Die schöne Intelligenz von Mikroben sehen


Intelligenz ist nicht eine Eigenschaft, die leicht auf Mikroben zurückzuführen ist. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass Bakterien, Schleimpilze und ähnliche einzellige Lebensformen Bewusstsein, Verständnis oder andere Fähigkeiten haben, die im wirklichen Intellekt impliziert sind. Vor allem aber, wenn diese Zellen in großer Zahl kommunizieren, entstehen ihre erstaunlichen kollektiven Talente zur Lösung von Problemen und zur Kontrolle ihrer Umwelt. Diese Verhaltensweisen können genetisch in diese Zellen durch Milliarden von Jahren der Evolution kodiert sein, aber in diesem Sinne unterscheiden sich die Zellen nicht so sehr von Robotern, die darauf programmiert sind, auf anspruchsvolle Weise auf ihre Umgebung zu reagieren. Wenn wir von künstlicher Intelligenz sprechen können, ist es vielleicht nicht übertrieben, auf die unterschätzte zelluläre Intelligenz der ersteren zu verweisen.

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Originalgeschichte mit Genehmigung von Quanta Magazine, eine redaktionell unabhängige Publikation der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das öffentliche Verständnis von Wissenschaft zu erweitern, indem Forschungsentwicklungen und Trends in Mathematik und den Natur- und Lebenswissenschaften abgedeckt werden.

Unter dem Mikroskop Intelligenz offenbart sich mit spektakulärer Schönheit. Seit 1983 leitet Roberto Kolter, Professor für Mikrobiologie und Immunbiologie an der Harvard Medical School und Co-Direktor der Microbial Sciences Initiative, ein Labor, das diese Phänomene untersucht hat. In den letzten Jahren hat es auch Techniken zur Visualisierung entwickelt. Im fotografischen Aufsatzbuch Leben am Rande des Blicks: Eine fotografische Untersuchung der mikrobiellen Welt (Harvard University Press), veröffentlicht im September, Kolter und sein Co-Autor, Scott Chimileski, ein Forschungsstipendiat und Imaging Spezialist in seinem Labor, bieten eine Wertschätzung von Mikroorganismen, die sowohl wissenschaftlich als auch künstlerisch ist, und das gibt einen Einblick in die zellulären Wunder, die buchstäblich unter den Füßen sind. Bilder aus dem Labor sind auch in der Ausstellung Welt in einem Tropfen im Harvard Museum of Natural History zu sehen. Diese Ausstellung wird Anfang Januar abgeschlossen, aber es folgt eine breitere Ausstellung, Microbial Life die im Februar eröffnet werden soll.

Hohe Vergrößerung des Schleimpilzes Physarum polycephalum zeigt die Zytoplasma pumpt wütend durch seine riesige Einzelzelle.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Diese zytoplasmatische Strömung ermöglicht es dem Schleimpilz, sich zu Nährstoffen vorzudrängen und möglicherweise eine Oberfläche abzudecken.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Schleimpilz Physarum polycephalum qualifiziert sich manchmal kaum als Mikroorganismus: Wenn es während des aktiven, amöboiden Stadiums seines Lebenszyklus über die Laubstreu eines Waldbodens sickert, kann es wie eine Pfütze gelblichen Schleims aussehen. zwischen einem Zoll und einem Meter über. Trotz seiner Größe ist Physarum eine riesige Einzelzelle mit Zehntausenden von Kernen, die in einer ununterbrochenen Masse von Zytoplasma schwimmen. In dieser Form ist Physarum ein ausgezeichneter Jäger. Wenn Sensoren an ihrer Zellmembran gute Nährstoffquellen erkennen, beginnen kontrahierende Netzwerke von Proteinen (die eng mit denen im menschlichen Muskel verwandt sind), Cytoplasma-Ströme in diese Richtung zu pumpen, wodurch der Schleimpilz zu dem gedrängt wird, was er benötigt.

Physarum geht nicht nur reflexartig auf Nahrung zu. Während es sich in eine Richtung bewegt, werden Signale, die durch die Zelle übertragen werden, davon abgehalten, auf weniger aussichtsreichen Wegen kontraproduktiv zu sein. Darüber hinaus haben Schleimpilze ein System entwickelt, um ihr Terrain im Wesentlichen zu kartieren und sich zu merken, wohin sie nicht gehen: Während sie sich bewegen, hinterlassen sie eine durchsichtige chemische Spur, die ihnen sagt, welche Gebiete es nicht wert sind, sie zu besuchen.

erkundet ein Gebiet und stellt fest, dass es an Nährstoffen mangelt, hinterlässt eine chemische Spur als eine Art externalisiertes Gedächtnis, das dem Schleimpilz sagt, nicht dorthin zurück zu gehen.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Beobachtet durch ein Mikroskop, schwebend in Flüssigkeit auf Dias, in ihrer Einfachheit erschienen sie wie die Archetypen primitiver, einsamer Zellen. Die Wahrheit ist jedoch, dass in der Wildnis die meisten Bakterien sehr gesellig sind. Einige Bakterien schwimmen als einsame Individuen durch ihre Umgebung, aber die meisten Bakterienzellen – und die meisten Bakterienarten – ziehen es vor, in kompakten Gesellschaften zu leben, die Biofilme genannt werden, die an Oberflächen verankert sind. (Die einzelnen Schwimmer repräsentieren oft Ableger von Biofilmen und versuchen, neue Orte zu besiedeln.)

In einer hochauflösenden rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme eines Pseudomonas aeruginosa Biofilms sind die einzelnen stabförmigen Bakterien durch haarähnliche Strukturen namens pili.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Bacillus Bakterien sezernieren eine extrazelluläre Matrix, die die Zellen umhüllt und ihnen hilft, eine strukturiertere Gemeinschaft zu bilden.

Steve Minsky

Biofilme sind nicht nur dichte Ansammlungen von Bakterienzellen. Sie haben ausgefeilte funktionale Strukturen, innen und außen, die der kollektiven Bestimmung der Zellen dienen, wie in den Bildern unten zu Pseudomonas aeruginosa zu sehen ist. Der Biofilm wird mit Kongorot gefärbt, der an die extrazellulären Matrixproteine ​​bindet, die die Bakterien als Gerüst für ihre Gemeinschaft absondern. Die tief faltige Oberfläche des Biofilms maximiert die Fläche, durch die die Bakterien Sauerstoff aufnehmen können; es hilft ihnen wahrscheinlich auch, Nährstoffe zu sammeln und Abfallprodukte effizient freizusetzen.

Da sich dieser Pseudomonas Biofilm ausdehnt, entwickelt er eine komplexere interne Struktur. Bakterien in verschiedenen Teilen ihrer Masse können auch spezialisiertere Funktionen entwickeln.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Innerhalb des Biofilms teilen sich die Bakterien die Arbeit, die Kolonie zu erhalten und sich in Formen zu differenzieren, die auf ihre Funktion spezialisiert sind. In diesem Biofilm des gemeinen Bodenbakteriums Bacillus subtilis sezernieren zum Beispiel einige Zellen extrazelluläre Matrix und verankern sich an der Stelle, während einige beweglich bleiben; Zellen an den Rändern des Biofilms können sich zum Wachstum teilen, während andere in der Mitte Sporen freilegen, um harte Bedingungen zu überleben und neue Standorte zu besiedeln.

Die gefaltete Struktur dieses Bacillus subtilis Biofilms hilft sicherzustellen, dass alle die Bakterien darin haben Zugang zu Sauerstoff (links). Ein digitales, gescanntes Modell des Biofilms zeigt, wie die bakterielle Gemeinschaft ihre Struktur in drei Dimensionen variieren kann (rechts).

Scott Chimileski und Roberto Kolter

Man könnte sich fragen, warum natürliche Selektion dieses kollektive Verhalten begünstigt hätte, anstatt mehr grassierender Individualismus unter den Zellen. Ein Teil der Antwort könnte das sein, was evolutionäre Theoretiker als inklusiv Fitness bezeichnen: Insofern die Bakterien in einem Biofilm verwandt sind, werden individuelle Opfer durch die Zunahme der Fitness gegenüber den Millionen von Cousins ​​jeder Zelle ausgeglichen. Es kann aber auch sein, dass jede Rolle im Biofilm ihre Vorteile hat: Zellen am Rand sind am meisten Gefahren ausgesetzt und müssen sich wütend vermehren, um den Biofilm auszudehnen, aber sie haben auch Zugang zu den meisten Nährstoffen und Sauerstoff. Zellen auf der Innenseite hängen von anderen für ihre Lebensrationen ab, aber sie können länger überleben.

Die Oberflächen, über die Biofilme wachsen, sind nicht immer fest. Diese B. subtilis bilden ein Pellicle – eine Art schwimmender Biofilm an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Die genetischen Pfade, die bei der Bildung eines Pellikels eine Rolle spielen, sind im Wesentlichen die gleichen wie beim Wachstum über Steine ​​hinweg, obwohl sie auf die Veränderungen in ihrem Lebensraum reagieren können, indem sie die exakte Proteinmischung in der extrazellulären Matrix nach Bedarf verändern.

Bakterien können wachsen auch auf nicht soliden Oberflächen, wie dies B. subtilis Kultur zeigt sich durch die Bildung eines Pellikels oder eines schwimmenden Biofilms über der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche in einem Becherglas.

Scott Chimileski / Roberto Kolter

Ausgedehntes Wachstum ist nicht der einzige Weg, auf dem sich mikrobielle Gemeinschaften bewegen können. Unten, B. subtilis beschäftigt sich mit einem Verhalten, das dendritisches Schwärmen genannt wird, bei dem Zellen in sich verzweigenden Säulen, die eine Oberfläche effizient pflastern können, schnell nach außen drücken. Biofilme schwärmen, wenn sie erkennen, dass sie sich in einer nährstoffreichen Umgebung befinden: Das Schwärmen hilft einem Biofilm, dieses wertvolle Territorium auszuschöpfen, bevor es konkurrierende Gemeinschaften können.

Mindestens zwei wichtige Veränderungen in der Differenzierung der Zellen in einem Biofilm .. Erstens entwickeln bewegliche Zellen an der Peripherie des Films zusätzliche Flagellen, die es ihnen ermöglichen, energischer zu schwimmen. Zweitens beginnen einige Randzellen auch mit dem Abscheiden von Tensid, einem schlüpfrigen Material, das den beweglichen Zellen schneller über die Oberfläche gleitet.

Wenn Biofilme in flachen Laborschalen wachsen, bleiben die dendritischen Säulen von schwärmenden Biofilmen deutlich Spule in und umeinander, aber sie kreuzen sich nicht. Dies scheint zum Teil darauf zurückzuführen zu sein, dass sich das Tensid als Barriere um die Biofilmäste herum ansammelt. In ähnlicher Weise können einige Bakterien unter Laborbedingungen in terrassierten Strukturen schwärmen. Welche Auswirkungen diese Option auf Bakterien in der Natur hat, ist immer noch ein Rätsel.

Diese Bakterien beteiligen sich an dem Verhalten des dendritischen Schwärmens, das es einer mikrobiellen Gemeinschaft ermöglicht, sich schnell in wünschenswerte, ressourcenreiche Umgebungen auszudehnen.

Chimileski / Roberto Kolter

Ein weiteres Verhalten von Biofilmen, die unter Laborbedingungen wachsen, ist die Spiralwanderung, die im Zeitraffer-Video von Bacillus mycoides gezeigt wurde. Diese Bakterienzellen wachsen in langen Ketten oder Filamenten, die sich entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn kräuseln. Die spezifischen Vorteile dieser spiralförmigen Bewegung werden laut Chimileski noch untersucht, aber sie müssen beträchtlich sein, weil B. mycoides zeichnet sich durch die Übernahme verfügbarer Umgebungen aus. " Bacillus mycoides ist eine der einfachsten Bakterienarten, die aus dem Boden kultiviert werden", erklärte er. Wenn Wissenschaftler Mikroben aus dem Boden isolieren und sie auf Agarschalen wachsen lassen, insbesondere bei Raumtemperatur, "breiten sich die Mycoide oft über die gesamte Platte aus und überholen alle anderen Organismen. Aus diesem Grund wird es für viele Mikrobiologen als eine Art "lästige Spezies" angesehen. "

Interessant ist, dass die Richtung der spiralförmigen Wanderung – im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn – eine erbliche Eigenschaft ist: Verschiedene Bakterienstämme , sogar innerhalb der gleichen Spezies, Spirale in verschiedene Richtungen. Es ist ein weiteres Beispiel dafür, wie Bakterien, die Anweisungen in ihrer individuellen DNA befolgen, Problemlösungsverhalten zeigen können, die auf der kollektiven Ebene von Biofilmen überraschend komplex und anpassungsfähig sind.
Diese geometrischen und vermutlich funktionellen Muster, die Biofilme in der Kultur hervorbringen, sind faszinierend schön. Doch Chimileski merkt an, dass es noch viel zu entdecken gibt, wenn es darum geht, Verhalten im Labor auf natürliche mikrobielle Gemeinschaften zu übertragen.

Chimileski weist darauf hin, dass "die meisten natürlichen Biofilme Ökosysteme mehrerer Spezies sind und Zellen in natürlichen Biofilmen normalerweise langsamer wachsen" "Er fuhr fort:" Ich denke gerne an die Art und Weise, wie wir Bakterien in einer Petrischale wachsen lassen, wo eine einzige Spezies von selbst ist und alles hat, was sie braucht, um bei optimalen Temperaturen zu wachsen. der Organismus. "Unter Laborbedingungen können Forscher untersuchen, welche Gene an komplexen multizellulären Verhaltensweisen beteiligt sind, und sie können den Nutzen für die Fitness der Bakterienspezies messen. Aber in natürlichen Umgebungen bilden sich Biofilme wegen der begrenzten Nährstoffe oder der Konkurrenz mit anderen Arten normalerweise nicht genau so wie im Labor. "Die gleiche Biologie könnte also auf einem Bodenpartikel in Ihrem Hinterhof in kleineren Maßstäben und über längere Zeiträume auftreten", sagte er, auch wenn es weniger leicht zu visualisieren ist.

Spiralmigration ist ein Verhalten, das von den sehr erfolgreiches Bodenbakterium Bacillus mycoides . Gemeinschaften dieser Zellen dehnen sich aus, indem sie lange Filamente von Zellen bilden, die sich entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn winden – eine Orientierung, die streßspezifisch und genetisch determiniert ist.

Biofilmverhalten zeugen von der Kapazität und Offenheit von Bakterien zu Kollektiven – aber diese Offenheit hat Grenzen, wie in dieser Kultur mit mehreren zusammenlebenden Biofilmen gezeigt. Hier verschmelzen benachbarte Biofilme, die aus den gleichen Bakterien oder eng verwandten Stämmen bestehen. Aber die angrenzenden Biofilme, die sich aus divergierenden Bakterien zusammensetzen, halten sich deutlich und versuchen vielleicht sogar, sich gegenseitig zu eliminieren oder zu kontrollieren.

Biofilme sind so intolerant gegenüber anderen Stämmen und Spezies, weil sie beträchtlich in die Produktion von Tensiden, extrazellulärer Matrix und anderem investieren. Moleküle, die Bakteriologen als öffentliche Güter klassifizieren – solche, die die Bakterien für andere Mitglieder ihrer Gemeinschaft absondern. Die Bakterien hüten diese eifersüchtig, da nicht verwandte freilebende Zellen stark von ihrer ersten Verwendung profitieren könnten.

Biofilme lehnen solche Trittbrettfahrer auf unterschiedliche Weise ab. Zum Beispiel die B. Subtilis Kolonien in diesem Bild verfolgen eine Strategie der "Verwandtschaftsdiskriminierung", bei der sie antibiotische Verbindungen absondern, die für andere Spezies, nicht aber für ihre eigenen toxisch sind. Proteus mirabilis Bakterien verteidigen ihre Interessen auf eine andere Art und Weise, basierend auf "Selbsterkenntnis": Die P. Mirabilis Biofilme untersuchen eindringende Zellen, stechen irgendwelche von einer anderen Spezies mit einer pearlartigen Struktur ab und injizieren sie mit Giften, die fast alle, aber eng verwandte Spezies töten.

Mehrere verschiedene Stämme von B. subtilis wachsen in dieser Schale nebeneinander. Da die Biofilme unterschiedliche Bakterienstämme diskriminieren, können sie mit engen Verwandten kompatibel verschmelzen, aber Grenzen zu anderen bilden.

Scott Chimileski

Die Farben, die in der Biofilmkultur von Streptomyces coelicolor im Video erscheinen unten reflektieren natürliche Pigmente, die die Bakterien produzieren. Der Wert der Pigmente für die Biofilme ist nicht ganz klar, aber wahrscheinlich nicht an ihre Farbe gebunden. Vielmehr sind diese Pigmentmoleküle oft auf verschiedene Weise bioaktiv. "Das blaue Pigment in diesem Video ist Actinorhodin, das technisch gesehen ein Antibiotikum ist", sagte Chimileski, fügte aber hinzu, dass der Begriff in diesem Zusammenhang irreführend sei. "Tötung oder Wachstumshemmung tritt normalerweise nur in sehr hohen Konzentrationen auf, relativ zu dem, was draußen in der Natur ist." Aus diesem Grund, so sagte er, "gibt es eine aufkommende Ansicht, dass das Töten wahrscheinlich nicht die ökologische Funktion vieler oder der meisten Antibiotika ist. Vielmehr fungieren diese bioaktiven Moleküle als Signale oder Entwicklungshinweise für andere Zellen.

Diese Ansicht findet sich auch in einer Notiz von Gleb Pishchany, einem anderen Forscher in Kolters Labor, der untersucht, wie verschiedene Arten von Bakterien zusammenleben. "Eine faszinierende Möglichkeit ist, dass Streptomyces in natürlichen Ökosystemen Pigmente und andere bioaktive Moleküle" in "niedrigeren Konzentrationen als Signale verwendet, die zwischen mikrobiellen Gemeinschaften verschiedener Spezies ausgetauscht werden", schrieb er. Die Pigmente können dazu beitragen, zusammenlebende Bakteriensammlungen in den weniger nachbarschaftlichen Instinkten des jeweils anderen zu zügeln und dadurch eine kooperativere und fruchtbarere Gemeinschaftlichkeit aufrechtzuerhalten.

In dieser pulvrigen Kolonie von Streptomyces coelicolor kommt die Pigmentierung von Actinorhodin, ein Molekül mit antibakterieller Wirkung. Biofilme können bioaktive Pigmente als Signale zur Steuerung des Verhaltens anderer Mikroorganismen in ihrer gemeinsamen Umgebung verwenden.

Diese eindrucksvollen Aufnahmen von Mikrobengemeinschaften wurden von DSLR-Kameras aufgenommen. Chimileski sammelt seine Standbilder mit Makroobjektiven während der Arbeit an der Bank, während die Videos in einem Inkubator für die Zeitraffermikroskopie erstellt werden. Er stellt die Kamera so ein, dass sie alle 10 Minuten ein Bild aufnimmt, obwohl er die Frequenz auf jede Minute oder zwei erhöht, wenn das Verhalten schneller geschieht, wie z. B. die Bewegungen von Schleimpilzen. Infolgedessen werden die Bewegungen der Mikroben in diesen Videos typischerweise zwischen dem 5.000 und dem 50.000-fachen ihrer tatsächlichen Geschwindigkeiten beschleunigt. Chimileski verwendet keine falschen Farben, um die Bilder zu verschönern: Abgesehen von der Verwendung von Farbstoffen zur Färbung der extrazellulären Matrix in einigen Kulturen zeigt er die natürliche Färbung der Mikroorganismen.

Chimileski züchtet typischerweise Bakterienkolonien bei 30 ° C, einer Temperatur, bei der Er kann mehrere Wochen lang Bilder von langsamer wachsenden Arten sammeln. Obwohl die Hitze und die Feuchtigkeit, die für Biofilmwachstum geeignet sind, für Kameras nicht ideal sind, sagte er, dass die Ausrüstung für extremere Bedingungen eingestuft wird. Die wenigen Kameras, die eine Fehlfunktion hatten, taten dies aus einem mechanischen Grund: Die Anzahl der Schüsse, die er braucht, um mikrobielles Verhalten zu dokumentieren, ist so groß, dass die Rollläden der Kameras nach Hunderttausenden von Klicks schließlich zusammenbrechen.

Original Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung des Quanta Magazins abgedruckt, einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das öffentliche Verständnis von Wissenschaft zu erweitern, indem Forschungsentwicklungen und Trends in Mathematik und den Natur- und Lebenswissenschaften abgedeckt werden.