Когда токсины спасают популяции
Некоторые почвенные бактерии могут изменять свою среду обитания так, что это ставит под угрозу их собственное выживание — если только токсины не ограничат их рост заранее.
Все живые организмы влияют на свою среду. Эти изменения могут положительно влиять на рост видов, которые их вызывают, и приносить пользу другим. Однако организмы могут также изменять среду обитания способами, вредными для их собственного выживания и даже ведущими к вымиранию. Это явление известно как экологическое самоубийство.
В новом исследовании биофизик LMU Йонас Денк вместе с Кристофом Ратцке и профессором Джеффом Гором из MIT изучили динамику этого процесса. Их результаты опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.
Исследователи проанализировали популяционную динамику культур почвенной бактерии Paenibacillus sp.. При выращивании в слабо буферизованной среде с глюкозой в качестве основного источника углерода этот вид выделяет метаболиты, которые постепенно подкисляют среду и сильно снижают локальный pH. Когда значение pH достигает примерно 4, клетки начинают гибнуть, и в течение менее 24 часов не остаётся жизнеспособных клеток. Чем больше доступно пищи, тем быстрее гибнет популяция.
Однако катастрофы можно избежать, если увеличить буферную ёмкость среды (которая помогает поддерживать pH), — это доказывает, что накопление «кислотных отходов» ответственно за гибель клеток.
«Каждой бактерии нужна пища, чтобы выживать и размножаться, но совокупный эффект побочных продуктов их метаболизма в конечном итоге вызывает коллективное самоуничтожение популяции», — говорит Йонас Денк.
Это приводит к парадоксальному эффекту: другие токсичные вещества, такие как спирты, соли или антибиотики, могут способствовать выживанию популяции, подавляя рост и размножение её отдельных членов.
Когда популяции Paenibacillus выращивают в среде с умеренной буферной ёмкостью, выживание становится зависимым от плотности клеток, что порождает сложные осцилляторные динамики. Это подчёркивает, что помимо взаимодействий между разными видами, которые тщательно изучались ранее, взаимодействия между одним видом и его средой могут быть важны для понимания сложной динамики популяции.
Поскольку многие микроорганизмы способны изменять среду вредными способами, Денк и коллеги предполагают, что это явление играет важную роль в микробной экологии и эволюции. Из 21 изученной почвенной бактерии исследователи действительно наблюдали экологическое самоубийство у пяти из них.
«Почвенные бактерии в природе являются частью сложных биологических сообществ, — отмечает Денк. — Индуцированное изменение pH, например, может улучшить выживание в краткосрочной перспективе, если оно повышает общую способность сообщества справляться с внезапным изменением условий окружающей среды».