Бактерии используют кооперацию и эволюцию для защиты от хищных протистов
В природе стабильность экосистем поддерживается за счёт динамики «хищник–жертва». Однако хищники не уничтожают всех жертв, что могло бы разрушить систему. Исследователи из Центра Гельмгольца по исследованию окружающей среды (UFZ), Технического университета Дрездена и Потсдамского университета изучили этот механизм на примере бактерий и водных протистов.
Согласно статье в ISME Journal, бактерии защищаются от хищных протистов с помощью кооперативного поведения и эволюции.
В 1 мл воды озера или реки обитает от 1 до 10 миллионов бактерий, которые очищают воду, разлагая органические соединения и загрязнители. Слишком высокая плотность бактерий может привести к распространению патогенов. Этому препятствуют микроскопические протисты (сотни–тысячи особей в 1 мл воды), поедающие бактерии. Учёные исследовали взаимодействие бактерии Pseudomonas putida и хищного протиста Poteriospumella lacustris.
Кооперативное поведение помогает, но лишь кратковременно
В пятинедельном лабораторном эксперименте хищные протисты сначала размножались и сокращали численность бактерий. Однако на второй неделе популяция протистов резко сократилась, так как бактерии начали вырабатывать токсин, подавляющий размножение хищников.
«Такая химическая защита успешна, только если достаточно большое число бактерий выделяет токсин в воду», — поясняет ведущий автор работы, гидробиолог д-р Магали де ла Крус Баррон (UFZ и ТУ Дрезден).
Это кооперативное поведение защищало всю популяцию, но лишь временно. Через несколько дней бактерии перестали выделять токсин, и к концу третьей недели хищники восстановили численность. Математическое моделирование показало, что для объяснения этого паттерна не обязательно наличие «читеров» (бактерий, не производящих токсин, но пользующихся защитой), если развиваются альтернативные стратегии защиты.
Индивидуальная защита действует долго и стабилизирует плотность популяций
С третьей недели у бактерий развился второй механизм защиты: большинство из них образовали нити (филаменты), в которых клетки выстроились в цепочки. Это увеличило размер бактерий в 10–100 раз, сделав многих из них недоступными для протистов. Такое индивидуальное поведение оказалось успешным.
К концу пятой недели плотность бактериальной популяции стабилизировалась. При этом сохранилось достаточно мелких бактериальных единиц, служащих пищей для хищников, что позволило и протистам достичь стабильной плотности популяции. В отличие от образования токсина, индивидуальная защита оказалась необратимой.
«Секвенирование бактериального генома показало, что образование филаментов сопровождалось изменением генетического материала. Эволюция произошла не за миллионы лет, а в течение нескольких дней», — говорит соавтор работы, проф. д-р Маркус Вайтере, руководитель отдела речной экологии UFZ.
Эта мутация происходила не единожды: эксперименты повторялись, и адаптация каждый раз воспроизводилась. Случайное изменение генома приводило к воспроизводимому паттерну адаптации.
Эксперимент продемонстрировал, как формирование стратегий защиты влияет на динамику систем «хищник–жертва» и насколько важна эта защита для стабилизации популяций. Также стало ясно, что жертвам не стоит полагаться на одну стратегию.
«В зависимости от ситуации успешной может оказаться одна из нескольких стратегий. В нашем эксперименте быстрая кооперативная защита привела к первоначальному успеху, но в итоге постоянную защиту обеспечила более медленная индивидуальная защита через эволюцию», — резюмирует Вайтере. Таким образом, индивидуальная защита возобладала, хотя первоначальная кооперативная защита определённо принесла пользу сообществу.