Кто такие слизевики, как они моделируют транспортные сети и как они могут помочь в поиске темной материи?

Совсем недавно ученые Сибирского Отделения Российской Академии Наук (СО РАН) в ходе экспедиции по исследованию биоразнообразия на Кольском полуострове, Таймыре и в Забайкалье открыли новый вид слизевика-миксомицета (Myxomycetes) рода физарум (Physarum), чем подняли в обществе интерес к слизевикам.
Новому виду пока что еще не придумали названия, заведующий лабораторией экологии и геоботаники Центрального сибирского ботанического сада СО РАН Евгений Зибзеев отметил: «Морфологически, анатомически и генетически не найдено ни одного (похожего) объекта, кроме одного далекого вида, но четко отличающегося по своим показателям. Название нужно обсуждать». [1]
Слизевики или слизевиковая плесень - это неофициальное название полифилетической группы* неродственных эукариотических организмов, в современной систематике относимых к разным таксонам простейших (Stramenopiles, Rhizaria, Discoba, Amoebozoa и Holomycota), классификация которых ещё окончательно не разработана, что осложняется тем, что слизевики практически не имеют истории окаменелостей из-за своих малых размеров, мягкотелости и влажной среды обитания [2].
Объединяет эти организмы то, что на определённой стадии их жизненного цикла они имеют вид «слизистой» массы без твёрдых покровов и формируют спороношения, которые часто напоминают своим внешним видом плодовые тела грибов, из-за чего их долго включали в состав царства грибов, а теперь - в состав грибоподобных организмов. Правила Международного кодекса ботанической номенклатуры, регулирующие номенклатуру грибов, распространяются и на слизевиков.
Однако, ряд организмов, которые обладают признаками, характерными для слизевиков, к слизевикам не относят.
*Полифилетическая группа – это совокупность, включающая таксоны, происходящие от разных предков, но не включающая их последнего общего предка. Выделение такой группы обычно основано на поверхностном сходстве, возникшем конвергентно или параллельно, и с точки зрения современной систематики, полифилетические группы не имеют права на существование в системе классификации живых организмов [3].
В качестве примера полифилии можно указать группу «теплокровные животные». В эволюции птиц и млекопитающих теплокровность возникла независимо, поэтому группа, в которую можно было бы объединить птиц и млекопитающих на основании теплокровности, не включала бы их ближайшего общего предка.
Различные оценки количества видов слизевиков сходятся в том, что их насчитывается примерно 900-1000 видов, большинство из которых относятся к классу миксомицет, однако коллекция ДНК дает более высокую оценку - от 1200 до 1500 видов [4].
Слизевики – гетеротрофы, и способны питаться всасыванием питательных веществ через клеточную мембрану и/или путём захватывания внутрь клетки пузырьков с частицами пищи. Большинство слизевиков свободноживущие и способствуют разложению мертвой растительности, но часть из них ведут паразитический образ жизни. Слизевики могут свободно жить и как отдельные клетки, и как многоклеточные репродуктивные структуры. Большинство из слизевиков микроскопические, и только представителей класса миксомицет можно увидеть невооруженным глазом.
Большинство видов слизевиков способны двигаться и живут в наземных местообитаниях - обычно во влажных и тенистых [5], например, внутри или на поверхности гниющей древесины, но часть из них ведут водный или полуводный образ жизни [6]. Слизевики встречаются по всему миру, даже в таких засушливых регионах, как пустыня Атакама [7], и таких холодных, как Арктика [8].
Они разнообразны как таксономически, так и по внешнему виду, могут быть разных цветов, но наиболее распространённые – желтые, представленные видом Физарум многоглавый (Physarum polycephalum), который является наиболее известным видом слизевиков и относится к классу миксомицет.
Физарум многоглавый не имеет глаз, но в то же время может обнаружить еду и двигаться к ней без ног или крыльев со скоростью до 1 см в час. Если его разрезать пополам, то он заживет за пару минут, поэтому он практически бессмертен: опасность для физарума представляет только засуха, но и при ней он не умирает, а лишь впадает в спячку и при возвращении благоприятных условий пробуждается.
У Физарума многоглавого полностью отсутствует нервная система, однако имеется психика, чем он похож на Мимозу стыдливую (Mimosa pudica) [9]. Данный слизевик способен к учету своего индивидуального опыта:
Так, в эксперименте, проведённом в 2008 году, физарум поместили на узкую дорожку в инкубатор с контролируемыми температурой и влажностью, где он мигрировал вдоль дорожки при благоприятных условиях. Затем условия три раза через равные промежутки времени меняли на более сухие и прохладные, что вызывало замедление движения слизевика. В результате, в благоприятных условиях он также замедлял своё движение, когда ожидалась следующая стимуляция. Если дальнейшей стимуляции не происходило, физарум «забывал» о ней спустя 2 цикла, но при её повторении вновь замедлялся, ожидая новых стимуляций. [10]
Также Физарум многоглавый избегает яркого света [11], то есть реагирует на абиотические воздействия (биологически нейтральные, которые и не полезны, и не вредны для организма, не участвуют в его обмене веществ). Таким образом, он соответствует наиболее развитому и признанному на данный момент варианту объективного критерия наличия психики у организма, разработанному знаменитым советским учёным А. Н. Леонтьевым и заключающемуся в способности организма реагировать на абиотические воздействия и использовать свой индивидуальный опыт [9].
Кроме того, физарум может ориентироваться в пространстве и строить оптимальные маршруты до источников пищи. В экспериментах маленькие кусочки слизевика помещали в лабиринт. Когда он заполнял всё пространство лабиринта, у входа и выхода помещали измельчённые овсяные хлопья. В течение четырёх часов тяжи в тупиковых и длинных ходах утончались и исчезали, а ещё через четыре часа физарум сформировал единственный толстый тяж по самому короткому пути между источниками пищи. Авторы работы сделали вывод о наличии у физарума примитивных умственных способностей. Тем не менее, в некоторых случаях слизевик выбирал более длинный путь, так как выбор пути у него происходит в один шаг, без просчёта всех возможных решений. [12]
Схожий эксперимент был проведён в 2010 году Ацуши Теро и его коллегами. Они вырастили физарум в плоском влажном блюде, поместив его в центре, представляющем Токио, а окружающие слизевик овсяные хлопья соответствовали местоположениям других 36 крупных городов в районе центральной Японии. Поскольку физарум избегает яркого света, он использовался в блюде для имитации гор, воды и других препятствий.
В поисках пищи слизевик сначала занял всё свободное пространство, а затем проредил сеть, чтобы оставить лишь те тяжи, что эффективно соединяют источники пищи. Полученная сеть очень сильно напоминала реальную транспортную систему Центральной Японии. [11]
Таким же образом были смоделированы транспортные сети других 17 географических регионов. Особенно интересна полученная карта дорог Римской Империи на Балканах. Некоторые авторы предлагают использовать подобное моделирование для поиска ещё не открытых римских дорог [13].
Нитевидная структура Физарума многоглавого также похожа на крупномасштабную структуру нитей галактик Вселенной. Это наблюдение побудило астрономов использовать моделирование, основанное на поведении слизевиков, для обоснования своих поисков темной материи. [14]
Помимо прочего, устройство слизевиков имеет некоторое сходство с нервными системами животных: мембраны как слизевиков, так и нервных клеток содержат рецепторные участки, которые изменяют электрические свойства мембраны при ее связывании. Изучение слизевиков, таким образом, может помочь в реконструкции ранней эволюции нервных систем животных. [15]
Понравилась заметка? Поддержи бедного автора копеечкой: 2202 2023 6224 3770 (Сбер).
Источники:
[1] «Ученые Сибирского отделения РАН открыли новый вид гриба-слизевика» // ТАСС НАУКА, Москва, (22.12.2023);
[2] Введение в "Слизевиков" // Палеонтологический музей Калифорнийского университета;
[3] А. Л. Тахтаджян. Полифилия // Большая советская энциклопедия в 30 т., гл. ред. А. М. Прохоров, 3-е изд., М.: Советская энциклопедия, (1969 - 1978);
[4] Schnittler M., Mitchell D. W. Species Diversity in Myxomycetes based on the morphological species concept – a critical examination / Nowotny Wolfgang, Aescht Erna. Wolfsblut und Lohblüte – Lebensformen zwischen Tier und Pflanze // Ausstellung im Biologiezentrum des OÖ, Landesmuseums, 73, OÖ Landes-Kultur, 39 – 53, (2000 - 2001);
[5] Ing B. The myxomycetes of Britain and Ireland: an identification handbook // Slough, England: Richmond Publishing, 4 – 9, (1999);
[6] Hoppe T., Kutschera U. Phenotypic plasticity in plasmodial slime molds and molecular phylogeny of terrestrial vs. aquatic species // Theory in Biosciences, Springer, 141 (3): 313 – 319, (27.08.2022);
[7] Ameen Fuad, Almansob Abobakr, Al-Sabri Ahmed. Records of slime molds (Myxomycetes) from deserts and other arid areas of Saudi Arabia // Sydowia, An International Journal of Mycology, Verlag Ferdinand Berger & Söhne (72): 171 – 177, (2020);
[8] Bonner John Tyler. The Evolution of Evolution: Seen through the Eyes of a Slime Mold // BioScience, Oxford University Press, 65 (12): 1184 – 1187, (7.11.2015);
[9] Older Vane. Поведение и чувствительность у растений // КРЯК, (23.07.2023), URL: https://vk.com/wall-213062587_5796 ;
[10] Tetsu Saigusa, Atsushi Tero, Toshiyuki Nakagaki, Yoshiki Kuramoto. Amoebae Anticipate Periodic Events // Physical Review Letters, 100 (1), 018101, (2008);
[11] Atsushi Tero, Seiji Takagi, Tetsu Saigusa, Kentaro Ito, Dan P. Bebber. Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design // Science, 327 (5964), 439 – 442, (2010);
[12] Toshiyuki Nakagaki, Hiroyasu Yamada, Ágota Tóth. Maze-solving by an amoeboid organism // Nature, 407 (6803), 470, (09.2000);
[13] Vasilis Evangelidis, Jeff Jones, Nikolaos Dourvas, Michail-Antisthenis Tsompanas, Georgios Ch. Sirakoulis. Physarum machines imitating a Roman road network: the 3D approach // Scientific Reports, 7 (1), 7010, (12.2017);
[14] Wenz J. Slime mold helps astronomers map dark matter // Astronomy magazine, (12.03.2020);
[15] Janssens P. M., Van Haastert P. J. Molecular basis of transmembrane signal transduction in Dictyostelium discoideum // Microbiological Reviews, 51 (4), 396 – 418, (12.1987).