Никита Максимов

Дорогой длинной, тропой муравьиной

Жаркий летний полдень. Кажется, все замерло в этот знойный час. Только внимательно приглядевшись, замечаешь, как под ногами в разных направлениях бегут муравьи. На первый взгляд, в их перемещениях нет ничего системного. Торопятся, суетятся, спешат — каждый сам по себе. Но чем дальше наблюдаешь, тем скорее понимаешь, что в их движениях существует некая система. Одни бегут по своим невидимым тропам за листочком или хвоинкой, другие уже возвращаются с добычей.

Сегодня ученые решили применить наши знания об организации перемещения муравьев для целей телекоммуникационных сетей.

Несколько лет назад Жан Луис Денебург из Брюссельского университета и его коллеги выяснили, что появление муравьиных тропинок, которые мы так часто видим в лесу или у себя на кухне, обусловлено тем, что муравьи выделяют особое пахучее вещество-сигнал — феромон.

Помечая этим веществом свои пути, муравьи дают знать сородичам по муравейнику об уже проложенных маршрутах..

Проводя эксперименты с аргентинским муравьем (Linepithema humile), Денебург выстроил конструкцию из двух мостов, которые вели от места расположения муравьев до источника пищи. Один мост был намного короче другого. Естественно, выяснилось, что муравьи выбирают короткий путь. Однако — обнаружили ученые — выбор этот происходит не в результате отличных навигационных способностей муравьев, а просто потому, что по короткому пути шли к пище и возвращались обратно гораздо больше муравьев, чем по длинному. Большее количество — означает большую концентрацию феромона, большую привлекательность для следующих добытчиков именно этого пути.

(Замечу, что если сначала муравьям предложить только один путь — длинный, а уже потом короткий, то. как это не покажется странным, они выберут длинный путь. Просто потому, что больше пометят его и не станут менять свой выбор, даже получив короткий путь к пище.)

Однако, когда ученые решили использовать методы оптимизации маршрутов передвижения у муравьев, они ввели несуществующее в природе условие — пахучее вещество, которым метит живой муравей свой путь, у искусственных муравьев испаряется тем быстрее, чем больше путь.

В первых компьютерных моделях муравьи последовательно исследовали все пространство и, обнаружив источники пищи, выбрали кратчайший маршрут, который состоял из множества мелких отрезков. Причем, если последняя «ветка» пути, которая вела к пище, оказывалась переполненной путниками, рядом прокладывался обходной маршрут.

Продолжая эту модель, Марко Доринго решил попробовать силы муравьев в решении знаменитой математической проблемы, в которой необходимо выбрать кратчайший маршрут посещения за один только раз большого количества городов. Пятнадцать городов и миллиарды возможных перемещений. Отправленные в длительное путешествие искусственные муравьи посетили все пункты и нашли оптимальный маршрут, по которому они и совершали свои следующие прогулки. А тем самым они увеличивали концентрацию пахучего вещества вдоль этого пути, поддерживая его привлекательность, а значит, и эффективность.

Такой муравьиный метод поиска оптимального пути посещения различный пунктов уже сейчас используется для расчета в сложных системах, например — выбор пути перемещения по большим площадям заводов, супермаркетов.

Кстати говоря, эти свойства муравьев можно использовать и при поисках информации в Сети. Чем больше людей ищут ту или иную информацию, тем более «заметным» становится их путь от первого слова в поисковых системах до конечной цели. Используя его, можно существенно сократить путь до конечной цели.

Руд Счондервурд и Джанет Брутен из исследовательской лаборатории Hewlett-Packard использовали в своих работах другое замечательное свойство муравьиного сообщества: реакцию на перегруженность кратчайшего маршрута и прокладывание другого, обходного пути. Они смогли создать модель телекоммуникаций, которая реагирует на повышенное содержание виртуального феромона, остающегося после прохождения каждого телефонного сигнала по тому или иному пути. То есть, если концентрация телефонных звонков через два пункта достигает некоего предела, то автоматически начинает прокладываться второй, более длинный, но менее загруженный маршрут. Однако, как только нагрузка начинает спадать, звонок сразу переадресуется и «идет» по кратчайшему пути. Уже несколько компаний используют подобный метод в своей работе — среди них такие, как France Telecom, British Telecommunications.

Используют ученые и другую особенность поведения насекомых — кооперацию. Рональд Куб и Хонг Зханг сумели построить группу роботов, которые совместно перемещают круглую коробку к цели. У каждого из них были простые инструкции — найти коробку, установить с ней контакт и толкать коробку к цели. А в результате они, не сообщая друг другу о своих намерениях, смогли скооперироваться и быстро достичь намеченной цели.

Ученые предлагают на сегодняшний день еще много вариантов использования организации жизни у муравьев или пчел от анализа банковской информации с помощью метода сортировки личинок муравьями до перенастройки сборочных линий по подобию организации и разделения труда обитателей пчелиных колоний.

Правда, системы, построенные на таких принципах «коллективного разума», вряд ли смогут справиться с нестандартными проблемами. С другой стороны, выглядят очень впечатляюще картины, которые рисуют некоторые специалисты, когда в результате соединения многочисленных небольших и недорогих устройств рождается решение той или иной проблемы.

По материалам зарубежной печати подготовил Никита Максимов.

Обзор новейших открытий в молекулярной биологии автор построил так, чтобы осветить общие проблемы развития жизни на планете: родства всех организмов, добычи и транспорта энергии, симбиоза и образования высших форм.

 

Игорь Лалаянц

В борьбе за энергию используется все: агрессия, симбиоз

Все войны ведутся за энергию… Эта мысль приходит в голову автору, писавшему данные строки под грохот натовской канонады в Сербии и Косово. На фоне этого постоянного апрельско-майского рефрена радио сообщило об удивительном открытии, сделанном в глубинных водах Атлантики у берегов Намибии: там у придонных горячих серных источников обнаружили микроб-Гулливер, видимый невооруженным глазом! Оно и неудивительно, если микроорганизм достигает в своем продольном размере почти миллиметра!

Новый микроб назвали «перламутровкой намибийской», поскольку в лучах падающего света он похож на эдакий продолговатый контейнер, набитый мелкими бисеринками жемчуга. На самом деле, это сферические «капельки» элементарной серы, которая отливает перламутровым блеском. «Капельки» восстановленной из сероводорода серы собираются под мембраной-оболочкой микроорганизма, в глубине же его цитоплазмы располагаются «компартменты» с азотом, преобразования которого также дают ему энергию.

Оба процесса энергетического преобразования азота и серы довольно давно известны науке. Да и каждый, кто был на «водах» где-нибудь в Мацесте, помнит желтый «налет» по берегам ручьев и протоков, представляющий собой чистую серу, «выделившуюся» из сероводорода под действием атмосферного кислорода. Человечество начало вносить в почву азотные удобрения не так уж давно — всего каких-то сто лет назад. В почве же микроорганизмы вот уже более миллиарда лет «переводят» неусвояемый растениями аммиак в азотные и азотистые соли, которые «на ура» усваиваются растительными корнями. И в наших высокоорганизованных клетках есть древний «осколок» бескислородного начала энергетического обмена — анаэробный гликолиз.

Анаэробное расщепление глюкозы весьма неэффективно Чистый «навар» составляет каких-то две молекулы АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты, из почти что 40, которые клетка добывает в конечном итоге, окисляя молекулу глюкозы с помощью кислорода.

И «золы» в такой анаэробной «топке» очень много: без кислорода образуется молочная кислота, которая ядовита для клетки. Мы ощущаем это, когда на следующий день после неожиданной физической нагрузки у нас «ломит» буквально все тело. Это накопившаяся в мышцах молочная кислота сдвигает нормальную реакцию в кислую сторону, делая невозможным какое бы то ни было движение (очень хорошая майская метафора: поясница после вскапывания земли на даче просто не разгибается).

АТФ называют «энерговалютой» клетки, поскольку живые клетки могут использовать энергию только в виде этого трифосфорного соединения. «Голова» молекулы АТФ представлена аденозином, то есть «буквой» ген-кода с сахаром, и «хвостом» из трех фосфоров: Аденин + Рибоза + Р-Р-Р Последний фосфор отщепляется ферментом, а это приводит к высвобождению энергии, которая идет на различные клеточные процессы. Так оказывается «сопряженным» обмен нуклеиновых кислот (генов) и энергии.

Очень разумное соединение функций, поскольку ген ведь тоже своего рода регулятор, только информационных потоков. Это доказывается существованием специальных клеточных регуляторов, в основе которых лежит ГТФ, то есть гуанозинтрифосфат — другая буква ген-кода с тремя фосфорами. ГТФ регулирует реакцию клетки на действие различных стимуляторов — гормонов, митогенов, ростовых факторов и так далее, а также, как выяснилось совсем недавно, и деление клетки.

Деление это невозможно без тубулина, основного белка микротрубочек (от лат. «тубула» — трубочка) веретена делении, с помощью которых «растаскиваются» к полюсам хромосомы. При раке тубулин начинав! вести себя не так, как «положено», что приводит к нарушениям в делении. Известный противораковый препарат таксол связывается с молекулой тубулина в непосредственной близости от места «прикрепления» ГТФ. Другой ГТФ-связывающий белок р21 «рас», о котором писал журнал «Знание — сила», часто изменен в раковых клетках, что приводит к выключению его функции расшепления ГТФ.

Интересно, что у примитивной археобакгсрии метанококка совсем недавно обнаружен белок, очень похожий на тубулин веретена деления. Микробный белок участвует в образовании специального белкового кольца перетяжки между поделившимися клетками. И хотя, естественно, сходство аминокислотных последовательностей белков микроба и высшей клетки невелико, однако оно очень существенно в месте связывания ГТФ. Да и общая структура белков сходна в своих основных «построениях».

В этом отношении более демонстративным примером сходства служат последовательности одного из сейчас наиболее любимых объектов молекулярных биологов — знаменитого почвенного круглого черничка «Кэнорабдитис элеганс». За каких-то пятнадцать лет удалось от «физической» тенкарты этого организма, состоящего из чуть более тысячи клеток, добраться до полного прочтения генома. Оказалось, что треть «червячных» белков сходна с человеческими, а 70 процентов известных на сегодня белков человека имеют сходные последовательности с кэнорабдитис!

Сейчас гены сначала находят у червя, а затем у мыши и, наконец, у человека. Так было в примере с генами апоптоза — запрограммированной смерти клеток, о чем писал журнал «Знание — сила». Выяснилось, что один из белков апоптоза («Бкл») атакует митохондрии, в результате чего из последних выделяются различные факторы, стимулирующие включение генов смерти, что приводит к фрагментации ДНК, хромосом и гибели клетки.

О митохондриях чуть позже, а сейчас вернемся к микробам. Некоторые из них очень «любят» проникать в цитоплазму клеток, взять хотя бы те же тифозные риккетсии, туберкулезную бациллу и так далее. Для этого у них есть специальный ген белка «инвазина», с помощью которого и осуществляется инвазия, или вторжение в клетку. Перенос гена инвазина «безобидной» кишечной палочки делает ее внутриклеточным паразитом.

Риккетсия названа в честь X. Риккетса, который со своим коллегой С. Провасеком изучал тиф. Оба погибли на эпидемии этого заболевания. Больше повезло Ш. Николю, получившему в 1928 году Нобелевскую премию за доказательство того, что тиф передается вшами и блохами.

Недавнее прочтение генома риккетсии (1111 килобаз, или тысяч букв генкода) позволило на молекулярном уровне подтвердить открытие, сделанное лет пятнадцать тому назад. Речь идет об «инвазии» митохондрий в клетки!

Поясним, что митохондрии — это органеллы клеток, в которых за счет энергии «сжигания» глюкозы образуется АТФ: сначала две молекулы в бескислородных условиях, а затем еще 36 в присутствии кислорода. Так происходит снабжение клетки энергией. Для ее получения можно есть много малокалорийной травы, а можно получать ее в концентрированной форме, если поедать мясо других. Так возникло хищничество, которое неотделимо от агрессии.

Так вот, уже давно высказывалось мнение о том, что хлоропласты растительных клеток (в них идет фотосинтез и из CO2 и воды «делается» глюкоза) и митохондрии животных — это «чужие» органы, имплантаты древних микроорганизмов в не менее древние клетки. Дело доходит до того, что хлоропласты и митохондрии «передают» ядрам клеток часть своих генов, причем в случае последних весьма значительную.

У риккетсии всего 834 гена, что несравнимо с 4300 генами свободно живущей кишечной палочки. Это генетическое подтверждение давно известного факта упрощения, «регрессии» паразитов и их образа жизни. Им просто не нужны многие гены, поскольку паразиты получают достаточно много от своих хозяев.

Но, тем не менее, ученых ждало одно удивительное наблюдение! Выяснилось, что митохондриальной ДНК у риккетсии оказалось почти 70 килобаз. Добавим, что у нас в митохондриях всего 16 килобаз!

Сравнение генных последовательностей показывает со всей очевидностью, что риккетсия и митохондрии являются… эволюционными родственниками. Среди других эволюционно связанных организмов мы видим растения арабидопсис и маршанцию, упоминавшуюся уже реклиномонас, хлебные дрожжи, африканскую шпорцевую лягушку «Ксенопус левис», акантамебу и так далее. Особенно интересно в этой связи присутствие в списке знаменитой «Тетрахимена», у которой были открыты первые рибозимы — небольшие молекулы РНК, способные «резать» сами себя.

Поговорим о несколько более общих принципах биоэнергетики. Сейчас она представлена в основном клеточным «дыханием», при котором глюкоза сжигается до СО, и воды. При этом «получателем» (акцептором) электрона служит кислород. Правда, у грибков и реснитчатых простейших электрон акцептируется нитратом, а продуктом является закись азота.

И вот Анна Ахманова из университета в голландском Неймегене нашла новый уникальный микроорганизм «Никтотерус овалис», содержащий вместо митохондрий гидрогеносомы. Это реснитчатое одноклеточное живет в почти бескислородной среде кишечника тараканов и древоточцев, помогая последним расщеплять древесную клетчатку целлюлозу. Митохондрии этих клеток названы «водородосомами» потому, что они помимо АТФ в качестве побочного продукта образуют и молекулярный водород. Такие гидрогеносомы известны уже более четверти века. Полагают, что они возникли — как и митохондрии — из эндосимбиогических микроорганизмов. До сих пор, однако, не удавалось обнаружить в них собственный «автономный» геном. Теперь это посчастливилось сделать Ахмановой.

Сначала ДНК гидрогеносом пометили антителами, которые специфичны для вещества генов. Потом с трудом обнаружили характерную для митохондрий РНК («Никтотерус» не живет в культуре, поэтому его приходилось с превеликой осторожностью «доставать» из кишечника насекомого). Как же доказать, что «Никтотерус» продуцирует водород?

В свое время Д. Дефо писал, что микроскоп позволяет видеть на блохе блошиночку и так «ад инфинитум», то есть до бесконечности. Блоха паразитирует на человеке и животных, риккетсия — на блохе и так «ад инфинитум». Нечто подобное оказалось и с «Никтотерус». В нем был обнаружен еше один эндосимбионт, представляющий собой метаноген, то есть симбионт, синтезирующий метан с помощью получаемого водорода!

ДНК гидрогеносомы состоит из 1198 кодирующих аминокислоты троек букв ген-кода (кодонов-триплетов). Расшифрованная последовательность указывает на фермент гидрогеназу, содержащую железо (подобно железу в геме гемоглобина нашей крови). Такие ферменты выделены из широко известного микроба «Клостридиум» и протеобактерии «Десульфовибрио», живущей на сере. Авторы указывают, что «их» гидрогеназа сходна по своей последовательности с ядсрным ферментом того же «назначения». При этом ядерный ген гидрогеназы заканчивается повтором букв ген-кода, который характерен для… теломер. А теломеры, как известно, и о чем уже писал журнал «Знание — сила», тесно связаны с «предопределением срока жизни клетки и количеством ее делений». Что-то уж очень много совпадений…

Войны ведутся за энергию в виде угля и нефти, гидроресурсов и урана. Но вполне может статься, что скоро само потребление энергии будет приводить к ее генерации. Речь идет о знаменитых водородных батареях, которые были разработаны специально для полета на Луну. В этих энергоячейках водород сжигается в ходе беспламенной реакции. Новые полимерные батареи становятся все более и более приемлемыми с финансовой точки зрения. Достаточно сказать, что у современных ячеек КПД достигает 60 процентов по сравнению с 50 в газовых турбогенераторах.

Два килограмма современных батарей генерируют киловатт энергии на протяжении всего каких-то трех минут, в то время как та же масса водородных ячеек в сочетании с двигателем на метаноле (метиловом спирте) и воде дают то же количество энергии в течение пяти часов! Пока киловатт такой энергии стоит порядка двух тысяч долларов, но цена постоянно и неуклонно снижается.

Можно только себе представить, что нам удалось разгадать все загадки энергопреобразования в живых клетках. Ведь они сами, размножаясь, будут давать необходимое количество того же водорода, который будет отдавать свою энергию в ходе регулируемого процесса, налаженного вот уже более трех миллиардов лет. Вполне возможно, что нам со временем удастся решить и вопрос о сложных взаимоотношениях древних клеток-хозяев, в которые вторглись энергопродуценты.

А это в свое время привело к удивительным изменениям нашей планеты, атмосфера которой обогатилась кислородом. Со всеми вытекающими последствиями…