Бактерии запускают внутренние часы

Каким образом живой организм настраивает свои внутренние часы? Американские ученые выяснили, что иногда этим могут заниматься симбиотические бактерии. По крайней мере, так происходит у гавайского кальмара-бобтейла. Светящиеся бактерии, обитающие в теле этого животного, следят за суточным ритмом кальмара и сообщают ему, когда нужно идти на охоту.

Сейчас ни для кого не является секретом то, что у живых организмов существуют так называемые внутренние часы. Если говорить о них с биологической точки зрения, то это достаточно сложный каскад биохимических реакций, который способствует сверке суточного ритма организма с внешним временем. Именно он, например, тормозит активность многих животных ночью (а некоторых, наоборот, днем), заставляет птиц петь на рассвете, а многих рыб — с первыми лучами солнца уходить на глубину и затаиваться.

Также давно известно, что внутренние часы всегда имеют механизм генетического контроля. Специальные участки ДНК, тогда, когда нужно, запускают синтез белков-регуляторов, которые и активируют все необходимые реакции этих часов. Однако до сих пор непонятно, кто контролирует работу данных генов. Правда, не исключено, что у различных животных это происходит по-разному.

Недавно биологи из Университета штата Висконсин в Мэдисоне (США) выяснили, как это происходит у гавайского кальмара-бобтейла (Euprymna scolopes), который известен тем, что умеет светиться. Впрочем, ряд зоологов считает данное существо каракатицей, и, в общем-то имеет на это право, поскольку Euprymna scolopes занимает промежуточное положение между этими двумя группами головоногих моллюсков. Но интересно даже не это, а тот факт, что "часовщиками" в данном случае оказались светящиеся бактерии Vibrio fischeri, живущие в специальных органах этого кальмара и обеспечивающие его люминесценцию.

Читайте также: Откуда у петуха внутренний будильник?

Следует заметить, что светящиеся органы бобтейла (фотофоры) представляют собой один из самых совершенных "прожекторов" в мире животных. Они равномерно расположены на всей поверхности тела животного, но особенно много их в районе головы. Каждый фотофор имеет на наружной поверхности органическую линзу, под ней расположена бактериальная колония, а дно этого органа выстлано светоотражающей тканью в которой имеются специальные белки — рефлектины. Именно они и обеспечивают отражение света.

Прежде считалось, что фотофоры нужны Euprymna scolopes только лишь для того, что бы внезапной вспышкой света отпугнуть хищника (поскольку животное обитает на глубине, где в норме достаточно темно, такая вспышка может шокировать агрессора), а также для того, что бы подманивать добычу. Но оказалось, что симбионты ( Vibrio fischeri в природе не встречаются вне тела кальмара) могут способствовать настройке его биологических часов.

Исследовав геном бобтейла, ученые обнаружили два гена, которые обеспечивают запуск реакций сверки времени. Выяснилось, что они кодируют белки, относящиеся к группе криптохромов. Так вот, один из них "работает" в голове животного, совсем близко к мозгу (кстати, это типичная ситуация — у многих животных регуляторные белки проявляют свою активность рядом с центральной нервной системой) А вот другой, как выяснила группа зоологов, которой руководила профессор Маргарет Макфолл-Нгай синтезируется в светящихся органах кальмара, где живут биолюминесцентные бактерии.

Ученые также выяснили, что активность кодирующего этот белок гена (его назвали escry1) возрастает ближе к ночи. Интересно, что именно в это время бобтейл выходит на охоту и, соответственно, включает "прожектор". Логично предположить, что именно белок, кодируемый этим геном и запускает эту стандартную поведенческую реакцию морского хищника. Но какой фактор активизирует сам ген?

Ученые решили это выяснить и провели серию любопытных экспериментов. Для начала они удалили из фотофоров подопытных Euprymna scolopes всех бактерий. В результате, в то время когда настала ночь, ген не активизировался и синтез белка не начался (и, соответственно, бобтейлы даже с наступлением ночи не приступили к охоте)! После этого в фотофоры подсадили дефектных Vibrio fischeri, которые не могли светиться. Эффект был тот же самый — escry1 молчал как партизан на допросе. И даже когда фотофоры осветили светом, имитирующим бактериальную люминесценцию, то все равно синтез криптохрома не запустился.

В итоге стало ясно, что активность гена escry1 регулируют именно бактерии. Но делают они это не с помощью света. Тогда ученые поместили "стерильных" бобтейлов в воду, куда добавили экстракт слизи с поверхности Vibrio fischeri. После чего синтез криптохрома сразу же запустился (и это при том, что опыт провели не ночью, а днем). Сразу стало ясно, что активаторами гена escry1 являются вещества, содержащиеся в этой самой слизи — пока ученые не знают, что это конкретно за молекулы, но предполагают, что они относятся к группе углеводов.

Читайте также: Людьми могут управлять вирусы

Получается, что именно бактерии, выделяя сигнальные вещества, сообщают бобтейлам о том, что пришла ночь и пора идти на охоту. Вполне понятно, почему они так делают — ведь что-то из той еды, которую добывает кальмар, симбионтам тоже перепадает. Их поведение можно сравнить с поведением домашней кошки, которая будит хозяина по утрам для того, что бы тот дал ей поесть (или собаки, которая напоминает нам о том, что с ней пора погулять).

Но получается, что если синтез второго криптохрома, работающего около мозга, бактериям не подконтролен, то они настраивают лишь одну "стрелку" биологических часов хозяина? На самом деле нет — было установлено, что активность криптохрома escry1 подавляет синтез этого белка (который в основном выделяется днем). Таким образом, бактерии регулируют весь суточный ритм животного, хотя в случае со вторым криптохромом дествуют не напрямую.

Результаты данного исследования заставляют задуматься о том, что возможно, такой способ регуляции биологических часов свойственен не только кальмарам-бобтейлам. Ведь практически во всех животных (и человек здесь не исключение) обитают различные одноклеточные симбионты. Уже доказано то, что они могут влиять на поведение хозяев, на состояние их иммунной системы и даже на циклы размножения.

Так может быть, они отвечают еще за наш "внутренний будильник"? Если это так, то людям следует беречь свою кишечную микрофлору, потому что в том случае, если эти маленькие "часовшики" исчезнут или заболеют, наши внутренние часы могут остановиться…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"