"Satisfacerea cvorumului": procesul de luare a deciziilor colective în macro și micropoli • Alexander Markov • Știință științifică despre "Elemente" • Biologie, Biologie moleculară, Genetică

Satisfacerea cvorumului: luarea deciziilor colective în macro și micro-lume

Acest grafic ilustrează activitatea "comutatorului molecular" care reglează comportamentul bacteriilor luminoase Vibrio harveyi în funcție de concentrația a două substanțe de semnalizare (AI-1 și AI-2), care sunt utilizate de bacterii pentru a comunica între ele. Pe axele orizontale – concentrația a două substanțe pe axa verticală – reciprocitatea forței de reacție a bacteriilor pe un semnal chimic dat. Se poate observa că "comutatorul molecular" are trei stări stabile: "albastru" (concentrațiile ambelor substanțe sunt ridicate, reacția este maximă), "verde" (concentrația uneia dintre substanțe, ambele fiind ridicate, "roșu" (concentrațiile ambelor substanțe sunt scăzute, reacția este minimă). Fig. din articolul respectiv PLoS Biology

Multe organisme vii fac decizii colective democratice prin așa-numitul "sentiment de cvorum". Deseori, acest lucru se manifestă prin faptul că, cu o creștere a aglomerării, totalitatea persoanelor se transformă într-o echipă organizată (comunitate, turmă, mulțime). Principiile de bază ale acestei transformări sunt similare în diferite organisme – de la bacterii la animale.Acest lucru este evidențiat de rezultatele a două noi studii, dintre care una a fost efectuată pe bacterii luminoase, iar cealaltă pe heringul Atlanticului. Bacteriile încep să strălucească împreună când se atinge concentrația de prag a substanțelor pe care le eliberează, iar în pești timpul din zi și pragul densității populației semnalează formarea de multi-milioane de efective organizate.

"Sensibilitatea la cvorum" (Quorum sensing) este un mecanism pe scară largă utilizat în natură, care permite grupurilor de organisme să efectueze acțiuni coordonate și coordonate – la fel cum fac în mod constant celulele unui organism multicelulare. Cu toate acestea, într-un organism multicelulular, coordonarea comportamentului celular este asigurată de sisteme speciale de control centralizat (de exemplu, sistemul nervos). În grupul de organisme independente separate, astfel de sisteme centralizate de control nu există, de aceea coordonarea acțiunilor este asigurată prin alte mijloace, inclusiv cu ajutorul "sentimentului de cvorum".

Acest fenomen este cel mai bine studiat pe organisme unicelulare, în care comportamentul grupului coordonat se bazează, de obicei, pe un tip de "votare" chimică.De exemplu, toate bacteriile dintr-o populație emit o substanță semnal și atunci când concentrația acestei substanțe în mediul înconjurător atinge o anumită valoare de prag, toate celulele își schimbă împreună comportamentul (de exemplu, încep să experimenteze poftele unul împotriva celuilalt și să se adune în grupuri mari). La nivel molecular, schimbarea comportamentului microbilor este asigurată de o schimbare bruscă (uneori abruptă) a nivelului de activitate al anumitor gene ca răspuns la un prag de excitație a receptorilor care răspund la o substanță semnal. Unul dintre primele obiecte pe care a început să studieze sentimentul de cvorum a fost bacteria luminată Vibrio fischeri, care este descrisă în notă Simbioza calomelor cu bacterii luminoase depinde de o singură genă, "Elements", 06.02.2009.

Semnalul cheie care declanșează mecanismul de a transforma multe persoane disparate într-o singură comunitate coerentă este de obicei aglomerat. De exemplu Vibrio fischeri nu strălucește atâta timp cât densitatea microbiană rămâne scăzută. Cu toate acestea, la atingerea unui anumit prag de densitate (care se întâmplă, de exemplu, într-un organ de calmar luminoase, în cazul în care bacteriile sunt prevăzute cu condiții ideale pentru viață) toți microbii încep să stralucească odată, iar calmarul devine o lanternă pentru vânătoarea în întuneric.

În organismele multicelulare, "sentimentul de cvorum" și modificările rapide ale comportamentului sunt, de asemenea, răspândite, deși ele sunt mai puțin studiate decât în ​​cazul celulelor unice. Uneori, tranziția de la viața individuală la comportamentul grupului coordonat poate avea consecințe cu adevărat dramatice, cum ar fi lăcustele (vezi: Serotonina în două ore transformă un lăcuste modest deșert în luptători prădători, Elements, 10 februarie 2009). Este caracteristic faptul că în lăcuste, tranziția la comportamentul efectivului este guvernată de densitatea populației (supraaglomerarea), la fel ca și strălucirea Vibrio fischeri.

Săptămâna trecută au fost publicate două articole interesante dedicate studiului sentimentului de cvorum al a două organisme foarte diferite – bacterii luminoase. Vibrio harveyi (rude apropiate V. fischeri) și în heringul Atlanticului. Ambele lucrări se bazează pe aplicarea de noi metode, iar în ambele cazuri se vorbește de o schimbare radicală în domeniul de vedere al obiectelor studiate. În cazul microbilor, scala a fost modificată la detalii mai detaliate: ele studiază de obicei răspunsul cumulativ al populațiilor mari de microbi (de exemplu, intensitatea luminoasă totală), dar în acest caz cercetătorii au înregistrat schimbări în comportamentul microbilor individuali.În studiul obiectelor foarte mari, cum ar fi turmele multimillion de hering, de obicei trebuie să se limiteze la eșantioane mici pentru care este dificil să se judece ambalajul ca întreg. Cu toate acestea, de această dată, cercetătorii au folosit metoda de scanare ecolocală foarte sensibilă a zonelor mari inventate acum trei ani (Makris et al., 2006), ceea ce a făcut posibilă observarea formării școlilor cu zeci de kilometri în timp real.

Herring comportamentul a fost observat în zona de reproducere în Golful Maine, în toamna lui 2006. Sa dovedit că, în timpul perioadei de reproducere, heringul se organizează în fiecare seară în grupuri uriașe de până la un sfert de miliard de indivizi, care în mod concertat și amiabil înoată în apa de mică adâncime în care se produce heringul.

În timpul zilei, peștii înotau separat în jurul adânc în locuri adânci, unde sunt mult mai puțini pradatori decât în ​​apele puțin adânci. Cu puțin înainte de apus, heringul începe să se acumuleze treptat la o adâncime de 160 până la 190 m. La început, densitatea peștilor crește încet. Cu toate acestea, în momentul în care densitatea atinge o valoare prag de 0,2 pește pe metru pătrat, comportamentul peștilor se schimbă radical.Peștele se grăbește brusc unul către celălalt și formează un cluster dens (până la 2-5 pești pe metru patrat), care devine un fel de "centru de cristalizare" pentru o turmă gigantică. Din acest grup primar, un "val" de comportament alterat se răspândește rapid: peștele vede că rudele lor s-au grăbit deja să se adune, iar ei înșiși încep să înoată reciproc.

Ca urmare, acumularea de pește crește într-o rată care este cu un ordin de mărime mai mare decât rata la care un pește individual poate înota. În cele din urmă, o turmă densă se formează până la o lungime de 20-30 km și o lățime de aproximativ 3-4 km, care se extinde de la vest la est la o adâncime de 160-190 m de-a lungul pantei nordice a puțului de reproducere. Apoi toată această mare masă de pești începe o mișcare concertată la sud și în sus, spre locul de reproducere. Acum mișcarea are loc la fel de repede ca și hering-ul înoată. Marginea din față a turmei în mișcare este uniformă și clară, marginea din spate este neuniformă și neclară din cauza celor "întârziate", care continuă să se ridice din adâncime. Herringul cade pe timp de noapte la o adâncime de aproximativ 50 m, iar în zori pachetul se dispersează până seara următoare.

Care este sensul acestui comportament? În primul rând, reproducerea în hering este o chestiune colectivă, femelele ar trebui să înflorească împreună, iar bărbații ar trebui să o fertilizeze împreună, prin urmare sincronizarea comportamentului acestor pești este foarte importantă.În al doilea rând, majoritatea prădătorilor preferă să prindă hering în apă de mică adâncime, deci este avantajos ca peștii să ajungă la locul de reproducere în grupuri mari (a se vedea: Stilul de viață public crește stabilitatea sistemului "prădător-pradă", "Elements", 10.29.2007) faceți-vă propriul lucru și reveniți la o profunzime relativ sigură.

Etapele succesive ale formării unui turmă de hering. Imaginile au fost obținute utilizând o scanare ecolocație a ariei de apă de dimensiuni de 7 până la 32 km (distanța de la unitatea de ecolocație este marcată la marginea inferioară și cea stângă a figurii). În colțul din stânga sus al fiecărei diagrame, este indicat ora din zi (toate imaginile au fost obținute în seara zilei de 3 octombrie 2006). Diferitele culori arată densitatea peștilor (a se vedea legenda din stânga sus). Fig. din articolul respectivștiință

Studiul a arătat că în hering, ca și în alte organisme cu un sens "cvorum", o schimbare bruscă a comportamentului și transformarea unui set de persoane neorganizate într-un întreg ordonat are loc ca răspuns la atingerea unei concentrații de prag a indivizilor (în acest caz densitatea pragului este de 0,2 persoane pe mp m.). Ce semnale – hering vizuale sau, să spunem, olfactiv – hering se orientează, evaluând densitatea populației, este încă necunoscut și este foarte dificil de aflat.

Este mult mai ușor să înțelegem mecanismele fiziologice ale "senzației de cvorum" în bacteriile care nu au nici viziune, nici auz, nici sistemul nervos și pentru care, prin urmare, există doar o modalitate de comunicare – chimică, similară mișcării comunicării la animale.

Cu toate acestea, sistemele moleculare genetice care oferă o "senzație de cvorum" în bacterii pot fi foarte complexe, așa cum se poate vedea clar în exemplul unui microb luminos. Vibrio harveyi. Aceste bacterii eliberează în mediu trei substanțe semnal "autoinductor" (autoinductoare, AI). Fiecare substanță corespunde unui receptor care reacționează la prezența substanței "sale" în mediu. Toți cei trei receptori transmit semnalul primit în interiorul celulei, activând proteina de reglare LuxU. Aceasta, la rândul său, activează o altă proteină (LuxO), care activează activitatea mai multor gene care codifică RNA mici de reglementare. Aceste ARN-uri de reglementare blochează activitatea genei care codifică proteina LuxR. Acesta din urmă este un participant-cheie în cascada de reglementare: depinde de activitatea multor gene, inclusiv cele prin care bacteria strălucește.

Desigur, acest sistem dificil este necesar nu numai pentru a regla strălucirea.Multe alte aspecte ale comportamentului unei bacterii depind de aceasta, doar că strălucirea este cea mai ușoară înregistrare și măsurare. Multe detalii sunt deja cunoscute în acest sistem de reglementare, dar ceva rămâne misterios. De exemplu, nu este clar de ce avem nevoie de cât trei substanțe diferite de semnalizare și de trei receptori pentru ei, dacă totul se reduce în cele din urmă la același rezultat: fie gena luxR este pornit și apoi microbii strălucesc sau sunt opriți, iar apoi bacteriile se sting. Și problema nu se schimbă radical de la faptul că LuxR reglează multe gene diferite, și nu doar "genele luminescenței". Oricum, activitatea tuturor sistemelor controlate depinde de o singură variabilă: gradul de activitate a genei luxR. Se pare că bacteriile pot face cu ușurință o substanță de semnalizare și un receptor, adică o variabilă "la intrare" pentru a regla o singură variabilă "la ieșire". Cu toate acestea, din anumite motive, bacteriile gândesc diferit și comunică între ele folosind trei substanțe diferite de semnalizare.

Pentru a intelege aceasta problema dificila, cercetatorii au construit mai multe tulpini modificate genetic. Vibrio harveyi, în care sistemul de comunicare chimică a fost mult simplificat. În primul rând, toate bacteriile au o genă care codifică unul dintre cei trei receptori eliminați. Acum, microbii ar putea reacționa numai la două dintre cele trei substanțe de semnalizare (AI-1 și AI-2). În al doilea rând, genele necesare pentru producerea substanțelor de semnalizare au fost dezactivate. Acest lucru a fost facut astfel incat cercetatorii sa poata pastra concentratia substantelor AI-1 si AI-2 sub controlul lor complet. În al treilea rând, aceștia au atașat la locul de reglementare (promotorul) unuia dintre ARN-urile mici de reglementare implicate în cascada de reglementare, o genă a proteinei fluorescente verde. Acest lucru le-a dat posibilitatea de a judeca gradul de activare a cascadei de reglementare a "senzației de cvorum" cu mult mai mare acuratețe și detalii decât puterea luminiscenței naturale a bacteriilor, în funcție de puterea fluorescenței celulelor individuale bacteriene.

Sa constatat că ambele substanțe de semnalizare (AI-1 și AI-2) acționează asupra sistemului aproape în mod egal, iar sistemul poate fi în una din cele trei stări stabile:

1) Dacă concentrația ambelor substanțe este scăzută, bacteriile produc în mod activ proteine ​​fluorescente verzi.Aceasta înseamnă că sinteza proteinelor LuxR este suspendată și, prin urmare, toate genele care sunt blocate de proteina LuxR activează activ și toate genele care sunt activate de această proteină sunt oprite (inclusiv genele responsabile pentru strălucirea naturală).

2) În cazul în care concentrația orice din două substanțe, AI-1 sau AI-2, se ridică la o valoare de prag (care corespunde la aproximativ o moleculă dintr-o substanță per volum ocupată de o bacterie), atunci fluorescența verde slăbește considerabil, dar nu se oprește deloc. Această stare "intermediară" este destul de stabilă. Nivelul de fluorescență rămâne aproape neschimbat într-o gamă largă de concentrații de substanțe de semnalizare – dacă numai concentrația uneia dintre substanțe este mai mare, iar a doua este mai mică decât pragul.

3) În cele din urmă, dacă concentrarea ambii Substanțele semnal depășesc pragul, proteina verde fluorescentă încetează să mai fie sintetizată. Aceasta înseamnă că cascada de reglementare este activată pe deplin. Numai în acest caz se aprinde strălucirea naturală.

Cu alte cuvinte, sa dovedit că utilizarea a două substanțe de semnalizare a permis bacteriilor să creeze un "comutator" molecular capabil să primească nu două, ci trei stări stabile.Fiecare dintre aceste trei state, aparent, are un set propriu de gene pornite și deconectate, adică propriul "model de comportament" al microbilor.

Autorii sugerează că, de fapt, acest comutator nu poate avea chiar trei, ci patru stări stabile – la urma urmei, există și oa treia substanță semnal, care nu a fost luată în considerare în experimente.

Potrivit autorilor, un astfel de sistem complex de comunicare chimică permite bacteriilor să își reglementeze comportamentul în funcție de faza de dezvoltare a comunității microbiene (biofilm, vezi Biofilm). În teorie, concentrațiile de substanțe de semnalizare – precum și comportamentul bacteriilor – se pot schimba în mod natural în timpul dezvoltării coloniilor. Vibrio harveyi, iar autorii caută în prezent dovezi ale acestei ipoteze.

Sentimentul de "cvorum" al heringului și al bacteriilor luminoase determină sincronizarea comportamentului, forțând toate persoanele să se comporte în același mod. Cu toate acestea, există și cazuri de reacție "bimodală" a populației la semnalele colective. Acest lucru înseamnă că același semnal cauzează una dintre cele două reacții alternative la diferite persoane, iar alegerea uneia sau a altei variante nu poate fi determinată nici de genotipul individului, ci de simpla șansă.Astfel, se obține o varietate de fenotipuri (comportament), independent de diversitatea genotipurilor. De obicei, cu o reacție bimodală, stabilitatea fiecăreia dintre cele două stări alternative ale corpului este asigurată de feedback-uri pozitive. Un exemplu al acestui comportament este discutat în articol. Bacteriile altruiste ajută rudele lor canibale să se mânce (Elemente, 27 februarie 2006).

Există un "sentiment de cvorum" la om? Aparent, răspunsul la această întrebare ar trebui căutat în literatura științifică privind așa-numita "psihologie a mulțimii" (a se vedea, de exemplu: A.P. Nazaretyan, mulțimea și modelele comportamentului său).

surse:
1) Nicholas C. Makris, Purnima Ratilal, Srinivasan Jagannathan, Zheng Gong, Mark Andrews, Ioannis Bertsatos, Olav Rune Godø, Redwood W. Nero, J. Michael Jech. Densitatea populației critice declanșează formarea rapidă a capcanelor de pește Oceanic // știință. 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. Semnale de detecție quan cu rezoluție unică a celulelor // PLoS Biology. 2009. V. 7 (3). P. e1000068. doi: 10.1371 / journal.pbio.1000068.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: