Арбалет, дыра для убийства, яд и граната: Смертоносный арсенал бактерий
Как и люди, бактерии живут в сообществах, где они могут помогать друг другу и сотрудничать. Однако, когда условия становятся суровыми, например, при нехватке пищи, бактерии становятся агрессивными - они убивают друг друга, чтобы получить доступ к ограниченным ресурсам. Для этого бактерии разработали несколько интересных видов оружия, в том числе микроскопический арбалет! Этот арбалет состоит из стрелы, обмотанной пружиной. Стрела оканчивается шипом, к которому прикреплен яд, иногда в контейнере, похожем на гранату. При контакте с конкурентом пружина проталкивает стрелу через отверстие в мембране бактерии, похожее на отверстие для убийства, используемое при обороне замка, и устремляется на врага. Бактерии также разработали стратегии защиты от этого оружия: противоядия от ядов, щиты, блокирующие стрелы, или способность объединяться в защитные группы. Мины, арбалеты, отверстия для убийств, гранаты, яды, противоядия и щиты - все это составляет военный арсенал бактерий!
Бактерии живут в сообществах
Бактерии - это микроскопические организмы, которые живут повсюду, вокруг нас! Они обладают необычайной способностью приспосабливаться к окружающей среде и поэтому колонизировали все экосистемы на планете. Бактерии можно найти в почве, в море, в озерах и других пресных водоемах, на полярных ледяных шапках, в гейзерах и горячих источниках, а также на растениях и животных. Они также присутствуют в нашей пище, на дверных ручках, в мобильных телефонах и даже на человеческой коже и в некоторых наших органах (рис. 1)!
В нашем организме живут миллиарды бактерий. Большинство из этих бактерий безвредны, а многие даже помогают нам выполнять важные функции, например, получать питательные вещества из пищи. Но некоторые бактерии пытаются напасть на нас и вызывают заболевания, от которых мы можем сильно заболеть. Как и люди, бактерии не живут поодиночке - они часто живут в сообществах. Сообщества бактерий, живущих на организмах или в них, называются микробиотой [ 1 ]. Эти сообщества высокоорганизованны и обеспечивают безопасность бактерий: бактериальные сообщества могут защищать себя от токсичных соединений, антибиотиков и даже от защитных сил человеческого организма. Внутри этих сообществ бактерии обмениваются информацией, материалами и продуктами питания, такими как аминокислоты, сахара или небольшие молекулы. В целом они помогают друг другу, сотрудничают и взаимодействуют. Но когда условия становятся сложными, например, когда сообщество испытывает стресс или когда ему не хватает пищи, ситуация может стать менее дружелюбной! Бактерии могут стать противными и агрессивными по отношению друг к другу, они даже пытаются убить друг друга, чтобы получить ограниченные ресурсы или больше места. Вы даже представить себе не можете, какая интенсивная война идет вокруг вас и даже внутри вас, пока вы читаете эту статью!
Оружие бактерий
Чтобы вести войну друг с другом, бактерии разработали очень сложное оружие (рис. 2a) [ 2 ]. Удивительно, но это оружие очень похоже на оружие, изобретенное людьми, за исключением того, что бактерии изобретали и совершенствовали его на протяжении миллионов лет. Это оружие массового поражения! Во-первых, бактерии создают химическое оружие: они производят антибиотики, которые убивают другие бактерии вокруг них. Возможно, вы знаете антибиотики как лекарства, которые врач выписывает при определенных видах инфекций, но бактерии производят антибиотики и для борьбы друг с другом. Бактерии также могут создавать "устройства", которые действуют как мины. Они называются бактериоцинами и выбрасываются в окружающую среду, заставляя другие бактерии, пролетающие мимо них, взрываться. Антибиотики и бактериоцины могут распространяться в окружающей среде и, следовательно, действовать на больших расстояниях.
Бактерии также выработали оружие, которое активируется, когда другая бактерия подходит слишком близко. Одно из них называется контактно-зависимым ингибированием роста (CDI): это что-то вроде палочки с ядом на кончике. Когда эта палочка с ядом касается вражеских бактерий, подошедших слишком близко, она убивает их.
Сложное оружие: арбалет
Самое впечатляющее оружие - это крошечный арбалет, который бактерии делают внутри себя (рис. 2b) и который называется системой секреции 6-го типа [ 3 ]. Длина этого арбалета составляет всего 0,8 микрометра, что в миллион раз меньше метра! Как работает этот арбалет? Сначала бактерия делает стрелу, которая заканчивается шипом, а затем добавляет дополнительное острое металлическое острие, которое делает стрелу более прочной. Чтобы привести стрелу в движение, бактерия создает вокруг нее пружину в растянутом виде. Когда пружина сжимается, она направляет стрелу в сторону врага.
Но если стрела сделана внутри бактерии, то как она запускается снаружи? Для этого бактерия строит туннель в своей клеточной мембране, который работает как дыра для убийства. Убийственная дыра - это отверстие в крепостных укреплениях средних веков, позволяющее метать различные предметы в нападающих. Через этот туннель можно пустить стрелу, чтобы убить врага! Отверстие, образующееся при попадании стрелы во врага, недостаточно, чтобы убить его, потому что бактерия-мишень очень быстро восстановит свою поврежденную мембрану, как при наложении повязки на небольшую рану. Поэтому атакующая бактерия часто добавляет яд на конец стрелы, а иногда и в саму стрелу. Возможно, вы слышали, что индейцы Амазонки с той же целью наносили яд под названием кураре на наконечники своих стрел. У бактерий есть очень важный набор ядов: некоторые из них могут разрушать мембрану бактерии-мишени, другие - разрушать ее скелет или ДНК, третьи - препятствовать ее росту или делению.
Недавно исследователи обнаружили новое оружие, связанное с этим арбалетом: ядовитую гранату! В этом случае яд, который бактерия прикрепляет к стреле, заключен в небольшой бочонок (рис. 2b) [ 4 ]. Как только бактерия оказывается внутри врага, две крышки бочонка снимаются, яд выходит из бочонка и убивает вражескую бактерию.
Бактерии защищают себя сами
Бактерии не беззащитны перед этим оружием - у многих из них есть способы самозащиты (Рисунок 3) [ 5 ]. Бактерии, производящие яды, часто также производят противоядия от этих ядов (рис. 3a). Таким образом, они защищают себя не только от собственного яда, но и от ядов, которые могут быть направлены против них их сестрами. Некоторые бактерии разработали различные тактики для самозащиты. Например, некоторые ревностно охраняют все найденные ими рецепты противоядий, что позволяет им противостоять многим ядам. Другие окружают себя щитом, называемым капсулой (рис. 3б). Капсула сделана из слегка липкого материала, в котором могут запутаться стрелы противника. Другая стратегия, используемая бактериями, заключается в том, что они выстраиваются в кластер, напоминающий римскую формацию testudo - упакованное формирование, покрытое щитами спереди и сверху, которое использовали римские легионы во время сражений (рис. 3c). Бактерии, находящиеся снаружи, принимают на себя удары, но защищают тех, кто находится внутри.
Итак, вы можете наглядно убедиться, что бактерии - бесстрашные воины! Для борьбы друг с другом они создали впечатляющий военный арсенал: мины, арбалеты, отверстия для убийств, щиты, гранаты, яды и противоядия! Все это оружие и средства защиты помогают бактериям выжить в сложных условиях. Они также изобрели оружие, чтобы бороться против нас и делать нас больными... но это уже история для другой статьи!
