Спорящие о чем-то бактерии или растение, поющее колыбельную крохам-семенам – кажется, это что-то из области фантастики. Мы привыкли мерить по себе и полагаем, что для того, чтобы общаться, нужны развитой мозг, речевой аппарат и органы слуха. Однако сотни живых существ пользуются другими средствами коммуникации. Порой они настолько отличаются от привычных нам, что кажется, будто эти животные с другой планеты. А порой, напротив, эти способы общения весьма напоминают наши высокотехнологичные изобретения.
Власть кворума
Если взглянуть на бактерию под микроскопом, ее жизнь может показаться исключительно однообразной. Микроорганизм занят тем, что ест – даже не охотится, а пассивно поглощает питательные вещества из окружающей среды, а также размножается делением надвое. Бактерия не ходит в гости к соседям, не играет, не изучает окружающий мир и кажется скучнейшим объектом. Однако разве мог бы настолько крошечный и одинокий организм представлять серьезную угрозу для человечества? Ученым это показалось сомнительным. Подкрутив микроскопы, они обнаружили, что бактерии – отнюдь не одиночки, занятые лишь удовлетворением собственных примитивных потребностей. Многое они делают, объединившись с другими представителями своего вида. И конечно, умеют договариваться с ними.
Но бактерия – одноклеточный организм. Она экономит даже на размере генома – «упаковке», в которой хранит информацию о себе. Разумеется, рта и тем более мозга у бактерии тоже нет. Однако микроорганизмам удалось придумать иные способы общения, для которых они и не нужны.
Например, бактерия вида Vibrio fisheri, живущая в Тихом океане, на первый взгляд ничем не примечательна. Однако в начале 70-х годов исследователи обратили внимание на интересную особенность: если этих бактерий становится много, они начинают светиться ярким голубым светом. При этом если часть микроорганизмов убрать, люминесценция тут же прекращается. Это означает, что Vibrio fisheri каким-то образом узнают о присутствии соседей.
Оказалось, каждая бактерия производит специальные сигнальные молекулы-«слова». Пока концентрация микроорганизмов в воде небольшая, они уплывают в никуда. Однако чем больше становится бактерий, тем выше шанс, что их кто-то «услышит». Общение бактерий похоже на систему голосования: собирается группа, каждая особь из которой отправляет в окружающее пространство свое мнение, и в результате это понуждает все сообщество действовать согласованно. Такая способность к общению и получила соответствующее название – чувство кворума. «Кворум» – это латинское слово, которое обозначает такое количество членов собрание, которое будет достаточным, чтобы признать собрание состоявшимся и принять решение.
Когда концентрация «слов» вокруг достигает некоего критического уровня (наверное, человеку это бы напомнило гомон в торговом центре в воскресный день), все бактериальное сообщество одновременно начинает светиться.
Афродизиак для простейших
Vibrio fisheri умеет не только разговаривать на химическом языке друг с другом, но и управлять поведением других микроорганизмов – воротничковых жгутиконосцев. Жгутиконосцы – простейшие одноклеточные, живущие в морских и пресных водоемах, вооруженные жгутиком, биение которого помогает им пригонять к себе пищу. Vibrio fisheri выделяет белок, который побуждает воротничковых жгутиконосцев размножаться. Заслышав сигнал, простейшие собираются в группы, где начинают обмениваться друг с другом генетическим материалом, а затем делиться.
Бактерии-полиглоты
Сигнальные молекулы – не единственный вид связи, доступный бактериям. Некоторые микроорганизмы также способны пересылать друг другу электрические импульсы. Такой способ связи активно использует население биопленок. Биопленка – это колония различных микроорганизмов, в которой все участники прикреплены друг к другу и погружены в слизкое межклеточное вещество. Биопленки защищают сообщества организмов от различных напастей – высыхания, изменения кислотности, воздействия иммунной системы организма-носителя. Бактерии в биопленках практически нечувствительны к антибиотикам и другим вредным для них веществам – активным компонентам попросту не добраться в центр колонии.
Там бактерии не только говорят на языке электрических сигналов с представителями своего же вида, но и активно используют межвидовое общение. Этот «межклеточный эсперанто» позволяет микроорганизмам понимать, сколько вокруг находится сородичей, а сколько представителей других видов, планировать свои действия в зависимости от этой информации и налаживать жизнь колонии. Например, если обитателей в биопленке стало слишком много, население центральной части может страдать от нехватки питательных веществ. В этом случае бактерии посылают электрический сигнал, прося членов колонии на периферии остановить рост. Колония перестает разрастаться, благодаря чему пищи хватает на всех.
Бактерии способны не только общаться между собой внутри биопленки, но и привлекать в нее новых членов. Исследователи обнаружили, что порой к таким образованиям примыкают свободные микроорганизмы, проплывавшие мимо. Но происходит это исключительно в тех случаях, когда по биопленке проходит электрический импульс, сигнализирующий странникам о том, что неподалеку находится дружественное сообщество, приглашающее новых членов. В те моменты, когда такие сигналы отсутствуют, свободные бактерии не замечают биопленку и проплывают мимо.
Заговор против бактерий
Одноклеточные умеют общаться, и это дает им определенное преимущество, однако оказалось, что вирусы, поражающие их, бактериофаги, тоже умеют договариваться между собой. Язык бактериофагов похож на язык бактерии: они также испускают сигнальные молекулы, посредством которых решают, какую тактику им выбрать: сразу же начать размножаться, разрушая бактерию, или же встроиться в бактериальную ДНК и затаиться, убив носителя позже.
Вмешаться в разговор микробов
Бактерии могут разговаривать друг с другом и координировать свои действия – печальная новость для людей, против которых эти крошечные существа нередко объединяются. Другая плохая весть – они могут еще и обсудить общую стратегию поведения. Попав в тело носителя, микроорганизмы не сразу начинают выделять токсины. Мы, люди, в сравнении с бактерией просто огромны, и несколько патогенов ничего бы нам не сделали.
Поэтому бактерии действуют умнее. Сперва они начинают делиться. Каждая новая особь выделяет свой химический сигнал – молекулу, содержащую запись «я здесь», которую могут прочитать соседи. Когда бактерий накапливается достаточно, они вновь обмениваются сообщениями, приходят к единому мнению и дружным строем идут в атаку.
Бактерии оказались гораздо хитрее, чем мы думали, но ученые настроены оптимистично. Теперь, когда стало известно, как именно общаются микробы, есть шанс вмешаться в их разговор. Ведь антибиотики действуют грубо, разрывая мембрану бактерий или не давая им размножаться. Разумеется, весть о лечении быстро разлетается среди микроорганизмов. Не это ли причина того, что многие лекарства перестают действовать? Ведь у бактерий появляется время принять меры против разрушающего действия препарата.
Однако если врачи смогут научиться говорить на языке бактерий, возможно, они просто станут отправлять им послания. Например, чтобы микробы прекратили рост. Тогда человечество получит возможность быстро и безопасно лечить многие болезни.
Шепот слизи
Слизевики – еще одни простейшие организмы, которые умеют разговаривать. Долгое время их относили к грибам из-за внешнего сходства плодовых тел, однако впоследствии решили признать их отдельной группой. Несмотря на невпечатляющие размеры (слизевики состоят всего из одной клетки) – это довольно сложные организмы, по крайней мере, настолько, насколько может быть умна клетка.
Ученые уже знают, что слизевик способен прокладывать кратчайший путь к лакомству. Периодически исследователи создают удобную схему движения городского транспорта, размещая приманку – овсяные хлопья – на карте в местах крупнейших транспортных узлов и заставляют слизевика прокладывать кратчайшие пути между точками. Интересно, что зачастую проложенные микроорганизмами дорожки оказываются весьма похожи на реальную транспортную сеть.
Слизевики способны обучаться. Например, они запоминают места, где коварные ученые обдували их холодным воздухом, и начинают заранее медленно двигаться в этих участках. Эти простейшие даже могут смириться с неприятными для них веществами, такими как кофеин, и научиться игнорировать их, если те преградили им путь к пище.
Но самое главное – эти крошечные существа не просто обучаемы, они еще и могут делиться опытом с другими особями. Французские ученые обнаружили, что слизевики способны привыкнуть к неприятной для них соли, рассыпанной на дорожке, ведущей к пище, и не снижать из-за нее скорость. Тогда исследователи решили сравнить, как эти простейшие будут действовать в парах. В забеге участвовали связки из двух опытных слизевиков, из двух неопытных, а также тандем из одного опытного и одного неопытного слизевика. Результат марафона был неожиданным: смешанные пары двигались с той же скоростью, что и опытные. Оказалось, что на старте бывалые слизевики учили своих юных товарищей проходить посыпанную солью дорожку, попросту сливаясь с ними. Взглянув на марафонцев под микроскопом, ученые увидели, как между слизевиками формируется тяж – трубочка, напоминающая кровеносный сосуд. По всей видимости, именно через эту трубку опытная особь и передала всю информацию, хотя пока неясно, в каком виде она была. Слизевики выбрали весьма удобный способ общения: хочешь донести нечто до собеседника – передай информацию прямо внутрь.
Воздушная тревога
Если бактерии и простейшие научились довольно эффективно общаться друг с другом, было бы странно, если бы этого не сделали более развитые существа – растения. Исследования показывают, что они тоже способны обмениваться сигналами, например, об опасности. На первый взгляд, пользы в этом никакой – все равно растение не способно сорваться с места и убежать, если сосед предупредил о приближении врага. Однако у деревьев и трав есть иные методы борьбы с неприятелями. Например, они могут увеличить в листьях количество веществ, которые сделают их непривлекательными для гусениц или травоядных млекопитающих. А чтобы вовремя стать невкусным, как раз и нужно заранее узнать о приближении врага.
Ученые долгое время не могли понять, как растения это делают, пока не догадались подсветить их. Они изменили геном резуховидки Таля – одного из родственников привычной нам капусты, – встроив в него фермент, который заставляет светиться светлячков. После того как генно-модифицированное растение выросло, ученые отрезали у него лист и наконец-то смогли увидеть, что происходит: растение испускало газ, который благодаря встроенному ферменту светился. Именно это вещество улавливали соседние растения и начинали подготовку к обороне.
Растения могут использовать ароматный сигнал не только для того, чтобы предупредить сородичей, но и чтобы позвать на помощь другие виды. Например, при приближении бабочки-капустницы горчица черная начинает подавать сигнал SOS – выделять в воздух соединения, которые улавливают паразитирующие осы-наездники. Эти насекомые откладывают свои яйца в яйца бабочек или уже вылупившихся гусениц, тем самым медленно убивая свои инкубаторы и спасая горчицу от поедания. Прибытие нескольких таких ос очень выгодно растению: они не только избавят его от уже отложенных яиц, но и отпугнут бабочек, которые рассматривали эту горчицу как потенциальную колыбель для своего потомства.
Томат на проводе
Порой общение флоры происходит глубоко под землей. Там, в темноте, растения проложили целую телефонную сеть, причем не одни, а с помощью грибов. Грибной мицелий тесно переплетается с корнями деревьев, периодически пронизывая растительные клетки. Если два дерева не могут дотянуться корнями под землей друг до друга, то грибной мицелий помогает им вступить в контакт. Этот клубок живых проводов называется микориза, и к ней подключено 80 – 90% деревьев, трав и кустарников.
Конечно, грибы и растения объединились отнюдь не для развлечения. Столь тесное сотрудничество приносит пользу и тем, и другим. Грибы получают от деревьев аминокислоты, углеводы и растительные гормоны. В свою очередь, растения благодаря грибам эффективнее усваивают минеральные вещества, в первую очередь соединения фосфора. Кроме того, грибные нити попросту увеличивают поверхность корней, через которую представители флоры могут всасывают воду и питательные вещества, что чрезвычайно важно для растений, произрастающих на бедных почвах.
Однако было бы недальновидно задействовать сеть, объединяющую практически весь лес, только для доставки продуктов. Китайские ученые выяснили, что растения рациональны и используют микоризу в том числе и для переговоров. Чтобы обнаружить эту функцию грибницы, ученые провели опыты с томатами. Они засадили растениями несколько ящиков. В одних микоризу уничтожили, использовав в качестве грунта обеззараженный песок, в котором не было грибных спор. В других ящиках между растениями поместили водонепроницаемую пленку, так, чтобы они не смогли дотянуться друг до друга корнями. В оставшихся контейнерах томаты расли так, как им того хотелось, и быстро образовали микоризу.
После того как растения подросли, ученые заразили по одному экземпляру из каждого ящика грибковой инфекцией. А затем закутали все томаты в пакеты, чтобы те не могли посылать друг другу сигналы по воздуху. Спустя двое с половиной суток исследователи обнаружили, что томаты с развитой микоризой начали накапливать защитные ферменты, которые должны были помочь им пережить заболевание. А вот растения из остальных ящиков, которые не могли связаться с заболевшими товарищами, оказались неподготовленными к эпидемии.
Базилик, который поет
Фикус или фиалка – не такой уж молчаливый питомец, как это может показаться на первый взгляд. Растения могут не только обмениваться ароматными сигналами и перезваниваться друг с другом, но и производить звуки. Человеческому уху они не слышны, но французские ученые зафиксировали, как деревья во время засухи издают ультразвуковой сигнал, очевидно, выражающий их недовольство ситуацией. А базилик и вовсе поет колыбельные.
Необычные акустические способности у пряности обнаружили австралийские ученые. Они экспериментировали с проращиванием семян перца чили и обнаружили, что семена, вынужденные расти в одиночестве, делают это гораздо медленнее, чем окруженные соседями. Чтобы окончательно подтвердить свои наблюдения, исследователи сделали контрольные посадки: в одном контейнере перец чили всходил в гордом одиночестве, а в другом свободно рос рядом с базиликом. Третий контейнер должен был показать, как именно переговариваются семена со взрослыми растениями. В нем также посадили чили рядом с базиликом, но ученые сделали все возможное, чтобы растения не узнали о присутствии друг друга. Исследователи предполагали, что семена улавливают запах находящихся рядом растений, ощущают их тень или контактируют через развитую корневую систему взрослых, поэтому обрезали данные виды связи, отгородив подопытных темным пластиком. Однако соседство базилика продолжало подстегивать семена перца быстрее развиваться и всходить. Очевидно, взрослое растение издавало звуки, неслышные человеку, но прекрасно слышимые семенам.
А вот аналогичный опыт с фенхелем и семенами перца чили показал, что присутствие такого соседа, напротив, замедляет рост семян. К сожалению, неизвестно, что же именно он «говорит» семенам, отчего им не хочется проклевываться.
Азбука Морзе
Жуки-точильщики – семейство насекомых из отряда жесткокрылых. Человеку есть за что недолюбливать точильщиков: они селятся в его деревянной мебели и стенах бревенчатых домов и планомерно их уничтожают. И ладно бы они делали это тихо! Обитатели любимых хозяйских стульев и дорогого комода любят переговариваться, причем делают это весьма экстравагантным способом.
Точильщики пытаются в прямом смысле слова достучаться до своих потенциальных невест. Чтобы привлечь внимание самки, самец-точильщик стучит головой о стенки собственноручно выгрызенных деревянных ходов. Эхо разносит по предмету мебели сообщение: «Я здесь, и я жду тебя». Если нужно, точильщик может быть очень настойчив и ударяться о стены 50 – 60 раз подряд.
Зашифрованные послания точильщиков изрядно пугают людей. Ритмичные удары жука напоминают тиканье часов, за что насекомых, соответственно, прозвали часовщиками, или часами смерти. Согласно распространенному суеверию, таинственное тиканье, раздающееся откуда-нибудь из-под шкафа, свидетельствует о скорой кончине кого-нибудь из домашних. Впрочем, люди, просыпавшиеся среди ночи в помещении, где нет часов, и слышавшие звук стрелок, не могли обойтись без мистического объяснения происходящего и придали любовному посланию такое зловещее значение. Но самки точильщиков об этом вряд ли догадывается, поскольку популяция этих жуков здравствует и продолжает разрушать мебель.
Послание в бутылке
Нас не удивляет, что млекопитающие общаются с помощью мочи. Каждый видел, как вышедшая на прогулку собака с интересом обнюхивает метки, оставленные ее сородичами, и передает свое послание. Из подобных меток многие млекопитающие могут узнать немало информации об авторе ароматического послания: его пол, возраст, состояние здоровья, а также то, готова ли эта особь к размножению.
Недавно обнаружилась, что такие письма используют не только млекопитающие, но и рыбы, которые отнюдь не так уж немы. Не имея возможности подать сородичу голосовой сигнал, но живя в воде, которая способна распространить вещества на большие расстояния, они взяли на вооружение способ, которым пользуются млекопитающие.
Швейцарские ученые поставили эксперимент с одним из видов цихловых рыб. Эти рыбы живут на определенной территории и весьма негативно относятся к чужакам, приближающимся к их границам. Но, оказалось, что и они, прежде чем напасть, предпочитают поговорить.
Чтобы посмотреть, как рыбы ведут переговоры, подопытных поместили в аквариум с перегородкой посередине, которая не давала им вступать друг с другом в драку. В некоторых случаях перегородка была сплошной, в некоторых – с небольшими отверстиями, через которые не могла проплыть рыба, но которые обеспечивали ток воды между двумя частями емкости. Цихлид сажали в разные отсеки аквариума. Увидев друг друга, рыбы устремлялись к прозрачной перегородке, параллельно стараясь придать себе наиболее устрашающий вид, топорща плавники и делая резкие движения. При этом рыбы испускали жидкость. Если перегородка была с отверстиями, ссора могла завершиться, не успев начаться: мелкая рыбка подчинялась более крупной, умерив свою агрессию. Если же перегородка была без дырок, рыбы продолжали кружить вдоль нее, выпуская все большее и большее количество мочи, очевидно, считая, что письма просто не доходят до собеседника.
Впрочем, рыбы общаются и менее экстравагантными способами. Чтобы донести информацию до оппонента, они могут менять цвет, а также производить звуки при помощи жаберных крышек или плавательного пузыря. Их «голоса» могут напоминать лай, скрип, свист, урчание, кудахтанье и даже птичье пение. Порой рыбы разговаривают настолько громко, что от издаваемых ими звуков срабатывают акустические взрыватели морских мин.
Человечество придумало немало возможностей для общения. Мы уже давно пользуемся почтой, а теперь проложили провода между континентами, запустили в космос спутники, обеспечивающие нас связью, и продолжаем изобретать все более быстрые и дешевые способы поговорить. Однако стоит приглядеться к нашим крошечным и на первый взгляд молчаливым соседям по планете, и мы поймем, что многое из этого было придумано до нас.
