Бактерии, склонные пользоваться плодами чужого труда, ничего не предлагая взамен, оказываются на периферии кооперативных колоний.

Бактериальные сообщества основаны на взаимопомощи: разные виды бактерий выделяют разные вещества, необходимые для нормального роста (например, кто-то синтезирует и выделяет во внешнюю среду витамины, а кто-то аминокислоты), и между клетками постоянно происходит своеобразный обмен. Хотя траты ресурсов на синтез вещества «на экспорт» могут быть весьма велики, они с лихвой восполняются импортом других веществ, насинтезированных другими членами сообщества.

Бактериальная биоплёнка, образованная бактериями рода Bacillus. (Фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc. / Visuals Unlimited / Corbis.)

Совместное выращивание кооперативных и некооперативных бактерий: кооперативные виды окрашены красным, некооперативные зелёные оказались оттеснены на край кооперативного сообщества. (Фото S. Pande / Max Planck Institute for Chemical Ecology; S. Lang / Depa

Более того, такое разделение метаболического труда более выгодно: «специалисты» больше энергии тратят на синтез чего-то конкретного, вместо того, чтобы распыляться по многим позициям. Специализация позволяет высвободить часть энергии и ресурсов, которые можно направить, например, на размножение. Эксперименты подтвердили, что разделение труда в бактериальных кооперативах позволяет колонии расти быстрее.

Однако среди бактерий есть «обманщики» – те, кто хотят пользоваться всеми общественными благами, ничего не давая взамен. И, разумеется, честные члены колонии стараются ограничить их в правах, не давая им возможности пользоваться чужим трудом. Как это происходит, рассказывают в статье в The ISME Journal исследователи из Института химической экологии Общества Макса Планка. Они выращивали вместе кооперативных бактерий и тех, которые не были склонны к сотрудничеству. Бактерии-кооператоры выделяли в среду синтезированные ими аминокислоты, и, если все микробы жили все вместе в хорошо перемешиваемой среде, то бактерии-«единоличники» росли лучше, потому что имели неограниченный доступ к насинтезированным другими аминокислотам.

Однако картина менялась, когда бактерий переселяли на твёрдую среду, на которой они могли образовывать плоские колонии. Здесь бактерии, не склонные к сотрудничеству, выживали только на краях колонии «кооператоров» – вглубь сообщества они проникнуть не могли. Как «кооператорам» удаётся не пускать «эгоистов», удалось выяснить только с помощью целого набора генетических, химических и математических методов: в геном бактерий вводили мутации и потом наблюдали, как ведут себя мутантные сообщества, одновременно анализировали химические сигналы, которые они выделяют, и всё это сверяли с математической моделью, описывающей экологические механизмы формирования колонии.

В принципе, нельзя сказать, что бактерии, склонные делиться с другими плодами своего труда, как-то специально не пускают в свой круг «читеров», «эгоистов». Фокус в том, что кооперативные микробы могут успешно развиваться только в тех местах, где концентрация некооперативных мала. Что понятно – очень трудно выжить там, где все только и делают, что съедают насинтезированное тобой, ничем за съеденное не расплачиваясь.

С другой стороны, когда кооперативные бактерии встречаются друг с другом, то у них сильно повышаются шансы на то, чтобы перерасти другие, некооперативные виды. А поскольку растут они в данном случае не в перемешиваемой жидкой среде, а на твёрдой поверхности, то получается, что все питательные вещества остаются в пределах сформировавшегося сообщества-кластера, и пользуются ими только свои. Попав внутрь такой колонии, некооперативный вид не выдержит конкуренции с местными, и будет оттеснён на периферию.

Авторы работы подчёркивают, что здесь не требуется никаких специальных механизмов, которые позволяли бы бактериям, склонным к сотрудничеству, устанавливать связь со «своими» и отгонять тех, кто сотрудничать не склонен. Разделение происходит в соответствии с общими экологическими законами, действующими в условиях, когда бактериям приходится жить не в свободном плавании, а в виде колонии-биоплёнки.

 Кстати говоря, такие колонии формируют самые разные бактерии, в том числе и патогенные (в частности, бактериальные биоплёнки становятся причиной болезней зубов и дёсен), и избавиться от них бывает очень сложно. Изучая взаимоотношения микробов в подобных сообществах, мы сможем лучше понять, как с ними бороться в случае надобности.