Как удивительные слизевики научились путешествовать и клонировать себя

Миксомицеты, или слизевики — группа живых существ, отдаленно родственных животным. Именно они, возможно, стали первым экспериментом природы по созданию многоклеточных организмов

Во время осенней прогулки по лесам средней полосы мало кто задумывается, что прямо сейчас у него под ногами и вокруг в опавших листьях ползают огромные хищные амебы. Переживать не стоит: их добыча — бактерии, споры грибов и одноклеточные водоросли. Никакой угрозы человеку они не несут, но зато представляют большой интерес для ученых.

Фото CHRISTIAN HUGUES

Эти существа способны строить сложные сети из своих клеток, проходить лабиринты, выбирать направление движения в зависимости от благоприятных факторов. В них также содержатся разнообразные химические соединения, которые могут быть использованы в медицине.

Некоторые энтузиасты создают на их основе компьютеры и программируют роботов, управляемых движением их клеток. Речь о миксомицетах — не животных, не грибах и не растениях, поражающих своей необычностью.

Кто такие миксомицеты

Миксомицеты — представители группы амебозоев, то есть это родственники известной всем со школы амебы. Однако, в отличие от привычной амебы, миксомицет имеет не одно клеточное ядро, а миллиарды или даже сотни миллиардов ядер. Их количество увеличивается по мере роста организма, при этом по сути он остается одной огромной клеткой.

Как и амеба, миксомицет не имеет постоянной формы, но способен формировать сложные сети, по каналам которых течет цитоплазма, доставляя питательные вещества ко всем частям организма.

Раньше миксомицетов называли слизевиками (или слизевыми грибами), так как они образуют плодовые тела со спорами, как и грибы. Однако сейчас признано, что слизевые грибы — сборная группа неродственных организмов, куда, кроме миксомицетов, входят и другие интересные создания.

Плодовые тела миксомицета

Фото Shutterstock / Fotodom.ru

Жизнь миксомицета проста и незатейлива: она состоит из питания и размножения, или, как говорят биологи, активной и расселительной стадий. На активной стадии миксомицет похож на уплощенную каплю слизи желтого, белого, серого, черного или рыжего цвета. Эта капля способна двигаться, но ее движение не так уж просто заметить: максимальная скорость составляет около 6 мм в час, и для ее регистрации приходится использовать таймлапс-съемку.

А вот на расселительной стадии миксомицеты демонстрируют удивительное разнообразие. Их плодовые тела могут иметь форму шариков или цилиндров, на ножке или же без нее, в виде сеточки, повторяющей очертания плазмодия, или же в виде подушки.

Цвет их тоже разнообразен: от невзрачных черных или серых до малиновых и ярко-желтых. Недаром Линней считал некоторых миксомицетов цветами. Размер плодовых тел варьируется от долей миллиметра до нескольких сантиметров, поэтому при их поиске обычно используют фонари для лучшего обзора.

Размер плодовых тел миксомицетов варьируется от долей миллиметра до нескольких сантиметров

Фото CHRISTIAN HUGUES

Если рассмотреть плазмодий миксомицета — ползающую клетку — под микроскопом, то можно увидеть, как в канальцах цитоплазма течет сначала в одну сторону, затем замедляется, останавливается и начинает течь в другую сторону. Это явление очень характерно для миксомицетов.

Движения цитоплазмы повторяются с некоторым периодом и необходимы для лучшего распределения питательных веществ по клетке, а также для транспорта сигнальных молекул. Именно благодаря этой особенности плазмодий, снятый в таймлапсе, как будто пульсирует и передвигается волнами. В основе этого процесса лежит сокращение мышечных белков, аналогичных человеческим. Так что в чем-то они ближе к нам, чем кажутся.

Хочу и буду

Движение плазмодия вовсе не хаотично: миксомицет имеет свои предпочтения и стремится туда, где ему лучше. Такие реакции в биологии называются таксисами. Если посадить миксомицета под яркий свет, но при этом оставить часть пространства затемненной, через некоторое время клетка переползет в тень.

Это называется отрицательным фототаксисом — физиологическим и поведенческим ответом на свет, заключающимся в движении от него в темноту. Плазмодии миксомицетов обладают положительным гидро- и трофотаксисом, то есть стремятся туда, где влажно и есть еда. Казалось бы, очевидно, что клетки ищут пищу: ведь без нее невозможно существование живых существ.

Однако миксомицет — существо противоречивое: при переходе к образованию плодовых тел миксомицет меняет все таксисы на обратные. То есть он стремится выползти на свет и уползает от еды и воды. Зачем?

Объяснение в физиологии и стратегии размножения. Пока миксомицет остается ползающей клеткой, ему необходима вода, просто чтобы не пересохнуть, а его пища — бактерии и одноклеточные почвенные водоросли — обитают в более темных местах, поэтому движение направлено от света и к воде. Когда же надо образовывать споры, плазмодий должен найти как можно более высокое место, чтобы ветер и дождь в дальнейшем разнесли споры как можно дальше.

Вода же теперь играет отрицательную роль: если спороношение промокнет, на нем легко смогут вырасти грибы и бактерии, которые будут питаться спорами. Пища уже не нужна: плазмодий формирует споры из накопленных за предшествующий период питательных веществ.

Есть ли секс у слизи?

Жизненный цикл миксомицета включает ползающий и питающийся плазмодий, плодовые тела со спорами, сами споры и одноядерную промежуточную стадию. В течение лета плазмодий активно перемещается в подстилке, поглощает бактерии и накапливает биомассу.

Затем, когда организм чувствует (по продолжительности светового дня, как и растения), что время пришло, он начинает формировать спороношения, в которых зреют споры. Споры распространяются и служат для расселения миксомицетов, как семена цветковых растений или споры хвощей и папоротников.

Название «слизевик» может звучать неприятно, но миксомицеты получили его неспроста

Фото CHRISTIAN HUGUES

Размножение миксомицетов по принципу похоже на размножение грибов. В плодовых телах образуются споры, их разносит ветер, а затем из каждой споры выходит одноядерная клетка. Дальнейшие события зависят от того, с каким видом миксомицета мы имеем дело.

У бесполых, или апогамных миксомицетов из споры выходит миксамеба, которая затем вырастает во взрослый миксомицет. Но бывают и разнополые, или гетероталличные, виды. Иногда их клетка представляет собой зооспору со жгутиком, а иногда это такая же амеба, однако, чтобы начать расти, сперва должны встретиться две клетки, происходящие от разных плазмодиев.

Такой манерой размножения миксомицеты напоминают грибы: у них тоже обычно есть разный пол, или «типы спаривания», — как правило, не два, а гораздо больше, — причем за определение пола и совместимость партнеров отвечает тот же набор генов, что у миксомицетов.

Помимо полового размножения, миксомицеты умеют размножаться и вегетативно. Огромная суперклетка плазмодия просто делится на части, и каждая часть дает начало новому плазмодию. Части эти могут быть очень маленькие, главное условие — чтобы в каждой было хотя бы несколько ядер. Как это ни удивительно, но после разделения эти дочерние клетки могут снова слиться в единый плазмодий.

Фактически организм может клонировать сам себя, а потом объединить клонов. В недавней работе было показано, что после такого слияния новосформированный плазмодий может сохранить «память» одного из родителей.

Эволюция и многоклеточность

Миксомицеты существуют на Земле не менее 600 миллионов лет. На основе сравнения генов биологи пришли к выводу, что миксомицеты приходятся более близкими родственниками животным и грибам, чем растениям. Согласно современным представлениям, многоклеточные животные и настоящие грибы находятся на эволюционном древе очень близко.

Группа амеб, включающая миксомицетов, — следующий по удаленности родственник. То есть на самом деле эти амебо-грибо-животные имеют примерно одинаковую степень родства как с нами, так и с лесными рыжиками. А высшие растения представляют совсем другую, отделившуюся очень давно группу.

Плазмодий слизевика Physarum polycephalum распространяется по поверхности сухого листа в поисках пищи

Фото Shutterstock / Fotodom.ru

По сравнению с амебой миксомицет поражает своими размерами и многоядерностью, но если и называть его попыткой природы создать многоклеточное существо, то попытка эта не слишком удачная: миксомицет разделяется на отдельные клетки только ради спороношения. А вот другую группу слизевых грибов — диктиостелиды — как раз можно назвать «псевдомногоклеточными». На протяжении всего жизненного цикла их клетки не теряют индивидуальности: цитоплазмы не сливаются.

Пока питания много, а плотность клеток низка, клетки диктиостелид существуют по отдельности. Однако когда пища заканчивается, а от соседей уже не протолкнуться, амебы сползаются вместе, чтобы сформировать плодовое тело. Такое состояние называется псевдоплазмодием, а диктиостелид относят к клеточным слизевикам (в отличие от миксомицетов, причисляемых к неклеточным слизевикам).

Dictyostelium discoideum — представитель диктиостелид и близкий родственник миксомицетов

Фото Usman Bashir

Плодовое тело выглядит почти как у миксомицетов — шарик на ножке, — но при этом состоит из отдельных клеток. Ножка образуется из одних клеток, а вот сами споры, крепящиеся к ней сверху, — из других. Интересно, что клетки, образующие ножку, в размножении не участвуют. Эти создания жертвуют собой (точнее, будущим собственных генов) ради того, чтобы их собратья смогли размножиться и передать гены потомству.

Прохождение лабиринтов и прокладка железных дорог

В 2008 году исследователи из Японии заявили, что плазмодий миксомицета способен проходить лабиринт. Однако здесь есть несколько нюансов. Во-первых, делает он это со своей миксомицетной скоростью: лабиринт 15х15 см слизевик проходил несколько часов. Во-вторых, чтобы получить такой смекалистый организм, авторам исследования пришлось сначала разложить по всему лабиринту кусочки одного плазмодия.

Профессор Тошиюки Накагаки демонстрирует, как его подопечный миксомицет находит выход из лабиринта

Фото AFP / EAST NEWS

После этого кусочки слились, и только тогда плазмодий нашел путь от входа к выходу, где находилась еда. Так что считать это полноценным прохождением лабиринта в нашем понимании все-таки нельзя. За эту работу руководитель группы, Тошиюки Накагаки, был удостоен Шнобелевской премии.

Фото TOSHIYUKI NAKAGAKI

Похожий эксперимент проводил Андрей Адамацкий, работающий в Канаде, однако он не разделял плазмодий на части и использовал круговой лабиринт, в котором пища находилась в центре. Скорость, конечно, была все той же — несколько миллиметров в час.

Но факт остается фактом: если у вас есть небольшой лабиринт и огромное количество времени, миксомицет сможет решить эту проблему. За вкусное вознаграждение, конечно.

Через пару лет после своего опыта Накагаки использовал миксомицет для совсем уж необычной задачи: заставил плазмодий построить сеть железных дорог, аналогичную Токийской. Конечно, это были не сами железные дороги, а их карта.

Исследователи взяли карту реальных путей сообщения Токио и расположили над ней на чашке Петри частицы пищи над крупными пересадочными пунктами. Исходной точкой взяли вокзал Токио, куда и поместили плазмодий. Разрастаясь, он поглощал частицы пищи, а затем соединял их каналами. В итоге на чашке получилась сеть, аналогичная той, что была на карте.

Исследователи оценили ее с точки зрения затрат и помехоустойчивости. Помехоустойчивым считается такой граф (а любая карта — это и есть граф), в котором при удалении любого ребра ни одна вершина (населенный пункт) не остается изолированной. Стоимость же определяется суммарной длиной всех ребер, образующих карту.

Все логично: больше протяженность дорог — больше затраты на их создание, неважно, являетесь ли вы одноклеточным простейшим или правительством страны. Очевидно, что самый помехоустойчивый граф будет самым дорогим, а самый дешевый разрушится от любого изменения. Поэтому идеальный граф должен находиться между этими крайностями.

Как и настоящая сеть Токио, сеть миксомицета не была ни абсолютно устойчивой, ни максимально дешевой (что обычно и не требуется при прокладке дорог), а занимала промежуточное положение. Итак, если инженеру необходимо создать оптимальную сеть между точками, а под рукой нет компьютера с необходимым ПО, зато есть миксомицет, — можно попробовать решить эту задачу с помощью живого объекта.

Компьютеры, роботы и слизевики

Помимо исследований с лабиринтами, Андрей Адамацкий изучил электрохимические особенности плазмодиев и обнаружил, что эти клетки представляют собой мемристоры — элементы цепи, обладающие свойством хранить информацию о предыдущем состоянии.

Их сопротивление меняется в зависимости от приложенного напряжения, что позволяет памяти на основе мемристоров выигрывать в скорости и емкости в сравнении с обычной флеш-памятью компьютеров.

Адамацкий показал, что созданный им компьютер на основе миксо-мемристоров может существовать от 3 до 5 дней, но исследователи ищут способ увеличить этот срок. Возможно, в будущем компьютеры на основе плазмодиев смогут заменить существующие или хотя бы помогут человечеству в разработке более мощных машин.

Слизевик Physarum polycephalum под наблюдением профессора Адамацкого создает оптимальную сеть дорог для Канады

Фото ANDREW ADAMATZKY

В тот же знаменательный для физиологов миксомицетов 2008 год международный коллектив ученых выпустил работу, в которой описал робота, управляемого плазмодием. Миксомицета помещали в камеру с шестью ячейками, в каждую из которых клетка могла заползать. Сверху это снимала камера, на ПК анализировалось поведение, и результат передавался на шестиногого робота.

В зависимости от выбранной ячейки поднималась та или иная лапа робота. Так исследователи хотели показать, что потенциально возможно использовать плазмодии для управления роботами. Если включить в такую систему обратную связь в виде датчиков на роботе и стимул для миксомицета, можно получить неплохую саморегулирующуюся систему.

Например, на роботе стоят датчики радиационного фона, а в камере с плазмодием расположены регулируемые источники света. При приближении к зоне с высоким уровнем радиации яркость света увеличивается, заставляя плазмодий уползать от раздражителя и уводить робота из этой зоны. Однако проблема скорости все еще актуальна.

Польза от слизи

Построение сетей логистики и создание живых компьютеров выглядит очень многообещающе, однако эти технологии еще очень далеки от реального внедрения в практику и производство. Есть ли применение этим созданиям уже сегодня?

Способность миксомицетов прокладывать путь к источнику пищи используется для разработки новых технологий

Помимо экологических исследований, в которых по видовому составу миксомицетов оценивают антропогенную нагрузку или определяют общее биоразнообразие, существует обширная область медицинских изысканий, в которых уже получены некоторые результаты. На данный момент принято разделять химические соединения, выделенные из слизевиков, на следующие типы по их физиологическому действию:

• Антибиотики — подавляют рост патогенных бактерий и грибов;
• Антиоксиданты — борются со свободными радикалами;
• Цитотоксики — уничтожают выбранные клетки, обычно опухолевые;
• Цитостатики — останавливают рост клеток, также применительно к опухолям;
• Противовоспалительные средства.

Помимо того, что для десятков соединений миксомицетов множества видов показана их биологическая активность, уже существует одобренный и зарегистрированный препарат. Это полицефин — полимер, выделенный из Physarum polycephalum, используемый в качестве платформы для доставки лекарств в клетки пациентов, в частности, в опухолевые клетки.

Множество соединений сейчас изучается и модифицируется с целью увеличить их активность (так как изначально она довольно низкая), а учитывая растущий спрос на новые антибиотики и противоопухолевые препараты, возможно, нам стоит ожидать появления в будущем на рынке лекарств, полученных из миксомицетов или на основе их соединений.

Слизевые грибы в целом и миксомицеты в частности — одна из наименее изученных групп живых организмов. Их исследования ставят больше вопросов, чем дают ответов, однако возможные плюсы от их применения в будущем должны легко окупить все усилия, потраченные на их исследования сейчас.