Настоящая работа посвящена свойствам популяций микроорганизмов, важным с экологической точки зрения – в плане адаптации (приспособления) этих популяций к условиям окружающей среды и взаимодействия между микробными популяциями и другими компонентами природных экосистем. В состав такой экосистемы помимо микроорганизмов могут входить макроорганизмы – многоклеточные животные или растения. Микроорганизмы могут находиться с ними в отношении взаимовыгодного сожительства (мутуализма) или же наносить им вред (паразитизм). Между этими двумя полярными вариантами взаимоотношений имеется гамма переходов, изучаемая в рамках микробной экологии как науки. По классическим работам академика Н.Д. Иерусалимского и взглядам более близких к нам по времени отечественных и зарубежных микробиологов популяция микроорганизмов характеризуется: 1) фенотипической гетерогенностью составляющих ее клеток как основой для дифференциации клеток по социальным ролям; 2) наличием внутри популяции (например, колонии микроорганизмов) в той или иной мере обособленных микроколоний; 3) целостностью популяции в процессе развития, наличием у нее интегральных свойств, отсутствующих у индивидуальных клеток; 4) способностью популяции влиять на характеристики окружающей среды при достаточной плотности клеток в ней.

        Гетерогенность клеток и внутренняя структура популяции.

        Одним из аспектов популяционной организации микроорганизмов является морфологическая и физиологическая гетерогенность входящих в ее состав клеток.
Такая гетерогенность присуща практически всем формам микробных популяций, будь то взвеси или флоки (клеточные конгломераты) в толще жидкой питательной среды, поверхностные пленки на границе жидкость-воздух, компактные колонии на твердой питательной среде (примеры характерных "обличий" микробных популяций даны на рис. 1). В колонии, выросшей на твердом субстрате, различаются по своим характеристикам нижняя и верхняя сторона, центр и периферия.
        Если все клетки популяции выделяют какое-либо вещество, то его концентрация в верхнем слое клеток популяции оказывается выше, нежели в нижнем слое, который прилегает к среде, отсасывающей в себя часть этого вещества. Так, популяция клеток миксомицета Dictyostelium discoideum на определенном этапе развития представляет собой компактную организованную клеточную массу – мигрирующий слизевик (псевдоплазмодий). Под влиянием выделяемого клетками слизевика циклического аденозиномонофосфата (цАМФ) мигрирующий слизевик формирует плодовое тело в виде грибка с ножкой и шляпкой, где образуются споры. Неизменно плодовое тело формируется на верхней стороне мигрирующего слизевика, так как там концентрация цАМФ (и других химических факторов) максимальная. Если мигрирующий слизевик пересадить на острие тонкой иглы, так что у него не будет дренируемого средой "низа", то можно наблюдать забавную картину одновременного формирования нескольких малых плодовых тел на разных участках слизевика, так что игла вместе с ним напоминает рыцарскую булаву со многими выступами.
        Различие между центром популяции и ее периферией обращает на себя внимание у бактерий рода Proteus, у которых по периферии колонии периодически формируются так называемые швермеры (от нем. SchwКrmer – бродяга), отличающиеся от нормальных вегетативных клеток длиной (20-80 мкм, в то время как вегетативные клетки не превышают 2-4 мкм), избыточным количеством жгутиков, потому высокой подвижностью и наличием в одной клетке многих нуклеотидов (бактериальных аналогов ядра эукариотных клеток). Швермеры (рис. 2) формируют колониальную структуру из концентрических террас в результате чередования следующих процессов: 1) рост и деление вегетативных клеток (лаг-фаза перед очередным формированием швермеров); 2) массовое формирование центробежно мигрирующих швермеров; 3) превращение швермеров в вегетативные клетки с формированием очередной террасы (стадия консолидации). Назначение таких швермеров – распространяться от края колонии в направлении еще не занятых участков среды, где они превращаются в вегетативные клетки, как бы закрепляя занятый рубеж. У патогенных представителей рода Proteus (например, P. mirabilis), вызывающих поражение мочевых путей и почек у человека, швермеры отвечают за распространение этих паразитов по организму хозяина и за их внедрение в клетки эпителия мочевых путей [4].
        На этом примере хорошо видна связь между гетерогенностью (разнородностью) клеток и их функциональной дифференциацией, которая очевидна и в случае гетероцист – толстостенных, специализированных на фиксации азота клеток, имеющихся в популяциях цианобактерий – фотосинтезирующих прокариот, ранее обозначавшихся как синезеленые водоросли. Гетероцисты не содержат вторую фотосистему в отличие от вегетативных клеток и поэтому не могут выделять кислород из воды в процессе фотосинтеза. Гетероцисты цианобактерий реализуют функции связывания азота из атмосферы, важные для клеточной популяции в целом. Гетерогенность популяции цианобактерий состоит в том, что она содержат как гетероцисты, так и вегетативные клетки (а также у некоторых видов цианобактерий, гормогонии и другие специализированные клетки).
        В колониях многих бактерий добавление красителей (метиленовая синь, толуидиновый синий) позволяет различать клетки, которые хорошо прокрашиваются и, напротив, остаются бесцветными. По данным лаборатории А.С. Капрельянца [2], различная степень окрашиваемости клеток отвечает их разному физиологическому состоянию: ярко окрашиваются вегетативные клетки, не окрашиваются или слабо окрашиваются нежизнеспособные клетки или клетки в жизнеспособном но не культивируемом состоянии (viable but not culturable – VBNC). Опыты А.С. Капрельянца с сотрудниками [2] показали, что химические соединения, выделяемые активно растущими клетками, могут вывести бактериальную популяцию из жизнеспособного, но не культивируемого состояния, позволить ее клеткам расти и размножаться.
        Гетерогенность (разнородность) микробных клеток в популяции, описанный в настоящем разделе, – это ее резерв устойчивости к меняющимся внешним условиям. Достаточно сказать, что покоящиеся формы во многих микробных популяциях способны выживать в экстремальных условиях (высыхание, высокая температура), при которых погибают ведущие более активный образ жизни клетки той же популяции.

        Микроколонии.

        Одним из экологически важных типов клеточной гетерогенности в популяциях служит формирование локально обособленных зон – микроколоний (рис. 1). Многие исследователи отмечают наличие в популяциях системы воздухоносных микрополостей, часто пересеченных "балками" из клеточных тяжей. В этом случае микроколонии хорошо различимы под микроскопом как частично изолированные друг от друга очаги сгущения. Микроколонии, сформированные слизистым матриксом и разделенные открытыми (часто заполняемыми жидкостью) каналами, характерны также и для внутренней структуры биопленок.
        В природных условиях, где разные виды микроорганизмов сосуществуют друг с другом, каждый вид стремится сформировать свою обособленную микроколонию в рамках большей по размеру многовидовой популяции (микробной ассоциации). Это можно проиллюстрировать на примере метанообразующей ассоциации. Отдельные слагающие ее микробные виды (метаногенные архебактерии, клостридии) кооперируют между собой в процессе ферментации субстрата и тем не менее стремятся сформировать обособленные микроколонии внутри суперорганизма, как видно на рис. 3.
        Экологическое значение микроколоний в этой системе в том, что они упорядочивают потоки веществ (субстратов и продуктов ферментативных реакций) в пространстве, что способствует успешной реализации многоэтапного химического процесса. В нашем примере это превращение органических веществ (углеводов, белков, липидов) через много промежуточных стадий в смесь метана и углекислого газа. Непосредственные генераторы этой смеси газов (метаногенные археи) утилизируют лишь ограниченный круг веществ (уксусную и муравьиную кислоты, метанол, метиламин и немногие другие). Эти субстраты должны быть доставлены им другими микроорганизмами, поэтапно расщепляющими сложные органические соединения. Данный процесс представляет интерес не только в рамках микробной экологии, но и экологии в более популярном ныне значении – охраны природы. Убирая органические соединения (мусор, навоз, индустриальные отходы), метанообразующая микробная ассоциация способствует очистке окружающей среды от загрязнений. При этом образуется еще и горючая смесь газов (газообразное топливо), то есть получается двойной положительный эффект. Поэтому в Китае, например, метанообразующую ассоциацию применяют для биогазификации отходов в более чем 10 млн промышленных и кустарных ферментеров (биореакторов).

        Целостные (интегральные) характеристики популяции микроорганизмов.

        Значительный интерес в микробной экологии представляют также структуры и функции, отсутствующие у отдельной клетки и реализуемые на уровне всей популяции. Речь может идти, например, о внутриколониальных функциональных "органах", осуществляющих экологически адаптивные функции. В качестве примера вернемся к уже упомянутым воздухоносным полостям, характерным для многих видов микробных популяций. Это своего рода аналог примитивной циркуляторной системы, доставляющей питательные субстраты и убирающей продукты метаболизма. В популяциях бактерии Alcaligenes sp. штамм d2 обнаружены поры и каналы, а также более специализированные структуры (гемосомы, "газовые баллоны"), окруженные своеобразной мембраной и содержащие внеклеточные гемопротеины. Предположительно такие структуры способствуют транспорту О2 к клеткам в колониях агрегатах), то есть речь идет об аналоге дыхательной системы органов.
        Показано наличие у некоторых бактериальных популяций также наружных покровов различной природы. Эти покровы представляют собой частный случай более общего явления – наличия в популяциях микроорганизмов связывающих и структурирующих популяции биополимерных материалов, в совокупности обозначаемых как межклеточный матрикс [4]. В состав матрикса входят кислые полисахариды, гликозилфосфатсодержащие биополимеры типа тейхоевых кислот, гликопротеины, у некоторых бактерий (например, бацилл) также полиглутаминовая кислота и другие биополимеры. Матрикс представляет собой структурный остов популяции, предохраняет отдельные клетки и популяцию в целом от неблагоприятных воздействий извне (высыхание, нагревание / охлаждение, атака гидролитических ферментов) и, таким образом, создает экологическую адаптацию, смягчающую воздействие факторов окружающей среды на популяцию.
        В матрикс выделяются и по нему распространяются экзометаболиты и продукты автолиза клеток, включая химические сигнальные вещества, в том числе служащие для оценки плотности собственной популяции. В этой связи примечательно, что предполагаемые сигнальные агенты норадреналин и дофамин содержатся у бактерии Bacillus subtilis не внутриклеточно, а только в покрывающем клетки матриксе [3].
        Помимо структур популяционного уровня реальностью является также координированное в масштабе популяции поведение клеток, допускающее разнообразные формы: коллективную агрессию, изоляцию популяций друг от друга, кооперацию, координацию движений клеток в масштабе популяций. Наиболее впечатляет исследовательское поведение миксобактерий, которые координировано перемещаются по агару, коллективно приближаясь к пищевой частице, окружая ее и далее коллективно переваривая с помощью экзоферментов. Это поведение опирается на слаженную систему внутрипопуляциальной коммуникации.
        Представляют интерес также примеры программированной гибели клеток (апоптоза) в интересах всей популяции. Программированная гибель клеток бактерий наблюдается при их заражении фагом. Остановимся на классическом примере атаки бактериофага Т4 (имеющего многогранную головку и сократимый хвост) на кишечную палочку (Escherichia coli). Когда вирус внедряется в растительную клетку, последняя совершает апоптоз, дабы не допустить размножения вируса за ее счет (так называемая сверхчувствительная реакция). То же известно и для некоторых животных клеток. Оказалось, что на программированную смерть ради спасения от вируса соседних клеток способны и бактерии. Некоторые штаммы E. coli несут гены, вызывающие гибель клетки после внедрения фага Т4. Например, ген lit кодирует протеазу, расщепляющую фактор элонгации EF-Tu, необходимый для синтеза белка на рибосомах, и тем самым блокирует синтез всех клеточных белков в ответ на экспрессию генов фага Т4.
        Прокариотическим аналогом апоптоза можно также считать гибель части клеточной популяции E. coli и некоторых других бактерий при остановке роста бактериальной популяции (при исчерпании питательного субстрата). Так, голодающая популяция E. coli разделяется на две субпопуляции, одна из которых гибнет, в то время как другая субпопуляция использует компоненты погибших клеток как питательный субстрат и продолжает расти и синтезировать РНК (судя по включению 3Н-уридиновой метки). Выяснилось, что геном E. coli включает гены mazE и mazF, входящие в состав одного оперона. Ген mazF кодирует высокоустойчивый белок-яд, а mazE – нестабильное, быстро разрушаемое протеазой ClpPA противоядие к белку MazF. Голодание означает исчерпание в клетке аминокислот – сырья для синтеза белков. Исчерпание фонда свободных аминокислот ведет к активации оперона rel, чей белковый продукт RelA отвечает за синтез гуанозинтетрафосфата. Гуанозинтетрафосфат блокирует оперон maz, так что синтез противоядия прекращается. Оставшись без своего противоядия, белок MazF вызывает смерть некоторых клеток с разрывом их оболочки, так что их внутреннее содержимое обогащает среду питательными компонентами, тем самым пополняя фонд аминокислот и вновь активируя синтез противоядия MazЕ у других, выживших клеток E. coli.
        С экологической точки зрения программируемая клеточная смерть представляет собой адаптацию, позволяющую популяции сохраниться несмотря на губительное воздействие внешних факторов (атака бактериофага, нехватка питательных субстратов) ценой потери некоторых клеток этой популяции.

        Плотностнозависимая коммуникация у микроорганизмов.

        Плотностнозависимая (кворумзависимая) коммуникация состоит в том, что по концентрации сигнального вещества коллектив организмов оценивает собственную плотность. Если эта плотность достигла определенного порогового значения (кворума), то предпринимаются те или иные коллективные действия. К числу описанных к настоящему времени процессов, протекающих у микроорганизмов лишь при достаточно высокой плотности популяции, принадлежат следующие явления (см. [5]):
        * биолюминисценция у морских бактерий (Vibrio fischeri, V. harveyi);
        * агрегация клеток миксобактерий и последующее формирование плодовых тел со спорами;
        * конъюгация с переносом плазмид у Enterococcus faecalis и родственных видов, а также у бактерий рода Agrobacterium;
        * формирование клеток-швермеров у бактерий родов Proteus и Serratia;
        * синтез экзоферментов и других факторов вирулентности у растительных (Erwinia carotovora, E. hyacinthii) и животных (Pseudomonas aeruginosa) патогенов;
        * образование антибиотиков у представителей рода Streptomyces и у Erwinia carotovora;
        * споруляция у бацилл и актиномицетов;
        * стимуляция роста стрептококков и некоторых других микроорганизмов.
        Раскрыты молекулярно-генетические механизмы многих из указанных процессов. Классическая система – свечение морских бактерий Vibrio (Photobacterium) fischeri. Свечение V. fischeri реализуется лишь в концентрированных культурах V. fischeri, формирующихся в светящихся органах головоногого моллюска Euprymna scolopes, где плотность популяции достигает 1010-1011 клеток/мл. Данная система, по-видимому, представляет собой пример взаимовыгодного межвидового сотрудничества. Свечение бактерий имитирует лунный свет и делает моллюска неразличимым для ночного хищника, глядящего снизу. Микробные клетки, в свою очередь, приобретают удобную экологическую нишу с пищевыми ресурсами.
        Система плотностнозависимого свечения у V. fischeri включает два основных блока генов (рис. 4). Один из этих блоков – оперон luxICDABEG, чьи гены имеют следующие функции: 1) ген luxI кодирует белок, отвечающий за синтез химического агента межклеточной коммуникации – N-(3-оксогексаноил)-L-лактон А гомосерина (3-ОГЛГ); 2) гены luxA, B, C, D, E, G кодируют компоненты люциферазы (ферментного комплекса, ответственного за биолюминсценцию).
        Другой генный блок включает ген lux R, чей белковый продукт LuxR связывает фактор 3-ОГЛГ. Комплекс LuxR-3-ОГЛГ связывается с промоторным участком оперона luxICDABEG и активирует его транскрипцию. При отсутствии 3-ОГЛГ оперон luxICDABEG экспрессируется на низком "базовом" уровне. По мере повышения концентрации клеток V. fischeri накапливающийся в среде 3-ОГЛГ начинает выступать как аутоиндуктор: наряду со структурными генами его комплекс с LuxR активирует и транскрипцию luxI, то есть синтез 3-ОГЛГ, активирующего в комплексе с LuxR траскрипцию оперона lux в новых клетках V. fischeri. Поэтому лавинообразно нарастает синтез всех компонентов люциферазной системы и начинается интенсивное свечение бактерий. По принципу описанной системы luxI-luxR организованы (с теми или иными модификациями) плотностнозависимые регуляторные системы и у некоторых других грамотрицательных бактерий. В роли диффундирующих химических факторов коммуникации во многих случаях также выступают ацилированные лактоны гомосерина.
        Бактерии рода Erwinia (E. carotovora, E. chrysanthemii) вызывают мягкую гниль картофеля, хризантем и других растений. Они расщепляют растительные клеточные стенки с помощью ферментов пектиназ и целлюлаз, образование которых представляет собой плотностнозависимый процесс. У Erwinia функционирует генная система expI-expR, аналог системы luxI-luxR у V. fischeri. Белок ExpI, частично гомологичный белку LuxI, необходим для синтеза диффузного фактора коммуникации – 3-ОГЛГ (как и у V. fischeri). Патогенная для человека и животных бактерия Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка) также синтезирует необходимые для вирулентности токсин А, коллагеназу, гемолизины и другие факторы по достижении пороговой плотности микробных клеток в популяции, что регистрируется двумя генными системами (lasI-lasR и vsmI-vsmR ), использующими N-(3-оксододеканоил)-L-лактон гомосерина и N-бутаноил-L-лактон гомосерина соответственно.
        Примеры с V. fisheri, E. carotovora и P. aeruginosa свидетельствуют о важности плотностнозависимых процессов в межвидовых взаимодействиях, в частности в системах "микроорганизмы (паразиты или симбионты) – макроорганизм-хозяин (животное или растение)". Микроорганизмы оценивают плотность клеток в собственных популяциях и вступают во взаимодействие с растением или животным и выделяют необходимые факторы вирулентности или симбиоза только в том случае, если плотность их популяции достаточно высока [5].
        Кроме ацилированных производных гомосеринлактона другие (в частности, грамположительные) бактерии используют также пептидные факторы плотностнозависимой коммуникации. Эти факторы определяют "быть или не быть" формированию спор у бацилл, распространению в популяции плазмид с генами вирулентности (отвечающими, например, за синтез гемолизинов) у патогенной бактерии Enterococcus faecalis.
        Известны и аминокислоты (глутамин, аспарагиновая кислота) в роли факторов межклеточной коммуникации. Например, глутамин необходим для образования клеток-швермеров у Proteus. Как уже отмечалось, именно швермеры разносят популяцию патогенных штаммов Proteus по тканям хозяина, поднимаясь вверх по его мочевым путям и часто достигая почек. Превращение обычных (вегетативных) клеток Proteus в швермеры сопровождается поэтому резкой интенсификацией синтеза факторов вирулентности (гемолизинов, ферментов, разрушающих факторы иммунной защиты хозяина) и усилением способности бактерий ко внедрению в клетки хозяина [1].
        Популяции микроорганизмов, таким образом, имеют интегральные свойства, связанные с коллективным поведением популяции в рамках более сложных экологических систем (например, паразит (симбионт)-хозяин). Популяции микроорганизмов играют еще до конца не оцененную роль в организме человека. Наш кишечник, в частности, содержит многочисленную и разнообразную микрофлору. Она в норме снабжает нас витаминами, нейромедиаторами (например, g-аминомасляной кислотой), летучими жирными кислотами. Дисгармония (дисбактериоз) чревата нехваткой микробных продуктов и, более того, превращением "друзей во врагов". Так, наш симбионт кишечная палочка может вызывать инфекцию мочевых путей и даже сепсис. Поэтому изучение популяционной (в частности, колониальной) организации микроорганизмов не только теоретически интересно, но и практически важно, поскольку имеет большое биомедицинское значение.

Литература.

1. Allison C., Lai H.-C., Hughes C. Co-ordinate Expression of Virulence Genes During Swarm-Cell Differentiation and Population Migration of Proteus mirabilis // Mol. Microdiol. 1992. Vol. 6, № 12. P. 1583-1591.
2. Kaprelyants A.S., Mukamolova G.V., Kormer S.S. et al. Intercellular Signalling and the Multiplication of Prokaryotes // Microbial Signalling and Communication: Soc. Gener. Microbiol. Sympos. 57. / Ed. R. England et al. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1999. P. 33-69.
3. Цавкелова Е.А., Ботвинко И.В., Кудрин В.С., Олескин А.В. Детекция нейромедиаторных аминов у микроорганизмов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии // Докл. акад. наук. 2000. Т. 372, № 6. С. 1-3.
4. Ботвинко И.В. Экзополисахариды бактерий // Успехи микробиологии. 1985. Т. 20. С. 79-122.
5. Олескин А.В., Ботвинко И.В., Цавкелова Е.А. Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов // Микробиология. 2000. Т. 69, № 3. С. 309-327.
6. Олескин А.В., Кировская Т.А., Ботвинко И.В., Лысак Л.В. Действие серотонина (5-оксатриптамина) на рост и дифференцию микроорганизмов // Микробиология. 1998. Т. 67, № 3. С. 306-311.

Справка:

Олескин Александр Владимирович, кандидат биологических наук, доцент, заведующий учебно-научным сектором биополитики и биосоциологии Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Читает курс «Биополитика» на нескольких факультетах МГУ.