Адаптивные реакции микроорганизмов адаптивные реакции реакция на стрессовые. Все, что нужно знать о бактериях Приспособление бактерий к условиям внешней среды

5 ТОЛЕРАНТНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ К ФАКТОРАМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов тес-но связаны с окружающей средой. Проявление их дея-тельности зависит от изменения или особенностей этой среды.

Каждый вид микроорганизма способен расти, развиваться и размножаться в рамках внешних условий, которые отражают их уровень толерантности.

Экологические факторы среды многочисленны и разнооб-разны. Обычно их разделяют на физические, химические и биологические.

Микроорганизмы лучше адаптируются к экстремальным физическим и химическим факторам окружающей среды, чем животные и растения. Некоторые бактерии сохраняют жизнеспособность при температуре до +104 ° С, в диапазоне рН от 1 до 13, давлении от 0 до 1400 атм., длительно живут в бидистиллированной воде и в насыщенных растворах солей, не погибают при интенсивном облучении, в присутствии тяжелых металлов, антисептиков, антибиотиков, дезинфектантов. В то же время для каждого вида есть наследственно обусловленные оптимальные уровни и критические границы толерантности микробов к физическим, химическим и биологическим факторам.

Толерантность к физическим факторам окружающей среды

К физическим факторам внешней среды, положитель-но или отрицательно влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся: влажность среды, концентрация в ней растворенных веществ и ее осмотическое давление, температура, солнечный свет и различные формы лучистой энергии.

Влажность среды. Некоторые виды микробов весьма чувствительны к недостатку влаги. Например, нитрифи-цирующие и уксуснокислые бактерии после высушива-ния быстро отмирают. Другие, наоборот, могут сохра-няться в высушенном состоянии в течение нескольких месяцев и даже лет (стафилококки, молочнокислые бак-терии, дрожжи). Особенно устойчивы к высушиванию споры бактерий и плесневых грибов. Они могут сохра-няться в высушенном состоянии десятки лет. Высуши-вание в вакууме при низкой температуре с последую-щим хранением в безвоздушной среде сохраняет жизнедеятельность микробов длительное время (лиофильная). Этот метод широко используется для длитель-ного хранения микробных культур. Так, некоторые бо-лезнетворные бактерии (кокки) сохранялись в подоб-ных условиях 25, а микобактерии - 17 лет.

В почве различные группы микроорганизмов наибо-лее интенсивно развиваются при влажности, близкой к 60 % полной влагоемкости.

К наиболее влаголюбивым почвенным бактериям от-носятся азотфиксирующие (азотобактер и клубенько-вые). При высушивании почвы микробиологи-ческая активность понижается или полностью подавля-ется. Неспособность микроорганизмов развиваться в условиях недостаточной влажности используется для пре-дохранения от порчи продуктов и кормов путем высуши-вания. Сушке подвергают мясо, рыбу, овощи, фрукты, молоко и другие продукты, а также сено.

Концентрация растворенных в среде веществ. В есте-ственных условиях микроорганизмы живут в растворах с разной концентрацией растворенных веществ, а, следо-вательно, с неодинаковым осмотическим давлением.

Повышение концентрации солей в среде выше оптимума нарушает нормальный обмен веществ между клеткой и внешней средой. В этом случае вода выходит из клетки, цитоплазма отходит от клеточной оболочки (плазмолиз), поступление в клетку питатель-ных веществ приостанавливается. В таком состоянии микроорганизмы довольно быстро погибают и лишь некоторые способны длительно сохраняться. Так, сущест-вуют бактерии, которые адаптировались к высоким кон-центрациям солей (около 29 %). Эти бактерии называют галофильными («любящими» соль).

Губительное действие высоких концентраций солей на микроорганизмы нашло применение и в практиче-ской деятельности человека. Оно лежит в основе кон-сервирования многих пищевых продуктов (мясо, рыба) в крепких растворах соли. Большинство гнилостных бак-терий прекращает развитие уже при 5-10 %-ной кон-центрации NaCl в среде (Proteus vulgaris , Bacillus mesentericus ). Однако для получения более надежных результатов употребляют более концентрированные растворы поваренной соли - 20-30 %.

Для создания высокого осмотического давления в жидкости, кроме хлористого натрия, широко используют сахара, но в концентрациях, превышающих 70 %.

Температура. Температура среды - один из важней-ших экологических факторов, влияющих на жизнь микробов. Каждый вид микроорганизмов может развиваться лишь в опре-деленных пределах температуры.

По отношению к температуре микроорганизмы обыч-но подразделяются на три группы: психрофильные, мезофильные и термофильные.

К психрофильным (греч. psichrio - холодный, phileo - люблю) относятся микроорганизмы, приспосо-бившиеся и развитию при низкой температуре. Это плес-невые грибы, светящиеся бактерии, бактерии холодных водоемов, ледников и т.п. Для них минимальная тем-пература составляет от 0 до 10 °С, оптимальная - около 10 °С и максимальная 20-30 °С. Некоторые виды способны расти даже при температуре ниже 0 °С.

Вообще к низким температурам микроорганизмы малочувствительны. Ряд исследователей доказали, что бактерии сохраняют жизнеспособность после обработки их в течение нескольких часов жидким воздухом (-182, - 100 °С) или даже жидким водородом (-252 °С). Низкие температуры приостанавливают жиз-недеятельность микроорганизмов, поэтому предупреж-дают порчу охлажденных мяса, рыбы, масла, молока и других продуктов. Повторное замораживание после оттаивания губи-тельно действует на микробы. Психрофильные бактерии спор не образуют.

Мезофильные бактерии (греч. inesos - средний) развиваются при средних температурах. К ним относятся большинство сапрофитов и все патогенные микробы.

Для них температурный минимум лежит в пределах 0- 10°, С оптимум - при 25-35 °С и максимум - при 40-50 °С.

Термофильные бактерии (греч. termos - теп-лый) развиваются при сравнительно высокой температу-ре Температурный минимум для них находится около 30° С, оптимум - 50-60 °С, максимум - 70-80 °С.

Термофильные микроорганизмы распространены в го-рячих минеральных водах и принимают деятельное уча-стие в процессах самосогревания навоза, силоса, влаж-ного зерна.

Высокие температуры вызывают гибель микробной клетки в результате свертывания (коагуляции) белков цитоплазмы и инактивации ферментов. Большинство бесспоровых бактерий отмирают при нагревании до 60- 70 °С в течение 15-30 мин, а при нагревании до 80- 100 °С за время от нескольких секунд до 1-3 мин. Во влажной среде бактерии при высокой температуре гиб-нут скорее, чем в сухой, так как пар способствует быст-рой коагуляции белка. Споры многих бактерий выдержи-вают нагревание до 100° С в течение нескольких часов. Даже наиболее устойчивые споры во влажной среде при 120 °С погибают через 20-30 мин, а при действии сухого жара (160-170 °С.) - спустя 1-2 ч.

На губительном действии высоких температур осно-ваны два способа уничтожения бактерий: пастеризация и стерилизация.

При пастеризации жидкость нагревают до 60-70 °С в течение 20-30 мин или до 70-80 °С в течение 6-10 мин, при этом погибают только вегетативные формы бактерий. Пастеризацию применяют преимущественно для сохранения молока, вина, икры, фруктовых соков и некоторых других продуктов.

Под стерилизацией подразумевают освобожде-ние какого-либо предмета или вещества от всех живых существ. Это достигается нагреванием до 100-130 °С в течение 20–40 мин.

Влияние света. Прямой солнечный свет убивает поч-ти все виды бактерий, за исключением пурпурных и фо-тобактерий. Под действием прямых солнечных лучей бактерии гибнут за несколько минут или часов.

Биологическое действие солнечного света на микро-бы обусловлено находящимися в нем ультрафиолетовы-ми лучами. После проникновения в клетку они, адсорбируясь жизненно важными частями, белками и нуклеиновыми кислотами, вызывают фотохимические и окисли-тельные процессы, губительно действующие на микроорганизмы. Ультрафиолетовые лучи убивают через не-сколько минут и вегетативные формы и споры.

В биологическом отношении наиболее интересны ульт-рафиолетовые лучи с длиной волны от 280 до 230 нм. Они обладают выраженным бактериостатическим и бактерицидным действием. В зависимости от дозы облуче-ния и вида микроорганизма действие ультрафиолетовых лучей может быть летальным или мутагенным.

Лампы, испускающие ультрафиолетовые лучи с дли-ной волны 254 нм, широко применяют для стерилизации посуды, дезинфекции воздуха в больницах и операционных, в школах, в борьбе с долгоносиком, поражающим зерно. Ультрафиолетовые лучи используются и для стерилизации воды, молока, материалов, разрушающихся при действии высоких температур.

Влияние радиации, рентгеновского излучения и электричества. Лучи радия и рентгена в малых дозах и при непродолжительном действии стимулируют размножение некоторых микробов, в больших же дозах убивают их. Электрический ток высокой частоты приводит к гибели микроорганизмов. Особенно сильное действие на них оказывают токи ультравысокой частоты.

Влияние механических сотрясений и высоких давле-ний. Механические воздействия (сильные и частые толч-ки) уничтожают большинство микробов. Встряхивание в шюттель-аппарате с песком или со стеклянными бусами резко уменьшает число жизнеспособных бактерий. Само-очищение водоемов от микроорганизмов частично проис-ходит вследствие движения воды в реках и ручьях. Высокие давления слабо влияют на микроорганизмы, отдельные виды бактерий могут нормально жить и раз-множаться в морях на глубине 9 км, где давление дости-гает 9×10 4 кПа. Некоторые виды дрожжей, плесневых грибов и бактерий переносят давление и 3×10 5 кПа.

Толерантность к химическим факторам окружающей среды

К химическим факторам, оказывающим влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся: состав и реакция среды, окислительно-восстановительные усло-вия среды.

Состав среды. Химические соединения могут быть полезными для микроорганизмов и использоваться как питательные вещества или неблагоприятными - анти-микробными (бактерицидными), которые угнетают или убивают микроорганизмы. Слабые растворы усиливают жизнедеятель-ность микробов. Более сильные растворы убивают микроорганизмы лишь в вегетативной стадии, очень кон-центрированные уничтожают и споры. Чувствительность различных микробов к одному и тому же химическому соединению неодинакова. Некоторые вещества оказыва-ют вредное действие на одни группы микроорганизмов и являются безвредными для других.

Из неорганических веществ наиболее ядовиты для микроорганизмов соли тяжелых металлов (ртути, меди, серебра). При их концентрации 1:1000 большинство бактерий погибает в течение нескольких минут. Бактери-цидное действие оказывают хлор, йод, перекись водоро-да, марганцовокислый калий. Из минеральных кислот этими свойствами обладают сернистая, борная и некото-рые другие кислоты.

Сильными ядами для микробов являются фенол (кар-боловая кислота), креозол, формалин. В различной сте-пени токсичны спирты и некоторые органические кисло-ты (салициловая, масляная, уксусная, бензойная).

На губительном влиянии антисептиков на бактерии основано копчение мяса и рыбы, во время которого продукт пропитывается дымом, содержащим ле-тучие соединения, в частности, формальдегид, фенолы, смолы.

Реакция среды. Реакция среды является существенным химическим фактором, влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов. Величина рН для нейтральной среды равна 7,0, для кислой - 0-6,0 и щелочной - 8,0-14,0. Отношение микробов к реакции среды очень разнообразно. Если одни могут развиваться в широких пределах величины рН, то для развития других микроорганизмов колебания рН должны быть незначительны.

Для многих плесневых грибов и дрожжей наиболее благоприятна среда с рН 3,0-6,0; большинство бактерий лучше развивается в нейтральной или слабощелочной среде (7,0-7,5). Очень кислая реакция на бактерии дей-ствует губительно.

Исключение представляют бактерии, которые сами образуют кислоту (уксуснокислые, молочнокислые, ли-моннокислые и маслянокислые).

Микроорганизмы, живущие в почве или водоемах, встречаются со значительным колебанием рН, поэтому они приспособились к широкому диапазону значений рН. И, наоборот, патогенные микроорганизмы, живущие в теле человека или животного, могут развиваться в сравнительно узком диапазоне рН.

Окислительно-восстановительные условия среды. Раз-витие микроорганизмов находится в тесной связи с окис-лительно-восстановительными условиями среды, обозна-чаемыми условно символом r Н 2 . Он представляет собой отрицательный логарифм давления молекулярного во-дорода и выражает степень аэробности в среде. Если сре-да насыщена молекулярным водородом, то r Н 2 равно нулю. При равновесии окислительных и восстановитель-ных процессов в среде r Н 2 равно 28. При насыщении сре-ды кислородом r Н 2 равно 41. На окислительно-восстановительный потенциал среды оказывает влияние аэрация. Различные микроорганизмы имеют кардинальные точки окислительно-восстановительных условий - мини-мум оптимум и максимум, которые определяют их раз-витие.

Потребность микроорганизмов в кислороде очень раз-лична. Анаэробы могут размножаться при низких значе-ниях r Н 2 - от 8 до 10. Аэробы размножаются в диапазо-не r Н 2 от 10 до 30. Промежуточные формы (факульта-тивные анаэробы) могут развиваться в широких преде-лах r Н 2 - от 0 до 30.

Регулируя окислительно-восстановительные условия в среде, можно не только действовать на рост и развитие микроорганизмов, но и влиять на характер физиологи-ческих и биохимических процессов, вызываемых микро-организмами.

Толерантность к биологическим факторам среды

Типы взаимоотношений микробов в биоценозах.

Микроорганизмы жестко конкурируют между собой. Это связано с тем, что обитающие в конкретном биоценозе микробы обладают принципиально сходными потребностями в источниках энергии и питания. Каждый микроорганизм приспосабливается не только к неживым субстратам, но и к другим окружающим его организмам. Подобная адаптация иногда приводит к приобретению особых метаболических свойств, наделяющих обладателя способностью занимать специфические ниши. Например, нитрифицирующие бактерии могут расти без органических источников энергии, окисляя аммиак или нитриты в качестве источника энергии в отсутствие света; другие организмы в подобных условиях не развиваются. Поэтому нитрифицирующие бактерии не испытывают биологической конкуренции. Значительная часть бактерий участвует в конкурентной борьбе, адаптируясь к сосуществованию с другими формами жизни либо вступая с ними в противодействие.

Симбиоз. Примером симбиоза могут служить взаимоотношения между некоторыми молочнокислыми бактериями и дрож-жами (молочнокислые бактерии, продуцируя молочную кислоту, создают условия, благоприятные для роста дрожжей, а продукты жизнедеятельности дрожжей - витамины стимулируют развитие молочнокислых бакте-рий), азотфиксирующими микробами и целлюлозоразлагающими бактериями, сожительство аэробов, поглощаю-щих кислород, с анаэробами и др. Подобного рода взаимоотношения часто наблюдаются между микроорганиз-мами и растениями (например, симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями, микориза - сожитель-ство различных грибов с корнями растений), а также между микробами и животными.

Взаимоотношения, при которых микроорганизм располагается вне клеток хозяина (более крупного организма), известны как эктосимбиоз ; при локализации внутри клеток - как эндосимбиоз .

Типичные эктосимбиотические микробы - Escherichia coli , бактерии родов Bacteroides и Bifidobacterium , Proteus vulgaris , a также другие представители кишечной микрофлоры.

Взаимоотношения симбиотического характера имеют следующие формы.

Метабиоз - такое существование, когда продукты жизнедеятельности одних видов микробов представ-ляют собой материалы для питания и развития других видов. Например, сапрофиты расщепляют, натуральные белки до пептонов, аминокислот и других, более простых соединений. А эти продукты служат исходным материа-лом для нитрифицирующих бактерий, которые переводят аммиачные соли в азотистую, а затем в азотную кис-лоту.

Дрожжи превращают сахара в этиловый спирт, а ук-суснокислые бактерии окисляют его в уксусную кислоту. Эта форма взаимоотношений распространена среди поч-венных микробов и лежит в основе круговорота веществ в природе.

Комменсализм (от лат. соm + mensa - сотрапезники) - разновидность симбиоза, при которой выгоду извлекает только один партнер (не принося видимого вреда другому). Микроорганизмы-комменсалы колонизируют кожные покровы и полости организма человека (например, желудочно-кишечный тракт), не причиняя «видимого» вреда; их совокупность - нормальная микробная флора (естественная микрофлора). Типичные эктосимбиотические организмы-комменсалы - кишечная палочка, бифидобактерии, стафилококки, лактобациллы. Многие бактерии-комменсалы принадлежат к условно-патогенной микрофлоре и способны при определённых обстоятельствах вызывать заболевания макроорганизма (например, при внесении их в кровоток во время медицинских манипуляций).

Мутуализм (от лат. mutuus - взаимный) - взаимовыгодные симбиотические отношения. Так, микроорганизмы вырабатывают БАБ, необходимые организму хозяина (например, витамины группы В). При этом обитающие в макроорганизмах эндо- и эктосимбионты защищены от неблагоприятных условий среды (высыхания и экстремальных температур) и имеют постоянный доступ к питательным веществам. Из всех видов мутуализма наиболее удивительно культивирование некоторых грибов насекомыми (жуками и термитами). С одной стороны, это способствует более широкому распространению грибов, с другой - обеспечивает постоянный источник питательных веществ для личинок.

Сателлизм . Некоторые микроорганизмы способны выделять метаболиты, стимулирующие рост других микроорганизмов. Например, сарцины или стафилококки выделяют ростовые факторы, стимулирующие рост бактерий рода Haemophilus . Нередко совместный рост нескольких видов микробов активирует их физиологические свойства. Подобные взаимоотношения известны как сателлизм (от лат. safeties - сопровождающий) (рис. 6).

Рис. 6. Синергизм у микробов – вокруг агарового блока с культурой актиномицета видна зона стимуляции роста плесневого гриба.

Антагонизм (антибиоз) - Ситуации, когда один микроорганизм угнетает развитие другого, известны как микробный антагонизм (от греч. antagonizmai - соперничество) и отражают сложившиеся эволюционно формы борьбы микроорганизмов за существование (то есть за источники питания и энергии).

Антагонистические взаимоотношения особенно выражены в местах естественного обитания большого числа различных видов и типов микроорганизмов (например, в почве или ЖКТ), имеющих одинаковые пищевые и энергетические потребности. При этом воздействие на конкурента может быть пассивным или активным. В первом случае микроорганизмы быстрее утилизируют субстрат, лишая соперника «сырьевых ресурсов»; во втором - «объявляют войну до полного уничтожения». Формы истребления могут быть вариабельными - от банального поглощения более мелких видов до выделения высокоспецифичных продуктов, токсичных для конкурентов (рис. 7).

Рис. 7. Антагонизм у микробов – вокруг агарового блока с культурой актиномицета видна зона подавления роста стафилококка.

Губительное действие микроорганизмов-антагонистов связано с накоплением ими в среде продуктов жизнедеятельности или с выделением в нее определенных биологически активных веществ - анти-биотиков.

В результате такого неблагоприятного воздействия жизнедеятельность одного из видов ослабляется или он погибает.

Молочнокислые бактерии являются антагонистами гнилостных бактерий, так как молочная кислота тормо-зит развитие последних. Обыкновенная почвенная микрофлора угнетает болезнетворные для человека микро-организмы.

Антагонизм наблюдается также между растениями и микроорганизмами. Растения вырабатывают вещества, токсичные для бактерий, грибов и простейших. Эти вещества обладают различными свойствами и неодинако-вы по химической природе, силе действия и т. д. Впервые они выявлены советским ботаником В. П. Токиным в 1928 г. и названы фитонцидами (phyton - растение, caedo - убиваю).

Таким образом, зона толерантности микробного мира поистине грандиозна, ее границы часто находятся на предельных значениях экологических факторов. Эта особенность микроорганизмов обеспечивает им практически беспредельное развитие на всей планете.

Биологическая адаптация (от лат. adaptatio - приспособление) - приспособление микроорганизма к внешним условиям в процессе эволюции, включая морфофизиологическую и поведенческую составляющие. Адаптация может обеспечивать выживаемость в условиях конкретного местообитания, устойчивость к воздействию факторов абиотического и биологического характера, а также успех в конкуренции с другими видами, популяциями, особями. Каждый вид имеет собственную способность к адаптации, ограниченную физиологией (индивидуальная адаптация).

Дезадаптация – какое-либо нарушение адаптации, приспособление организма к постоянно меняющимся условиям внешней или внутренней среды. Состояние динамического несоответствия между живым организмом и внешней средой, приводящее к нарушению физиологического функционирования, изменению форм поведения, развитию патологических процессов Полное несоответствие между организмом и внешними условиями его существования несовместимо с жизнедеятельностью. Степень дезадаптации характеризуется уровнем дезорганизации функциональных систем организма. В зависимости от характера функционирования, выделяют две формы дезадаптации: – непатологическая: поддержание гомеостаза возможно при режиме усиленного, но "нормального" физиологического функционирования; – патологическая: поддержание гомеостаза возможно только при переходе к патологическому функционированию.

Адаптации видов в рамках одного биоценоза зачастую тесно связаны друг с другом. Если адаптационный процесс у какого-либо вида не находится в равновесном состоянии, то эволюционировать может весь биоценоз (иногда - с негативными последствиями) даже в стабильных условиях окружающей среды.

Главное содержание адаптации, по мнению Т. Пилат, - это внутренние процессы в системе, которые обеспечивают сохранение её внешних функций по отношению к среде. Если структура системы обеспечивает ей нормальное функционирование в данных условиях среды, то такую систему следует считать адаптированной к этим условиям. На этой стадии устанавливается динамическое равновесие.

Примеры адаптации: у пресноводных простейших осмотическая концентрация протоплазмы выше, чем концентрация, окружающей воды. При поглощении воды в ней происходит постоянное опреснение. Нарушающееся при этом осмотическое равновесие регулируется деятельностью сократительной вакуоли, которая удаляет из тела избыточную воду. Некоторые простейшие способны, однако, приспособляться к существованию в более соленой и даже морской воде. При этом деятельность сократительной вакуоли у них замедляется и может даже совершенно прекратиться, так как в этих условиях выведение из организма воды повело бы к повышению в протоплазме относительной концентрации ионов и, в связи с этим, к нарушению в ней осмотического равновесия. Таким образом, в этом случае, механизм адаптации сводится к непосредственной физико-химической реакции протоплазмы. В других случаях механизм адаптации представляется более сложным и не всегда может быть сразу разложен на элементарные факторы. Таковы, например, адаптация животных к температурным условиям (удлинение шерсти млекопитающих под влиянием холода), к явлениям лучистой энергии (фототропизм растений); изменение окраски кожи холоднокровных, благодаря реакции пигментных клеток; сезонный диморфизм окраски птиц и млекопитающих; изменение их окраски в зависимости от климато-географических условий и т. п. Однако, и здесь механизм адаптации может быть, в конечном счете, сведен к физико-химическим реакциям протоплазмы. Явления адаптации тесно связаны с эволюцией микроорганизмов и представляют собою один из наиболее существенных факторов акклиматизации, борьбы за существование и мимикрии.

Адаптация микроорганизмов, аккомодация микроорганизмов, приспособление их к окружающей среде. Их строение, физиологические свойства и химимический состав находятся в зависимости как от наследственных свойств данного вида, так и от влияний окружающей среды. Последние заставляют микроорганизм изменяться. Изменения эти еще недавно считались случайными и, по учению Кона (Conn), мало существенными для основных черт микроорганизма, которые признавались незыблемыми. Однако, с течением времени сначала робко, а затем все решительнее, было выдвинуто учение об изменчивости микроорганизмов, как биологическом факторе, и в настоящее время изменения микроорганизмов уже не считаются только случайными, а признаются и более глубокими. Характер изменчивости микроорганизма находится в зависимости от двух факторов: от индивидуальной видовой стойкости данного микроорганизма и от глубины, размаха и силы воздействия окружающей среды. Некоторые виды микроорганизмов, как кислотоупорная группа, дифтерийная и грибковая формы, меньше изменяются и хуже приспособляются, в то время как кишечно-тифозная, капсулярная, кокковая, анаэробная группы легче подвергаются изменениям. Приспособляемость микроорганизмов прежде всего сказывается в их отношении к кислороду и окружающей температуре. Известно, что анаэробы могут быть приучены как к свободному кислороду, так и обратно. То же нужно сказать об отношении к окружающей температуре, а также к реакции среды, к действию света и химическому составу питательного материала. Одно условие должно быть соблюдено для выявления этой адаптации: постепенное воздействие новых факторов. Чем медленнее и постепеннее действуют новые условия, тем легче и совершеннее приспособляется микроорганизм. Это приспособление идет в различных направлениях. Окружающие условия заставляют микроорганизм становиться менее требовательным в своих физиологических функциях, ограничивать их до минимума и переходить в стадию анабиоза («скрытый микробизм»), для чего у него образуются споры, и он окружается непроницаемыми слизистыми, известковыми и соединительнотканными капсулами (кокки, туб. палочки и т. п.); или же микроорганизмы претерпевают морфологические изменения, теряя целые органы и части, особо чувствительные к обычным условиям (например, трипанозомы, приучаясь к мышьяку, теряют блефаробласты (Вербицкий)), и, таким образом, получаются новые расы микроорганизмов. Образование новых рас с новыми свойствами происходит особенно легко, когда микроорганизм встречается с новыми химическими веществами в организме, в котором он привык свободно размножаться. Когда в такой среде появляются вредные вещества, часть микроорганизмов погибает, а наиболее стойкие индивидуумы выживают и дают так называемые «стойкие» или «упорные» расы (Enrlich). Такая стойкость доказана в отношении различных химических соединений и алкалоидов (мышьяк, спирт, хинин).- Приспособляемость микроорганизмов может идти и в противоположном направлении - в сторону усиления их жизнеспособности и приобретения ими большей активности. Так, мало вирулентный микроорганизм под влиянием ослабления организма начинает быстро размножаться и вырабатывать токсины, которых у него раньше не было или было мало. Примером здесь могут служить многочисленные случаи так называемые эндогенных инфекций, когда пневмококк под влиянием простуды вызывает пневмонию или Bact. coli под влиянием погрешности в диете вызывает дизен-терийноподобное заболевание. Это «активирование» микроорганизма есть не что иное, как приспособление его к новым условиям. Явления приспособления особенно хорошо изучены и многочисленны там, где микроорганизм встречается с иммунным организмом или иммунными средами. Кроме указанных выше капсул, служащих микробу защитным слоем от внешней среды, у микроорганизма начинают вырабатываться аггрессины, которые делают его мало доступным для фагоцитов. Приспособляемость микроорганизмов идет так далеко, что они могут делаться стойкими даже по отношению к иммунным сывороткам. Борде (Bordet) еще в 1895 г. показал, как холерный вибрион может быть приучен к бактериолитической сыворотке. Рядом авторов доказана возможность приучить аглютинирующихся микроорганизмов к тому, что они перестают аглютинироваться. И наоборот, неаглютинабильные микроорганизмы могут быть превращены в аглютинирующихся, например, путем проведения через организм животных и даже при простых пересевах из среды на среду. Перестраивая свои морфологические и физиологические черты, микроорганизмы в зависимости от почвы, на которой они живут, и в зависимости от других микроорганизмов, рядом с ним размножающихся, может приобрести черты, присущие соседу, и превратиться в так называемый «парамикроба». Такой микроорганизм, как это доказал Розенау (Rosenow), может приобрести новые свойства, полученные им от сожительства с патогенным микроорганизмом, и сохранять их довольно долго по наследству. Так, например, стрептококк, выделенный при менингитах, вызванных диплококком Weichselbaum’a, приобретает способность давать менингит. Получается как бы подражание другому возбудителю. Это подражание выражается или в способности вызывать такое же заболевание или в приобретении новых антигенных свойств. Так, протей, живущий в организме сыпнотифозного больного, начинает аглютинироваться сывороткой больного, хотя он и не является возбудителем болезни. Из всех приведенных фактов ясно, какое большое значение имеют явления адаптации микроорганизмов для патологии и эпидемиологии.

Эволюция бактерий и ее медицинское значение. Микроорганизмы на Земле возникли примерно за три миллиарда лет до появления человека. В 1822 году Э.Дарвин предложил теорию эволюции, а через 100 лет русский биохимик А.Опарин (1920 г.) – теорию возникновения биологической жизни. В этой системе бактериям принадлежит весьма важное место. Первые, окруженные мембраной самореплицирующиеся формы биологической жизни (протобионты) были неспособны к фотосинтезу и получали энергию путем осуществления простых, одностадийных абиогенных окислительных реакций. Это продолжалось около 1.0 млрд. лет. Энергия (электрохимическая, термальная, фотохимическая), образующаяся в этих реакциях, сохранялась в определенных молекулах и использовалась для осуществления примитивных процессов. Формирование первичных молекул и реакций положило начало обменным процессам-анаболизму и катаболизму. Переход от протоклетки к прокариотной клетке произошел в промежутке 2.5-3 млрд. лет назад. В атмосфере планеты не было кислорода и первичные прокариоты были анаэробами. Аутотрофный путь фиксации СО 2 явился основой первичной продуктивности на планете. Смена восстановительной атмосферы на кислородную произошла между средним и поздним докембрием (2,8 млрд. лет назад). Для сравнения содержание кислорода в атмосфере планеты 800 млн. лет назад составляло около 1%, 400 млн. лет – уже было 10%, а в настоящее время – 21%. По мере изменения состава атмосферы стали формироваться факультативные фототрофные и гетеротрофные анаэробы, позднее возникли аэробные бактерии .

Бактерии явились не только первичными накопителями генов, но объектом их эволюционного усовершенствования. Скорость эволюции – это количество мутаций на 100 аминокислот молекулы определенного белка в течение 100 млн. лет . Она широко варьирует. На этом построена концепция молекулярных часов, декларирующая, что мутации постепенно аккумулируются в геноме и линейно временному периоду эволюции формируют новый сиквенс для дальнейшей дивергенции вида. Диаграмма, представленная на рис.3. позволяет отобразить эволюцию определенных групп бактерий и примерно установить эволюционное время, когда тот или иной вид (род) дивергировал от общего предка .

Скорость эволюции постоянна и зависит от многих факторов – скорости метаболических процессов, времени генерации, потоков движения информации и селективного давления. Например, дивергенция рода Salmonella и рода Escherichia coli от общего предка произошла примерно 100-140 млн лет назад. Геномы бактерий эволюционировали на протяжении более 50 миллиардов генераций аккумулируя мутации и приобретая новую генетическую информацию посредством горизонтального переноса генов без существенной перестройки предковых генов. В течение года геном сальмонелл приобретал чужеродной генетической информации примерно 16 кб/млн. лет, а кишечной палочки – 22 кб/млн.лет. В настоящее время их геномы отличаются на 25% . Значительная часть генома приобретена путем горизонтального переноса. В целом, геном бактерий варьирует по размерам от 0.6 до 9.4 Мб информации (в среднем от 3 до 5 Мб). Некоторые бактерии имеют две хромосомы (Leptospira interrogans serovar icterohemorrahgiae, Brucellae melitensis) . Прогрессивная эволюция бактерий происходила в нескольких взаимосвязанных направлениях – метаболическом, морфологическом (структурно-молекулярном) и экологическом. В природе имеется огромное разнообразие микроорганизмов из которого в настоящее время известно не более 5-7% их, а культивируемые в искусственных условиях бактерии составляют около 1%. Это означает, что мы еще только начинаем узнавать мир микробов.

Стратегии секвенирования генома. Каждая пара оснований генома является одним битом информации. Например, геном Haemophilus influenzae содержит 1 830 137, а геном Escherichia coli – 4 639 221 бит информации. Сравнительные аспекты секвенирования геномов бактерий позволяют определить наличие общих генов, регуляторных механизмов, установить эволюционные внутри и межвидовые связи и являются основой структурной и эволюционной геномики. Математическим анализом геномов микроорганизмов занимается новая наука – биоинформатика. Предметом исследований являются сиквенсы фрагментов или полных геномов бактерий с помощью разрабатываемых компьютерных программ и баз данных информации о нуклеиновых кислотах и белках .

На основе анализа строения геномов (секвенирования) сформировано 36-40 крупных таксонов (отделов). Члены каждого из них имеют общего предка, который на определенном этапе дивергировал от другого таксона-предшественника. Некоторые из отделов включают большее число видов известных бактерий, чем другие. Обычно это относится к тем из них, которые хорошо культивируются в лабораторных условиях. Наибольшее число видов бактерий (от 40 до 80%) описано среди таксонов протеобактерий, актинобактерий, грамположительных бактерий с низким содержанием Г+Ц. Вместе с тем в некоторых отделах культивируемые представители бактерий неизвестны. Следует отметить, что из 36-40 отделов царства Bacteria только представители 7 крупных таксонов способны вызывать заболевания у человека. Специализация и адаптация этих бактерий к организму животных привело к образованию блоков генов, контролирующих факторы патогенности (островки патогенности). Они могут локализоваться в хромосоме, плазмидах и, возможно, в фагах бактерий. Установление направления и порядка эволюции микроорганизмов на основе изменчивости их геномов является перспективным направлением молекулярной эпидемиологии .

ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 40, № 4, с. 387-397

УДК: 576.8.098/577.1

ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ФАКТОРЫ АДАПТАЦИИ БАКТЕРИЙ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ УСЛОВИЯМ СРЕДЫ

© 2004 г. Ю. А. Николаев

Институт микробиологии РАН, 117811, Москва, e-mail: [email protected] Поступила в редакцию 17.11.2003 г.

Рассмотрены сведения о внеклеточных соединениях бактерий, участвующих в их адаптации к неблагоприятным условиям среды: высоким и низким температурам, рост-ингибирующим и бактерицидным концентрациям токсичных веществ (окислители, фенолы, тяжелые металлы), антибиотиков, неблагоприятным значениям рН и солености. Идентифицированные соединения по химической природе относятся к разным типам, они представлены белками, углеводородами, органическими кислотами, нуклеотидами, аминокислотами, липопептидами, летучими соединениями. Большая часть таких соединений в настоящее время не идентифицирована, а свойства их изучены при использовании биотестов. Предлагается рассматривать внеклеточные факторы адаптации (ВФА), как новую группу биологически активных веществ. По механизму действия внеклеточные факторы адаптации можно разделить на несколько групп; протекторы (стабилизаторы); вещества сигнальной природы, являющиеся индукторами защитных механизмов клетки; регуляторы - не индукторы, (например, регуляторы адгезии); "противоядия" и нейтрализующего действия. Основными направлениями изучения ВФА являются поиск новых соединений (на основе биотестов), их идентификация и исследование механизмов действия. Внеклеточные факторы адаптации могут найти широкое практическое применение в биотехнологии, медицине, сельском хозяйстве и охране окружающей среды.

Адаптация бактерий к неблагоприятным условиям среды является традиционным и хорошо изученным разделом биохимии и микробиологии. Под адаптацией (лат. айаргагю - приспособление) понимают сумму физиологических, биохимических, морфологических и поведенческих реакций организма, направленных на изменение скорости роста, метаболизма, жизнеспособности (выживаемости) и генетически присущих организму. Адаптация направлена на выживание конкретной популяции и всего вида в целом. В учебниках по микробиологии, биохимии и теоретической биологии адаптация к неблагоприятным условиям среды рассматривается в разделах "фенотипичес-кая и генетическая адаптации" и "регуляция активности ферментов и их синтеза". Конкретные примеры адаптации многообразны и описаны в ряде обзоров и монографий, в основном с позиций биохимии и генетического контроля развития адаптивного ответа .

Кратко остановимся на терминологии, т.к. даже среди специалистов, работающих в этой области, отсутствует единство в употреблении конкретных терминов. В англоязычной литературе обычно говорят об адаптации как о развитии устойчивости к стрессам или шокам (кислотному, температурному, солевому и др.), понимая под стрессом давление, напряжение, нажим, другими словами - существенное изменение какого-то фактора - температуры, давления и т.п. "Шок"

означает удар, потрясение, толчок, т.е. резкое воздействие на организм, кратковременное по сравнению с длиной клеточного цикла и скоростью обычных адаптивных реакций, и значительное по интенсивности воздействия фактора.

В отечественной биологии существует иная терминология. Согласно Большому толковому словарю русского языка "стресс - это состояние напряжения организма, защитная реакция, вызванная действием неблагоприятного фактора". Такое понимание согласуется с определением основоположника стрессологии Г. Селье, который трактовал стресс как неспецифический ответ организма на предъявленное ему требование . В таком же значении стресс рассматривается в ряде обзоров . Шок - это "реакция организма на сильное внешнее воздействие (а также его состояние после такого воздействия), характеризующаяся резким нарушением регуляции жизненных процессов" . Таким образом, и стресс и шок - это состояние организма, характерная адаптивная реакция на воздействия, различающиеся дозой, интенсивностью и временем.

Правомочно коснуться вопроса о том, насколько состояние стресса является естественным, распространенным или анормальным. В таком случае следует обозначить, что принимается за норму. Постоянное изменение, развитие - неотъемлемые свойства биологических систем .

Изменения носят как векторный, однонаправленный характер, так и циклический. Соответственно, в развитии любой живой системы должны чередоваться фазы быстрого, оптимального развития и фазы подавленного, неоптимального. Исходя из этого, подавленные, лимитированные состояния следует считать естественным и даже неотъемлемым свойством жизни . В таком случае, если принять за "норму" размножение микроорганизмов, увеличение их численности в фазе роста микробной культуры, то состояние клеток в лаг-фазе рассматривается как "стресс новой среды", требующий адаптивных приспособительных реакций. С другой стороны, истощение источников питания или критическое повышение плотности клеток в развивающейся культуре обусловливают "стресс голода", а стационарные клетки демонстрируют физиологическое приспособление культуры к неоптимальным для роста условиям. Такое рассмотрение стресса как нормального и даже способствующего развитию состояния культуры (организма) обусловлено и сочетается с циклическим характером того конкретного физического мира, в котором существуют земные организмы, где циклически изменяются температура, освещенность, влажность, давление, концентрации органических и неорганических соединений, напряженность физических полей, действие биотических факторов.

Принимая во внимание цикличность изменений окружающих условий, следует выделять в них: а) изменения, новые для конкретного этапа развития, но повторяющиеся в цикле развития и входящие в зону толерантности данного вида; б) выходящие за пределы такой зоны толерантности воздействия, неблагоприятные для роста и развития организма, часто биоцидные. Тогда, под адаптацией к каким-либо условиям будем понимать совокупность специфических морфологических, биохимических, физиологических и поведенческих реакций организма, развивающихся в ответ на данные условия и способствующих продолжению функционирования организма или направленные на повышение жизнеспособности (снижение смертности) в экстремальных условиях. В последнем случае речь идет не о продолжении метаболизма (микробной культуры) в конкретных неблагоприятных условиях (адаптации организма), а о сохранении популяции для следующего жизненного цикла в отдаленном будущем, при гибели части популяции (как правило, большей) и временной остановке в функционировании переживающих клеток.

В контексте обсуждаемой проблемы кратко остановимся на признаках стресса у микроорганизмов. При его констатации обязательно сравнение показателей состояния организма, которые наблюдаются в обычном, принимаемом за оптимальное (гомеостаз), и в стрессовом состоя-

нии. Значительное нарушение любого измеряемого показателя гомеостаза является показателем и признаком стресса. У микроорганизмов к показателям угнетенного, стрессового состояния относят: выход белка во внеклеточное пространство , потерю низкомолекулярных соединений клеткой вследствие повышения проницаемости цитоплазматической мембраны, повреждение рибосом, нуклеиновых кислот, уменьшение скорости потребления кислорода, снижение активности ферментов , накопление активных форм кислорода и продуктов перекисного окисления липидов , потерю частью клеток популяции способности образовывать колонии при росте на плотных питательных минимальных средах (т.е. снижение концентрации ко-лониеобразующих единиц, КОЕ) , замедление роста , торможение жизненной активности , агрегацию и адгезию. Обязательным признаком стрессового состояния является его обратимость, возможность возврата к нормальному функционированию при соответствующих изменениях среды.

Среди перечисленных признаков наиболее характерные и чаще всего используемые на практике два - снижение скорости роста и жизнеспособности клеток. Они представляются наиболее прямыми и адекватными показателями состояния стресса. Скорость роста - это интегральный показатель состояния микроорганизмов. Для клеток, растущих с определенной, максимальной для данных условий скоростью (ц.макс), ее снижение до какой-то более низкой величины цмин будет свидетельствовать о стрессовом состоянии микробов. Однако впоследствии рост с этой новой низкой скоростью может стать нормой в новых условиях. Дальнейшее ухудшение условий может привести к снижению ц до 0 или даже к гибели клеток. Начало гибели клеток свидетельствует об исчерпании адаптивных ресурсов отдельных клеток. Однако для популяции уменьшение количества клеток - процесс обратимый и гибель определенного количества отдельных клеток -вполне нормальное явление при том, что другая часть клеток сохраняет жизнеспособность, переходя в покоящееся состояние. Таким образом, снижение скорости роста и концентрации жизнеспособных клеток являются признаками стресса, но первый более характеризует состояние клеток, а второй - популяции. Большинство работ, посвященных адаптации бактерий к неблагоприятным воздействиям, оперирует именно этими двумя показателями.

Обзор ограничен, в основном, адаптацией активно растущих культур к неблагоприятным физико-химическим условиям среды, направленной как на поддержание активного состояния клеток, когда стратегия роста сохраняется, так и на сохранение популяции при смене стратегии роста

стратегией переживания. Адаптации микробных культур к таким условиям, как истощение питательных веществ, новые благоприятные условия, смена источников питания, часто сопряженным с онтогенезом культур (т.е. образованием и прорастанием покоящихся форм) не будут рассмотрены.

В настоящее время достаточно хорошо исследованы механизмы адаптации бактерий к высокой и низкой температурам, высоким концентрациям активных форм кислорода, солей, неионных веществ, высокой радиации, гидростатическому давлению , исчерпанию источников углерода, энергии и других ресурсов . Основное внимание уделяется внутриклеточным из

ОЛЕСКИН А.В. - 2009 г.

Команда Ричарда Ленски, микробиолога-эволюциониста, известного своим долгосрочным эволюционным экспериментом, изучила генетические различия (накопленные мутации) между популяциями бактерий, в течение 2000 поколений адаптировавшихся к пяти разным температурным режимам. Несмотря на разнообразие возможных путей адаптации большая часть мутаций оказалась специфичной, то есть они возникали в тех и только тех популяциях, которые развивались при одном и том же или при сходных температурных режимах. Однако большинство этих мутаций позже закрепились и в ходе продолжающегося долгосрочного эволюционного эксперимента. По-видимому, при разной температуре разные мутации оказываются полезнее других (но редко из полезных становятся вредными) - и естественный отбор работает именно с этими различиями в относительной полезности, закрепляя раньше мутации, оказавшиеся в данных условиях более благоприятными.

«Элементы» неоднократно рассказывали о работе лаборатории Ричарда Ленски (Richard Lenski), уже многие десятилетия занимающейся экспериментальным изучением эволюции бактерий. Эти исследования не только позволяют лучше понять закономерности приспособления этих микроорганизмов к среде (которые могут иметь и практическое значение, взять хотя бы устойчивость к антибиотикам), но и дают возможность воочию увидеть нетривиальные эволюционные процессы и их результаты, что важно для фундаментальной науки (см. Ранние этапы адаптации предсказуемы, поздние - случайны , «Элементы», 03.03.2015; В долгосрочном эволюционном эксперименте выявлен отбор на «эволюционную перспективность» , «Элементы», 25.03.2011; Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений , «Элементы», 01.11.2009).

Но, кроме широко известного долговременного эволюционного эксперимента (ДЭЭ) (см. E. coli Long-term Experimental Evolution Project), на данный момент длящегося уже 50 000 поколений, команда Ричарда Ленски проводит и более кратковременные исследования, являющиеся «отводками» основного эксперимента.

В новой работе исследователи изучали генетическую основу адаптации кишечной палочки Escherichia coli к разным температурам на протяжении 2000 поколений в нескольких десятках линий. В этой ситуации можно было ожидать как дивергенцию за счет стохастических процессов - возникновения мутаций и генетического дрейфа (см. Genetic drift), - так и параллельную эволюцию , когда разные линии приобретали бы в одной и той же среде сходные адаптации. По крайней мере, для сложно устроенных животных, у которых индивидуальное развитие существенно усложняет путь от генотипа к фенотипу , эти два варианта не обязательно противоречат друг другу: одна и та же адаптация может возникать на разной генетической основе. С этой множественностью допустимых результатов (подчеркнем, что каждый из них оказывается возможным) связан и давно интригующий ученых вопрос о предсказуемости эволюции - вернее, вопрос состоит в том, на каком уровне мы можем предсказывать то, как конкретная популяция приспособится к изменившейся тем или иным образом окружающей среде (см. D. L. Stern, V. Orgogozo, 2009. Is genetic evolution predictable?).

В эксперименте 30 отдельных линий кишечной палочки, взятые из долгосрочного эксперимента, в течение 2000 поколений развивались при пяти разных температурных режимах, по шесть линий на каждый. Часть бактерий выращивали при оптимальных 37°C (напомню, что в норме эти бактерии населяют кишечник теплокровных животных) и «терпимых» 32°C, а часть - при экстремальных для них холоде (20°C) и жаре (42°C), находящихся на нижней и верхней границах зоны толерантности (см. Реакция организма на изменение экологических факторов). Кроме того, еще один режим включал в себя чередование умеренных и экстремальных условий - температура колебалась между 32°C и 42°C. Подробнее схема эксперимента представлена на рис. 2А.

Все популяции бактерий за время эксперимента повысили скорость роста, то есть их приспособленность к среде возросла. Причем обычно эволюционировавшие бактерии оказывались более успешными по сравнению с предковыми не только в той среде, в которой их выращивали, но и на других. Но такое происходило далеко не всегда - например, популяции из 20, 32- и 37-градусных сред при 42°C росли хуже, чем предки. Впрочем, эти результаты были опубликованы уже давно (см. A. F. Bennett, R. E. Lenski, J. E. Mittler, 1992. Evolutionary adaptation to temperature. I. Fitness responses of Escherichia coli to changes in its thermal environment ; J. A. Mongold, A. F. Bennett, R. E. Lenski, 1996. Evolutionary adaptation to temperature. IV. Adaptation of Escherichia coli at a niche boundary). А в свежей работе авторы разбирались в генетической «подноготной» температурных адаптаций. Для этого они полностью отсеквенировали ДНК у представителей каждой популяции из конечного, 2000-го поколения.

Суммарно за все время эксперимента все исследуемые линии накопили 159 мутаций (напомним, что в эксперименте используется популяция E. coli, размножающаяся бесполым путем, поэтому эволюционные процессы изучают по накоплению мутаций) , при этом каждая отдельная линия накопила от двух до восьми мутаций - что интересно, только одна из этих «крайних» популяций росла не при оптимальных 37 градусах, а при «умеренных» 32-х. Но в среднем число мутаций, накопленных 37-градусными бактериями, значимо меньше, чем у всех остальных (но только если рассматривать их всех вместе; при попарном сравнении вариантов эксперимента различия в числе накопленных мутаций оказываются незначимыми - возможно, по причине малого числа популяций в каждом из вариантов опыта). Такие результаты вполне ожидаемы - ведь бактерии росли при оптимальной для них температуре, в которой, к тому же, в течение еще 2000 поколений развивались общие предки экспериментальных линий (рис. 2А). Таким образом, бактерии уже оказывались весьма адаптированными к этим условиям и на них действовал скорее очищающий отбор - отсеивающий мутации, разрушающие уже существующие адаптации, - чем движущий , приводящий к формированию новых приспособлений. Обнаруженные мутации относились к разным типам: это были синонимичные и несинонимичные замены нуклеотидов (см. Мутации: нуклеотидные замены: типы), делеции (утраты участков ДНК) и т. д. Их распределение по типам и отдельным популяциям приведено на рисунке 2В. Три из обнаруженных мутаций могут приводить к гипермутабильности - повышенному темпу мутирования. Такие мутации часто приобретаются в эволюционных экспериментах на бактериях, так как повышают шансы на появление благоприятных мутаций. Однако в данном случае популяции, несущие потенциальные гены-мутаторы , не показали сколько-нибудь значимого превышения числа полученных мутаций над ожидаемым.

Далее ученые оценили сходство мутаций, появившихся в разных популяциях, рассчитав коэффициент сходства Дайса, также известный как коэффициент Сёренсена (S = 2 (X∩Y)/(X + Y), где X и Y - число мутировавших генов в первой и второй сравниваемой группе, а X∩Y - число генов, мутировавших в обеих группах). При этом учитывали только те мутации, которые можно было точно отнести к конкретному гену (например, не учитывались все крупные делеции). Во-первых, коэффициент сходства для популяций внутри каждого варианта опыта оказался существенно больше, чем между разными вариантами: 0,168 против 0,042. При этом статистически незначимой оказалась только разница между линией, культивируемой при 42°C, и культивируемой при переменной температуре (рис. 3А). Во-вторых, удалось выявить специфичные мутации, значимо чаще возникающие (а иногда - и вообще уникальные) для отдельного температурного режима. Всего таковых оказалось четыре - только у переменного температурного режима не оказалось специфичного гена (рис. 3В).

Но, по-видимому, адаптации не сводятся к этим четырем мутациям. Так как часть других мутировавших генов также показывает тенденцию к агрегации в одном из вариантов опыта. Что интересно, все гены, «специфичные» и подозреваемые в этом, относятся к нескольким функциональным группам: они влияют на размер и форму клеток (mrdA , hslU ), регулируют метаболические пути , связанные с переработкой питательных веществ (nadR , iclR ), и меняют активность метаболического фермента (gltB ) (см. рис. 3В). Также среди «холодных» популяций есть тенденция к мутированию генов, связанных с транскрипцией и трансляцией . Таким образом, перед нами типичный пример комплексной адаптации, задействующей разные механизмы - и потому потенциально многовариантной. К счастью, современные молекулярно-генетичские методы позволяют вычленять отдельные гены и признаки, участвующие в приспособлении к тому или иному фактору среды, хотя еще несколько десятков лет назад едва ли не все эволюционисты считали, что распутать этот клубок невозможно и точные механизмы таких сложных адаптаций непознаваемы. Действительно, тогда можно было только сказать что-то вроде: «в ответе на отбор участвует множество генов, в каждой популяции - своих». Сейчас же мы можем сказать, какие именно это гены. И оказывается, что по крайней мере в некоторых случаях этот набор участвующих в адаптации генов оказывается воспроизводимым.

Интересные результаты принесло сравнение описываемого эксперимента с продолжающимся долговременным эволюционным экспериментом. Оказалось, что бактерии из ДЭЭ со временем накапливают мутации в тех же генах, что и адаптирующиеся к разным температурам! С одной стороны, им нужно адаптироваться не только к температуре - например, в среде обоих экспериментов не хватает глюкозы. С другой - где же тут специфичность адаптаций? Да, линия, культивируемая при 37°С, показывает наибольшее сходство с ДЭЭ, протекающем при той же температуре, - но ведь и остальные приобретают мутации, которые впоследствии оказываются полезными и при других температурах (рис. 4).

Авторы объясняют этот парадокс тем, что разные температурные режимы меняют относительную ценность разных мутаций, но редко делают полезную мутацию вредной - то есть, например, мутация, закрепившаяся в «холодных» линиях, в условиях низких температур оказывается более благоприятной, чем в оптимальных условиях, что повышает ее шанс на более раннее закрепление. В пользу этого говорит и прямая оценка адаптивной ценности отдельных мутаций. Исследователи вводили их в геном предковых бактерий и смотрели, как эти модифицированные организмы чувствуют себя при разных температурах. Ни для одной из мутаций не обнаружилось значимых различий по положительному эффекту на скорость роста при разных температурных режимах, хотя попарные сравнения выявили слабую тенденцию к тому, чтобы мутация была более благоприятной в том варианте опыта, где она возникла. Это подтверждает интерпретацию авторов: со сменой температуры все закрепившиеся мутации остаются благоприятными, но их относительная полезность меняется и естественный отбор работает именно с ними: оказавшиеся более благоприятными в данных условиях мутации закрепляются раньше.

Это исследование позволяет еще раз подчеркнуть, что эволюция может идти за счет вроде бы слабых, малозаметных различий. Не наличие эффективных и неэффективных путей, но небольшие различия в эффективности тех или иных приспособлений при разных температурах меняют вероятности их закрепления естественным отбором, что приводит к разным путям эволюции.

В конце статьи авторы подчеркивают, что, учитывая широкий диапазон возможностей для адаптации, их результаты показывают неожиданно высокую предсказуемость эволюции. И предполагают, что наличие таких специфических следов адаптации к конкретным условиям среды может помочь, например, в расшифровке эволюционной истории патогенных микробов, отслеживая историю перехода между разными видами, или даже индивидами хозяев (что поможет отследить динамику заболеваний), а также в судебной микробиологии, помогая выяснять обстоятельства гибели или историю перемещений отдельных предметов (см. R. E. Lenski, P. Keim, 2005.