Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Правила конкуренции среди микроорганизмов.
В природе, микроорганизмы проживают в сообществах, где разные виды взаимодействуют друг с другом. Изучение этих взаимодействий становится все более популярным направлением исследований в последние десятилетия. Обычно такие связи представлены в виде сетей, где виды организмов показаны узлами (на схеме обозначены кругами), а контакты между этими видами – линиями.
Один из ключевых вопросов, возникающий при изучении сетей микробных взаимодействий, состоит в следующем: какой же вид взаимоотношений существует между микроорганизмами: сотрудничество или конкуренция?
Ученые, изучающие микробные сообщества, наблюдали оба типа коммуникации. Сотрудничество, к примеру, может принимать разные формы. Одна из таких форм имеет название перекрестное кормление. В процессе перекрестного кормления, микроб одного вида выделяет вещества – “отходы”, которые становятся питательными веществами для другого микроба. Другой пример – формирование биопленки. Микробы производят своего рода слизь, которая защищает клетки от хищников и внешних воздействий. Конкуренция между микроорганизмами подразумевает “борьбу” за питательные вещества между двумя (или более) видам организмов.
В своем исследовании, Фостер и Белл попытались дать объяснение выше поставленному вопросу. Ученые провели эксперимент на тех видах микроорганизмов, которые с легкостью можно вырастить в лабораторных условиях, так как только небольшая часть известных науке микроорганизмов может быть выращена в лаборатории с помощью современных технологий (чтобы узнать об этом больше, читайте здесь и здесь).
Исследователи изолировали бактерии с буковых деревьев, а именно из тех мест, где наблюдалось естественное скопление дождевой воды, служащее идеальным местом для развития бактерий. Они провели два отдельных эксперимента (один с 72 видами бактерий (Эксперимент 1), и другой с 32 видами бактерий (Эксперимент 2)), и для каждого из них ученые измерили биологическую активность микробных сообществ. В конце первого эксперимента была получена смесь из 683 разных организмов, и в конце второго эксперимента – смесь из 480 организмов (включая монокультуры, где каждый вид бактерии был культивирован отдельно для сравнения с многовидовыми культурами). Затем, они оценили биологическую продуктивность сообществ при помощи измерения количества выделяемого углекислого газа: чем больше количество CO2, тем более “продуктивно” сообщество.
Ученые обнаружили, что в обоих экспериментах подавляющее большинство взаимодействий между видами организмов было конкурентным. Незначительное количество было кооперативным, и было связано лишь с небольшим увеличением производительности. Кроме того, такие товарищеские отношения в большинстве случаев были выгодны только одному организму и редко были взаимовыгодными. Сообщества, состоящие из разнообразных видов, демонстрируют более успешную работу, чем сообщества, состоящие из монокультур. Это говорит о том, что конкуренция между разными видами слабее, чем конкуренция между особями одного и того же вида. Авторы не смогли найти никаких доказательств, подтверждающих присутствие взаимовыгодных отношений в сообществах с двумя и более видами (в исследованиях микробных сообществ, такие взаимодействия называются “взаимодействия более высокого порядка”).
На основе данных, взятых из сообществ только с одним видом бактерий, предполагается, что взаимодействие между организмами возрастает, если в эту смесь будут добавлены другие виды организмов (обозначено красной линией на графике ниже). Однако, во время экспериментов исследователи не увидели увеличения продуктивности, что привело к выводу об отсутствии сотрудничества между различными видами (черная линия на графике ниже).
Результаты эксперимента достаточно необычны, поскольку может показаться, что бактерии, обитающие в природе, будут больше заинтересованы в отношениях сотрудничества, чем конкуренции. Почему же тогда ученые не нашли бóльшее количество положительных взаимодействий между бактериями? Фостер и Белл выдвинули два аргумента. Во-первых, существующая конкуренции за питательные ресурсы может заставить микроорганизмы начать борьбу за крайне специфичный компонент рациона. Во-вторых, микробные экосистемы дикой природы сильно отличаются от экосистем животных или растений с точки зрения влияния внешних температур, давления, количества доступного солнечного света и так далее. Такие неоднородные и непостоянные условия могут не давать возможность бактериям продемонстрировать кооперативные отношения.
Фостер и Белл пришли к выводу, что бактерии не будут вступать в сотрудничество с другими бактериями (то есть инвестировать свои ресурсы и, потенциально, испытывать значительные затраты), если это взаимодействие будет мимолетным и ненадежным. Это может объяснить преобладание конкурентных отношений в природе. Конечно же микробиологи будут проводить больше исследований для подтверждение этих результатов, а также будут наблюдать за поведением бактериальных сообществ за пределами лабораторной среды.
Featured image: Alice van Helden (personal work, 19-08-2021), with kind permission from the author.
Перевод был сделан Марией Мартыновой
micro-bites.org 
