Informacija

Širi li se ili umnožava sluzava plijesan?

Širi li se ili umnožava sluzava plijesan?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Nakon što sam pročitao o sluzavoj plijesni pitao sam se, jednostavno napraviti sluzavu plijesan proširiti prema van ili pomnožiti?

npr. ako stavim 100 grama sluzave plijesni na 1 mjesto, hoće li se proširiti na 2 mjesta i imati 1. mjesto sa 80 grama preostalo, a 2. mjesto sa 20 grama (tj. ukupno 100 grama), ili se množe ; 1. lokacija još uvijek 100 grama, a 2. lokacija sa 20 grama?


Odgovor je da će učiniti jedno ili oboje, ovisno o uvjetima: ovo je jedna od stvari zbog kojih su znanstveniki složenih sustava bili toliko zainteresirani za stvari poput korištenja sluzavih kalupa u modeliranju problema optimizacije.

U dobrim prehrambenim uvjetima, stanice će se rado množiti. Istovremeno će teći i preoblikovati se kako bi se širili i migrirali u potrazi za hranom kada hranjive tvari nisu ujednačene.


Mikolog objašnjava kako sluzava plijesan može riješiti labirinte

Physarum polycephalum je jednostanični organizam bez mozga koji može donositi "odluke" i rješavati labirinte. Anne Pringle, mikologinja na Sveučilištu Wisconsin-Madison, objašnjava sve što trebate znati o tome što su ove sluzave plijesni i kako se uklapaju u naš ekosustav.

Možda ste vidjeli slike.

To je žuti organizam koji pomalo liči na paprat,

ili možda koralj, ili možda mahovina.

Ali stvarno je to nešto što se zove sluzava plijesan,

a kad pariški zoološki park

nedavno stavio jedan na zaslon, nazvavši ga Blob,

internet se potresao.

Možda izgleda jednostavno, ali ovaj organizam bez mozga

zapravo može donositi odluke i rješavati labirinte.

Kako bismo saznali više, sjeli smo s mikologinjom Anne Pringle

na Sveučilištu u Wisconsinu.

Što je ovo, bez citata, Blob?

Blob je vrsta sluzave plijesni.

Ljudi Physarum polycephalum nazivaju mrlja,

To nije biljka, nije životinja.

Izvan ta tri kraljevstva

koje nam je stvarno poznato,

postoje sva ta druga djeca organizama,

mnogo različitih grupa,

s kojima smo samo manje upoznati

ali su stvarno raznoliki.

Oni igraju važnu ulogu u našem okruženju,

a Physarum je po tome karakterističan

dio svog životnog ciklusa koji se naziva plazmodij,

koja je u osnovi divovska, ogromna stanica.

Sviđa mi se ova ideja o sluzavom kalupu

potpuno prkosi ljudskim očekivanjima,

i pretpostavljam proširenjem, zbunjujući internet u posljednje vrijeme.

Odjednom je pariški zoološki vrt to izložio

Mnogima ljudima daje puno mogućnosti

govoriti o temi koja, znaš.

Bože, kad idem na koktel,

Nisam siguran da puno ljudi stvarno želi čuti

o Physarumu, ili je barem potrebno neko vrijeme da se uđe u to.

i ne znam tko je donio tu odluku niti kako su je donijeli,

ali meni se čini briljantno,

da mogu staviti nešto tako drugačije

Mislim da kad predajem svoj razred biologije gljivama,

postoji nekoliko komentara koje stalno dobivam.

Jedan komentar je da ih sada stalno vidim.

Na način na koji to ne možete vidjeti

osim ako niste naučeni to vidjeti.

I tako, ako ste naučeni da to vidite,

onda odjednom, kamo god kreneš,

postoji gljivica, što je istina.

Gdje god krenete, gljiva je.

I tada je snažna reakcija koju dobijem čuđenje.

Kako to nisam znao prije?

Kako to da mi nitko prije nije rekao za ovo?

Tako da me ta reakcija ne čudi,

i također je prilično zabavno gledati kako se odvija.

Postoji mnogo vrsta Physarum, više od 100.

A ako ste otišli u svoje lokalne šume

i bilo je pravo doba godine i vlažno stanište,

apsolutno ćete ga sami pronaći.

Većina ljudi misli o stanici kao

ovu stvarno malenu stvar koju ne možete vidjeti,

ali ovo je jedna divovska stanica.

Možete li nam objasniti kako funkcionira

kao jedna velika stanica s mnogo, mnogo jezgri unutar?

Razumijemo neke odgovore na to pitanje.

Ima i drugih stvari koje ne znamo.

Dakle, znamo da nema poprečnih zidova.

Nema septa, nema barijera bilo koje vrste

Tako tekućine mogu vrlo lako teći tijelom,

i to se očito jako razlikuje od nas.

Ovo je vrlo, vrlo sićušan plazmodij,

i kap vode je upravo stavljena na desnu stranu,

i sad možete vidjeti ovu ritmičku kontrakciju?

još jedna kap, ali to je hrana.

Vidite li da vrhovi oteknu?

A onda samo gledajte i vidjet ćete valove

Dakle, ti valovi su uzrokovani peristolzom,

što je u osnovi ritmička kontrakcija.

Ekspanzija, kontrakcija, ekspanzija, kontrakcija, ekspanzija,

koji pokreće tekućine, a mi mislimo na informacije,

Kako Physarum komunicira preko sebe,

kako integrira informacije,

i koordinira ponašanje, ima veze s

neka vrsta signalne molekule

koji se razmnožavaju na vrlo poseban način.

Ono što je ta signalna molekula, možda je kalcij.

Možda je nešto drugo. Možemo li razgovarati o

kako je organizam, na neki način,

istražujući svoju okolinu na način da

to je skoro traženje puta u okruženju?

I mislim da je to dio buke oko toga, zar ne?

Ljudi čuju za to, i čuju stvari

kao da ima toliko spolova i hrani se,

a to dolazi kao stvarno izvanredno ponašanje.

I mislim da je to zato što smo skloni

povezati riječ poput ponašanja

s nečim poput psa ili životinje.

Ali ovdje, jasno, postoji organizam

koji se kreće okolo i traga za hranom.

Osjeti u svom okruženju,

na primjer, tamo gdje postoje zakrpe bogate resursima.

Nema takvu vrstu senzornog aparata

na koje smo navikli, pa tako u nekom smislu

njegovo traženje hrane ima veze sa slanjem vitica,

ako hoćete, ili dijelovi sebe,

istražiti okolno stanište.

I to je zapravo ono što radi

u svim ovim eksperimentima

koje imaju veze s dobivanjem Physarum-a

rasti na određene načine, oponašati optimalnu mrežu

koji bi povezivao željezničke stanice Tokija

ili glavnim gradovima Sjedinjenih Država, itd.

Stvarno raste na puno prostora,

a onda se reorganizira

u konfiguraciju koja mu omogućuje optimalno jedenje,

i na kraju se optimalno razmnožavaju.

Anne, teško je govoriti o inteligenciji

s ovakvom životinjom, 'jer ih imamo toliko

koncepti oko inteligencije.

Toliko ga temeljimo na ljudima i drugim životinjama.

Ali ovo nije kao da zna da je u labirintu,

Radi ono što obično radi

Apsolutno radi ono što obično radi

Kad ljudi razmišljaju o Physarumu koji rješava labirint,

što mnogi ljudi misle da Physarum radi

je rješavanje labirinta onako kako bismo ti ili ja riješili labirint.

pronalazi najkraći put kroz labirint,

Physarum ne radi to.

Physarum raste kroz cijeli labirint.

Pretražuje sav taj prostor.

Zatim uvlači svoje tijelo samo na najkraći put.

Dakle, to je stvarno drugačiji način

of quote unquote rješavanje labirinta

od onoga o čemu smo skloni razmišljati.

I mislim da je to jako važna razlika.

Smatram da je svjetska inteligencija stvarno problematična

poput riječi seks, samo zato što obje riječi

toliko su prepuni značenja,

i sa značenjem koje nema nikakve veze

s biologijom gljiva ili gljivičnih životnih organizama.

Kada govorimo o seksu u Physarumu,

prije svega, Physarum ima stvarno složen životni ciklus,

ili složeniji nego što smo navikli kao ljudi,

i to u drugom dijelu životnog ciklusa

postoje pojedinačne stanice koje se nazivaju stanice roja.

kada dođe do parenja, spajaju se.

I stapaju se da postanu jedno tijelo.

Dakle, jako volim svog muža,

nismo se stopili u jedno tijelo.

Moje tijelo je ovdje, njegovo tijelo je gotovo u njegovom uredu.

Dakle, to je stvarno drugačija vrsta procesa

kad govorimo o parenju za Physarum.

I u osnovi, bez obzira jesu li dvije ćelije ili ne

može spojiti i formirati jedno tijelo ima veze s tri gena.

A jedan od gena ima 16 lokusa, najmanje 16.

I još jedan ima 15, a drugi ima tri.

Dakle, ako pomnožite 16 puta 15 puta tri,

dobivate 720 mogućih kombinacija,

i to je početak ove ideje

da ima više od 700 spolova.

A onda divovski plazmodij, kada se razmnožava,

cijelo tijelo se pretvara u spore

koji se onda raspršuju na vjetru.

To je samo vrlo drugačiji put.

Dakle, izvan labirinta u prirodnom okruženju,

što ti organizmi zapravo jedu?

Dakle, u laboratoriju ga hranimo Quaker Oats,

i čini se da jako voli zob,

i čini se da zapravo jede zob,

i probaviti ih u male komadiće

i odbaciti komadiće iz svog tijela.

U prirodi, mislimo da se diže

bakterije i spore gljivica i drugo

stvarno mala stvorenja koja su na podlozi,

stijena, ili šuma, ili malč na kojem raste,

Gdje točno na stablu života

Zamislite da ste se vratili u neko vrijeme

gdje ste upravo gledali organizme.

Grupiranje organizama prema tome kako su izgledali.

Onda biste sasvim razumno

pogledaj Physarum, pogledaj sluzavu plijesan,

i reci, bože, jako liči na gljivicu.

A onda dolazi nešto što se zove PCR stroj,

i možemo početi sekvencirati DNK,

i kada počnete sekvencirati DNK,

dolazi do golemog preuređivanja u našem razumijevanju

kako su stvari međusobno povezane.

Tako da to počinjemo shvaćati

sluzave plijesni nisu prave gljive, kako ih mi zovemo,

iako su organizmi nalik gljivama,

ali oni su nešto stvarno odvojeno.

I tako bih u ovom trenutku rekao

to je jedno od najuzbudljivijih područja biologije,

je li znamo što su biljke, manje-više.

Više-manje razumijemo što su životinje.

Gljive, možda manje nego više, ali

mislimo da znamo što su gljive.

Ali onda postoje sve te skupine organizama

koji nisu ništa od ta tri,

i još zanimljivije,

mi nemamo osjećaj za njihovu bioraznolikost.

Malo je ljudi koji studiraju

bioraznolikost sluzavih plijesni.

Iskreno je zabavno razgovarati o ovim stvarima.

Također zbog, mislim, jezika okolo

inteligencije i rješavanja labirinta

fantastičan je na svoj način, ali za mene

također postaje samo alat za razgovor

neka mnogo veća pitanja o biološkoj raznolikosti

i što znamo o ovoj zemlji na kojoj živimo,

A meni se čini da ne znamo puno toga.

I bilo bi fantastično imati

više ljudi koji su uključeni i razmišljaju o tome

koliko sluzavih plijesni ima u mojoj šumi?

Bože, je li to lokalni Physarum?

Dakle, čini se prava prilika.

Hvala vam što ste ovdje i

donoseći sva ta luda filozofska pitanja

o naizgled jednostavnom organizmu.

Moje zadovoljstvo! [zvona zvona]

WIRED je mjesto gdje se sutra ostvaruje. To je osnovni izvor informacija i ideja koje daju smisao svijetu u stalnoj transformaciji. WIRED razgovor osvjetljava kako tehnologija mijenja svaki aspekt naših života - od kulture do poslovanja, znanosti do dizajna. Proboji i inovacije koje otkrivamo dovode do novih načina razmišljanja, novih veza i novih industrija.

© 2021 Condé Nast. Sva prava pridržana. Korištenje ove stranice predstavlja prihvaćanje našeg korisničkog ugovora i politike privatnosti i izjave o kolačićima i vaših kalifornijskih prava na privatnost. Žičano može zaraditi dio prodaje od proizvoda koji su kupljeni putem naše stranice kao dio našeg pridruženog partnerstva s prodavačima. Materijal na ovoj stranici ne smije se reproducirati, distribuirati, prenositi, predmemorirati ili koristiti na drugi način, osim uz prethodno pismeno dopuštenje Condé Nasta. Odabir oglasa


Sluzava plijesan upija tvari kako bi ih zapamtila

Spajanje venske mreže dviju mrlja. Zasluge: © David Villa / CNRS Photothèque

Znanstvenici CNRS-a su 2016. pokazali da sluzava plijesan Physarum polycephalum, jednostanični organizam bez živčanog sustava, može naučiti da se više ne boji bezopasne, ali odbojne tvari i da to znanje može prenijeti na druge sluzave plijesni. U novoj studiji, tim s CNRS-a i Université Toulouse III - Paul Sabatier pokazao je što bi moglo podržati ovo sjećanje, a zapravo bi to mogla biti sama averzivna tvar.

Physarum polycephalum je složeni jednostanični organizam koji nema živčani sustav, ali može učiti i prenijeti svoje znanje na svoje kolege sluzave plijesni putem fuzije. Kako to radi, donedavno je bila misterija. Istraživači u Centru de Recherches sur la Cognition Animale (CNRS/UT3 Paul Sabatier) nedavno su pokazali da plijesni nauče tolerirati tvar apsorbirajući je.

Ovo otkriće proizlazi iz opažanja: sluzave plijesni razmjenjuju informacije samo kada se njihove venske mreže spoje. Kruži li znanje u tom slučaju tim venama? Je li tvar na koju se sluzava plijesan navikava koja podržava njezino pamćenje?

Prvo je tim znanstvenika prisilio sluzave plijesni da prolaze kroz slano okruženje šest dana kako bi ih navikli na sol. Zatim su procijenili koncentraciju soli unutar kalupa za sluzi: one su sadržavale deset puta više soli od "naivnih" kalupa za sluzi. Istraživači su zatim smjestili naviknute sluzave plijesni u neutralno okruženje i primijetili da izlučuju apsorbiranu sol unutar dva dana, gubeći "pamćenje". Stoga se činilo da ovaj eksperiment pokazuje vezu između koncentracije soli u organizmu i "pamćenja" navikavanja.

Kako bi dodatno unaprijedili i potvrdili ovu hipotezu, znanstvenici su uveli "pamćenje" u naivne mrlje ubrizgavanjem otopine soli izravno u organizme. Dva sata kasnije, plijesni više nisu bili naivni i ponašali su se poput kalupa koji su prošli šestodnevnu obuku

Kada se okolišni uvjeti pogoršaju, plijesni mogu ući u fazu mirovanja. Istraživači su pokazali da sluzave plijesni naviknute na sol pohranjuju apsorbiranu sol prije ulaska u fazu mirovanja i da mogu pohraniti znanje do mjesec dana.

Rezultati ovog istraživanja dokazuju da bi averzivna tvar mogla biti potpora pamćenju sluzave plijesni. Istraživači sada pokušavaju utvrditi mogu li sluzavi plijesni zapamtiti nekoliko averzivnih supstanci u isto vrijeme i u kojoj se mjeri na njih mogu naviknuti.


Vozite se na Slime Mold Expressu!

Ako želite projektirati željeznički sustav, mogli biste učiniti i gore nego unajmiti kalup za sluzi. Istraživači su pokazali da, kada se uzgaja na karti Japana, želatinasti organizam nalik gljivama povezuje točke interesa u obrascu sličnom mreži vlakova u Tokiju. Inženjeri bi mogli uzeti trag iz pristupa organizma da dizajniraju učinkovitije transportne sustave.

Trik je u tome kako jedu sluzave plijesni. Kada Physarum polycephalum, sluzava plijesan koja se često nalazi u raspadnutim trupcima, otkriva bakterije ili spore, raste preko njih i počinje ih probavljati svojim tijelom. Kako bi nastavio rasti i istraživati, sluzava plijesan pretvara svoj bizantski uzorak tankih vitica u jednostavniju, učinkovitiju mrežu cijevi: one koje nose veliku količinu hranjivih tvari postupno se šire, dok se one koje se malo koriste polako skupljaju i na kraju nestaju.

Istraživači su ovo ponašanje iskoristili za zabavan učinak u prošlosti. 2000. godine, na primjer, tim predvođen matematičkim biologom Toshiyukijem Nakagakijem sa Sveučilišta Hokkaido u Japanu, pokazao je da P. polycephalum mogao pronaći najkraći put kroz labirint kako bi spojio dva izvora hrane. (Rad je dobio Ig Nobelovu nagradu.)

Ali to je bila zagonetka s jednim ispravnim rješenjem. U novom radu, tim je želio znati kako će se kalup ponašati u stvarnoj situaciji u kojoj je nekoliko suprotstavljenih ciljeva moralo biti uravnoteženo odjednom. Upravo takav problem predstavlja projektiranje željezničke mreže koja povezuje mnoge gradove. "Planiranje je vrlo teško zbog kompromisa", kaže stanični biolog Mark Fricker sa Sveučilišta Oxford u Ujedinjenom Kraljevstvu, koji je također bio uključen u istraživanje. Na primjer, povezivanje svih gradova najkraćom mogućom duljinom kolosijeka često tjera putnike da idu vrlo neizravnim rutama između bilo koje dvije točke i može značiti da jedan kvar izolira veliki dio mreže. Izgradnja više redundantnosti čini mrežu praktičnijom i otpornijom, ali uz veću cijenu.

Budući da nisu mogli matematički odrediti "savršeno" rješenje, istraživači su odlučili zadati sluzavoj plijesan problem s kojim su se ljudski dizajneri već pozabavili. Postavili su zobene pahuljice (omiljene sluzave plijesni) na agar ploče u uzorku koji je oponašao lokacije gradova oko Tokija i impregnirao tanjure s P. polycephalum u točki koja predstavlja sam Tokio. Zatim su 26 sati promatrali kako sluzava plijesan raste, stvarajući vitice koje su međusobno povezivale zalihe hrane.

Različite ploče pokazivale su niz rješenja, ali vizualna sličnost s tokijskim željezničkim sustavom bila je upečatljiva u mnogima od njih, izvještavaju istraživači u sutrašnjem broju Znanost. Tamo gdje je plijesan odabrala drugačije rješenje, njegova je alternativa bila jednako učinkovita.

Kad bi istraživači mogli konstruirati računalni model ponašanja sluzave plijesni, kaže Fricker, to bi moglo pomoći inženjerima da dizajniraju bolje transportne mreže. "Ideja bi bila da, ako se to stavi u novi kontekst, sustav koji koristi ova pravila izgradi mrežu koja bi trebala imati respektabilna svojstva."

Rad je "vrlo zanimljiv primjer kako biologija može potaknuti nove metode u tehnološkom dizajnu", kaže Melanie Mitchell, računalna znanstvenica sa Sveučilišta Portland State u Oregonu. Ali nije baš spremna skočiti na ekspres za sluzi. "Ovaj rad koristi samo jedan relativno jednostavan primjer", upozorava ona. "Nije očito da bi slični eksperimenti također funkcionirali za usklađivanje s drugim transportnim mrežama."


Vrste sluzave plijesni

Većina sluzavih plijesni manja je od nekoliko centimetara, ali najveće dosežu područja do trideset četvornih metara, što ih čini najvećim poznatim nepodijeljenim stanicama. Mnogi imaju svijetle boje kao što su žuta, smeđa i bijela.

Uobičajena sluzava plijesan koja stvara sitne smeđe čuperke na trulim trupcima je Stemonitis. Drugi oblik koji živi u trulim trupcima i često se koristi u istraživanjima je Physarum polycephalum. U trupcima ima izgled ljigave mreže od žutih niti, veličine do nekoliko stopa. Fuligo stvara žute kore u malču.

Životni ciklus protostelida vrlo je sličan gornjim opisima, ali oni su mnogo manji, plodna tijela tvore samo jednu do nekoliko spora.

Dictyosteliida, stanične sluzaste plijesni, daleko su srodne plazmodijalnim plijesanima i imaju vrlo drugačiji način života. Njihove amebe ne tvore ogromne cenocite i ostaju pojedinačne. Žive na sličnim staništima, a hrane se i mikroorganizmima. Kada ponestane hrane i spremni su za formiranje sporangija, oni rade nešto radikalno drugačije. U svoju okolinu ispuštaju signalne molekule po kojima se međusobno pronalaze i stvaraju rojeve. Te se amebe zatim spajaju u sićušne višestanične puževe poput koordiniranog stvorenja koje puže do otvorenog osvijetljenog mjesta i izrasta u plodište. Neke od ameba postaju spore kako bi započele sljedeću generaciju, ali neke od ameba žrtvuju se kako bi postale mrtva stabljika, podižući spore u zrak.

Acrasidae, imaju sličan način života kao Dictyostelidi, ali se njihove amebe ponašaju drugačije i neizvjesnog su taksonomskog položaja.

Plazmodioforidi također tvore cenocite, ali su unutarnji paraziti biljaka (npr. bolest korijena kupusa).

Konačno, Labyrinthulomycetes su morski i tvore labirintne mreže cijevi u kojima mogu putovati amebe bez pseudopoda.


E pluribus plazmodij

"Sluzava plijesan je stvarno fascinantna jer je istovremeno jedna i mnogo", kaže Megan Dobro, profesorica biologije iz Hampshirea koja je sudjelovala na simpoziju. "Postoje svi ti pojedinci koji su predani djelovanju u najboljem interesu zajednice."

Plazmodij od Physarum jezgre se pomiču oscilirajući svoju citoplazmu naprijed-natrag svakih 50 sekundi, pomičući svoje težište za nešto više od trećine inča na sat. Kada je hrana u blizini, plazmodij tvori mrežu vitkih tubula koji se granaju u potrazi za njom, na kraju pronalazeći optimalni put.

Matematičari i informatičari su se zainteresirali za sposobnost sluzavih kalupa da rješavaju probleme optimizacije u geometriji i dostavi informacija. U studiji iz 2010. japanski znanstvenici rasporedili su zobene pahuljice po uzorku na gradove u blizini Tokija oko Physarum plazmodij, i unutar 26 sati sluzava plijesan je stvorila mrežu koja je bila zapanjujuće slična željezničkom sustavu u Tokiju. Slični eksperimenti provedeni su s autocestama Britanije, Kanade, Španjolske i starog Rima.

Znanstvenici su pokazali da sluzave plijesni također pokazuju rudimentarno ponašanje učenja. Šokirajte plazmodij u pravilnim intervalima i on će promijeniti svoje ponašanje u očekivanju sljedećeg. Izložite plazmodij odbojnom, ali bezopasnom podražaju i on će ga na kraju zanemariti. Neki znanstvenici sugeriraju da ponašanje sluzave plijesni može čak baciti svjetlo na podrijetlo inteligencije.

Pod nekim uvjetima, plazmodij će proizvesti stabljiku koja raspršuje stanice kako bi postale nove plijesni, ali da bi to učinili, neke pojedinačne stanice unutar stabljike moraju se žrtvovati za dobro budućih generacija.

"Ovo je ponašanje kakvo se čini da ljudi ne rade", kaže profesor Dobro. “I ne mislim samo na samožrtvu za buduće generacije, već čak i na razmišljanje o budućim generacijama.”


Vidjeti prekrasnu inteligenciju mikroba

Sluzava plijesan Physarum polycephalum tvori mrežu citoplazmatskih vena dok se širi po površini.

Sve slike Scott Chimileski i Roberto Kolter (osim gdje je naznačeno)

Autori
John Rennie
Lucy Reading-Ikkanda

Inteligencija nije kvaliteta koja bi se olako pripisivala mikrobima. Nema razloga misliti da bakterije, sluzave plijesni i slični jednostanični oblici života imaju svjesnost, razumijevanje ili druge sposobnosti implicitne u stvarnom intelektu. Ali posebno kada se te stanice međusobno komuniciraju u velikom broju, pojavljuju se njihovi zapanjujući kolektivni talenti za rješavanje problema i kontrolu nad svojim okruženjem. Ta ponašanja mogu biti genetski kodirana u tim stanicama milijardama godina evolucije, ali u tom smislu stanice nisu toliko različite od robota programiranih da na sofisticiran način reagiraju na svoje okruženje. Ako za ovu drugu možemo govoriti o umjetnoj inteligenciji, možda nije previše nečuveno spominjati se podcijenjenu staničnu inteligenciju prve.

Pod mikroskopom, nevjerojatna vježba kolektivne inteligencije stanica otkriva se spektakularnom ljepotom. Od 1983. Roberto Kolter, profesor mikrobiologije i imunobiologije na Harvard Medical School i su-direktor Inicijative za mikrobiološke znanosti, vodi laboratorij koji proučava ove fenomene. Posljednjih godina razvila je i tehnike za njihovu vizualizaciju. U knjizi fotografskih eseja Život na rubu vidokruga: fotografsko istraživanje svijeta mikroba (Harvard University Press), objavljen u rujnu, Kolter i njegov koautor, Scott Chimileski, znanstveni suradnik i specijalist za slike u njegovom laboratoriju, nude uvažavanje mikroorganizama koje je i znanstveno i umjetničko, te daje uvid u stanične čuda koja su doslovno pod nogama. Slike iz laboratorija također su izložene na izložbi Svijet u kapi u Prirodoslovnom muzeju Harvarda. Taj će se prikaz zatvoriti početkom siječnja, ali će uslijediti šira izložba, Život mikroba, koji bi trebao biti otvoren u veljači.

Podijelite ovaj članak

Kopirano!

Bilten

Dostavite Quanta Magazine u vašu pristiglu poštu

Veliko povećanje sluzaste plijesni Physarum polycephalum prikazuje kako citoplazma bijesno pumpa kroz svoju golemu jednu stanicu. Ovo citoplazmatsko strujanje omogućuje sluzavoj plijesni da se gura naprijed prema hranjivim tvarima i potencijalno prekrije površinu.

Sluzava plijesan Physarum polycephalum ponekad se jedva kvalificira kao mikroorganizam: kada curi po lišću šumskog tla tijekom aktivne, ameboidne faze svog životnog ciklusa, može izgledati kao lokva žućkaste smjese u prečniku između inča i jednog metra. Ipak, unatoč svojoj veličini, Physarum je ogromna pojedinačna stanica, s desecima tisuća jezgri koje plutaju u neprekinutoj masi citoplazme. U ovom obliku, Physarum je izvanredno učinkovit lovac. Kada senzori na njegovoj staničnoj membrani otkriju dobre izvore hranjivih tvari, kontraktilne mreže proteina (usko povezane s onima koje se nalaze u ljudskim mišićima) počinju pumpati tokove citoplazme u tom smjeru, pospješujući sluzavu plijesan prema onome što joj je potrebno.

Ali Physarum nije samo refleksno juriš prema hrani. Dok se kreće u jednom smjeru, signali koji se prenose kroz stanicu obeshrabruju je od kontraproduktivnog guranja manje obećavajućim rutama. Štoviše, sluzave plijesni razvile su sustav za u suštini mapiranje svog terena i pamćenje kamo ne treba ići: dok se kreću, za sobom ostavljaju proziran kemijski trag koji im govori koja područja ne vrijedi ponovno posjetiti.

Nakon Physarum istražuje područje i utvrdi da mu nedostaje hranjivih tvari, ostavlja za sobom kemijski trag kao svojevrsno eksternalizirano sjećanje koje govori sluzavoj plijesni da se tamo ne vraća.

Kada su bakterije prvi put promatrane kroz mikroskop, suspendirane u tekućini na stakalcima, u svojoj jednostavnosti doimale su se kao arhetipovi primitivnih, usamljenih stanica. Istina je, međutim, da je u divljini većina bakterija vrlo društvena. Neke bakterije plivaju kroz svoje okruženje kao usamljene osobe, ali većina bakterijskih stanica - i većina vrsta bakterija - radije žive u kompaktnim društvima zvanim biofilmovi usidreni na površinama. (Pojedinačni plivači često predstavljaju izdanke biofilma, nastojeći kolonizirati nova mjesta.)

Na skeniranom elektronskom mikrosnimku velikog povećanja a Pseudomonas aeruginosa biofilmom, pojedinačne bakterije u obliku štapića međusobno su povezane strukturama sličnim dlačicama koje se nazivaju pili. Bacil bakterije izlučuju ekstracelularni matriks koji obavija stanice i pomaže im da formiraju strukturiraniju zajednicu.

Roberto Kolter i Steve Minsky (Bacil)

Štoviše, biofilmi nisu samo guste nakupine bakterijskih stanica. Imaju razrađene funkcionalne strukture, iznutra i izvana, koje služe kolektivnoj sudbini stanica, kao što se može vidjeti na slikama ispod Pseudomonas aeruginosa. Biofilm je obojen Kongo crvenom bojom, koja se veže za proteine ​​ekstracelularnog matriksa koje bakterije izlučuju kao skelu za svoju zajednicu. Duboko naborana površina biofilma maksimizira područje kroz koje bakterije mogu apsorbirati kisik, a također im vjerojatno pomaže u prikupljanju hranjivih tvari i učinkovitom oslobađanju otpadnih tvari.

Kao ovo Pseudomonas biofilm se širi, razvija složeniju unutarnju strukturu. Bakterije u različitim dijelovima svoje mase također mogu razviti specijaliziranije funkcije.

Unutar biofilma, bakterije dijele posao održavanja kolonije i diferenciraju se u oblike specijalizirane za njihovu funkciju. U ovom biofilmu bakterije obične zemlje Bacillus subtilisNa primjer, neke stanice luče izvanstanični matriks i usidre se na mjestu, dok neke ostaju pokretne stanice na rubovima biofilma mogu se podijeliti radi rasta, dok druge u sredini oslobađaju spore za preživljavanje u teškim uvjetima i kolonizaciju novih mjesta.

Naborana struktura ovog Bacillus subtilis biofilm pomaže osigurati da sve bakterije u njemu imaju pristup kisiku (lijevo). Digitalno skenirani model biofilma pomaže ilustrirati kako bakterijska zajednica može mijenjati svoju strukturu u tri dimenzije (desno).

Moglo bi se zapitati zašto bi prirodna selekcija favorizirala ovo kolektivno ponašanje umjesto raširenijeg individualizma među stanicama. Dio odgovora mogao bi biti ono što teoretičari evolucije nazivaju inkluzivnom kondicijom: u mjeri u kojoj su bakterije unutar biofilma povezane, pojedinačne žrtve su nadoknađene povećanjem sposobnosti milijuna rođaka svake stanice. No također može biti da svaka uloga unutar biofilma ima svoje prednosti: stanice na rubu su najizloženije opasnosti i moraju se bjesomučno razmnožavati kako bi proširile biofilm, ali također imaju pristup većini hranjivih tvari i kisika. Stanice iznutra ovise o drugima za svoje vitalne obroke, ali mogu preživjeti dulje.

Površine na kojima rastu biofilmi nisu uvijek čvrste. Ove B. subtilis tvore pelikulu - neku vrstu plutajućeg biofilma na granici između vode i zraka. Genetski putovi uključeni u formiranje pelikule u osnovi su isti kao oni koji se koriste u rastu preko kamenja, iako mogu reagirati na promjene u svom staništu mijenjajući preciznu mješavinu proteina u ekstracelularnom matriksu prema potrebi.

Bakterije mogu rasti i na nečvrstim površinama, kao što je to B. subtilis kultura pokazuje stvaranjem pelikule, ili plutajućeg biofilma, preko sučelja zrak-tekućina u čaši.

Ekspanzivni rast nije jedini način na koji se mikrobne zajednice mogu kretati. Ispod, B. subtilis sudjeluje u ponašanju zvanom dendritično rojenje, u kojem stanice brzo guraju prema van u razgranatim stupovima koji mogu učinkovito popločati površinu. Biofilmovi se roje kada otkriju da se nalaze u okruženju bogatom hranjivim tvarima: rojenje pomaže biofilmu da iskoristi ovaj vrijedan teritorij prije nego što to može bilo koja konkurentska zajednica.

Događaju se najmanje dvije važne promjene u diferencijaciji stanica u biofilmu kako bi se omogućilo rojenje. Prvo, pokretne stanice na periferiji filma razvijaju dodatne flagele, što im omogućuje energičnije plivanje. Drugo, neke rubne stanice također počinju lučiti surfaktant, skliski materijal koji pomaže pokretnim stanicama da brže klize po površini.

Kada biofilmovi rastu u ravnim laboratorijskim posudama, dendritski stupovi rojevih biofilma ostaju uredno različiti: protežu se i smotaju jedan oko drugog, ali se ne križaju. Čini se da je to dijelom zato što se surfaktant nakuplja oko grana biofilma kao barijera. Slično, neke bakterije mogu se rojiti u više terasastim strukturama u laboratorijskim uvjetima. Kakve su implikacije te opcije za bakterije u prirodi još uvijek je misterij.

Ove bakterije sudjeluju u ponašanju koje se naziva dendritično rojenje, što omogućuje mikrobnoj zajednici da se brzo širi u poželjna okruženja bogata resursima.

Još jedna vrsta ponašanja koju pokazuju biofilmi koji rastu u laboratorijskim uvjetima je spiralna migracija, prikazana u video zapisu koji se nalazi ispod Bacillus mycoides. Ove bakterijske stanice rastu u dugim lancima ili filamentima koji se uvijaju u smjeru kazaljke na satu ili u suprotnom smjeru. Specifične prednosti ovog spiralnog pokreta još se istražuju, kaže Chimileski, ali moraju biti znatne jer B. mycoides ističe se u preuzimanju dostupnih okruženja. “Bacillus mycoides je jedna od bakterijskih vrsta koje je najlakše uzgajati iz tla”, objasnio je. Kada znanstvenici izoliraju mikrobe iz tla i uzgajaju ih na posudama s agarom, osobito na sobnoj temperaturi, „ mycoides često će se proširiti po cijeloj ploči i prestići sve druge organizme. Zbog toga se za mnoge mikrobiologe smatra nekom vrstom 'neugodne vrste'."

Ovi geometrijski i vjerojatno funkcionalni obrasci koje biofilm proizvodi u kulturi intrigantno su lijepi. Ipak, Chimileski napominje da je ostalo mnogo toga za otkriti kada je u pitanju prevođenje ponašanja uočenog u laboratoriju u prirodne mikrobne zajednice.

Chimileski ističe da je "većina prirodnih biofilmova ekosustavi s više vrsta i stanice unutar prirodnih biofilmova obično rastu sporije." He continued, “I like to think of the way we grow bacteria in a petri plate, where a single species is by itself and has everything it needs to grow at optimal temperatures, as ‘turning up the volume’ on the biology of the organism.” Under laboratory conditions, researchers can study which genes are involved in complex multicellular behaviors and they can measure the benefits to the fitness of the bacterial species. But in natural environments, biofilms don’t usually get to form exactly the same patterns as in the lab because of limited nutrients or competition with other species. “So the same biology might be occurring on a particle of soil in your backyard at smaller size scales and over longer time periods,” he said, even if it is less easy to visualize.

Spiral migration is a behavior favored by the highly successful soil bacterium Bacillus mycoides. Communities of these cells expand by forming long filaments of cells that coil either clockwise or counterclockwise — an orientation that is strain-specific and genetically determined.

Biofilm behaviors testify to the capacity and openness of bacterial to form collectives — but that openness has limits, as shown in this culture with several cohabiting biofilms. Here, adjacent biofilms that consist of the same bacteria or closely related strains comfortably merge. But the adjacent biofilms made up of more divergent bacteria keep themselves distinct and may even try to eliminate or control each other.

Biofilms are so intolerant of other strains and species because they invest considerably in the production of surfactant, extracellular matrix and other molecules that bacteriologists classify as public goods — ones that the bacteria secrete for other members of their community. The bacteria guard these jealously because unrelated freeloading cells could benefit strongly by using them first.

Biofilms rebuff such freeloaders in different ways. Na primjer, B. subtilis colonies in this image adopt a strategy of “kin discrimination,” in which they secrete antibiotic compounds that are toxic to other species but not to their own. Proteus mirabilis bacteria defend their interests in a different way based on “self-recognition”: The P. mirabilis biofilms examine encroaching cells, stab any from a different species with a spearlike structure and inject them with poisons that will kill almost all but closely related species.

Several different strains of B. subtilis grow side by side in this dish. Because the biofilms discriminate against dissimilar strains of bacteria, they may merge compatibly with close relatives but form boundaries against others.

The colors appearing in the biofilm culture of Streptomyces coelicolor in the video below reflect natural pigments that the bacteria produce. The value of the pigments for the biofilms is not entirely clear, but it is probably not tied to their color. Rather, these pigment molecules are often bioactive in various ways. “The blue pigment seen in this video is actinorhodin, which is technically an antibiotic,” Chimileski said, but added that the term is misleading in this context. “Killing or growth inhibition usually occurs only at very high concentrations relative to what is out in nature.” For that reason, he said, there is “an emerging view that killing is probably not the ecological function of many or most antibiotics. Rather, these bioactive molecules act as signals or developmental cues” to other cells.

That view is echoed in a note from Gleb Pishchany, another research fellow in Kolter’s laboratory who studies how diverse types of bacteria cohabit. “An intriguing possibility is that in natural ecosystems, Streptomyces use pigments and other bioactive molecules” at “lower concentrations as signals that are exchanged among multispecies microbial communities,” he wrote. The pigments may help cohabiting assortments of bacteria rein in one another’s less neighborly instincts, and thereby maintain a more cooperative and fruitful communal existence.

In this powdery colony of Streptomyces coelicolor, the pigmentation comes from actinorhodin, a molecule with antibacterial effects. Biofilms may use bioactive pigments as signals for controlling the behaviors of other microorganisms in their shared environment.

These striking photographs of microbe communities were captured by DSLR cameras. Chimileski collects his still images with macro lenses while working at the bench, while the videos are made in an incubator dedicated to time-lapse microscopy. He sets the camera to snap a picture every 10 minutes, although he increases the frequency to every minute or two for behaviors happening more quickly, such as the movements of slime molds. As a result, the movements of the microbes in these videos are typically accelerated between 5,000 and 50,000 times their actual speeds. Chimileski does not use false color to beautify the images: Aside from using dyes to stain the extracellular matrix in some cultures, he shows the natural coloration of the microorganisms.

Chimileski typically grows bacterial colonies at 30°C, a temperature at which he can collect images of slower growing species for several weeks. Although the heat and humidity suited to biofilm growth are less than ideal for cameras, he said the equipment is rated for more extreme conditions. The few cameras that have malfunctioned did so for a mechanical reason: The number of shots that he needs to document microbial behaviors is so large that the shutters on the cameras eventually break down after hundreds of thousands of clicks.


Complex structures' organization studied in slime mold

Researchers in Japan think they have found an answer to the fundamental biological question of how individual cells know which way to position themselves within a complex, multicellular body. Depending on a cell's purpose in the larger structure, contact or diffuse chemical signals direct it to its final destination.

The journey from egg and sperm to a fully grown body requires more than just multiplication. Plants, animals, and people are all made of trillions of cells, carefully organized into larger structures like tissues and organs. Somehow, each cell knows where it belongs -- the left side of the heart, the inner lining of the colon, and so on -- and generally stays put.

"It's close to impossible to dissect what's happening while cells position themselves in multicellular organisms because there are so many players: different cell types, different molecules inside cells, different chemical signals outside the cells, cell growth, programmed cell death," said Professor Satoshi Sawai from the University of Tokyo, an expert in biological physics, a field that uses the principles of physics to understand living systems.

The slime mold system

Slime molds provide a simpler system to understand cell positioning. Slime molds are amoebas, but are similar in size and shape to human white blood cells and share the fundamental aspects of cell dynamics, such as migration and engulfment of disease-causing pathogens.

Individual cells of the slime mold Dictyostelium discoideum can exist independently, living freely in the soil and eating bacteria and fungi. When food is scarce, independent slime mold cells clump together and function as a multicellular organism.

When slime mold cells clump together, sometimes 100 cells, other times 10,000 cells, they differentiate into two distinct types.

The first type, pre-stalk cells, eventually forms a column that supports a sphere composed of the second type, pre-spore cells. Researchers call this two-part structure a fruiting body. The pre-stalk cells will die as the pre-spore cells eventually float off in the wind to a better environment where they can grow and divide again as independent amoebas.

Inside the clump, before the fruiting body takes shape, cells attach to form long trains and swirl around, immersed in a chemical signal that they secrete. First identified in the 1970s, this diffusive chemical, called cAMP, attracts cells.

Traditionally, the degree of attraction to cAMP signals was thought to separate the cells into pre-stalk and pre-spore cells. More recent genetic experiments revealed, however, that molecules related to adhesion, or cell-to-cell touch, may also be important.

"What's great about slime mold is that you can take individual cells out of the larger structure and they still do their thing by behaving naturally in a relatively simple setup that mimics the multicellular environment," said Sawai.

Two types of signals

In their new experiments, the researchers took cells out of a multicellular clump and tracked how the individual cells migrate in response to artificial touch and cAMP signals.

When cell trains formed, the leader cell moved in the direction of cAMP. The follower cells were not pulled along, but rather actively pushed leader cells forward.

"Cell-cell contact activates processes for cell movement. The follower cells are the engine and the leader cells are the steering wheel, always pointing in the direction of the chemical signal," said Sawai.

Researchers also placed individual pre-stalk or pre-spore cells with beads coated with an adhesion molecule that appears to function in the tail end of cells. All cells attached to follow the bead as in a cell train. Researchers then added cAMP to the experiment. Pre-stalk cells released the bead and moved towards the cAMP source. Pre-spore cells, however, ignored cAMP and held fast to the bead.

Sawai's research team demonstrated that head-to-tail touch between cells directs their migration, but cAMP somehow overrides this contact only in pre-stalk cells.

"Many people think you have to go to Mars to look for the fundamental rules of what makes life. But we can look at all the still-unexplored branches of the tree of life here on Earth. Slime mold gives us hints at what to look for to understand the mechanistic logics underlying more complex species," said Sawai.

This discovery of the importance of cell-cell contact to activate cell movement and organization will open new possibilities to study cell-pattern formation in events such as embryo development or spread of breast cancer.

The results are published in the Zbornik Nacionalne akademije znanosti Sjedinjenih Američkih Država.


Sažetak

When aggregating amoebas of the cellular slime mold Dictyostelium discoideum are disaggregated and morphogenesis is reinitiated, the amoebas will reaggregate in less than 1 10 th the original time. When aggregating amoebas are disaggregated and resuspended either in full nutrient medium or in buffered salts solution containing dextrose, they retain this developmentally acquired capacity to rapidly reaggregate for approximately 1 hr and then lose it completely in a synchronous and discrete step which we have referred to as the “erasure event.” In this report, it is demonstrated that micromolar concentrations of cAMP completely block this transition from the developmental to vegetative state, and that other cyclic nucleotides also inhibit it, but they do so at 20-fold higher concentrations. Neither the hydrolysis products of cAMP nor the vegetative chemoattractant folic acid inhibit dedifferentiation at concentrations as high as 10 −3 M, demonstrating a specificity for cyclic nucleotides and cAMP in particular. The addition of cAMP at any time during the lag period preceding the erasure event inhibits it and addition immediately after the erasure event reverses it. Since cAMP may inhibit the transition from the developmental to vegetative state intracellularly or extracellularly, we have also examined the intracellular concentration of cAMP and the levels of cAMP binding sites on the cell surface during the erasure process. Evidence is presented that the majority of cAMP binding sites on the cell surface are not necessary for the inhibition of erasure by cAMP. The results of these latter studies are discussed in terms of alternative models for the involvement of cAMP in the transition from the developing to vegetative state.

This investigation was supported by Grant PCM 78-15763 from the National Science Foundation and Grant GM 25832 from the National Institutes of Health.

Robert Finney and Bernice Slutsky were trainees under Cellular and Molecular Training Grant GM 07228.


Reproduction in Protists

As far as protists reproduction process is concerned, some of these organisms are known to resort to asexual reproduction, while others resort to sexual reproduction. Discussed below are the details about how protists reproduce asexually and sexually. This will help you get a better understanding of the overall process of reproduction in members of Kingdom Protista.

Bespolna reprodukcija

Like other single-celled organisms, such as archaea and bacteria, asexual reproduction is the primary method of reproduction for protists. These organisms generally opt for binary fission method of asexual reproduction wherein a single parent produces an off-spring without having to depend on fertilization by another organism. In other words, the parent organism literally divides itself into two cells. As only one parent is involved, the newly formed organism inherits the genes of its parent and not from the two organisms as is the case in organisms which resort to sexual reproduction.

While binary fission is predominant method of asexual reproduction in single-celled protists, there do exist some protists which resort to yet another method of asexual reproduction, i.e. reproducing by producing spores. Fungus-like slime molds and water molds are apt examples of protists which resort to spore form state to make the reproduction possible. These protists produce spores and release them in the air. These spores, in favorable conditions, eventually hatch into amoeba-like cells, which grow by feeding on bacteria, and mate when they encounter the correct mating type to form zygotes.

Seksualna reprodukcija

It was initially believed that protists only reproduce asexually, however recent studies have revealed that they also resort to sexual reproduction, especially under stressful conditions. When there is extreme environmental stress, which makes survival difficult, some protist organisms exchange genetic material with the intention of producing an off-spring which will have the ability to survive in the prevailing extreme environment. In case of sexual reproduction, the two organisms involved go through the process of meiosis wherein a reproductive cell with half the set of DNA belonging parent, known as gamete, is created. Further when the gametes of two parent organisms come in contact, a zygote is formed. This zygote has a full set of DNA, courtesy half a set of DNA from either parent.

While that was all about the reproduction process, there also exist several other facets of their lives that we are not aware of. It may come as a surprise for many, but we do come in direct contact with various protists which act as pathogens in our body. One of the best example of the same is Plasmodium falciparum, the protozoan parasite which causes malaria. Taking that into consideration, study of protists and the role they play in the environment becomes all the more interesting – as well as important.


Gledaj video: Riješite se plijesni (Kolovoz 2022).