24 ноября 2021
Не имея конечностей, они передвигаются и образуют колонии. Не имея мозга, проходят лабиринты и решают головоломки. Они размножаются спорами, но это не грибы и не плесень. Зачастую их путают со мхом, однако их нельзя отнести ни к царству растений, ни к животным. Эти загадочные организмы до сих пор малоизучены, хотя могут оказаться прямо у вас под ногами. Поиском и исследованием новых видов миксомицетов, или слизевиков, занимаются микологи из Центрального сибирского ботанического сада СО РАН.
Не гриб, не растение, не животное
Традиционно миксомицеты отождествляли с низшими растениями и сравнивали с грибами. Морфологические сходства слизевиков с грибами действительно велики. Так, в начале XIX века ученый-систематик Христиан Генрих Персон отнес их к грибам-дождевикам. Однако в 1887 году основатель микологии Генрих Антон де Бари сделал вывод, что между грибами и миксомицетами существует лишь внешнее сходство, и дал им латинское название Mycetozoa (грибоживотные). Начиная с XX века миксомицеты, как правило, называют слизистыми грибами или просто слизевиками, а в английском языке наряду с myxomycetes также закрепился термин slime-molds. В современных классификациях их относят к царству простейших вместе с другими амебоидными организмами и выделяют в отдельный класс Myxomycetes, который представляет собой четко очерченную филогенетическую группу.
Мир миксомицетов весьма разнообразен. К настоящему времени в мире выявлено около 1 000—1 100 морфовидов (конкретное число зависит от взгляда на систематику и признания или непризнания конкретного таксона). Из них в России на сегодняшний день известно порядка 460 видов. Очень вариативен и внешний вид слизевиков. Их споры могут быть покрыты бородавочками, шипиками, мелкой или крупной сетью — все эти структуры способствуют распространению спор по воздуху, водными потоками и насекомыми. Этому также способствует гидрофобность слизевиков, то есть устойчивость к влаге. Как и у грибов, у миксомицетов часто наблюдается гетероталлизм — раздельнополость, когда сливаться могут определенные особи в популяции в конкретных комбинациях.
Вегетативное тело слизевиков представляет собой слизистую массу, которая называется плазмодием. Другими словами, это одна клетка, вмещающая миллионы ядер. Размер плазмодия зависит от вида миксомицета и может быть как менее одного миллиметра (виды рода Echinostelium), так и более одного метра (виды рода Fuligo). Как правило, у большинства миксомицетов плазмодий прозрачный, белый, кремовый, желтый, но у отдельных видов миксомицетов встречаются серые, фиолетовые, красные и даже черные плазмодии.
Плазмодии кажутся неподвижными, однако при ускоренной съемке можно увидеть, что они перемещаются со скоростью 0,4 мм в минуту и могут менять свою форму, просачиваясь сквозь мельчайшие отверстия. Это и есть одно из их самых явных отличий от грибов. Не имея системы кровообращения, слизевики живут за счет течения цитоплазмы. Благодаря этому механизму они образуют новые ответвления плазмодия и последовательно двигаются в направлении пищи.
Плодовые тела (спорокапы) миксомицетов внешне очень похожи на миниатюрные грибы. Как и последние, спорокапы содержат в себе споры, откуда при благоприятных условиях могут прорастать зооспоры и миксамебы — две формы одной стадии жизненного цикла. Каждая зооспора имеет два кнутовидных жгутика, которые могут редуцироваться, и тогда она превращается в миксамебу. Этот процесс происходит при понижении необходимого уровня влажности окружающей среды. И хотя комфортнее всего миксомицеты чувствуют себя в лесной подстилке, выживать, питаться и размножаться они могут практически где угодно.
Выносливые жители почвы
За 600 миллионов лет своего существования на планете слизевики научились приспосабливаться к самым разным климатическим условиям. В периоды резкого понижения или повышения температуры, в суровую зиму или долгую засуху миксомицеты не образуют спорангии и остаются в виде микроцист и склероциев. В такой форме они сохраняют необходимый для спороношения ядерно-центриолярный комплекс. Поэтому слизевики хорошо адаптированы к экстремальным условиям пустынь или высокогорных тундр, где их спороношение приурочено к определенным краткосрочным периодам.
Благодаря своей выносливости плазмодий Physarum polycephalum использовался в космических программах США, Германии и России. Эксперименты на борту российского биоспутника «Космос-1129» в 1979 году показали, что миграция плазмодия и протоплазматический поток сохраняются и выживают в условиях микрогравитации. В 1986 году NASA применяло тот же вид миксомицетов в качестве модельной системы для изучения реакции живых организмов на гравитационные нагрузки.
Как правило, слизевики — космополиты. Большинство видов встречается повсеместно, например, те, которые находят в Африке, Европе или в странах Азии, можно обнаружить и на территории ЦСБС или в Караканском бору. Чаще всего их находят в лесах, где они обитают во влажных затененных местах на древесных остатках, в листовом опаде, почве, на мхах, лишайниках, на старых плодовых телах трутовых грибов, питаясь мертвыми насекомыми и гниющими растениями. Особую группу составляют эпифитные миксомицеты, обитающие в складках коры живых деревьев и кустарников. В регионах с сухим климатом развитие этих организмов приурочено к редким периодам осадков, поэтому трофические стадии миксомицетов преимущественно обитают в наиболее влажном верхнем почвенном горизонте и подстилке, тогда как плодовые тела образуют на помете растительноядных животных, нижних частях полукустарничков, на травяном опаде. При этом слизевики выработали способность выживать длительное время в самых неблагоприятных условиях. Пропагулы миксомицетов могут долгое время лежать в почве в ожидании подходящего уровня влаги и температуры, чтобы снова начать расти. Так, например, задокументированы случаи прорастания спор, которые хранились в лаборатории в течение 60 лет.
Миксомицет — это многоагентная система, у которой нет единого интеллекта, отвечающего за весь организм. При обнаружении пищи или влаги во всю клеточную массу посылается сигнал, после чего она перемещается в нужную сторону. Направленные к еде клетки-собиратели действуют подобно слаженной работе муравьиной колонии. В свою очередь, спороношения могут служить пищей для жуков и слизней, а некоторые насекомые используют их в качестве убежища.
Отсюда ясна и важная экологическая роль миксомицетов, которые являются одними из доминирующих групп почвенных простейших. «Прежде всего, они служат регуляторами размера популяции бактерий, дрожжей и мицелиальных грибов, а также участвуют в круговороте питательных веществ и минерализации, — рассказала заведующая лабораторией микологии, альгологии и лихенологии ЦСБС СО РАН кандидат биологических наук Анастасия Владимировна Власенко. — Один грамм почвы может содержать 104—107 спор миксомицетов. Кроме того, они способны разрушать структурные полисахариды растительной ткани, такие как целлюлоза, пектин и лигнин, так как известно, что они продуцируют внеклеточную амилазу и деградируют сложные соединения. Это ключевая способность миксомицетов, ведь благодаря этому они в качестве пионерных видов заселяют складки коры живых древесных растений».
Организмы под микроскопом
Классификация живых организмов — одна из важнейших задач в биологии. Оценка видового разнообразия, присутствия или отсутствия вида в природе имеет решающее значение при биогеографических и экологических исследованиях.
Изучение миксомицетов с применением молекулярно-генетических методов началось лишь в начале XXI века. С 2005 года появлялись крупные работы по филогении миксомицетов, ученые описали новые таксоны и выявили значительное генетическое разнообразие в пределах многих морфовидов. Однако, как и 100—200 лет назад, такие исследования всё еще основывались на морфологических характеристиках зрелых плодовых тел слизевиков. Сложность изучения почвенных протистов (простейших организмов) заключается в том, что не все из них образуют плодовые тела или они не всегда могут быть обнаружены в стадии спороношения. Некоторые виды миксомицетов обитают в верхнем почвенном слое только в виде плазмодиев и не переходят к стадии спороношения.
Огромный вклад в изучение разнообразия конкретного сообщества внес метод NGS-метабаркодинга. Для этого во время экспедиционных исследований берутся образцы пробы почвы, из которой в лаборатории выделяется тотальная ДНК. После того как проведены все этапы обработки метагеномных данных и получены последовательности, необходимо определить, к каким конкретно видам они принадлежат. Для этого используются реферсные базы данных, например, такие как ГенБанк, где в общем доступе хранится информация о генетических последовательностях различных организмов, которая может помочь при дальнейшей видовой идентификации. Метод NGS-метабаркодинга уже использовался при изучении скрытого разнообразия миксомицетов в смешанных лесах и лугах Немецких Альп, в таежных лесах Нижне-Свирского заповедника на северо-западе России, в субтропических лесах Центрального Китая.
«Молекулярно-генетические исследования активно применяются при описании новых видов миксомицетов, — пояснила Анастасия Власенко. — Например, в 2020 году нами были описаны два новых для науки вида миксомицетов: Symphytocarpus macrosporus и Stemonitis pseudoflavogenita. При описании необходимо было представить неоспоримые доказательства, что морфологические признаки у данных образцов представляют собой не временные фенотипические тренды, возникшие под влиянием узконаправленных факторов окружающей среды, а закреплены генетически и позволяют описать новый для науки вид».
Биоразнообразие миксомицетов, как отдельных регионов мира, так и России, до сих пор остается малоизученным. Специальные исследования слизевиков Новосибирской области и Алтайского края, где ранее было известно менее десяти видов, начаты сотрудниками лаборатории микологии, альгологии и лихенологии ЦСБС СО РАН в 2007 году. Аналогичные поиски проводились в Омской области и Республике Тыва в 2018—2019 годах, где миксомицетов до этого не фиксировали вовсе. Наравне с этим учеными из ЦСБС СО РАН при поддержке директора Тувинского научного центра доктора биологических наук Чойган Николаевны Самбыла с 2020 года проводится изучение миксомицетов в труднодоступных точках Республики Тыва: Пий-Хемский кожуун, Сут-Хольский кожуун, Эрзинский кожуун и других.
«Отдельный интерес представляют ископаемые миксомицеты, которых обнаруживают достаточно редко, ведь их плодовые тела очень мелкие и хрупкие, — отметила Анастасия Власенко. — Существует несколько образцов, датированных эоценом и сохранившихся в балтийском янтаре, среди которых были выделены новые виды миксомицетов: Arcyria sulcate и Protophysarum balticum. Кроме того, в балтийском янтаре были обнаружены спорангии Stemonitis splendens. Этот вид не претерпел морфологических изменений и в неизменном виде распространен сейчас практически на всех континентах. Также и в доминиканском янтаре, возраст которого равен примерно 40—25 миллионам лет, обнаружен плазмодий миксомицетов, конкретный вид которого определить не удалось».
Изучение и классификация миксомицетов значительно продвинулись за последние 20 лет. На сайтах таких глобальных проектов, как The Eumycetozoan Project или Discover Life, можно найти информацию о систематике и актуальных исследованиях миксомицетов, среди которых открывают десятки новых видов. Причем они были обнаружены в городских пространствах. Оказалось, что слизевики могут поселяться прямо в квартирах с комфортной для них влажностью, например на листьях домашних растений.
Полезная слизь
Слизевики, действительно, не так просты, какими кажутся на первый взгляд, и их роль в экосистеме до сих пор не вполне очевидна даже для ученых. Могут ли эти загадочные организмы быть чем-либо полезны человеку?
«Прежде всего, миксомицеты выступают удобными модельными объектами при изучении влияния антропогенной нагрузки на конкретные природные сообщества, — прокомментировала Анастасия Власенко. — Методика выявления видового разнообразия этих организмов стандартизирована, поэтому получаемые данные сравнимы с любыми идентичными исследованиями, выполненными как российскими, так и зарубежными специалистами».
Экстракты, полученные из слизевиков, обладают высокой биологической активностью. Впервые исследования, посвященные этому, были проведены в 1950-х годах. Оказалось, что Physarum polycephalum может подавлять размножение микробов фагоцитозом или путем выделения веществ, обладающих антибактериальной активностью, а плазмодий слизевиков способен вырабатывать вещества, подавляющие рост бактерий.
В настоящее время из слизевиков выделено порядка ста вторичных метаболитов, которые могут быть классифицированы как липиды, амиды жирных кислот и их производных, алкалоиды, аминокислоты, пептиды, нафтохиноновые пигменты, ароматические соединения, углеводные соединения, терпиноиды и другие. Многие из метаболитов обладают противомикробной активностью, как и спиртовые экстракты плазмодиев миксомицетов.
«Умная» слизь
Обычно считается, что зачатками интеллекта и способностью к обучению обладают только организмы, имеющие нервную систему. Однако ряд исследований последних десятилетий доказал, что даже слизевики, будучи биологическими родственниками амеб и инфузорий-туфелек, способны решать незаурядные задачи.
Ставшее уже классическим исследование японского ученого Тосиюки Накагаки показало, что миксомицеты могут находить выход из лабиринта. В этом эксперименте разрезанный плазмодий Physarum polycephalum поместили в лабиринт с двумя равноудаленными источниками пищи. Спустя время плазмодий изменил свою форму, слившись в единую толстую трубку, что позволило проложить кратчайший путь между двумя кормушками. В 2008 году необычное исследование было отмечено Шнобелевской премией за вклад в когнитивную науку.
Позже группа ученых из университета Хоккайдо изучила движение плазмодия Physarum polycephalum в эксперименте, где на плоской поверхности были разложены хлопья геркулеса в конфигурации, повторяющей расположение станций на железной дороге Токио. Через 26 часов плазмодий сформировал единую сеть тяжей, которая обозначила кратчайшие пути между точками (метками с пищей). Ученые пришли к выводу, что слизевик формирует сети с сопоставимой эффективностью и оптимальными отрезками между метками, подобно инфраструктуре мегаполиса — в данном случае железнодорожной системе Токио.
Еще один коллектив ученых из Франции, Швеции и Индии провел на нескольких штаммах миксомицета Physarum polycephalum эксперименты по изучению влияния условий окружающей среды на его поведение. Оказалось, что протисты обладают внешней химической памятью и способностью к обучению. Ученые доказали, что миксомицеты во время питания оставляют специальные метки — химические вещества, которые привлекают сородичей. Это означает, что плазмодий слизевиков использует систему связи, подобную запаховым меткам у высших животных, с помощью которой они могут сигнализировать друг другу во времени и пространстве.
Кроме того, у плазмодия миксомицетов есть внешняя пространственная память, и, вероятно, она может быть функциональным предшественником внутренней памяти высших организмов. Австралийские ученые провели эксперимент по изучению движения плазмодия в поисках пищи. Плазмодий сознательно избегал областей, которые он посещал ранее. Если предоставить слизевику выбор между агаром, содержащим его следы, и агаром, где он ранее не был, то плазмодий будет избегать областей с внеклеточной слизью. Двигаться по пути, где он уже был и съел все пищевые ресурсы, нецелесообразно, поэтому эта замечательная стратегия позволяет миксомицетам получить максимум пищевых ресурсов за конкретный промежуток времени, не проходя по одному и тому же пути дважды.
Сегодня миксомицетов пытаются использовать даже в робототехнике. Так, английские и японские ученые уже несколько лет разрабатывают плазмобота — шестиногую машину, процессором которой будет управлять размещенный на ней слизевик Physarum polycephalum. Контролировать поведение организма предполагается электромагнитным полем, которого он обычно избегает. Такой робот сможет выполнять задачи, с которыми миксомицеты удачно справлялись в других экспериментах, например находить кратчайший путь до цели.
Не чуждо этим грибоживотным и высокое искусство. В своем эксперименте ученые из Великобритании использовали расположенные в линию электроды, каждый из которых был покрыт каплей агара — лакомой пищей слизевиков. В течение девяти дней исследователи записывали электрическую активность миксомицетов, затем перекодировали ее в ноты и ускорили. Таким образом, люди впервые услышали композицию, созданную амебоидным организмом.
Миксомицеты существовали задолго до появления человека и, вероятно, будут населять Землю и после него. Пока биологи продолжают обнаруживать новые способности этих удивительных организмов, они постепенно воцаряются в лесной почве, захватывают газоны и поселяются в наших домах. Кто знает, возможно, в будущем мы научимся взаимодействовать со слизевиками, использовать их как в новых технологиях, так и в быту, а однажды научно-фантастические сюжеты станут реальностью, и древняя мудрость миксомицетов поможет нам обустроиться на других планетах.
Глеб Сегеда
Фото предоставлены исследовательницей и из открытых источников (анонс)
Источник информации и фото: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
Разместила Наталья Сафронова
