Co ma człowiek do mikroba? Wspólną historię! Sekretne życie bakterii

Komórki bakterii, niezależnie od tego, czy żyją w przydomowym ogródku, w głębinach gorącego morza, czy w Arktyce, w mulistym jeziorku, czy na pustyni, w męskiej toalecie na Grand Central Station, czy występują jako toksyny lub probiotyki w naszym jelicie grubym, muszą wykonywać wiele tych samych ważnych zadań, które wykonują ludzie, żeby utrzymać się przy życiu i zdrowiu: unikać niebezpieczeństw, wykrywać i przyswajać składniki odżywcze i źródła energii, utrzymywać właściwy poziom płynów i elektrolitów.

I żeby ich rodzaj przetrwał, muszą się rozmnażać. Tak jak my zaspokajają wiele potrzeb związanych z przetrwaniem, między innymi poprzez wchodzenie w behawioralne interakcje ze środowiskiem.

Jeden za wszystkich

Ponieważ cały organizm bakterii zawiera się w jednej komórce, nie ma dodatkowych komórek, które tworzyłyby oddzielne narządy zmysłów, mięśnie czy układ nerwowy koordynujący aktywności związane z czuciem i ruchem. Pojedyncza komórka działa w pojedynkę.

Wiele bakterii jest ruchliwych i swój nieustanny chaotyczny ruch wykorzystuje w codziennym przetrwaniu. Poruszają się dzięki motorom molekularnym, które sterują włóknistymi wypustkami zwanymi wiciami. Do poruszania się używają dwóch rodzajów ruchu: „pływania” i „koziołkowania”. Kiedy wszystkie wici obracają się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, bakteria płynie ruchem ukierunkowanym, kiedy zaś wici obracają się zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara, bakteria koziołkuje.

fot.Ciotu Cosmin /CC BY-SA 4.0

Przed 3,5 miliarda lat pojawiły się bakterie, które do dziś dnia stanowią najliczniejszy rodzaj organizmów na Ziemi.

Ruchliwość oznacza zarówno korzyści, jak i koszty. Wymaga posiadania wici, a ruch wici zużywa ogromną część codziennego zasobu energetycznego bakterii. Plusem jest to, że ruchliwość daje większe możliwości zdobywania pożywienia i unikania niebezpieczeństw. Prymitywne ruchy bakterii, jak wspomnieliśmy, nazywane są taksjami, reakcjami orientacyjnymi w kierunku substancji pożytecznych i w kierunku przeciwnym do substancji szkodliwych. Substancje pożyteczne nazywamy atraktantami, a szkodliwe – repelentami. Taksje występują wyłącznie w organizmach mobilnych, różnią się zatem od tropizmów łodygi, liści czy korzeni stacjonarnych roślin; w przypadku taksji cały organizm zmienia swoje położenie w przestrzeni.

Taksje są inicjowane w wyniku wykrycia przez receptory atraktantów bądź repelentów. Niektóre receptory są wrażliwe na stężenie związków chemicznych w środowisku (chemoreceptory), inne zaś na światło (fotoreceptory). Zachowania zachodzące pod wpływem związków chemicznych noszą nazwę chemotaksji, a zachodzące pod wpływem światłem – fototaksji.

Koziołkowanie zależy od chwilowej sytuacji bakterii. Kiedy zostanie wykryty atraktant, koziołkowanie słabnie, co skutkuje tym, że bakteria płynie, przemieszczając się w kierunku substancji. Natomiast obecność repelentu nasila koziołkowanie, co powoduje zmianę kierunku ruchu i wycofanie. Występowanie koziołkowania lub pływania uzależnione jest od sygnałów cząsteczkowych wysyłanych przez receptory bakterii; siła tych reakcji zależy od stężenia bodźca (substancji chemicznej lub światła).

Ciepło, cieplej, parzy!

Komórki bakteryjne muszą też utrzymywać odpowiednią objętość płynów w celu zachowania zdrowia; jeśli wody jest za dużo, komórka eksploduje, a jeśli za mało – imploduje. Na proces ten składa się szereg złożonych interakcji między elektrolitami (solami, np. sodu i potasu) i wodą. Jeśli stężenie soli jest większe na zewnątrz komórki niż wewnątrz, woda jest usuwana, co wyrównuje równowagę płynów i soli oraz zapobiega rozerwaniu komórki; jeśli stężenie soli w środku jest zbyt wysokie, woda jest wciągana do środka, aby zapobiec zapadnięciu się komórki.
Podobnie wygląda utrzymywanie równowagi płynów w różnych komórkach organizmu u zwierząt.

Kiedy nasze komórki mają zbyt wysokie stężenie soli, pijemy płyny, aby wyciągnąć sól z komórek i przywrócić równowagę. Utrata płynów wskutek wymiotów, biegunki lub intensywnego wysiłku fizycznego powoduje obniżenie ilości elektrolitów, co narusza równowagę w komórkach; trzeba wówczas uzupełnić elektrolity oraz płyny, na przykład poprzez spożycie napojów bogatych w elektrolity (takich jak Gatorade) lub w ciężkich przypadkach poprzez podanie kroplówki.

fot.Denise Chan/CC BY-SA 2.0

Komórki bakteryjne muszą też utrzymywać odpowiednią objętość płynów w celu zachowania zdrowia; jeśli wody jest za dużo, komórka eksploduje, a jeśli za mało – imploduje.

Wiele zwierząt wyposażonych jest w mechanizmy fizjologiczne, które utrzymują stałą temperaturę wewnętrzną pomimo zmian temperatury na zewnątrz, ponieważ wahania temperatury mogą zakłócać procesy fizjologiczne i reakcje chemiczne niezbędne do przetrwania komórek. Zwierzęta wykorzystują do termoregulacji również zachowanie – rozbieramy się lub szukamy cienia, kiedy jest za gorąco, i zakładamy kolejne warstwy odzieży, kiedy jest za zimno; niektóre ssaki zrzucają okresowo sierść; ptaki migrują.

Tymczasem bakterie zamiast utrzymywać temperaturę wewnętrzną w okolicach punktu nastawczego, rekonfigurują pewne procesy biochemiczne, żeby dostosować swoją fizjologię do temperatury zewnętrznej. Być może właśnie ta cecha zadecydowała o zdolności wczesnych jednokomórkowych form życia do przetrwania w różnych klimatach. Ale poza tym bakterie wyczuwają temperaturę zewnętrzną i wykorzystują zachowanie w celu dostosowania się do środowiska zewnętrznego.

W grupie raźniej

Bakterie, tak jak wszystkie organizmy, muszą się rozmnażać, żeby przetrwać w czasie. W przypadku ludzi i wielu innych zwierząt rozmnażanie zwykle wymaga udziału innego organizmu. U bakterii jednak jest to po prostu kwestia podziałów komórkowych. Płeć pojawiła się jako modyfikacja podziału komórkowego w jednokomórkowych protistach i nie zaistniałaby bez bezpłciowej formy reprodukcji wykorzystywanej przez bakterie od miliardów lat.

Choć samo rozmnażanie nie stanowi u bakterii aktywności społecznej, są one w pewnym sensie organizmami społecznymi – często gromadzą się razem na powierzchniach i wydzielają związki chemiczne, za sprawą których indywidualne komórki dosłownie sklejają się ze sobą. Takie skupiska zwane są biofilmami.

Płytka nazębna, maź na ścianie prysznica lub elektrycznej szczoteczce do zębów i wiele oślizgłych rzeczy w przyrodzie to przykłady biofilmu. Ostatnie badania wykazały, że komórki te nie są jedynie biernie sczepione ze sobą, lecz komunikują się przez wytwarzanie sygnałów elektrycznych, za pomocą których koordynują przyjmowanie pokarmu i reprodukcję oraz przyciąganie nowych członków do grupy.

Wiele zachowań, które u bardziej złożonych organizmów zalicza się do interakcji międzyosobniczych lub społecznych, takich jak przyciąganie do jakichś miejsc lub rzeczy bądź unikanie ich na podstawie zapachów, w istocie da się wyjaśnić podobnymi prostymi czynnikami.

Co wspominają bakterie?

Bakterie potrafią też przyswajać informacje na temat swojego świata i wykorzystywać je w przyszłości do kierowania zachowaniem. Istnieją na przykład dowody na to, że tworzą wewnętrzne molekularne reprezentacje warunków środowiskowych (temperatury, poziomu tlenu) i na ich podstawie przewidują warunki środowiskowe później, żeby mogły na nie odpowiednio reagować. Innymi słowy, jak już powiedzieliśmy, być może uczą się i zapamiętują. Podczas gdy dowody na uczenie się bakterii opierają się głównie na modelach teoretycznych, dysponujemy solidnymi dowodami na istnienie uczenia się i pamięci u jednokomórkowych protistów. Uczenie się i pamięć nie wymagają układu nerwowego.

Często przyjmujemy antropocentryczny pogląd na pamięć, definiując ją jako zdolność do świadomego przywoływania przeszłości. Ale pamięć jest przede wszystkim funkcją komórkową, która pozwala wykorzystywać przeszłość do modyfikowania przyszłego funkcjonowania komórki, czy to w organizmie jednokomórkowym, czy wielokomórkowym. To samo można powiedzieć w ogóle o dużej części naszego życia psychicznego i jego przejawów w naszych świadomych umysłach.

Powyższy tekst stanowi fragment najnowszej książki Josepha LeDoux „Historia naszej świadomości’, która ukazała się właśnie nakładem wydawnictwa Copernicus Center Press.

Świadomość, choć przydatna ludziom na wiele sposobów, które omówimy później, jest często biernym obserwatorem zachowania, a nie jego aktywnym kontrolerem, zwłaszcza w odniesieniu do mechanizmów przetrwania, których korzenie sięgają miliardów lat wstecz.

To właśnie ta zdolność naszego mózgu do uświadamiania sobie jego własnej aktywności pozwala nam, kiedy chcemy, zapewnić sobie przetrwanie, doświadczać strachu, przyjemności i innych emocji, a nawet korzystać z wolnej woli przy podejmowaniu decyzji, co zrobić dalej.

Źródło:

Powyższy tekst stanowi fragment najnowszej książki Josepha LeDoux „Historia naszej świadomości’, która ukazała się właśnie nakładem wydawnictwa Copernicus Center Press.