas aeruginosa . Το βιοφίλμ χρωματίζεται με κόκκινη βαφή του Κονγκό, η οποία συνδέεται με τις πρωτεΐνες της εξωκυτταρικής μήτρας που εκκρίνουν τα βακτήρια ως σκαλωσιά για την κοινότητά τους. Η βαθιά ζαρωμένη επιφάνεια του βιοφίλμ μεγιστοποιεί την περιοχή μέσω της οποίας τα βακτήρια μπορούν να απορροφήσουν οξυγόνο. Επίσης πιθανώς τους βοηθά να συλλέγουν θρεπτικά συστατικά και να απελευθερώνουν αποτελεσματικά τα απόβλητα.
Μέσα στο βιοφίλμ, τα βακτήρια διαιρούν την εργασία για τη διατήρηση της αποικίας και διαφοροποιούνται σε μορφές εξειδικευμένες για τη λειτουργία τους. Σε αυτό το βιοφίλμ του κοινού βακτηρίου του εδάφους Bacillus subtilis , για παράδειγμα, ορισμένα κύτταρα εκκρίνουν εξωκυτταρική μήτρα και αγκυροβολούν στη θέση τους, ενώ μερικά παραμένουν κινητικά. Τα κύτταρα στα άκρα του βιοφίλμ μπορεί να διαιρεθούν για ανάπτυξη, ενώ άλλα στη μέση απελευθερώνουν σπόρια για να επιβιώσουν σε δύσκολες συνθήκες και να αποικίσουν νέες τοποθεσίες.
Θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί γιατί η φυσική επιλογή θα είχε ευνοήσει αυτή τη συλλογική συμπεριφορά αντί για πιο αχαλίνωτο ατομικισμό μεταξύ των κυττάρων. Μέρος της απάντησης μπορεί να είναι αυτό που οι θεωρητικοί της εξέλιξης αποκαλούν συμπεριληπτική φυσική κατάσταση:Στο βαθμό που σχετίζονται τα βακτήρια σε ένα βιοφίλμ, οι ατομικές θυσίες αντισταθμίζονται από τις αυξήσεις της φυσικής κατάστασης των εκατομμυρίων ξαδέλφων κάθε κυττάρου. Αλλά μπορεί επίσης να είναι ότι κάθε ρόλος μέσα στο βιοφίλμ έχει τα πλεονεκτήματά του:Τα κύτταρα στην άκρη είναι πιο εκτεθειμένα σε κινδύνους και πρέπει να αναπαράγονται με μανία για να επεκτείνουν το βιοφίλμ, αλλά έχουν επίσης πρόσβαση στα περισσότερα θρεπτικά συστατικά και οξυγόνο. Τα κύτταρα στο εσωτερικό εξαρτώνται από άλλα για τις ζωτικές τους μερίδες, αλλά μπορεί να επιβιώσουν περισσότερο.
Οι επιφάνειες στις οποίες αναπτύσσονται τα βιοφίλμ δεν είναι πάντα συμπαγείς. Αυτά Β. subtilis σχηματίζουν ένα πολτό — ένα είδος αιωρούμενου βιοφίλμ στη διεπαφή μεταξύ νερού και αέρα. Οι γενετικές οδοί που εμπλέκονται στο σχηματισμό ενός πολτού είναι ουσιαστικά οι ίδιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη κατά μήκος των λίθων, αν και μπορεί να ανταποκρίνονται στις αλλαγές στο περιβάλλον τους αλλάζοντας το ακριβές μείγμα πρωτεϊνών στην εξωκυτταρική μήτρα, όπως απαιτείται.
Η επεκτατική ανάπτυξη δεν είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο μπορούν να κινηθούν οι μικροβιακές κοινότητες. Παρακάτω, B. subtilis εμπλέκεται σε μια συμπεριφορά που ονομάζεται δενδριτικό σμήνος, στην οποία τα κύτταρα πιέζουν γρήγορα προς τα έξω σε διακλαδισμένες στήλες που μπορούν να στρώσουν αποτελεσματικά μια επιφάνεια. Τα βιοφίλμ σμήνος όταν ανιχνεύουν ότι βρίσκονται σε περιβάλλοντα πλούσια σε θρεπτικά συστατικά:Το σμήνος βοηθά ένα βιοφίλμ να εκμεταλλευτεί αυτή την πολύτιμη περιοχή πριν το καταφέρει οποιαδήποτε ανταγωνιστική κοινότητα.
Τουλάχιστον δύο σημαντικές αλλαγές στη διαφοροποίηση των κυττάρων σε ένα βιοφίλμ λαμβάνουν χώρα για να καταστεί δυνατή η συσσώρευση. Πρώτον, τα κινητά κύτταρα στην περιφέρεια του φιλμ αναπτύσσουν επιπλέον μαστίγια, τα οποία τους επιτρέπουν να κολυμπούν πιο ενεργητικά. Δεύτερον, ορισμένα ακραία κύτταρα αρχίζουν επίσης να εκκρίνουν επιφανειοδραστικό, ένα ολισθηρό υλικό που βοηθά τα κινητά κύτταρα να γλιστρούν πιο γρήγορα στην επιφάνεια.
Όταν τα βιοφίλμ αναπτύσσονται σε επίπεδα εργαστηριακά πιάτα, οι δενδριτικές στήλες των σωρευμένων βιοφίλμ παραμένουν καθαρά διακριτές:Εκτείνονται και τυλίγονται το ένα μέσα και γύρω από το άλλο, αλλά δεν διασταυρώνονται. Αυτό φαίνεται να οφείλεται εν μέρει στο ότι το επιφανειοδραστικό συσσωρεύεται γύρω από τους κλάδους του βιοφίλμ ως φράγμα. Παρομοίως, ορισμένα βακτήρια μπορούν να σμήνη σε πιο αναβαθμίδες δομές υπό εργαστηριακές συνθήκες. Ποιες είναι οι συνέπειες αυτής της επιλογής για τα βακτήρια στη φύση είναι ακόμα ένα μυστήριο.
Ένας άλλος τύπος συμπεριφοράς που επιδεικνύεται από βιομεμβράνες που αναπτύσσονται σε εργαστηριακές συνθήκες είναι η σπειροειδής μετανάστευση, που καταδεικνύεται στο βίντεο time-lapse παρακάτω του Bacillus mycoides . Αυτά τα βακτηριακά κύτταρα αναπτύσσονται σε μακριές αλυσίδες ή νημάτια που καμπυλώνουν είτε δεξιόστροφα είτε αριστερόστροφα. Τα συγκεκριμένα πλεονεκτήματα αυτής της σπειροειδούς κίνησης είναι ακόμα υπό διερεύνηση, σύμφωνα με τον Chimileski, αλλά πρέπει να είναι σημαντικά επειδή ο B. mycoides υπερέχει στην ανάληψη διαθέσιμων περιβαλλόντων. «Bacillus mycoides είναι ένα από τα πιο εύκολα βακτηριακά είδη για καλλιέργεια από το έδαφος», εξήγησε. Όταν οι επιστήμονες απομονώνουν μικρόβια από το έδαφος και τα αναπτύσσουν σε πιάτα με άγαρ, ιδιαίτερα σε θερμοκρασία δωματίου, «τα μυκοειδή συχνά θα εξαπλωθεί σε ολόκληρο το πιάτο και θα ξεπεράσει όλους τους άλλους οργανισμούς. Για αυτόν τον λόγο, θεωρείται αν μη τι άλλο ένα είδος «ενοχλητικού είδους» για πολλούς μικροβιολόγους.»
Αυτό που είναι περίεργο είναι ότι η κατεύθυνση της σπειροειδούς μετανάστευσης - δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα - φαίνεται να είναι ένα κληρονομικό χαρακτηριστικό:Διαφορετικά στελέχη βακτηρίων, ακόμη και μέσα στο ίδιο είδος, σπειροειδώς κινούνται προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Είναι ένα ακόμη παράδειγμα του πώς τα βακτήρια, υπακούοντας στις οδηγίες στο μεμονωμένο DNA τους, μπορούν να εκδηλώσουν συμπεριφορές επίλυσης προβλημάτων που είναι εκπληκτικά πολύπλοκες και προσαρμοστικές στο συλλογικό επίπεδο των βιοφίλμ.
Αυτά τα γεωμετρικά και πιθανώς λειτουργικά μοτίβα που παράγουν τα βιοφίλμ στον πολιτισμό είναι απίστευτα όμορφα. Ωστόσο, ο Chimileski σημειώνει ότι απομένουν πολλά να ανακαλύψουμε όταν πρόκειται για τη μετάφραση συμπεριφορών που παρατηρούνται στο εργαστήριο σε φυσικές μικροβιακές κοινότητες.
Ο Chimileski επισημαίνει ότι «τα περισσότερα φυσικά βιοφίλμ είναι οικοσυστήματα πολλαπλών ειδών και τα κύτταρα μέσα στα φυσικά βιοφίλμ συνήθως αναπτύσσονται πιο αργά». Και συνέχισε, «Μου αρέσει να σκέφτομαι τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσουμε βακτήρια σε ένα πιάτο Petri, όπου ένα μεμονωμένο είδος βρίσκεται από μόνο του και έχει όλα όσα χρειάζεται για να αναπτυχθεί σε βέλτιστες θερμοκρασίες, ως «αυξάνοντας τον όγκο» στη βιολογία του οργανισμού .» Κάτω από εργαστηριακές συνθήκες, οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν ποια γονίδια εμπλέκονται σε πολύπλοκες πολυκυτταρικές συμπεριφορές και μπορούν να μετρήσουν τα οφέλη για την καταλληλότητα των βακτηριακών ειδών. Αλλά σε φυσικά περιβάλλοντα, τα βιοφίλμ συνήθως δεν σχηματίζουν ακριβώς τα ίδια μοτίβα όπως στο εργαστήριο λόγω περιορισμένων θρεπτικών συστατικών ή ανταγωνισμού με άλλα είδη. "Έτσι, η ίδια βιολογία μπορεί να συμβαίνει σε ένα σωματίδιο χώματος στην αυλή σας σε μικρότερες κλίμακες μεγέθους και σε μεγαλύτερες χρονικές περιόδους", είπε, ακόμα κι αν είναι λιγότερο εύκολο να το οπτικοποιήσετε.
Οι συμπεριφορές του βιοφίλμ μαρτυρούν την ικανότητα και το άνοιγμα των βακτηρίων να σχηματίζουν συλλογικότητες — αλλά αυτό το άνοιγμα έχει όρια, όπως φαίνεται σε αυτή την καλλιέργεια με πολλά βιοφίλμ που συμβιώνουν. Εδώ, γειτονικά βιοφίλμ που αποτελούνται από τα ίδια βακτήρια ή στενά συγγενικά στελέχη συγχωνεύονται άνετα. Αλλά τα γειτονικά βιοφίλμ που αποτελούνται από πιο αποκλίνοντα βακτήρια διατηρούνται διακριτά και μπορεί ακόμη και να προσπαθήσουν να εξαλείψουν ή να ελέγξουν το ένα το άλλο.
Τα βιοφίλμ είναι τόσο δυσανεκτικά σε άλλα στελέχη και είδη επειδή επενδύουν σημαντικά στην παραγωγή επιφανειοδραστικής ουσίας, εξωκυτταρικής μήτρας και άλλων μορίων που οι βακτηριολόγοι ταξινομούν ως δημόσια αγαθά - αυτά που τα βακτήρια εκκρίνουν για άλλα μέλη της κοινότητάς τους. Τα βακτήρια τα προστατεύουν με ζήλια, επειδή τα άσχετα κύτταρα ελεύθερης φόρτωσης θα μπορούσαν να ωφεληθούν σημαντικά χρησιμοποιώντας τα πρώτα.
Τα βιοφίλμ αποκρούουν τέτοιους ελεύθερους φορτωτές με διαφορετικούς τρόπους. Για παράδειγμα, το B. subtilis Οι αποικίες σε αυτήν την εικόνα υιοθετούν μια στρατηγική «διάκρισης συγγενών», στην οποία εκκρίνουν αντιβιοτικές ενώσεις που είναι τοξικές για άλλα είδη αλλά όχι για τα δικά τους. Proteus mirabilis τα βακτήρια υπερασπίζονται τα συμφέροντά τους με διαφορετικό τρόπο με βάση την «αυτοαναγνώριση»:Το P. mirabilis Τα βιοφίλμ εξετάζουν τα καταπατητικά κύτταρα, μαχαιρώνουν οποιοδήποτε από διαφορετικό είδος με δομή που μοιάζει με λόγχη και τους εγχέουν με δηλητήρια που θα σκοτώσουν σχεδόν όλα τα είδη εκτός από στενά συγγενικά.
Τα χρώματα που εμφανίζονται στην καλλιέργεια βιοφίλμ του Streptomyces coelicolor στο παρακάτω βίντεο αντικατοπτρίζουν τις φυσικές χρωστικές που παράγουν τα βακτήρια. Η αξία των χρωστικών για τα βιοφίλμ δεν είναι απολύτως σαφής, αλλά πιθανώς δεν συνδέεται με το χρώμα τους. Αντίθετα, αυτά τα μόρια χρωστικής είναι συχνά βιοενεργά με διάφορους τρόπους. «Η μπλε χρωστική ουσία που φαίνεται σε αυτό το βίντεο είναι η ακτινοροδίνη, η οποία είναι τεχνικά ένα αντιβιοτικό», είπε ο Chimileski, αλλά πρόσθεσε ότι ο όρος είναι παραπλανητικός σε αυτό το πλαίσιο. «Η θανάτωση ή η αναστολή της ανάπτυξης συμβαίνει συνήθως μόνο σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις σε σχέση με αυτό που υπάρχει έξω στη φύση». Για αυτόν τον λόγο, είπε, «αναδύεται μια άποψη ότι η θανάτωση δεν είναι πιθανώς η οικολογική λειτουργία πολλών ή περισσότερων αντιβιοτικών. Αντίθετα, αυτά τα βιοενεργά μόρια δρουν ως σήματα ή αναπτυξιακά σημάδια» σε άλλα κύτταρα.
Αυτή η άποψη επαναλαμβάνεται σε ένα σημείωμα του Gleb Pishchany, άλλου ερευνητή στο εργαστήριο του Kolter που μελετά πώς συνυπάρχουν διαφορετικοί τύποι βακτηρίων. «Μια ενδιαφέρουσα πιθανότητα είναι ότι στα φυσικά οικοσυστήματα, Streptomyces χρησιμοποιήστε χρωστικές και άλλα βιοενεργά μόρια» σε «χαμηλότερες συγκεντρώσεις ως σήματα που ανταλλάσσονται μεταξύ πολυειδών μικροβιακών κοινοτήτων», έγραψε. Οι χρωστικές μπορούν να βοηθήσουν τη συνοικία ποικιλιών βακτηρίων να χαλιναγωγήσουν το ένα τα λιγότερο γειτονικά ένστικτα του άλλου και, ως εκ τούτου, να διατηρήσουν μια πιο συνεργάσιμη και γόνιμη κοινή ύπαρξη.
Αυτές οι εντυπωσιακές φωτογραφίες κοινοτήτων μικροβίων καταγράφηκαν από κάμερες DSLR. Ο Chimileski συλλέγει τις στατικές του εικόνες με φακούς macro ενώ εργάζεται στον πάγκο, ενώ τα βίντεο γίνονται σε θερμοκοιτίδα αφιερωμένη στη μικροσκοπία time-lapse. Ρυθμίζει την κάμερα να τραβάει μια φωτογραφία κάθε 10 λεπτά, αν και αυξάνει τη συχνότητα σε κάθε λεπτό ή δύο για συμπεριφορές που συμβαίνουν πιο γρήγορα, όπως οι κινήσεις των καλουπιών λάσπης. Ως αποτέλεσμα, οι κινήσεις των μικροβίων σε αυτά τα βίντεο επιταχύνονται συνήθως μεταξύ 5.000 και 50.000 φορές την πραγματική τους ταχύτητα. Ο Chimileski δεν χρησιμοποιεί ψεύτικο χρώμα για να ωραιοποιήσει τις εικόνες:Εκτός από τη χρήση χρωστικών για τη χρώση της εξωκυτταρικής μήτρας σε ορισμένες καλλιέργειες, εμφανίζει τον φυσικό χρωματισμό των μικροοργανισμών.
Το Chimileski αναπτύσσει συνήθως βακτηριακές αποικίες στους 30° C, μια θερμοκρασία στην οποία μπορεί να συλλέξει εικόνες ειδών που αναπτύσσονται πιο αργά για αρκετές εβδομάδες. Αν και η θερμότητα και η υγρασία που ταιριάζουν στην ανάπτυξη βιοφίλμ είναι λιγότερο από ιδανικές για κάμερες, είπε ότι ο εξοπλισμός έχει αξιολογηθεί για πιο ακραίες συνθήκες. Οι λίγες κάμερες που δυσλειτουργούσαν το έκαναν για μηχανικό λόγο:Ο αριθμός των λήψεων που χρειάζεται για να τεκμηριώσει τις μικροβιακές συμπεριφορές είναι τόσο μεγάλος που τελικά τα κλείστρα στις κάμερες σπάνε μετά από εκατοντάδες χιλιάδες κλικ.
