Nakikita ang Magandang Katalinuhan ng mga Microbes


Ang katalinuhan ay hindi isang katangian upang maiugnay nang gaanong sa mga mikrobyo. Walang dahilan upang isipin na ang mga bakterya, mga hulma ng slime at katulad na mga single-cell na paraan ng buhay ay may kamalayan, pang-unawa o iba pang mga kapasidad na tunay sa tunay na pag-iisip. Ngunit lalo na kapag ang mga selula na ito ay nag-uusap sa mahusay na mga numero, ang kanilang nakagugulat na kolektibong mga talento para sa paglutas ng mga problema at pagkontrol sa kanilang kapaligiran ay lumabas. Ang mga pag-uugali ay maaaring genetically naka-encode sa mga cell na ito sa pamamagitan ng bilyun-bilyong taon ng ebolusyon, ngunit sa saloobing na ang mga cell ay hindi iba mula sa mga robot na programmed upang tumugon sa mga sopistikadong paraan sa kanilang kapaligiran. Kung maaari naming makipag-usap tungkol sa artipisyal na katalinuhan para sa huli, marahil ito ay hindi masyadong mapangahas na sumangguni sa underappreciated cellular katalinuhan ng dating.

Quanta Magazine


 larawan ng may-akda

Tungkol sa

Ang Quanta Magazine, isang editorially independent publication ng Simons Foundation na ang misyon ay upang mapahusay ang pang-unawa sa publiko sa agham sa pamamagitan ng pagsakop sa mga pagpapaunlad ng pananaliksik at mga uso sa matematika at sa mga agham sa pisikal at buhay.

Sa ilalim ng mikroskopyo, ang napakalaking ehersisyo ng mga selula Ang katalinuhan ay nagpapakita ng sarili sa kagila-gilalas na kagandahan. Mula noong 1983, si Roberto Kolter, isang propesor ng mikrobiyolohiya at immunobiology sa Harvard Medical School at co-director ng Microbial Sciences Initiative, ay humantong sa isang laboratoryo na nag-aral ng mga phenomena na ito. Sa mas nakalipas na mga taon, binuo din nito ang mga pamamaraan para sa pagtingin sa kanila. Sa photographic essay book Life at the Edge of Sight: Isang Photographic Exploration of the Microbial World (Harvard University Press), inilabas noong Setyembre, si Kolter at ang kanyang co-author, si Scott Chimileski, isang research fellow at imaging espesyalista sa kanyang lab, ay nag-aalok ng isang pagpapahalaga sa mga microorganism na parehong pang-agham at artistikong, at nagbibigay ng isang sulyap sa mga cellular wonders na literal sa ilalim ng paa. Ang imahe mula sa lab ay nasa display din sa eksibisyon World sa isang Drop sa Harvard Museum of Natural History. Ang display na iyon ay isasara sa unang bahagi ng Enero ngunit susundan ng mas malawak na eksibisyon, Microbial Life na naka-iskedyul na magbukas sa Pebrero.

Mataas na parangal ng slime mold Physarum polycephalum cytoplasm pumping furiously sa pamamagitan ng malaking solong cell.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Ang cytoplasmic streaming na ito ay nagpapahintulot sa slime na amag upang itulak ang mga nutrients at potensyal na karpet sa isang ibabaw.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

slime mold Physarum polycephalum minsan ay halos kwalipikado bilang isang microorganism sa lahat: Kapag ito oozes sa buong dahon magkalat ng sahig ng gubat sa panahon ng aktibo, amoeboid yugto ng buhay cycle, maaari itong magmukhang isang puddle ng madilaw na goo sa pagitan ng isang pulgada at isang metro sa kabuuan. Sa kabila ng laki nito, Physarum ay isang malaking solong cell, na may sampu-sampung libong nuclei na lumulutang sa isang tuluy-tuloy na masa ng cytoplasm. Sa pormang ito, Physarum ay isang superbly efficient hunter. Kapag ang mga sensors sa cell membrane nito ay nakakakita ng magagandang pinagmumulan ng mga sustansya, mga kontraktwal na network ng mga protina (malapit na nauugnay sa mga natagpuan sa kalamnan ng tao) simulan ang pumping stream ng cytoplasm sa direksyong iyon, pagsulong ng malagkit na amag sa kung ano ang kailangan nito

Ngunit Ang Physarum ay hindi lamang nagpapaikli sa pagkain. Habang gumagalaw ito sa isang direksyon, ang mga signal na ipinapadala sa buong cell ay nagpapahina sa ito mula sa pagtulak ng counterproductively sa mas kaunting mga pangakong ruta. Bukod pa rito, ang mga molde ng slime ay umunlad sa isang sistema para sa mahalagang pagma-map sa kanilang kalupaan at pagsasaulo kung saan hindi dapat pumunta: Sa paglipat nito, nag-iiwan sila ng isang translucent na trail ng kemikal sa likod na nagsasabi sa kanila kung aling mga lugar ang hindi nagkakahalaga ng muling pagbalik.

After Physarum [[196590015] Scott Chimileski / Roberto Kolter

Kapag ang bakterya ay unang nauuna naobserbahan sa pamamagitan ng isang mikroskopyo, na sinuspinde sa likido sa mga slide, sa kanilang pagiging simple ay tila tulad ng mga archetypes ng primitive, nag-iisa na mga cell. Ang katotohanan, gayunpaman, ay na sa ligaw, karamihan sa mga bakterya ay lubos na mahilig makipagkapwa. Ang ilang bakterya ay lumalangoy sa kanilang kapaligiran bilang mga malungkot na indibidwal ngunit ang karamihan sa mga bakterya na selula-at karamihan sa mga uri ng bakterya-ay mas gusto na mabuhay sa mga komprehensibong lipunan na tinatawag na biofilms na naka-angkop sa ibabaw. (Ang mga indibidwal na swimmers ay madalas na kumakatawan sa mga offshoots ng biofilms, na naglalayong kolonisahan ng mga bagong lokasyon.)

Sa isang napakalaking pag-scan ng elektron micrograph ng isang Pseudomonas aeruginosa biofilm, ang indibidwal na rod-shaped bacteria ay

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Bacillus bakterya ay naglulunsad ng isang extracellular matrix na pumipinsala sa mga selula at tumutulong sa kanila na bumuo ng isang mas nakabalangkas na komunidad.

Steve Minsky

Ang mga biofilms ay hindi lamang siksik na pag-iipon ng mga bacterial cell. Mayroon silang masalimuot na mga istrukturang istruktura, sa loob at labas, na naglilingkod sa magkakasamang destinasyon ng mga selula, tulad ng makikita sa mga larawan sa ibaba ng Pseudomonas aeruginosa . Ang biofilm ay marumi sa pulang kulay ng Congo, na may mga bono sa mga protina ng extracellular matrix na itinatapon ng bakterya bilang isang plantsa para sa kanilang komunidad. Ang malalim na kulubot na ibabaw ng biofilm ay nagpapakinabang sa lugar kung saan maaaring makuha ng bakterya ang oxygen; malamang na tumutulong din sa kanila na mangolekta ng mga sustansya at mag-release ng mga basura nang mahusay.

Habang lumalaki ang biofilm na ito ng Pseudomonas lumilikha ito ng mas kumplikadong panloob na istraktura. Ang mga bakterya sa magkakaibang bahagi ng masa nito ay maaari ring bumuo ng higit pang mga espesyal na tungkulin.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Sa loob ng biofilm, ang bakterya ay hatiin ang paggawa ng pagpapanatili ng kolonya at iba-iba sa mga pormularyo para sa kanilang function. Sa ganitong biofilm ng karaniwang bakterya ng lupa Bacillus subtilis halimbawa, ang ilang mga selula ay nag-aagaw ng ekstraseliko na matrix at anchor sa lugar, habang ang ilan ay nanatiling buhangin; ang mga selula sa mga gilid ng biofilm ay maaaring hatiin para sa paglago, habang ang iba sa gitnang mga spores release para sa surviving matigas kondisyon at colonizing bagong mga lokasyon.

Ang kulubot na istraktura ng Bacillus subtilis biofilm ay tumutulong upang matiyak na ang lahat ang bakterya nito ay may access sa oxygen (kaliwa). Ang isang digital na na-scan na modelo ng biofilm ay tumutulong na ilarawan kung paano maaaring mag-iba ang kaibahan ng komunidad sa istraktura nito sa tatlong dimensyon (kanan).

Scott Chimileski at Roberto Kolter

Maaaring magtaka kung bakit pinipili ng natural na seleksyon ang kolektibong pag-uugali na ito sa halip na higit pa galit na indibidwal sa pagitan ng mga selula. Ang bahagi ng sagot ay kung ano ang tinatawag na evolutionary theorists na napapaloob na fitness: Sa ngayon ang mga bakterya sa loob ng isang biofilm ay may kaugnayan, ang mga indibidwal na sakripisyo ay nababalutan ng mga pagtaas sa fitness sa milyon-milyong mga pinsan ng bawat cell. Ngunit maaaring maging ang bawat papel sa loob ng biofilm ay may pakinabang: Ang mga selula sa gilid ay malalantad sa mga panganib at dapat magpagaling na magpalaki upang mapalawak ang biofilm, ngunit mayroon din silang access sa mga pinaka-nutrient at oxygen. Ang mga selula sa loob ay nakasalalay sa iba para sa kanilang mahahalagang rasyon ngunit maaari silang makaligtas.

Ang mga ibabaw na lumalaki sa biofilms ay hindi laging matatag. Ang mga B. subtilis ay bumubuo ng isang pellicle-isang uri ng lumulutang biofilm sa interface sa pagitan ng tubig at hangin. Ang mga genetic pathways na kasangkot sa pagbuo ng isang pellicle ay mahalagang katulad ng mga ginagamit sa lumalagong mga bato, bagaman maaari silang tumugon sa mga pagbabago sa kanilang tirahan sa pamamagitan ng pagbabago sa tumpak na halo ng mga protina sa extracellular matrix kung kinakailangan.

Ang mga bakterya ay maaaring lumago sa buong nonsolid ibabaw, masyadong, tulad ng ito B. Subtilis ay nagpapakita ng kultura sa pamamagitan ng pagbubuo ng isang pellicle, o lumulutang na biofilm, sa kabuuan ng air-liquid interface sa isang beaker.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Ang paglago ng paglago ay hindi lamang ang paraan kung saan maaaring ilipat ang mga microbial community. Sa ibaba, B. Ang subtilis ay nakikipagtulungan sa isang pag-uugali na tinatawag na dendritic swarming, kung saan ang mga cell ay mabilis na itulak sa labas sa mga branching na mga haligi na maaaring magaan ang isang ibabaw. Biofilms kumakain kapag natuklasan nila na sila ay nasa mga kapaligiran na mayaman sa nutrients: Swarming tumutulong sa isang biofilm pagsamantalahan ang mahalagang teritoryo bago ang anumang nakikipagkumpitensya komunidad maaari.

Hindi bababa sa dalawang mahalagang mga pagbabago sa pagkita ng kaibhan ng mga cell sa isang biofilm maganap upang paganahin ang swarming . Una, ang mga cell na motile sa paligid ng pelikula ay bumuo ng mga dagdag na flagellae, na nagbibigay-daan sa kanila na lumangoy nang mas masigla. Pangalawa, ang ilang mga gilid na mga selula ay nagsisimulang maglatag ng surfactant, isang madulas na materyal na tumutulong sa mga selyula ng motile na mas mabilis na lumalabas sa ibabaw.

Kapag ang mga biofilms ay lumalaki sa mga flat na laboratoryo, ang dendritic column ng mga swarming biofilms ay nananatiling maliwanag: likid sa loob at sa paligid ng isa't isa ngunit hindi sila tumatawid. Tila ito ay bahagi dahil ang surfactant ay bumubuo sa paligid ng mga sangay ng biofilm bilang isang hadlang. Katulad nito, ang ilang mga bakterya ay maaaring magkulumpon sa mas maraming mga naka-istilong istruktura sa ilalim ng mga kondisyon ng laboratoryo.

Ang mga bakterya na ito ay nakakaapekto sa pag-uugali na tinatawag na dendritic swarming, na nagpapahintulot sa isang microbial na komunidad na palawakin mabilis sa kanais-nais, mayaman mapagkukunan na kapaligiran.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Ang isa pang uri ng pag-uugali na ipinakita ng mga biofilms na lumalaki sa ilalim ng mga kondisyon sa laboratoryo ay ang paglilipat ng spiral, na nagpakita sa oras ng paglipas ng video sa ibaba ng Bacillus mycoides . Ang mga bakteryang cell na ito ay lumalaki sa mahahabang kadena o telebisyon na kumukupas sa alinman sa orasan o pakaliwa. Ang mga tiyak na pakinabang ng galaw na ito ay nasa ilalim ng pagsisiyasat, ayon kay Chimileski, ngunit dapat itong malaki dahil B. ang mga mycoide ay nagtatampok sa pagkuha ng mga magagamit na kapaligiran. " Bacillus mycoides ay isa sa mga pinakamadaling bacterial species na nilinang mula sa lupa," paliwanag niya. Kapag ang mga siyentipiko ay ihiwalay ang mga mikrobyo mula sa lupa at palaguin ang mga ito sa agar dishes, lalo na sa temperatura ng kuwarto, "ang mga mycoide ay madalas na kumalat sa buong plato at maabutan ang lahat ng iba pang mga organismo. Para sa kadahilanang ito, ito ay itinuturing na kung anumang uri ng 'nuisance species' para sa maraming mga microbiologist. "

Ano ang kataka-taka na ang direksyon ng paggalaw ng spiraling-pakanan o pakaliwa-ay parang isang namamana na katangian: Iba't ibang mga strain ng bakterya , kahit na sa loob ng parehong species, spiral sa iba't ibang direksyon. Isa pang halimbawa ng kung paano ang bakterya, pagsunod sa mga tagubilin sa kanilang indibidwal na DNA, ay maaaring magpakita ng mga pag-uugali ng paglutas ng problema na nakakagulat na kumplikado at nakakapag-agpang sa kolektibong antas ng mga biofilm.
Ang mga geometric at presumably functional na mga pattern na biofilms makagawa sa kultura ay intriguingly maganda. Gayunman, sinabi ni Chimileski na marami ang natitira upang matuklasan ang pag-translate ng mga pag-uugaling nakikita sa lab sa natural na mga komunidad ng microbial.

Sinabi ni Chimileski na "ang mga likas na biofilms ay mga ecosystem ng multi-species at mga cell sa loob ng mga natural na biofilms ay karaniwang lumalaki nang mas mabagal . "Ipinagpatuloy niya," Gusto kong isipin ang paraan ng paglaki ng bakterya sa isang platong petri, kung saan ang isang solong uri ay sa kanyang sarili at mayroon ang lahat ng kailangan nito upang lumago sa pinakamainam na temperatura, tulad ng 'pagtaas ng dami' sa biology ng ang organismo. "Sa ilalim ng mga kondisyon ng laboratoryo, maaaring pag-aralan ng mga mananaliksik kung aling mga gene ang kasangkot sa mga kumplikadong multicellular na pag-uugali at maaari nilang masukat ang mga benepisyo sa pagkalusog ng mga bacterial species. Ngunit sa mga likas na kapaligiran, ang mga biofilms ay karaniwang hindi magkakaroon ng eksaktong kaparehong mga pattern tulad ng lab dahil sa limitadong mga nutrients o kumpetisyon sa iba pang mga species. "Kaya ang parehong biology ay maaaring maganap sa isang maliit na butil ng lupa sa iyong likod-bahay sa mas maliit na sukat ng sukat at higit sa mas matagal na tagal ng panahon," sinabi niya, kahit na ito ay mas madali upang maisalarawan.

Spiral migration ay isang pag-uugali na napaboran ng mataas na matagumpay na bacterium lupa Bacillus mycoides . Ang mga komunidad ng mga selulang ito ay lumalawak sa pamamagitan ng pagbubuo ng mahahabang filament ng mga selula na may likidong paikut-ikot o pakaliwa-isang oryentasyong pinipilit na tiyak at tinukoy ng genetiko.

Ang mga pag-uugali ng Biofilm ay nagpapatotoo sa kapasidad at pagiging bukas ng bacterial upang bumuo ng mga kolektibo-ngunit ang pagiging bukas ay may mga limitasyon, tulad ng ipinapakita sa kultura na ito na may ilang mga nabubuo na biofilms. Dito, ang katabi ng mga biofilms na binubuo ng parehong bakterya o malapit na kaugnay na mga strain na kumportable. Ngunit ang katabi biofilms na binubuo ng mas maraming divergent bakterya panatilihin ang kanilang mga sarili at maaaring kahit na subukan upang maalis o kontrolin ang bawat isa.

Biofilms ay kaya hindi nagpapasama ng iba pang mga strains at species dahil sila invest malaki sa produksyon ng surfactant, extracellular matrix at iba pang Ang mga molecule na tinuturing ng mga bacteriologist bilang mga pampublikong paninda-ang mga nagtatapon ng bakterya para sa iba pang mga miyembro ng kanilang komunidad. Ang bakterya ay nagbabantay ng mga ito nang masigla sapagkat ang mga hindi nauugnay na mga freeloading na mga cell ay maaaring makinabang nang masidhi sa pamamagitan ng paggamit nito muna.

Ang Biofilms ay tumanggi sa gayong mga freeloader sa iba't ibang paraan. Halimbawa, ang B. subtilis ang mga kolonya sa imaheng ito ay nagpapatibay ng isang estratehiya ng "kamag-anak na diskriminasyon," kung saan sila ay naghahagupit ng mga antibiotikong compound na nakakalason sa iba pang mga species ngunit hindi sa kanilang sarili. Proteus mirabilis ang mga bakterya ay nagpoprotekta sa kanilang mga interes sa ibang paraan batay sa "pagkilala sa sarili": Ang P. mirabilis sinusuri ng mga biofilms ang mga cell sa pag-encroach, sinaksak ang anumang mula sa iba't ibang uri ng hayop na may spearlike na istraktura at iniksyon ang mga ito sa mga lason na papatayin ang halos lahat ngunit may malapit na kaugnayan species.

Maraming iba't ibang mga strain ng B. subtilis lumaki nang magkakasabay sa ulam na ito. Dahil ang mga biofilm ay nakikita ang diskriminasyon laban sa di-magkatulad na strains ng bakterya, maaari silang magsama ng kasamang malapit na mga kamag-anak ngunit bumubuo ng mga hangganan laban sa iba.

Scott Chimileski

Ang mga kulay na lumilitaw sa kultura ng biofilm ng Streptomyces coelicolor sa video sa ibaba ay sumasalamin sa mga natural na pigment na ginagawa ng bakterya. Ang halaga ng mga pigment para sa biofilms ay hindi lubos na malinaw, ngunit malamang na hindi ito nakatali sa kanilang kulay. Sa halip, ang mga sangkap ng molecule na ito ay madalas na bioactive sa iba't ibang paraan. "Ang asul na kulay na nakikita sa video na ito ay actinorhodin, na kung saan ay technically isang antibyotiko," sinabi Chimileski, ngunit idinagdag na ang mga kataga ay nakaliligaw sa kontekstong ito. "Ang pagpatay o paglaganap ng pagbabawal ay kadalasang nangyayari lamang sa napakataas na konsentrasyon na may kaugnayan sa kung ano ang nasa likas na katangian." Sa dahilang iyon, sinabi niya, "may lumilitaw na pananaw na ang pagpatay ay malamang na hindi ang ekolohikal na pag-andar ng marami o karamihan sa mga antibiotics. Sa halip, ang mga bioactive na molecule ay kumikilos bilang mga senyas o pag-unlad na pahiwatig "sa ibang mga selula.

Ang pananaw na iyon ay echoed sa isang tala mula kay Gleb Pishchany, isang iba pang pananaliksik na kapwa sa laboratoryo ni Kolter na nag-aaral kung paano magkakaibang uri ng bakterya. "Ang isang nakakaintriga na posibilidad ay ang natural na mga ecosystem, Streptomyces ay gumagamit ng mga pigment at iba pang bioactive molecule" sa "mas mababang konsentrasyon bilang mga senyas na ipinagpalit sa mga komunidad ng mga microbial ng multispecies," ang isinulat niya. Ang mga pigment ay maaaring makatulong sa pagsasama-sama ng mga assortment ng mga bakterya sa iba pang mga mas mababa sa isang kalapit na instincts, at sa gayon ay mapanatili ang isang mas kooperatiba at mabunga ng pagpapakain ng komunidad.

Sa kolonya ng pulbos ng Streptomyces coelicolor ang pigmentation ay mula sa actinorhodin, isang molekula na may mga antibacterial effect. Ang Biofilms ay maaaring gumamit ng bioactive pigments bilang mga signal para sa pagkontrol sa mga pag-uugali ng iba pang mga microorganism sa kanilang nakabahaging kapaligiran.

Ang mga nakakagulat na larawan ng mga microbe community ay nakuha ng DSLR camera. Kinokolekta ni Chimileski ang kanyang mga imahe na may mga macro lenses habang nagtatrabaho sa bangko, habang ang mga video ay ginawa sa isang incubator na nakatuon sa time-lapse microscopy. Nagtatakda siya ng kamera upang snap ng isang litrato tuwing 10 minuto, bagama't pinapataas niya ang dalas sa bawat minuto o dalawa para sa mga pag-uugali na nangyayari nang mas mabilis, tulad ng mga paggalaw ng mga molde ng slime. Bilang resulta, ang mga paggalaw ng mga microbes sa mga video na ito ay karaniwang pinabilis sa pagitan ng 5,000 at 50,000 beses ang kanilang mga aktwal na bilis. Ang Chimileski ay hindi gumagamit ng huwad na kulay upang pagandahin ang mga larawan: Bukod sa paggamit ng mga tina upang mapinsala ang extracellular matrix sa ilang mga kultura, ipinapakita niya ang likas na kulay ng mga mikroorganismo.

Karaniwang lumalaki ang Chimileski na bacterial colonies sa 30 ° C, isang temperatura kung saan makakakuha siya ng mga larawan ng mas mabagal na lumalagong species para sa ilang linggo. Kahit na ang init at halumigmig na angkop sa paglago ng biofilm ay mas mababa kaysa sa ideal para sa mga camera, sinabi niya na ang kagamitan ay na-rate para sa mas matinding kundisyon. Ang ilang mga camera na may malfunctioned ginawa ito para sa isang mekanikal na dahilan: Ang bilang ng mga shot na kailangan niya upang idokumento microbial pag-uugali ay napakalaki na ang shutters sa camera sa huli break down pagkatapos ng daan-daang libo ng mga pag-click.

Ang kuwento ay na-reprint na may pahintulot mula sa Quanta Magazine, isang editorially independent publication ng Simons Foundation na ang misyon ay upang mapahusay ang pampublikong pang-unawa sa agham sa pamamagitan ng pagsakop sa mga pagpapaunlad ng pananaliksik at mga uso sa matematika at sa mga agham sa pisikal at buhay