Бактерии существуют на Земле миллиарды лет. Это одна из первых форм жизни, появившихся на планете. Свои малые размеры они компенсируют распространенностью и разнообразием: некоторые ученые считают, что их примерно миллион видов, другие — что на самом деле разновидностей бактерий более миллиарда. Подсчитать, сколько их всего, не представляется возможным. Только в теле человека на почти 30 триллионов клеток (примерно столько содержится в теле весом в 70 кг) приходится 39 триллионов бактерий. Странно было бы думать, что все эти микроорганизмы никак не общаются между собой — с точки зрения эволюции это было бы нелогично. Люди появились «всего» сотни тысяч лет назад и уже способны говорить друг с другом, неужели бактерии за 3,5 миллиарда лет не научились хотя бы примитивным сигналам?
Бактерии-полиглоты
Разумеется, бактерии могут общаться. Да, у них нет голосовых связок, чтобы сказать что-то вроде «Привет, пневмококк!» или «Как дела, кишечная палочка?», да и с жестами наблюдается некоторая проблема. Тем не менее они могут передавать друг другу сигналы, с помощью которых колония микроорганизмов координирует свои действия — чтобы, например, расти быстрее. Сигналы эти они транслируют либо с помощью химических процессов, либо применяя электричество. Один микроорганизм отправляет сообщение, а другой принимает его и меняет соответствующим образом свое поведение. Всё как у людей — только тихо и никаких споров (хотя кто знает, возможно, ученые пока просто не докопались до такого глубокого уровня).
Все дело в волшебных пузырьках
Химическое общение бактерий называется «чувство кворума». В ходе его бактерии выделяют сигнальные молекулы-аутоиндукторы — «письма», адресатами которых являются соседние микроорганизмы. Получив такое письмо, бактерия действует в соответствии с его содержанием, меняя работу своих генов. В некоторых случаях темой письма может стать создание биопленки, иногда — трансформация, когда бактерия поглощает свободную ДНК из окружающей среды, чтобы получить новые свойства.
При большом количестве бактерий концентрация аутоиндукторов становится достаточно высокой, и в таких случаях, например, Pseudomonas aeruginosa — синегнойная палочка (она может стать причиной развития цистита, энтерита и других заболеваний) — повышает свою вирулентность. Если в «малых дозах» она условно опасна для человека, то в больших количествах из-за чувства кворума бактерии начинают активно заражать клетки носителя. То же самое чувство кворума позволяет им вырабатывать устойчивость к антибиотикам, чтобы стать еще большей проблемой.
Темные силы электричества
Химические сигналы — не единственный способ общения бактерий. Так, многие бактерии живут не поодиночке, а формируют биопленку, прикрепленную к какой-либо поверхности. Каким образом одиночные бактерии решают расстаться со своей свободой и присоединиться к конгломерату?
Ученые говорят: здесь уже работает электричество. Помимо молекул-аутоиндукторов бактерии обмениваются и электрическими сигналами — это чем-то напоминает работу человеческого мозга. В частности, в ходе экспериментов специалисты выяснили, что когда биопленке или колонии бактерий не хватает питания и рост сообщества микроорганизмов останавливается, за это отвечает как раз электричество.
Голодные бактерии выпускают ионы калия — когда они достигают соседних бактерий, те обновляют сигнал, и так до тех пор, пока он не дойдет до края колонии. Крайние бактерии, поймав «письмо» от коллег из центра, прекращают размножаться, пока не получат второго сигнала, отменяющего первый приказ. Искусственно выведенные бактерии, которые не могли обмениваться этими ионами, размножаться при недостатке пищи не прекращали.
Зачем ученым изучать способы общения бактерий?
Ответ на этот вопрос довольно прост — поскольку бактериальное общение может привести в том числе и к неприятным для человека последствиям, почему бы не вмешаться в этот процесс? Если наука поймет, как именно происходит обмен сигналами и какими именно в конкретных случаях, то это будет шагом на пути к тому, чтобы вмешаться в «переписку» и принудить бактерии вести себя так, как нужно человеку (напомним, они не особо-то спорят с сигналами).
Если специалистам удастся остановить процесс развития антибиотикорезистентности — а это огромная проблема всего мира, — все человечество сможет выдохнуть с облегчением. Эксперименты в этой сфере уже вовсю проводятся — например, ученые смогли с помощью синтетических молекул-аутоиндукторов остановить процесс формирования биопленки у золотистого стафилококка и снизить токсичность бактерий.
Есть такой поучительный анекдот — кошка гавкала у мышиной норки, а когда мышь выглянула, съела ее и говорит: «Как хорошо знать хотя бы один иностранный язык». Для человека и бактерий это тоже справедливо — если мы научимся говорить на их языке, то сможем убедить их делать то, что необходимо нам, а не им. В частности, было бы очень полезно уметь останавливать рост колоний патогенных бактерий и стимулировать размножение полезных для человека микроорганизмов, и в этом «бактериальная лингвистика» может оказать серьезную помощь.