Ученые раскрыли, как древние бактерии создают живые маты — разгадка одной из старейших загадок природы

Ученые выяснили, как цианобактерии — первые фотосинтезирующие организмы Земли — самоорганизуются в сложные живые маты. Это дает понимание водных экосистем и может вдохновить на создание новых материалов.

Исследование, опубликованное в Communications Physics (Университет Лафборо и Университет Ноттингем Трент), показывает, как эти микроорганизмы переходят из случайного, неорганизованного состояния в переплетенные структуры, формирующие «биоматы», раскрывая фундаментальные принципы этого природного феномена.

Почему изучают цианобактерии

Цианобактерии — древняя группа микроорганизмов, окаменелости которых датируются двумя миллиардами лет. Они были первыми формами жизни на Земле, способными к фотосинтезу, и способствовали созданию богатой кислородом атмосферы, что сделало возможной сложную жизнь.

Сегодня они остаются одной из крупнейших и наиболее значимых групп бактерий, играя ключевую роль в поддержании баланса атмосферы и океанов. Они процветают практически во всех водных средах планеты, включая замерзшие антарктические озера.

«Цианобактерии повсеместно распространены в любом водоеме — море, озерах, реках», — объясняет д-р Марко Мацца, эксперт по неравновесной физике из Университета Лафборо. — «Они производят львиную долю кислорода, которым мы дышим, и формируют одну из основ пищевой цепи в океане. Понимание того, как они строят свои биоматы, может помочь нам узнать об их роли в различных экосистемах, дать ключи к пониманию древних сред, где впервые зародилась жизнь, а также вдохновить на создание новых материалов для использования человеком».

Что такое биоматы?

Отдельная цианобактерия чрезвычайно мала, обычно от 1 до 30 микрометров (µm) в диаметре. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет от 50µm до 70µm.

Несмотря на размер, цианобактерии могут образовывать колонии — «биоматы», видимые невооруженным глазом. Они часто выглядят как скользкая зеленая слизь, обычно называемая «сине-зелеными водорослями», и встречаются в стоячей воде, на дне рек и вдоль берегов морей.

Биоматы формируются, когда цианобактерии соединяются в нитевидные филаменты. По мере роста эти подвижные филаменты переплетаются в сложные узоры, образуя структуру мата.

Примечательно, что биомат размером с лист А4 может появиться за часы или дни и содержать сотни миллионов цианобактерий.

Эти биоматы часто попадают в заголовки при загрязнении пресноводных систем, когда избыток питательных веществ вызывает быстрый рост и образование «цветения воды».

Филаментозные цианобактерии сплетаются вместе, чтобы повысить выживаемость, так как биоматы обеспечивают стабильность и защиту. Сформировавшаяся колония функционирует как единое целое, способное реорганизовывать свою структуру в ответ на изменения течения воды, доступности света или уровня питательных веществ.

«По сути, цианобактерии изобрели ткачество и вязание до людей», — сказал д-р Мацца. — «И, как часто бывает, мы можем научиться новым трюкам у природы. Представьте, если бы мы могли создать умную одежду или адаптивные материалы, которые реагируют на изменения внешних условий. Но сначала нам нужно понять, как цианобактерии самоорганизуются в биоматы — загадку, которую мы только начинаем разгадывать».

Разгадка биоматов цианобактерий

Исследователи использовали передовые методы микроскопии, симуляции и теоретические модели. Ранее они выяснили, что при достаточно высокой плотности цианобактерии начинают самоорганизовываться в узоры, следуя нескольким простым правилам.

В новом исследовании команда сравнила предсказания модели с реальными экспериментами. Они культивировали цианобактерии Oscillatoria lutea и с помощью высокоразрешающего лазерного сканирующего микроскопа зафиксировали, как филаменты взаимодействуют и самоорганизуются при разной плотности, и как развивается биомат во времени.

Результаты показывают, что модель точно описывает, как филаменты цианобактерий переходят из случайного состояния в сложные, похожие на паутину узоры. Она успешно описывает как ранние стадии формирования паттернов, так и развитие стабильных крупномасштабных структур.

Исследование также показывает, что плотность филаментов и их подвижность играют решающую роль в формировании узоров. Наиболее организованные и стабильные паттерны возникают при высокой плотности и высокой подвижности.

Длина филаментов также имеет значение: более длинные филаменты склонны формировать более выровненные, упорядоченные узоры, в то время как короткие создают более плотные, но менее организованные структуры.

Важность исследования

Профессор Лукас Герринг, руководивший экспериментальной работой в Университете Ноттингем Трент: «Эта работа показывает, как удивительно сложное поведение биоматов — самых ранних проявлений многоклеточной жизни на Земле — может быть объяснено несколькими простыми правилами. Удивительно, что те же правила, которые объясняют узоры в зрелых биоматах, без существенных изменений могут объяснить и то, как эти узоры формируются. Временные масштабы и особенности, возникающие в модели, могут сразу объяснить первые несколько часов жизни колонии биопленки, а также ее окончательную форму и структуру».

Ведущий автор исследования д-р Ян Камманн, научный сотрудник по математике в Университете Лафборо: «Теперь, когда мы понимаем механизмы организации цианобактерий в сложные биоматы, мы можем начать исследовать, как эти биоматы реагируют на физические и химические изменения в окружающей среде. Это понимание может помочь нам узнать, как биоматы стабилизируют отложения в прибрежных регионах, и понять, как предотвратить образование биоматов на кораблях и других морских сооружениях. В конечном счете, мы надеемся углубить понимание одного из важнейших членов экосистемы, чья способность формировать свою среду обитания поразительна».

Команда считает, что результаты также могут помочь в будущих исследованиях того, как разные типы бактерий самоорганизуются в структуры.

«Это может улучшить наше понимание того, как формируются бактериальные биопленки — сообщества бактерий, прикрепившихся к поверхности и друг к другу», — говорит д-р Камманн. — «Эти знания критически важны, учитывая центральную роль биопленок в различных процессах, таких как инфекции человека, деградация окружающей среды и биоинженерия».