知性は、微生物に軽々しく帰するような資質ではありません。細菌、粘菌、および同様の単細胞生物が、真の知性に内在する認識、理解、またはその他の能力を持っていると考える理由はありません。しかし、特にこれらの細胞が大量に集まると、問題を解決し、環境を制御するための驚くべき集団的才能が現れます。これらの行動は、何十億年にもわたる進化によってこれらの細胞に遺伝的にコード化されている可能性がありますが、その意味では、細胞は環境に洗練された方法で応答するようにプログラムされたロボットとそれほど違いはありません.後者の人工知能について話すことができれば、過小評価されている前者の細胞知能について言及することは、おそらくあまりにも法外なことではない.
顕微鏡下では、細胞の集合知の信じられないほどの運動が、目を見張るような美しさで明らかになります。 1983 年以来、ハーバード大学医学部の微生物学および免疫生物学の教授であり、微生物科学イニシアチブの共同ディレクターであるロベルト コルターは、これらの現象を研究する研究室を率いてきました。近年では、それらを視覚化する技術も開発しています。フォトエッセイ本 Life at the Edge of Sight:A Photographic Exploration of the Microbial World (Harvard University Press) は 9 月にリリースされ、Kolter と彼の共著者であり、彼の研究室のリサーチ フェローであり画像処理の専門家である Scott Chimileski は、科学的かつ芸術的であり、細胞を垣間見ることができる微生物の評価を提供します。文字通り足元にある驚異。ラボの画像は展示会 World in a Drop にも展示されています ハーバード自然史博物館で。その展示は 1 月上旬に終了しますが、その後、より広範な展示会、Microbial Life が続きます。 、2 月にオープン予定。
粘菌 Physarum polycephalum 微生物としての資格がほとんどない場合もあります。ライフサイクルの活動的でアメーバ状の段階で林床の落ち葉ににじみ出ると、直径1インチから1メートルの黄色がかったグーの水たまりのように見えることがあります.そのサイズにもかかわらず、Physarum 途切れることのない細胞質の塊に何万もの核が浮遊している巨大な単一細胞です。このフォームでは、Physarum 非常に有能なハンターです。細胞膜のセンサーが栄養の良い供給源を検出すると、タンパク質の収縮性ネットワーク (人間の筋肉に見られるものと密接に関連) がその方向に細胞質の流れを送り始め、粘菌を必要なものに向かって前進させます。
しかし Physarum 食べ物に向かって反射的に急上昇するだけではありません。一方向に移動すると、細胞全体に送信される信号により、有望でない経路を非生産的に押すのを思いとどまらせます。さらに、粘菌は基本的に地形をマッピングし、どこに行ってはいけないかを記憶するシステムを進化させました。移動すると、半透明の化学物質の跡を残して、再訪する価値のない場所を教えてくれます。
細菌が最初に顕微鏡で観察され、スライド上の液体に懸濁していたとき、その単純さから、細菌は原始的な孤立細胞の原型のように見えました。しかし、真実は、野生ではほとんどのバクテリアが高度に群生しているということです.一部の細菌は孤独な個体として環境を泳ぎますが、ほとんどの細菌細胞 (およびほとんどの種の細菌) は、表面に固定されたバイオフィルムと呼ばれるコンパクトな社会に住むことを好みます。 (個々のスイマーは、多くの場合、バイオフィルムの派生物であり、新しい場所にコロニーを作ろうとしています。)
さらに、バイオフィルムは細菌細胞の密な蓄積だけではありません。それらは、下の緑膿菌の画像に見られるように、細胞の集合的な運命に役立つ精巧な機能構造を内側と外側に持っています .バイオフィルムはコンゴーレッド色素で染色され、細菌がコミュニティの足場として分泌する細胞外マトリックスタンパク質に結合します。バイオフィルムの深くしわのある表面は、バクテリアが酸素を吸収できる領域を最大化します。また、おそらく栄養素を集めて老廃物を効率的に放出するのにも役立ちます.
バイオフィルム内で、細菌はコロニーを維持する労力を分担し、その機能に特化した形態に分化します。この一般的な土壌細菌 Bacillus subtilis のバイオフィルム たとえば、一部の細胞は細胞外マトリックスを分泌して所定の位置に固定しますが、一部の細胞は運動性を維持します。バイオフィルムの端にある細胞は成長のために分裂する可能性がありますが、中央にある他の細胞は厳しい条件を生き延びて新しい場所にコロニーを形成するために胞子を放出します.
自然淘汰が、細胞間のより横行する個人主義ではなく、なぜこの集合的行動を支持したのか疑問に思うかもしれません.答えの一部は、進化論者が包括的な適応度と呼んでいるものかもしれません。バイオフィルム内の細菌が関連している限り、個々の犠牲は、各細胞の何百万もの従兄弟への適応度の増加によって相殺されます.しかし、バイオフィルム内のすべての役割にはそれぞれ利点があるのかもしれません。端にある細胞は最も危険にさらされており、バイオフィルムを拡大するために猛烈に繁殖しなければなりませんが、最も多くの栄養素と酸素にもアクセスできます。内部の細胞は、生命維持のために他の細胞に依存していますが、より長く生き残る可能性があります。
バイオフィルムが成長する表面は、常に固体であるとは限りません。これらのB.ズブチリス 水と空気の界面に一種の浮遊バイオフィルムであるペリクルを形成しています。ペリクルの形成に関与する遺伝的経路は、必要に応じて細胞外マトリックス内のタンパク質の正確な混合を変更することにより、生息地の変化に対応する可能性がありますが、石を越えて成長する際に使用されるものと本質的に同じです.
微生物群集が移動できる唯一の方法は、拡大的な成長だけではありません。以下、B.ズブチリス 樹状突起の群れと呼ばれる行動に従事しています。この行動では、細胞は表面を効率的に舗装できる枝分かれした柱を急速に外側に押し出します.バイオフィルムは、栄養素が豊富な環境にいることを検出すると群れを成します:群れは、競合するコミュニティができる前に、バイオフィルムがこの貴重な領域を利用するのに役立ちます.
群れを可能にするために、バイオフィルム内の細胞の分化における少なくとも2つの重要な変化が起こります。まず、フィルムの周辺にある運動性細胞が余分な鞭毛を発達させ、より精力的に泳ぐことができるようになります。第二に、一部のエッジ細胞は界面活性剤も分泌し始めます。これは、運動性細胞が表面上をより速く滑るのを助ける滑りやすい物質です。
バイオフィルムが平らな実験皿で成長すると、群がるバイオフィルムの樹状柱はきれいに区別されたままになります.それらは伸びて互いに巻き付きますが、交差しません.これは、界面活性剤がバリアとしてバイオフィルムの枝の周りに積み重なるためであると思われます.同様に、いくつかのバクテリアは、実験室条件下でより段々になった構造に群がることができます。そのオプションが自然界のバクテリアにどのような影響を与えるかは、まだ謎のままです.
実験室の条件下で成長するバイオ フィルムによって示されるもう 1 つのタイプの動作は、らせん状の移動です。これは、Bacillus mycoides のタイムラプス ビデオで示されています。 .これらの細菌細胞は、時計回りまたは反時計回りにカールする長い鎖またはフィラメントで成長します。 Chimileski によると、このらせん状の動きの具体的な利点はまだ調査中ですが、B.ミコイデス 利用可能な環境を引き継ぐことに優れています。 「バシラス・ミコイデス 土壌から培養するのが最も簡単な細菌種の 1 つです」と彼は説明しました。科学者が土壌から微生物を分離し、特に室温で寒天培地で培養すると、「mycoides 多くの場合、プレート全体に広がり、他のすべての生物を追い越します。このため、多くの微生物学者にとって一種の「厄介な種」と考えられています。」
興味深いのは、らせん移動の方向 (時計回りまたは反時計回り) が遺伝的特徴であるように思われることです。細菌の異なる株は、同じ種内であっても、異なる方向にらせん状に回転します。これは、細菌が個々の DNA の指示に従って、バイオフィルムの集団レベルで驚くほど複雑で適応力のある問題解決行動をどのように明らかにできるかを示すさらに別の例です。
バイオフィルムが文化の中で作り出すこれらの幾何学的でおそらく機能的なパターンは、興味深いほど美しいものです。しかし、Chimileski は、実験室で見られる行動を自然の微生物群集に変換することに関しては、まだ発見すべきことがたくさんあると述べています.
Chimileski は、「ほとんどの自然のバイオ フィルムは複数種の生態系であり、自然のバイオ フィルム内の細胞は通常、よりゆっくりと成長する」と指摘しています。彼は次のように続けています。 」実験室の条件下で、研究者はどの遺伝子が複雑な多細胞行動に関与しているかを研究し、細菌種の適合性への利点を測定できます。しかし、自然環境では、栄養素が限られていたり、他の種と競合していたりするため、通常、バイオフィルムは実験室とまったく同じパターンを形成することはありません。 「したがって、同じ生物学が裏庭の土壌の粒子で、より小さな規模で、より長い期間にわたって発生している可能性があります」と彼は言いましたが、たとえそれを視覚化するのは容易ではありません.
バイオフィルムの挙動は、細菌が集合体を形成する能力と開放性を証明していますが、いくつかの同居バイオフィルムを持つこの文化で示されているように、その開放性には限界があります。ここでは、同じ細菌または密接に関連する菌株で構成される隣接するバイオフィルムが快適に融合します。しかし、より多様なバクテリアで構成された隣接するバイオフィルムは、それ自体を区別し続け、互いを排除または制御しようとすることさえあります.
バイオフィルムは、界面活性剤、細胞外マトリックス、および細菌学者が公共財として分類する他の分子 (細菌がコミュニティの他のメンバーのために分泌するもの) の生産にかなり投資するため、他の株や種に対して非常に不寛容です。関係のないフリーロード細胞がそれらを最初に使用することで大きな利益を得る可能性があるため、バクテリアはこれらを嫉妬深く守ります.
バイオフィルムは、そのようなフリーローダーをさまざまな方法で拒絶します。たとえば、B.ズブチリス この画像のコロニーは「同族差別」戦略を採用しており、他の種には毒性があるが自分自身には毒性のない抗生物質化合物を分泌します。 Proteus mirabilis バクテリアは、「自己認識」に基づいて別の方法で自分の利益を守ります。ミラビリス バイオフィルムは、侵入してくる細胞を調べ、槍のような構造を持つ別の種の細胞を突き刺し、近縁種を除くほぼすべての種を殺す毒を注入します。
Streptomyces coelicolor のバイオフィルム培養に現れる色 下のビデオでは、バクテリアが生成する天然色素を反映しています。バイオフィルムの色素の価値は完全には明らかではありませんが、おそらくその色とは関係がありません。むしろ、これらの色素分子は多くの場合、さまざまな方法で生物活性を持っています。 「このビデオで見られる青い色素は、技術的には抗生物質であるアクチノロジンです」とチミレスキ氏は述べたが、この用語はこの文脈では誤解を招くと付け加えた. 「死滅または成長阻害は通常、自然界に存在するものと比較して非常に高い濃度でのみ発生します。」そのため、「多くのまたはほとんどの抗生物質の生態学的機能はおそらく殺害ではないという見解が生まれつつあります。むしろ、これらの生理活性分子は、他の細胞への信号または発生の手がかりとして機能します.
その見解は、多様な種類の細菌がどのように共生するかを研究しているコルターの研究室の別の研究員であるグレブ・ピシュチャニーからのメモにも反映されています。 「興味深い可能性は、自然の生態系では、Streptomyces 「複数種の微生物群集の間で交換される信号として、より低い濃度で」色素やその他の生物活性分子を使用します」と彼は書いています。この色素は、同居しているさまざまなバクテリアが互いに隣り合わない本能を抑えるのに役立ち、それにより、より協力的で実りある共同体の存在を維持するのに役立つ可能性があります。
微生物群集のこれらの印象的な写真は、DSLR カメラによってキャプチャされました。 Chimileski はベンチで作業しながらマクロ レンズを使って静止画像を収集し、動画はタイムラプス顕微鏡専用のインキュベーターで作成されます。彼はカメラを 10 分ごとに写真を撮るように設定しますが、粘菌の動きなど、より迅速に発生する行動のために頻度を 1 ～ 2 分ごとに増やします。その結果、これらの動画の微生物の動きは通常、実際の速度の 5,000 倍から 50,000 倍に加速されます。 Chimileski は、画像を美しくするために偽色を使用しません。一部の培養で細胞外マトリックスを染色するために染料を使用する以外に、彼は 微生物の自然な色を示しています。
Chimileski は通常、30° で細菌コロニーを増殖させます C、彼が成長の遅い種の画像を数週間収集できる温度.バイオフィルムの成長に適した熱と湿度はカメラにとって理想的とは言えませんが、彼は、この機器はより極端な条件に対応できると評価されていると述べました。故障した数台のカメラは機械的な理由によるものでした:微生物の行動を記録するために必要なショットの数が非常に多いため、カメラのシャッターは何十万回もクリックした後に最終的に壊れてしまいます.
