Бактериальные сообщества создают калейдоскопические узоры в синхронном плавании

от

Профессор Джоэл Ставанс, физик, изучающий физику биологических процессов и особенно заинтересованный в природных бактериальных сообществах, был вдохновлён пустынным регионом в северной Мексике. Он узнал об уникальной водной среде в бассейне Куатро-Сьенегас, расположенном в мексиканском штате Коауила. Это место является домом для исключительного разнообразия форм жизни, включая редкие микробные сообщества, которые процветают в экстремальных условиях, подобных тем, что существовали на Земле в докембрийский период около 700 миллионов лет назад.

Ставанс и доктор Ринат Арбель-Горен, старший научный сотрудник его лаборатории в Департаменте физики сложных систем в Институте Вейцмана, участвовали в исследовательских экспедициях для сбора образцов из этого региона. Вернувшись в Израиль с несколькими древними видами, к ним присоединился доктор Оскар Галлардо-Наварро, микробиолог из Мексики, который приехал для проведения постдокторского исследования в Вейцмане.

В одном эксперименте Галлардо-Наварро был удивлён, обнаружив, что, несмотря на выращивание в статических условиях, бактериальные культуры формировали как мутные, так и прозрачные динамические зоны, которые можно было увидеть невооружённым глазом — отличительные узоры, созданные каждым видом бактерий.

Как сообщается в журнале Nature Communications, исследовательская группа Ставанса обнаружила, что различные виды бактерий, которые плавают в направлении областей с более высокой концентрацией кислорода, генерируют уникальные паттерны самоорганизации.

Иными словами, каждый вид создавал свой собственный пространственный дизайн: одни формировали шестиугольные массивы, другие создавали вытянутые или извилистые структуры. Эти находки расширяют наше понимание коллективного движения в природных системах, таких как стаи птиц, косяки рыб и колонии муравьёв, и могут также иметь значение для изучения коллективного поведения человека и даже робототехники.

«Поразительные узоры, которые мы наблюдали, являются результатом процесса, известного как биоконвекция», — объясняет Ставанс. «Будь то в естественном озере или в лабораторной посуде, бактерии, которые не могут выжить без кислорода, плывут вверх к поверхности воды, где уровень кислорода выше. Поскольку бактерии плотнее воды, гравитация тянет их обратно вниз, как только они достигают вершины, создавая конвекционные потоки».

«Биоконвекция — это хорошо документированное научное явление, но это исследование раскрывает новое измерение: замечательное разнообразие видоспецифичных узоров», — говорит Ставанс. «Предыдущие исследования в основном были сосредоточены на модельных бактериях, выращенных в лаборатории, и никто не задумывался о тщательном изучении отличительных моделей коллективного поведения, демонстрируемых различными видами бактерий и штаммами из одного естественного сообщества».

Исследователи тщательно смешивали различные виды бактерий в разных соотношениях и с изумлением наблюдали, как появляются новые узоры биоконвекции — узоры, сформированные взаимодействием между уникальными узорами, созданными каждым видом. Учёные маркировали виды разными флуоресцентными цветами и с высокой точностью отслеживали местоположение каждого в формирующемся захватывающем калейдоскопе.

Озадаченные тем, как и почему происходит такая впечатляющая сегрегация, команда исключила биологическое притяжение или отталкивание между видами как причину; в конце концов, без биоконвекции пространственной сегрегации не наблюдалось. Ни морфологические различия между видами не могли объяснить это явление.

Исследователи предположили, что оно может быть связано с различными характеристиками подвижности каждого вида. Когда они проанализировали плавательное поведение разных бактерий, они обнаружили, что у каждого вида была своя средняя скорость и частота изменения направления. Чем больше разница между плавательными характеристиками двух видов, тем более заметной была наблюдаемая пространственная сегрегация.

«Поразительно видеть, как микроскопические различия в движении — порядка двух микрон — приводят к видимым узорам на площадях, более чем в тысячу раз больших», — говорит Ставанс.

Исследователи полагают, что эта сегрегация развилась как стратегия минимизации столкновений между плавающими вместе бактериями, чтобы позволить каждому виду наилучшим образом удовлетворить свои потребности в кислороде в общей среде обитания. Эти выводы могут применяться не только к бактериальным сообществам бассейна Куатро-Сьенегас, но и к микробным экосистемам во всём мире.

Более того, Ставанс отмечает, что результаты могут иметь отношение к области, которую физики называют физикой активного вещества, которая изучает системы, в которых коллективное поведение возникает из-за самопроизвольного движения отдельных компонентов, даже если отдельные члены не обязательно общаются друг с другом.

Предоставлено:
Институт Вейцмана.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте