Чи є стать у бактерії?

В нашому уявленні поняття статі в організмі зазвичай пов’язане з сукупністю ознак, що мають пряме або непряме відношення до розмноження. Якщо з цією ж міркою підійти до мікроорганізмів, розміри яких вкрай малі – близько тисячних часток міліметра, то важко собі уявити, щоб вони могли мати щось подібне до статевих ознак вищих рослин і тварин. Під мікроскопом, навіть при сильному збільшенні, мікроби, що належать до якого-небудь певного виду, досить одноманітні. При розмноженні вони утворюють подібні собі настільки ж одноманітні особини.

Процес запліднення у всіх, в тому числі і у високоорганізованих живих істот, відбувається на клітинному рівні. Початок майбутньому організму дають дві статеві клітини – чоловіча та жіноча, що мають мікроскопічні розміри. Вони утворюють зиготу – первісну клітину, з якої розвивається майбутній організм.

Як у тварин, так і у рослин жіночі статеві клітини відрізняються від чоловічих за формою і будовою, тобто морфологічно. Однак для злиття клітин важливі не морфологічні, а фізіологічні відмінності. У деяких зелених водоростей клітини, що зливаються зовні однакові, але відрізняються за фізіологічними властивостями. Умовно вони позначаються + і -. Початок новому організму можуть дати тільки різнойменні клітини, що злилися.

Хлібопекарські дріжджі – ті самі, що викликають підйом тіста, – розмножуються зазвичай вегетативним способом – брунькуванням. Але у них відомий і статевий спосіб: в несприятливих умовах брунькування припиняється, і в деяких клітинах дріжджів утворюються спори. Це еквіваленти статевих клітин: ядра їх мають одинарний – гаплоїдний – набір хромосом. Вміщені з свіже живильне середовище, спори проростають і утворюють при цьому так звані копуляційні відростки. З їх допомогою дві проростаючі спори з’єднуються, ядра їх зливаються, і утворюється зигота, що має подвійний – диплоїдний – хромосомний набір. Надалі, поки існують сприятливі для розвитку умови, організм, що виріс із зиготи розмножується вегетативно.

Для деяких видів дріжджів встановлена статева диференціація спор, які можна умовно назвати + і – за аналогією з зеленими водоростями. За формою вони не відрізняються один від одного, але злиття відбувається лише при зустрічі різнойменних спор.

Між іншим, вивчення статевого процесу у мікроорганізмів представляє не тільки теоретичний інтерес. Знання його закономірностей відкриває можливість отримувати гібриди при схрещуванні різних штамів і видів. У деяких цвілів та дріжджів такі гібриди вже були експериментально отримані. Практична цінність подібних дослідів, спрямованих на створення нових, більш продуктивних форм, очевидна. Адже вже сьогодні мікроорганізми широко використовуються в промисловості, наприклад, для виробництва антибіотиків або продуктів бродіння. Надалі їх роль стане ще більш значною.

Але чи є стать у бактерій – організмів ще більш примітивних, ніж дріжджі і цвілі? Якщо поряд з поділом у бактерій є й статевий спосіб розмноження, то при спільному вирощуванні штамів, що відрізняються один від одного якими-небудь ознаками, серед нащадків повинні спостерігатися рекомбінації – перестановки – цих ознак. Так міркували дослідники, приступаючи до дослідів, які повинні були підтвердити або спростувати існування статевого процесу у бактерій.

Перші експерименти не дали позитивних результатів. У рідкісних випадках у «піддослідних» бактерій і справді виникали нові поєднання ознак. Однак такі ж зміни траплялися іноді й у вихідних культурах. Тому зробити якісь певні висновки було неможливо. Слід було удосконалити методику досліду: знайти спосіб, який дозволив би з великою вірогідністю виявити випадки рекомбінацій навіть тоді, коли вони зустрічаються надзвичайно рідко. І такий спосіб був знайдений.

У кишкової палички в результаті опромінення рентгенівськими або ультрафіолетовими променями вдалося отримати своєрідні, так звані біохімічні, мутації. Мутанти на відміну від вихідної культури були нездатні синтезувати деякі органічні сполуки, необхідні для їх росту і розмноження, наприклад, біотин, фенілаланін, треонін, лейцин та інші. Вони росли тільки на середовищі, яке містило ці сполуки в готовому вигляді. На мінімальному ж, тобто такому, що не містить даних ростових речовин, але досить поживному для вихідної культури середовищі зростання мутантів припинялося.

Переконливі дані про існування статевого процесу у бактерій були отримані в дослідах з культурою подвійних мутантів. Кожен з схрещуваних штамів не міг синтезувати два ростових фактора (наприклад, біотин і фенілаланін, які ми позначимо буквами А і В, значками ж «мінус» біля цих букв – А-, В- – позначимо нездатність мутанта до синтезу цих факторів), які, однак, синтезувалися другим партнером (здатність до синтезу ми позначимо значками «плюс»: А +, В +). У свою чергу, другий партнер не міг синтезувати, наприклад, треонін і лейцин (які ми умовно позначимо С і Д, а оскільки мутант нездатний до їх синтезу, поставимо біля букв значки «мінус»: С- Д-, утворені в організмі першого партнера, що позначається, отже, значками С + Д +.

Отже, в досліді брали участь штами, що мають «формули» А- В- С+ Д і А+ В+ С Д-. Зростання їх на мінімальному середовищі можна було отримати лише в тому випадку, якщо б сталося схрещування, в результаті якого утворилася бактерія, яка не потребує жодного з чотирьох чинників зростання, тобто що має формулу А + В + С + Д +.

Виявилося, що такі «гібриди» – або рекомбінанти, як називають їх мікробіологи, – виходять у змішаних культурах з частотою, приблизно рівною одиниці на мільйон клітин. У незмішаних штамах також можуть виникати «зворотні» мутації, у яких відновлюється втрачена здатність до синтезу якого-небудь фактора. Частота їх вдесятеро менше: одиниця на десять мільйонів клітин. Можливість же отримання двох зворотних мутацій одночасно настільки мала, що експериментально ніколи не спостерігалася.

Однак, щоб остаточно переконатися в тому, що між схрещуваними клітинами відбувається обмін елементами ядра і плазми, необхідні були прямі цитологічні докази їх злиття.

При мікроскопічних дослідженнях змішаної культури можна – правда, в дуже рідкісних випадках – спостерігати, як між двома клітинами простягаються містки з цитоплазми. Такі ж містки іноді можна бачити і в культурі, що складається з клітин одного штаму. В останньому випадку вони видні на кінцях клітин і є наслідком неповного завершення процесу поділу. Слід було довести, що в змішаних культурах цитоплазматичні містки утворюються саме при злитті клітин різних штамів. Тому в якості схрещуваних пар були взяті форми, морфологічно і фізіологічно відміні одна від одної. Клітини одного штаму, наприклад, були рухливі і подовжені, а клітини іншого – нерухомі і круглі. Під мікроскопом було видно, як рухливі клітини з’єднувалися самими різними ділянками; як кінцями, так і бічними сторонами – з нерухомими і залучали їх до свого круговороту. В електронному мікроскопі можна було розгледіти цитоплазматичні містки, що з’єднували клітини.

Так генетичні дослідження, вперше підказати висновок про те, що у кишкової палички може відбуватися статеве розмноження, були підтверджені прямими цитологічними спостереженнями.

У мікробів кишкової палички відзначена статева диференціація. Одні з клітин мають так званий «чинник плодючості», який міститься в їх цитоплазмі, і позначається F +. Клітини, що не мають цього чинника, позначаються F-. Якщо змішати два штами, що містять F+ і F- клітини, то через годину-півтора можна спостерігати з’єднання клітин. У злитому стані вони зазвичай знаходяться близько години, після чого знову роз’єднуються.

Вивчення результатів схрещування F+ і F- клітин показало, що «гібриди» – рекомбінанти – виходять, як правило, тільки серед F- клітин. Клітини F+ служать як би донорами, які передають генетичні властивості клітинам F-.

У наступних роботах мікробіологам вдалося отримати рекомбінації у багатьох інших штамів кишкової палички, а також і в інших видів бактерій. Відкриття статевого процесу у бактерій має практичний інтерес, оскільки з його допомогою можуть бути отримані нові штами. Адже рекомбінації – джерело спадкових змін, які виходять внаслідок нових комбінацій тих чи інших ознак. У природних умовах гібридизація і рекомбінації мають, очевидно, еволюційне значення.

Слід зазначити, що серед мікробіологів немає єдиної думки, чи вважати описані вище злиття (кон’югацію) і наступні рекомбінації у бактерій статевим процесом.

Цікаве явище, схоже з статевим процесом, було виявлено у плісняв. Це гетерокаріозмс – різноядерність вегетативних клітин. Між клітинами міцелію утворюються так звані анастомози, за якими ядра проникають з клітини в клітину. Іноді два ядра, що зустрілися в одній клітині, зливаються один з одним (відбувається сінкаріозіс). В результаті утворюється диплоїдне – з подвійним набором хромосом – ядро (в нормі ядра у цвілі гаплоїдні). Такі диплоїдні клітини були виділені з культури. Отримані з них штами відрізнялися від вихідних рядом ознак.

На закінчення хотілося б висловити деякі міркування про еволюцію статевого процесу у мікроорганізмів. Можна сказати, що статевий процес у дріжджів в принципі не відрізняється істотно від такого у вищих організмів. Процеси, які відбуваються при утворенні рекомбінації у бактерій, різноядерність і подальше злиття ядер у цвілі та гібридизація у дріжджів можуть розглядатися відповідно як етапи або ступені ускладнення, еволюції статевого процесу у мікроорганізмів від більш примітивної форми до більш складної і досконалої.

Явище, яке було виявлено при гібридизації бактерії (кон’югація і наступні рекомбінації в потомстві), в малому ступені відповідає нашим уявленням про справжній статевий процес, але в той же час важко дати цьому явищу інше тлумачення. Більшою мірою наближене до справжнього статевого процесу явище гетерокаріозіса і сінкаріозіса у цвілевих грибів. Виникнення гетерозиготних диплоїдів хоча і не завершується зміною покоління, однак призводить до переходу особини від гаплоїдного стану до диплоїдного, що характерно для статевого процесу.

У дріжджових організмів статевий процес виражений найбільшою мірою, тут він завершується зміною покоління.

Автор: К. Косіков.