At se Microbes smukke intelligens


Intelligence er ikke en kvalitet til at tildele let til mikrober. Der er ingen grund til at tro, at bakterier, slimforme og lignende enkeltcelle former for liv har bevidsthed, forståelse eller anden kapacitet implicit i reelt intellekt. Men især når disse celler kommunikerer i store mængder, opstår deres forbløffende kollektive talenter til at løse problemer og styre deres miljø. Disse adfærd kan kodes genetisk i disse celler ved milliarder af evolutionsår, men i den forstand er cellerne ikke så forskellige fra robotter, der er programmeret til at reagere på sofistikerede måder til deres omgivelser. Hvis vi kan tale om kunstig intelligens for sidstnævnte, er det måske ikke for skræmmende at henvise til den underappreciated cellulære intelligens fra den tidligere.

Quanta Magazine


 forfatterfoto

Om

Originalhistorie genoptaget med tilladelse fra Quanta Magazine, en redaktionelt uafhængig publikation af Simons Foundation, hvis mission er at øge den offentlige forståelse af videnskaben ved at dække forskningsudviklinger og tendenser inden for matematik og fysik og biovidenskab.

Under mikroskopet er den utrolige udøvelse af cellernes kollektive intelligens afslører sig med spektakulær skønhed. Siden 1983 har Roberto Kolter, en professor i mikrobiologi og immunobiologi ved Harvard Medical School og meddirektør for Microbial Sciences Initiative, ledet et laboratorium, der har studeret disse fænomener. I de senere år har den også udviklet teknikker til visualisering af dem. I den fotografiske essay-bog Livet ved udkanten af ​​synet: En fotografisk undersøgelse af den mikrobielle verden (Harvard University Press), udgivet i september, Kolter og hans medforfatter, Scott Chimileski, en forsker og billeddannelse specialist i hans laboratorium, giver en forståelse for mikroorganismer, der både er videnskabelige og kunstneriske, og som giver et glimt af de cellulære vidundere, der bogstaveligt talt ligger under fødderne. Imagery fra laboratoriet vises også i udstillingen World in a Drop på Harvard Naturhistoriske Museum. Denne visning lukker i begyndelsen af ​​januar, men vil blive efterfulgt af en bredere udstilling Microbial Life der er planlagt til at åbne i februar.

Høj forstørrelse af slimformen Physarum polycephalum viser cytoplasma pumpes rasende gennem sin store enkeltcelle.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Denne cytoplasmatiske strømning gør det muligt for slimformen at skubbe frem mod næringsstoffer og potentielt tæppe.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

slimform Physarum polycephalum er i nogle tilfælde knap nok kvalificeret som en mikroorganisme: Når den oser over et skovbunds bladkuld under det aktive amoeboidstadium af dets livscyklus, kan det se ud som en pølse gullig goo mellem en tomme og en meter på tværs. Alligevel er Physarum til trods for sin størrelse en enorm enkeltcelle med titusindvis af kerne, der flyder i en uafbrudt masse af cytoplasma. I denne form er Physarum en yderst effektiv jæger. Når sensorer på sin cellemembran opdager gode næringsstoffer, er kontraktive netværk af proteiner (tæt relateret til dem, der findes i menneskelig muskel) begyndt at pumpe cytoplasmestrømme i den retning, og fremmer slimformen mod, hvad den har brug for.

Men Physarum er ikke bare refleksivt stigende mod mad. Som det bevæger sig i en retning, modvirker signaler, der transmitteres over hele cellen, det fra at skubbe kontraproduktivt langs mindre lovende ruter. Desuden har slimforme udviklet et system til i det væsentlige at kortlægge deres terræn og huske hvor de ikke skal gå: Når de bevæger sig, forlader de et gennemskinneligt kemisk spor bag det, der fortæller dem, hvilke områder der ikke er værd at revidere.

Efter Physarum udforsker et område og finder det mangler i næringsstoffer, det efterlader et kemisk spor som en slags eksterniseret hukommelse, der fortæller slimformen ikke at gå tilbage der.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Da bakterier var først observeret gennem et mikroskop, suspenderet i væske på dias, i deres enkelhed syntes de som arketyper af primitive, ensomme celler. Sandheden er imidlertid, at i de vilde, de fleste bakterier er meget gregarious. Nogle bakterier svømmer gennem deres miljø som ensomme individer, men de fleste bakterielle celler – og de fleste bakteriearter – foretrækker at leve i kompakte samfund kaldet biofilmer forankret til overflader. (De individuelle svømmere repræsenterer ofte offshoots af biofilm, der søger at kolonisere nye steder.)

I en højforstørrende scanningelektronmikrograf af en Pseudomonas aeruginosa biofilm forbindes de enkelte stangformede bakterier med hårlignende Bacillus bakterier udskiller en ekstracellulær matrix, der indkapsler cellerne og hjælper dem med at danne et mere struktureret samfund.

Steve Minsky

Desuden, biofilm er ikke kun tætte akkumuleringer af bakterieceller. De har udførlige funktionelle strukturer, indenfor og ude, der tjener cellernes kollektive skæbne, som det kan ses i billederne under Pseudomonas aeruginosa . Biofilmen er farvet med Congo rød farvestof, som binder til de ekstracellulære matrixproteiner, som bakterierne udskiller som stilladser for deres samfund. Den dybe rynket overflade af biofilmen maksimerer det område, hvorved bakterierne kan absorbere ilt; det hjælper dem også med at indsamle næringsstoffer og frigive affaldsprodukter effektivt.

Da denne Pseudomonas biofilm udvider, udvikler den en mere kompleks indre struktur. Bakterier i forskellige dele af sin masse kan også udvikle mere specialiserede funktioner.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Inden for biofilmen opdeler bakterierne arbejdet med at opretholde kolonien og adskiller sig i former, der er specialiseret til deres funktion. I denne biofilm af den fælles jordbakteri Bacillus subtilis udskilles nogle celler for eksempel ekstracellulær matrix og anker, mens nogle forbliver motile; celler i kanterne af biofilmen kan opdeles til vækst, mens andre i mellemfrigivelsen sporer for overlevende hårde forhold og koloniserer nye steder.

Den oprindelige struktur af denne Bacillus subtilis biofilm hjælper med at sikre, at alle bakterierne i den har adgang til ilt (til venstre). En digital scannet model af biofilmen hjælper med at illustrere hvordan bakteriefællesskabet kan variere sin struktur i tre dimensioner (højre).

Scott Chimileski og Roberto Kolter

Man kan undre sig over, hvorfor det naturlige valg ville have begunstiget denne kollektive adfærd i stedet for mere voldsom individualisme blandt cellerne. En del af svaret kan være, hvilke evolutionære teoretikere kalder inklusiv fitness: For så vidt som bakterierne inden for en biofilm er relateret, opvejes individuelle ofre af stigningen i fitness til hver celle millioner af fætre. Men det kan også være, at hver rolle inden for biofilmen har sine fordele: Celler i kanten er mest udsatte for farer og skal reproduceres rasende for at udvide biofilmen, men de har også adgang til de mest næringsstoffer og ilt. Celler på indersiden er afhængige af andre for deres vigtige rationer, men de kan overleve længere.

De overflader, som biofilmene vokser over, er ikke altid solide. Disse B. subtilis danner en pellicle-en slags flydende biofilm ved grænsefladen mellem vand og luft. De genetiske veje involveret i dannelse af en pellikel er i det væsentlige de samme som dem, der anvendes til at vokse over sten, selvom de kan reagere på ændringer i deres habitat ved at ændre den præcise blanding af proteiner i den ekstracellulære matrix efter behov.

Bakterier kan vokse på tværs af usammenhængende overflader, som dette B. subtilis kultur viser ved dannelse af en pellikel eller flydende biofilm på tværs af luft-flydende grænseflade i et bæger.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Ekspansiv vækst er ikke den eneste måde, hvorpå mikrobielle samfund kan bevæge sig. Nedenfor B. subtilis engagerer sig i en adfærd kaldet dendritisk sværmeri, hvor celler hurtigt skubber udad i forgreningskolonner, som effektivt kan bane en overflade. Biofilms sværm, når de opdager, at de er i miljøer, der er rige på næringsstoffer: Swarming hjælper en biofilm udnytte dette værdifulde område, før nogen konkurrerende samfund kan.

Mindst to vigtige ændringer i differentieringen af ​​cellerne i en biofilm finder sted for at muliggøre sværmende . For det første udvikler motile celler på filmens periferi ekstra flagellae, som gør dem i stand til at svømme mere energisk. For det andet begynder nogle kantceller også at secernere overfladeaktive stoffer, et glat materiale, der hjælper de bevægelige celler glider hurtigere over overfladen.

Når biofilm vokser i flade laboratoriefade, forbliver de dendritiske kolonner af sværmende biofilmer ret forskelligt: ​​De strækker sig og spole i og omkring hinanden, men de krydser ikke. Det ser ud til at være delvist fordi det overfladeaktive stof opfanger biofilmafdelingerne som en barriere. Tilsvarende kan nogle bakterier sværme i flere terrasserede strukturer under laboratorieforhold. Hvad konsekvenserne af denne mulighed er for bakterier i naturen er stadig et mysterium.

Disse bakterier engagerer sig i adfærden kaldet dendritisk swarming, hvilket gør det muligt for et mikrobielt samfund at ekspandere hurtigt til ønskelige, ressourcerige miljøer.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

En anden type adfærd demonstreret af biofilmer, der vokser under laboratoriebetingelser, er spiralmigration, der er demonstreret i tiden fra Bacillus mycoides . Disse bakterieceller vokser i lange kæder eller filamenter, der krøller enten med uret eller mod uret. De særlige fordele ved denne spiralbevægelse er stadig under undersøgelse, ifølge Chimileski, men de må være betydelige, fordi B. mycoides udmærker sig ved at overtage tilgængelige miljøer. " Bacillus mycoides er en af ​​de nemmeste bakteriearter at dyrke fra jorden," forklarede han. Når forskere isolerer mikrober fra jord og dyrker dem på agarretter, især ved stuetemperatur, "mycoiderne vil ofte spredes over hele pladen og overtage alle de andre organismer. Af denne grund betragtes det som noget slags gener for mange mikrobiologer. "

Hvad er nysgerrig er, at retningen af ​​spiralvandringen med uret eller mod uret synes at være et arveligt træk: Forskellige bakteriestammer , selv inden for samme art, spiral i forskellige retninger. Det er endnu et eksempel på, hvordan bakterier, der adlyder instruktioner i deres individuelle DNA, kan manifestere problemløsende adfærd, der er overraskende komplekse og adaptive på det kollektive niveau af biofilmer.
Disse geometriske og formodentligt funktionelle mønstre, som biofilmer producerer i kultur, er fascinerende smukke. Chimileski bemærker dog, at der er meget tilbage at opdage, når det kommer til at oversætte adfærd set i laboratoriet til naturlige mikrobielle samfund.

Chimileski påpeger, at "mest naturlige biofilmer er flereartede økosystemer, og celler i naturlige biofilmer vokser som regel langsommere . "Han fortsatte:" Jeg kan godt lide at tænke på, hvordan vi vokser bakterier i en petriplade, hvor en enkelt art er i sig selv og har alt, hvad den har brug for til at vokse ved optimale temperaturer, som "skrue op i volumenet" på biologien af organismen. "Under laboratoriebetingelser kan forskere studere, hvilke gener der er involveret i komplekse multicellulære adfærd, og de kan måle fordelene ved bakteriens art. Men i naturlige miljøer kommer biofilmer normalt ikke til at danne præcis de samme mønstre som i laboratoriet på grund af begrænsede næringsstoffer eller konkurrence med andre arter. "Så den samme biologi kan forekomme på en jordpartikel i din baggård ved mindre størrelsesskalaer og over længere perioder", sagde han, selvom det er mindre let at visualisere.

Spiral migration er en adfærd begunstiget af meget vellykket jordbakterie Bacillus mycoides . Fællesskaberne af disse celler udvides ved at danne lange filamenter af celler, der spoler enten med uret eller mod uret – en orientering, der er stamspecifik og genetisk bestemt.

Biofilmadfærd vidner om bakteriens evne og åbenhed til at danne kollektiver – men at åbenheden har grænser, som vist i denne kultur med flere samlivende biofilmer. Her tilstødende tilstødende biofilm, som består af de samme bakterier eller nært beslægtede stammer, smelter sammen. Men de tilstødende biofilmer, der består af mere divergerende bakterier, holder sig selvstændige og kan endda forsøge at eliminere eller kontrollere hinanden.

Biofilmer er så intolerante for andre stammer og arter, fordi de investerer betydeligt i produktionen af ​​overfladeaktivt middel, ekstracellulær matrix og andre molekyler, som bakteriologer klassificerer som offentlige goder – dem, som bakterierne udskiller for andre medlemmer af deres samfund. Bakterierne beskytter disse jævnligt, fordi ikke-relaterede freeloadingceller kunne have stor gavn ved først at bruge dem.

Biofilm afviser sådanne freeloaders på forskellige måder. For eksempel er B. subtilis kolonier i dette billede vedtager en strategi for "kin diskrimination", hvor de udskiller antibiotika forbindelser, der er toksiske for andre arter, men ikke for deres egen. Proteus mirabilis bakterier forsvarer deres interesser på en anden måde baseret på "selvgenkendelse": The P. mirabilis biofilms undersøger indkapslende celler, stikker nogen fra en anden art med en spearlike struktur og injicerer dem med giftstoffer, der vil dræbe næsten alle men nært beslægtede arter.

Flere forskellige stammer af B. subtilis vokser side ved side i denne skål. Fordi biofilmene diskriminerer forskellige bakteriestammer, kan de fusioneres sammen med nære slægtninge, men danner grænser mod andre.

Scott Chimileski

Farverne fremgår af biofilmkulturen af ​​ Streptomyces coelicolor i videoen nedenfor afspejler naturlige pigmenter, som bakterierne producerer. Værdien af ​​pigmenterne til biofilmene er ikke helt klar, men det er sandsynligvis ikke bundet til deres farve. I stedet er disse pigmentmolekyler ofte bioaktive på forskellige måder. "Det blå pigment, der ses i denne video, er actinorhodin, som teknisk set er et antibiotikum," sagde Chimileski, men tilføjede, at udtrykket er vildledende i denne sammenhæng. "Killing eller væksthæmning opstår normalt kun i meget høje koncentrationer i forhold til det, der er ude i naturen." Derfor sagde han, at der er "en ny opfattelse, at drab er sandsynligvis ikke den økologiske funktion af mange eller de fleste antibiotika. Disse bioaktive molekyler fungerer snarere som signaler eller udviklingsmønstre "til andre celler."

Denne opfattelse er ekkoet i en notat fra Gleb Pishchany, en anden forsker i Kolters laboratorium, der studerer, hvordan forskellige bakterier sammenholder. "En spændende mulighed er, at i naturlige økosystemer Streptomyces anvendes pigmenter og andre bioaktive molekyler" ved "lavere koncentrationer som signaler, der udveksles mellem mikrobielle samfund af multispecies", skrev han. Pigmenterne kan hjælpe med at samle assortier af bakterier, der tømmer hinanden i mindre naboinstinkter, og derved opretholder en mere kooperativ og frugtbar fælles eksistens.

I denne pulveriserede koloni af Streptomyces coelicolor kommer pigmenteringen fra actinorhodin, et molekyle med antibakterielle virkninger. Biofilms kan bruge bioaktive pigmenter som signaler til styring af adfærd hos andre mikroorganismer i deres fælles miljø.

Disse slående fotografier af mikrobesamfund blev fanget af DSLR-kameraer. Chimileski samler sine stillbilleder med makrolinser, mens de arbejder på bænken, mens videoerne er lavet i en inkubator dedikeret til time-lapse mikroskopi. Han sætter kameraet for at snappe et billede hvert 10. minut, selv om han øger frekvensen til hvert minut eller to for at adfærd sker hurtigere, såsom bevægelser af slimforme. Som følge heraf accelereres mikroberens bevægelser i disse videoer typisk mellem 5.000 og 50.000 gange deres faktiske hastigheder. Chimileski bruger ikke falsk farve til at forskønne billederne: Bortset fra at bruge farvestoffer til at plette den ekstracellulære matrix i nogle kulturer, viser han mikroorganismernes naturlige farve.

Chimileski dyrker typisk bakteriekolonier ved 30 ° C, en temperatur på hvilken han kan samle billeder af langsommere voksende arter i flere uger. Selv om den varme og fugtighed, der er egnet til biofilmvækst, er mindre end ideel til kameraer, sagde han, at udstyret er vurderet til mere ekstreme forhold. De få kameraer, der har funktionsfejl, gjorde det af en mekanisk årsag: Antallet af billeder, som han har brug for til at dokumentere mikrobielle adfærd, er så stor, at skodderne på kameraerne til sidst brydes ned efter hundredtusinder af klik.

Original historie genoptaget med tilladelse fra Quanta Magazine, en redaktionelt uafhængig udgivelse af Simons Foundation, hvis mission er at forbedre den offentlige forståelse af videnskaben ved at dække forskningsudviklinger og tendenser inden for matematik og fysik og biovidenskab.