ИНДИВИДУАЛЬНОЕ И КОЛЛЕКТИВНОЕ ПОВЕДЕНИЕ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ

АННОТАЦИЯ

Коллективное поведение клеток играет важнейшую роль в развитии человеческого организма и его старении. По современным научным представлениям, личность человека и его сознание представляют собой продукт коллективного интеллекта клеток новой коры головного мозга (неокортекса), которые генетически идентичны всем другим клеткам этого человека. Эти удивительные свойства наши клетки, в какой-то мере, унаследовали от своих эволюционных предшественников – клеток высших животных и растений, одноклеточных эукариот и прокариот. В связи с этим, большой научный интерес представляет анализ поведения далеких предков человеческих клеток: архей, бактерий и первых одноклеточных эукариотов. Именно этому посвящена данная статья. В ней проанализировано коллективное поведение архей и бактерий, создающих довольно сложные колонии-пленки и стаи для совместной охоты. Эукариоты-протисты унаследовали и усовершенствовали полученные от бактерий и архей свойства и приобрели кратковременное запоминание и сложное распределение функций в социальной организации, приближающейся к многоклеточному организму. Для социальной коммуникации одноклеточные используют широкий спектр химических сигналов, звуковые и электрические взаимодействия. При этом химические мессенджеры и влияющие на экспрессию генов и функциональность клеток электрические сигналы весьма близки к тем, которые используются клетками высших животных и человека.  

ABSTRACT

The collective behavior of cells plays a crucial role in the development of the human body and its aging. According to modern scientific concepts, a person's personality and consciousness are the product of the collective intelligence of the cells of the new cerebral cortex (neocortex), which are genetically identical to all other cells of this person. Our cells have inherited these amazing properties to some extent from their evolutionary predecessors - cells of higher animals and plants, unicellular eukaryotes and prokaryotes. In this regard, the analysis of the behavior of the distant ancestors of human cells: archaea, bacteria and the first unicellular eukaryotes is of great scientific interest. This is exactly what this article is about. It analyzes the collective behavior of archaea and bacteria, which create rather complex colonies-films and packs for joint hunting. Eukaryotic protists have inherited and improved the properties inherited from bacteria and archaea, and have acquired short-term memory and a complex distribution of functions in a social organization approaching a multicellular organism. Unicellular organisms use a wide range of chemical signals, sound and electrical interactions for social communication. At the same time, chemical messengers and electrical signals affecting gene expression and cell functionality are very close to those used by cells of higher animals and humans.

Ключевые слова: эмерджентность, коллективный клеточный прокариоты, археи, бактерии, эукариоты, протисты, колонии, пленки, эпигенетика, экспрессия, этология, схемы поведения, неокортекс.

Keywords: emergence, collective cellular prokaryotes, archaea, bacteria, eukaryotes, protists, colonies, films, epigenetics, expression, ethology, patterns of behavior, neocortex.

1. Введение

Системы, состоящие из элементов, могут иметь свойства, которых у составляющих элементов нет. Это положение является одной из интерпретаций великого закона эмерджентности, лежащего в основе мироздания. Эмерджентность, то есть возникновение нового свойства при объединении элементов, этого свойства не имеющих, наблюдается как в неживой, так и живой природе.

Макротела состоят из микрочастиц, подчиняющихся сложным законам квантовой физики. При объединении микрочастиц у макрообъектов возникают свойства, которые описываются гораздо более простыми законами классической физики. Атомы и молекулы приобретают новые свойства, которых нет у составляющих их протонов, нейтронов и электронов. Эти новые свойства и закономерности изучает химия. Сложные соединения атомов, например белки, имеют свойства, которых нет у составляющих их атомов, а живые организмы, состоящие преимущественно из белков, имеют множество свойств, которых нельзя обнаружить у отдельных белков. Это предмет биологии.

В живой природе известно немало проявлений эмерджентности: рои пчел, семьи муравьев и термитов, стаи рыб приобретают целый ряд полезных свойств, которых нет у составляющих их организмов. Эмерджентность в полной мере проявляется и в группах людей от племени до всего человечества. Свойства человеческих сообществ изучают социология, экономика и другие общественные науки.

Различные организмы объединяются в рои, стаи, другие сообщества потому, что их коллективы могут лучше, чем индивиды приспосабливаться к меняющейся окружающей среде, противостоять опасностям и принимать для этого совместные решения, позволяющие говорить о наличии у них нового коллективного интеллекта [2]. Под этим термином подразумевается способность коллектива находить более эффективные решения, чем это делает отдельный его член.

Многие ученые считают, что коллективным интеллектом обладают не только насекомые, рыбы и животные, но и клетки человека и других многоклеточных существ. Современная наука утверждает, что человеческий интеллект и личность, «Я», каждого человека образуется сетью нейронов новой коры (неокортекса) головного мозга. Следовательно, наш собственный интеллект – не что иное, как коллективный интеллект сообщества клеток нашего неокортекса. Более того, нам известен только коллективный интеллект различных клеток, определяющих поведение различных живых организмов. Точно так же, искусственный интеллект – не что иное, как коллективный интеллект отдельных элементов нейронной компьютерной сети. Вообще, довольно вероятно, что не коллективного интеллекта вообще не существует.

Поскольку все группы клеток человека, а их около 200 типов, генетически идентичны, вполне правдоподобна гипотеза о том, что не только клетки неокортекса, но и другие нервные клетки, а также эндокринные, иммунные и другие аналогичные типы клеток обладают чем-то подобным интеллекту клеток неокортекса.

Исследования последних лет убедительно доказывают, что не только клетки многоклеточных организмов, но и одноклеточные демонстрируют довольно сложное поведение, могут объединяться в группы-колонии и имеют черты коллективного интеллекта.

Одноклеточные организмы делятся на не имеющих ядра прокариот и эукариот с ядром и органеллами, отделенными мембранами. Одноклеточные прокариоты делятся на два царства: бактерии и древние бактерии или архебактерии (кратко археи). К одноклеточным эукариотам относятся некоторые растения и грибы, а также протисты. В царство протистов включены многочисленные виды одноклеточных организмов, которые не удается отнести к царствам растений грибов и животных.

В этой статье мы будем изучать поведенческие особенности одноклеточных прокариот и эукариот, которые оказали эволюционное влияние на поведение клеток многоклеточных организмов, включая человека.

2. Особенности поведения прокариот: архей и бактерий

Археи представляют собой самое древнее и менее всего изученное царство живых организмов. Они живут на Земле не менее трех миллиардов лет, а были открыты лишь в 1977 году. Первоначально считалось, что археи живут только в специфических экосистемах с экстремальными условиями, непригодными для жизни других существ. Действительно, археи способны жить в сверхсоленых озерах, в глубинах Земли и океанских впадин с давлением 700 атмосфер, при температурах больше 120 градусов Цельсия в гейзерах, черных курильщиках (глубоководных вулканических источниках) и нефтяных скважинах, в кислотах с рН=0, в условиях огромной радиации в сотни раз превышающей смертельную для человека дозу. Такую невероятную живучесть им обеспечивает уникальная прочная, но гибкая клеточная мембрана [10], отличающаяся от мембран клеток всех других живых организмов.

Позднее выяснилось, что археи живут и в обычных местах, включая кожу и кишечник человека. Они всеядны и способны получать энергию как, подобно растениям, напрямую от солнечного света, так и от органической и неорганической (ионы металлов) пищи.

По размеру (около 15 мкм) и внешнему виду археи очень похожи на бактерии (круглой, спиральной, стержневой формы), хотя бывают виды необычной для бактерий пластинчатой квадратной формы. Как и бактерии, они могут перемещаться с помощью движения отростков-жгутиков, которые, правда, заметно отличаются от бактериальных аналогов.

Археи размножаются делением, но могут обмениваться между собой генами путем слияния мембран и образования межклеточных мостов. Эти древнейшие организмы уже широко используют обмен сигналами и довольно часто могут образовывать колонии. Они склонны к симбиозу между разными видами и с разнообразными другими организмами. Поведенческие особенности архей пока слабо изучены, но, судя по всему, им присущ весь спектр моделей поведения, свойственный бактериям.

Если археи пока не замечены во вредоносной для животных и человека деятельности, то другое царство прокариотов бактерии прочно ассоциируется с разнообразными инфекционными заболеваниями. Агрессивность бактерий побудила другие организмы (грибы, растения) вырабатывать защитные средства, на основе которых люди создали антибиотики. Эти лекарства отлично справляются с грамположительными бактериями с однослойной клеточной стенкой (в опытах Грама они окрашиваются в синий цвет), и заметно хуже – с грамотрицательными бактериями с двухслойной стенкой (в опытах Грама окрашиваются в красный цвет). Кстати, на безвредные археи антибиотики вообще не действуют.

Как и археи, бактерии могут передвигаться, в частности, с помощью жгутиков. Они хорошо чувствуют изменения концентраций солей, кислот, питательных веществ и двигаются в направлении убывания концентрации вредных веществ и возрастания полезных. Бактерии размножаются делением, но широко используют горизонтальный перенос генов, то есть обмен генетическим материалом и передачу полезных генов другим членам популяции. Некоторые бактерии чувствуют магнитное поле Земли и перемещаются, ориентируясь на него. Фотосинтезирующие цианобактерии скользят по выделяемой ими слизи в сторону источника света.

Бактерии выработали и используют несколько каналов межклеточного общения [3]:

• контактный обмен сигналами между клетками;
• химическая сигнализация через обмен разнообразными веществами; интересно, что бактерии и другие микробы активно используют для передачи сигналов вещества, которые в процессе эволюции у животных стали гормонами и нейромедиаторами: серотонин, норадреналин, дофамин, гистамин.
• обмен информацией посредством электромагнитных и звуковых волн.

У бактерий развито генетически определенное чувство самоидентификации. Используя обмен сигналами, они легко отличают «своих» от «чужих». При встрече двух колоний бактерий они либо сливаются, если встретились «свои», либо четко разделяются с «чужаками» с явно очерченной границей. Бактерии одного вида стремятся быть вместе, как можно ближе друг к другу вплоть до слипания в единое целое.

Многие бактерии образуют колонии, и их жизнь довольно сложно социально организована [5]. В развивающейся колонии можно выделить кластеры быстро и медленно делящихся клеток, а также группы клеток, готовых принести себя в жертву в случае опасности для блага колонии «альтруистов». В образованных бактериями микропленках происходит своеобразное распределение питательных веществ, когда пограничные группы в сложной ситуации отказываются от части пищи, оставляя её внутренним клеткам. При дефиците пищи или плохих внешних условиях клетки включают торможение внутриклеточных процессов и совместно образуют напоминающие грибницы, плодовые тела и споры, в которых они замирают и пережидают плохие времена. Заметим, что археи на это не способны.

Для бактерий характерна сетевая организация их сообществ, по поведению напоминающая рой пчел или муравейник. Однако они способны создавать надклеточные структуры и вести себя как единый организм. Так, диктиобактер – не просто скопление бактерий, а скорее единый бактериальный организм, бактериальная сетка, в которой расположенные в один слой бактерии, образующие покрытую слизью сеть для ловли и переваривания добычи. Диктиобактер ищет её на дне водоема, набрасывает на найденный микроорганизм бактериальную сеть, бактерии выделяют пищеварительные ферменты и совместно переваривают покрытую сеткой и слизью пищу. Пожалуй, это апофеоз сотрудничества, которое демонстрируют многие охотящиеся стаями бактерии.

Для колоний бактерий характерно создание межклеточного матрикса, в котором имеются специальные каналы для поступления воздуха и питательных веществ. По функциям сам матрикс напоминает скелет для крепления бактерий, а каналы – зачатки дыхательной и пищеварительной системы. Однако всё же это колония бактерий, а не многоклеточный организм. Главное отличие – клетки колонии способны жить самостоятельно, вне колонии.

Таким образом, уже на самой нижней ступени эволюционной лестницы, у прокариот, в поведении заложены сложные механизмы межклеточного взаимодействия, которые унаследовали клетки всех других царств, протист, растений, грибов и животных.

3. Поведение одноклеточных эукариот

Эукариоты, клетки которых имеют ядро и органеллы, появились примерно на 1 млрд лет позже архей и бактерий. Современная наука считает, что их возникновение – результат симбиогенеза архей и бактерий. В эукариотических клетках 44 % белок-кодирующих генов унаследованы от архей, а 56 % – от бактерий. Это в среднем. Однако есть эукариоты, у которых генетическое наследство от архей составляет более 85 % [9].

Первоначально эукариоты делились на три основных царства: растений, грибов и животных. Однако во второй половине XIX века выяснилось, что многие одноклеточные представители этих царств имеют смешанные свойства, не позволяющие четко отнести их к какому-то одному царству.  Некоторые одноклеточные часть жизни проводят подобно растениям, а часть их них существует как животные. Такие организмы были отнесены к особому царству протист, в котором Геккель (1878 год) выделил 14 групп. Только во второй половине XX века протисты были окончательно включены в систематику живого. 

Несмотря на то, что протисты ближе друг к другу, чем к царствам растений, грибов и животных, в настоящее время выделяют: растениевидных протист, использующих фотосинтез; грибоподобных: слизевики или миксомицеты, проводящие часть жизненного цикла в виде плодовых тел; животноподобных протист, подвижных и питающиеся при помощи фагоцитоза (захвата и переваривания микроорганизмов).

Животноподобные одноклеточные чрезвычайно многообразны – около 70 тысяч видов.  Их общая масса превышает 550 миллиардов тонн, а в мировом океане они составляю около 90 % всей биомассы. Эти существа освоили почти все среды обитания, но, в основном, живут в воде и почве. Для перемещения они часто используют выросты псевдоподии, реснички и жгутики (рис. 1).

Рисунок 1. Двигательный аппарат одноклеточных: псевдоподии (ложноножки), жгутики, реснички

Основной тип питания – поглощение растворенных в жидкости питательных веществ, твердых кусочков органики и других живых организмов. Однако многие животноподобные протисты могут использовать фотосинтез (например, эвглена зеленая) и даже имеют специальный орган – подобную глазу стигму, которая позволяет им двигаться в сторону большей освещенности.

Простейшие размножаются, в основном, путем деления. Это быстро, экономно по ресурсам, но не позволяет обмениваться генетической информацией и эволюционировать, приспосабливаясь к изменениям окружающей среды. Для обеспечения генетического обмена используются половые процессы: обмен генетической информацией путем переноса малых ядер через цитоплазматические мостики между клетками у инфузорий; и деление клеток на гаметы с половинкой набора генетической информации и последующим слиянием гамет у жгутиковых и споровиков. Интересно и важно, что при благоприятных условиях жгутиковые размножаются делением и переходят к использованию гамет только при плохих условиях. Таким образом, они пытаются получить генетические наборы, позволяющие выживать в неблагоприятных условиях. Многие одноклеточные при наступлении неблагоприятных условий создают подобные скафандрам цисты, максимально тормозят все жизненные процессы и ждут в них наступления лучших времен. Часто простейшие ведут себя как настоящие животные: предпочитают одну добычу другой и преследуют выбранную.

Протисты и, особенно, животноподобные простейшие имеют весьма сложное поведение. Автора настоящего исследования, прежде всего, интересуют поведение, связанное с «интеллектуальной» адаптацией к изменяющейся окружающей среде: кратковременное запоминание, коллективное поведение, симбиоз и создание простейшими напоминающие многоклеточный организм конструкты.

1) Привыкание, напоминающее условный рефлекс. Многие протисты имеют привычные модели поведенческих ответов на внешние воздействия. Так, инфузория-трубач, названная так из-за формы клетки, напоминающей трубу, в которую ресничками трубач загоняет пищу, демонстрирует интересную стандартную модель поведения, реагируя на внешнее воздействие. Если экспериментально высыпать в трубу инфузории неприятное для него вещество (кармин), трубач сначала пытается отбиться от него ресничками, затем он изгибается, уклоняясь от соприкосновения, потом сжимается и только, испробовав все другие приемы, снимается с насиженного места и уплывает.

Рисунок 2. Эксперимент с инфузорией-трубачом

Если трубач не уплыл, и его прекратили посыпать неприятным веществом, то при возобновлении посыпания через 10 и менее минут он сразу начинает с прерванной стадии стандартной схемы поведения и обычно уплывает. Значит, инфузории как-то, минут на 10, запоминают прошлое [4].

Кратковременное запоминание характерно для многих одноклеточных животных. Так, амёбы применяют множество приемов захвата пищи, и при каждой неудаче выбирают новый прием из обширного арсенала. Они меняют поведение в зависимости от результата.

Если помещать одноклеточных в сосуды с водой различной формы, со временем их движение приходит к траекториям, минимизирующим столкновение со стенками сосуда.

Слизевик, гигантская (до кв. м) многоядерная клетка (плазмодий, грибоподобный протист), очень любит овсянку и всегда неторопливо (см в час) ползет к лакомству. Если между ним и кормом положить неприятную для слизевика полоску хинина, он надолго остановится, но затем привыкнет к хинину и поползет через него к овсянке.

Рисунок 3. Три слизевика отгорожены от овсянки (cверху) полоской нанесенной на агар хинина. Средний слизевик уже привык к хинину и пророс в сторону своей овсянки [6]

Интересно, что если в одну клетку сольются два слизевика, один из которых имеет успешный опыт преодоления полоски хинина, то и вновь образованная клетка будет спокойно наползать на такую преграду.

Такое привыкание чем-то напоминает условный рефлекс у высших животных, но оно длится недолго и имеет ряд других важных отличий.

2) Коллективное поведение. Как и многие бактерии протисты способны на сложное коллективное поведение. Многие протисты – водоросли, жгутиковые, амебы, инфузории и др. – могут образовывать временные и постоянные колонии путем объединения клеток в разнообразные по форме и организации структуры. Клетки в колонии могут быть однородными или выполнять разные функции (пищеварение, движение, защита, получение питательных веществ и т.д.). Разные протисты образуют колонии различных характерных для них форм: сферической, колонковидной, штапиковидной и т.д. [7]. Колония может вести неподвижный образ жизни или двигаться, например, с помощью ресничек или псевдоподий.

В колонии простейших может быть определенная иерархия, в которой избранные клетки имеют более высокий статус и отвечают за координацию действий колонии. Однако некоторые протисты в колонии могут бороться за доминирование и даже атаковать другие клетки.

Удивительно, но общественные амебы, питающиеся бактериями, могут вести совместное «сельское хозяйство», похожее на «выпас» тлей муравьями, которые питаются их «молочком» [8]. При голодании живущие в почве амебы начинают выделять сигнальную молекулу (цАМФ) и ползут по направлению повышения концентрации этих молекул, собираясь в кучи и совместно образуя огромный плазмодий-слизевик (до кв. м), который преобразуется в плодовое тело. Оказывается, что амебы не съедают все доступные им бактерии, а забирают их с собой в плодовое тело.

Рисунок 4. Жизненный цикл общественных амеб [1]

Когда споры разлетаются из плодового тела и начинают образовывать вышеупомянутых слизевиков, захваченные в споры бактерии используются ими для питания.

3) Симбиотическое поведение. Все протисты взаимодействуют между собой, с другими одноклеточными и многоклеточными организмами. Если это взаимодействие не причиняет вреда, а приносит пользу хотя бы одному из взаимодействующих существ – это симбиоз. Когда пользу получают оба симбионта, такая форма называется мутуализмом. Если вреда нет, а пользу получает только один симбионт – это комменсализм.   

Классический пример мутуализма – симбиоз термитов с протистами жгутиконосцами, расщепляющими целлюлозу в кишечниках термитов до жирных кислот, необходимых термитам. Другой пример. Протисты-динофлагелляты обеспечивают кораллы продуктами фотосинтеза и осаждают карбонат кальция, необходимый кораллам для создания скелета.

Комменсализм характерен для протист, живущих на теле, жабрах и во внутренних органах животных. В рубцах жвачных млекопитающих обитают инфузории и жгутиконосцы, которые питаются бактериями и остатками пищи хозяина, не нанося ему вреда.

Сложные симбиотические отношения имеются у протист с бактериями. Передача генетического материала от бактерий к протистам вносит заметный вклад в их геномы и оказывает полезное для них действие. Многие простейшие питаются бактериями, однако некоторые бактерии способны не перевариваться, а устанавливать симбиотические отношения с хозяином, что сильно меняет его жизнь часто в лучшую сторону.

4. Заключение

Существование и эффективность коллективного клеточного интеллекта не могут вызывать сомнения у людей, сознание которых и есть проявление этого интеллекта. Удивительные свойства клеток неокортекса, которые, кстати сказать, генетически идентичны всем другим клеткам человека, унаследованы от предшествующих поколений клеток, эволюция которых начинается с первых архей и бактерий и насчитывает более трех миллиардов лет. Именно поэтому крайне важен вопрос о степени развития клеточных взаимодействий уже на первых этапах эволюции.

Проведенный в статье анализ поведения архей и бактерий показал, что эти прокариоты уже имеют довольно сложное индивидуальное поведение и определенные зачатки коллективного интеллекта, позволяющего им организовывать колонии и стаи бактерий для совместной жизни и охоты.

Замечательные навыки и особенности коллективного поведения унаследовали их эволюционные потомки протисты, которые приобрели и новые «интеллектуальные» способности. Так, животноподобные простейшие уже обладают кратковременным запоминанием, сложным коллективным и симбиотическим поведением, могут создавать структуры, напоминающие многоклеточный организм.

Для коммуникаций между собой и создания сложных социальных ансамблей прокариоты и эукариоты используют широкий арсенал химических сигналов, передачу информации посредством звуковых и электромагнитных волн. Эксперименты показывают [1], что при взаимодействиях особую роль играет электрическая активность клеток и синхронизация этой активности между различными клетками. В частности, электрические взаимодействия клеток влияют на экспрессию гена, регулирующего клеточную дифференциацию. При попадании в неблагоприятные условия микроорганизмы переключаются в новые состояния: они замедляют жизненные процессы, обзаводятся защитной оболочкой, меняют способ размножения.

Межклеточная сигнализация, усовершенствованная за 3 млрд лет эволюции, унаследована клетками высших животных и человека. В связи с этим эксперименты с бактериями и протистами могут помочь открыть секреты нашего организма и тайну сознания.

Список литературы:

1. Греченко Т.Н., Сумина Е.Л., Сумин Д.Л., Харитонов А.Н. Синхронизация электрических процессов и организация поведения прокариот // Материалы V-й Междунар. конф. по когнитивной науке. – Светлогорск: Изд-во «Институт психологии РАН», 2012. – Т.1. – С. 327.
2. Макмиллен П., Левин М. Коллективный интеллект: объединяющая концепция для интеграции биологии в масштабах и субстратах // Common Biology. – 2024. – Vol. 7. – C. 378 https://doi.org/10.1038/s42003-024-06037-4.
3. Олескин А. Биосоциальность одноклеточных (на материале исследований прокариот). – Т.70. – 2009. – № 3. – С. 225–238
4. Резник Н. Думы простейших // Химия и жизнь. – 2020. – № 2.
5. Смирнов С.Г. Этология бактерий // Вестник Ивановской медицинской академии. – 2006. – Т.1. – № 3–4.
6. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435204. (дата обращения: 03.02.2025).
7. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://gorodecrf.ru/faq/cto-takoe-koloniya-prosteisix (дата обращения: 03.02.2025).
8. Brock D., Douglas T., Oueller D., Strassmann J.E. Primitive agriculture in a social amoeba // Nature. – Vol. 469. – Pp. 393-396.
9. Bruckner J., Martin W.F. Bacterial genes outnumber archaeal genes in eukaryotic genomes // Genome Biology and Evolution. – 2020. DOI: 10.1093/gbe/evaa047.
10. Chugunov A.O., Volynsky P.E., Krylov N.A., Boldyrev I.A., Efremov R.G. (2014). Liquid but Durable: Molecular Dynamics Simulations Explain the Unique Properties of Archaeal-Like Membranes //  Scientific Reports. – 2014. – Vol.  4. – P. 7462; DOI:10.1038/srep07462.
11. Leontyev D., Schnittler M., Stephenson S., Novozhilov Y., Shchepin O.N. Towards a phylogenetic classification of the Myxomycetes // Phytotaxa. – 2019. Vol. 399. – № 3. – P. 209–238. DOI: 10.11646/phytotaxa.399.3.5.