Американские исследователи Индианского университета совместно с коллегами из Университета Нотр-Дам поместили бактерии в закрытую среду с дефицитом энергии на тысячу дней. В течение всего времени авторы наблюдали за приспособлением популяций к экстремальным условиям. По итогам эксперимента оказалось, что 99 из 100 популяций выжили, питаясь умершими бактериями. Авторы предположили, что в такой среде они проживут примерно до 100—105 лет.

Микроорганизмы — самая многочисленная и разнообразная группа живых организмов на планете. Они живут практически везде, где есть вода, и выполняют важные функции в обмене веществ в экосистемах. Например, цианобактерии обладают способностью к фотозинтезу, благодаря чему обогащают кислородом гидросферу планеты.

Несмотря на повсеместное распространение и богатое разнообразие, микроорганизмы периодически сталкиваются с дефицитом питательных веществ и резко меняющимися условиями среды. Например, бактерии в кишечнике человека регулярно переживают периоды переизбытка или недостатка питательных веществ, подвергаются действию антибиотиков или противодействуют инородным колониям бактерий. Чтобы всё это пережить, микроорганизмам необходимо разработать адаптационные механизмы.

Американские исследователи поставили целью выяснить, как 100 популяций бактерий будут выживать в закрытой среде на протяжении долгого времени. Они запланировали определить адаптации, повышающие выживаемость бактерий, и как долго микроорганизмы проживут в экстремальных условиях.

100 популяций бактерий включили в себя представителей 7 классов, 9 порядков, 16 семейств и родов. Все они обладали различными особенностями процессов образования биоплёнки, подвижностью, устойчивостью к засухе и максимальной скоростью роста. Перед заселением в пробирки бактерии пять раз промыли физиологическим раствором с фосфатным буфером, чтобы очистить их от остаточной среды (большая часть популяций взята из почвы).

После популяции распределили по пробиркам Falcon объёмом 50 мл с 25 мл раствора, которым промывали бактерии. Их содержали в темноте при температуре 25 °C в течение тысячи дней. В ходе эксперимента авторы периодически отделяли от 10 до 100 мкл (примерно 0,2% от первоначального объёма) от каждой популяции, чтобы проследить меняющиеся характеристики бактерий. Взятие образцов проводилось в стерильной среде при специальном оборудовании, чтобы не загрязнить колонии.

На тысячный день эксперимента авторы выяснили, что 99 из 100 популяций выжили в условиях дефицита питательных веществ. В первые сто дней эксперимента плотность бактерий резко снизилась, но со временем чистый темп прироста (учитывающий смертность и рождаемость) увеличился у 99 популяций.

Исследователи объясняют рост численности бактерий адаптациями, позволившими популяциям питаться собственными вымершими клетками. Эти выводы подтверждаются наблюдениями, в ходе которых авторы обнаружили меньшее число мёртвых клеток, чем должно было образоваться при таких темпах вымирания.

Продолжительность жизни одной бактерии составила от 1 до 102 дней, популяции — до 100—105 лет. Чаще всего бактерии жили по 17 дней. Срок жизни популяции Bacillus исследователи оценили в рекордные 100 тысяч лет. Такая продолжительность напрямую связана со способностью бактерий образовать эндоспоры. Убрав эту способность исследователи снизили их показатели продолжительности жизни на 98 %.

Сравнение популяций между собой не выявило существенных отличий в методах приспособления к экстремальной среде. Несмотря на разницу в физиологических характеристиках, бактерии использовали схожие методы адаптации. Благодаря разложению некромассы бактерии не только выжили, но и эволюционировали путём естественного отбора.

Исследователи предположили, что этот же механизм мог стоять у истоков возникновения популяций бактерий на Земле в условиях ограниченных ресурсов. Они планируют продолжить эксперименты и изучать потенциал возможностей бактерий. Кроме того, по словам авторов, подобные опыту способствуют поиску более эффективных методов борьбы с устойчивыми к лекарствам бактериями.

Материалы исследования опубликованы в статье «Microbial study reveals extended lifespan of starved bacteria» в журнале PNAS DOI: 10.1073/pnas.2101691118.