지능은 미생물에 가볍게 속이는 품질이 아닙니다. 박테리아, 점액 곰팡이 및 유사한 단일 세포 형태의 삶이 실제 지성에 암시적인 인식, 이해 또는 기타 역량을 가지고 있다고 생각할 이유가 없습니다. 그러나 특히이 세포들이 많은 수의 통신을 할 때, 문제를 해결하고 환경을 통제하기위한 그들의 놀라운 집단적 재능이 나타납니다. 이러한 행동은 수십억 년의 진화에 의해 이들 세포로 유 전적으로 인코딩 될 수 있지만, 그런 의미에서 세포는 환경에 정교한 방식으로 반응하도록 프로그래밍 된 로봇과 크게 다르지 않습니다. 우리가 후자를위한 인공 지능에 대해 말할 수 있다면, 아마도 전자의 저평가 된 세포 지능을 언급하는 것은 너무나 터무니 없을 것입니다.
.현미경 하에서, 세포의 집단 지능의 놀라운 운동은 화려한 아름다움을 보여줍니다. 1983 년부터 하버드 의과 대학의 미생물학 및 면역 생물학 교수이자 미생물 과학 이니셔티브의 공동 감독 인 Roberto Kolter는 이러한 현상을 연구 한 실험실을 이끌었습니다. 최근 몇 년 동안, 그것은 또한 그것을 시각화하는 기술을 개발했습니다. 사진 에세이 서적 시야에서의 삶 :미생물 세계의 사진 탐사 9 월에 출시 된 (하버드 대학교 출판부), 콜터와 그의 공동 저자 인 스콧 키밀 스키 (Scott Chimileski)는 실험실의 연구원이자 이미징 전문가 인 스콧 키밀 스키 (Scott Chimileski)는 과학적이고 예술적 인 미생물에 대한 인식을 제공하며 문자 그대로 밑에있는 세포의 원인을 엿볼 수있게한다. 실험실의 이미지도 전시회에서 전시되어 있습니다. 하버드 자연사 박물관에서. 이 디스플레이는 1 월 초에 마감되지만 더 넓은 전시회, 미생물 생활 가 이어집니다. , 2 월에 문을 열 예정
슬라임 곰팡이 physarum polycephalum 때로는 미생물로 간신히 자격이 없다. 수명주기의 활성 아메 보드 단계에서 숲 바닥의 잎 쓰레기를 가로 질러 가면 1 인치에서 미터 사이의 노란 끈적 끈적한 웅덩이처럼 보일 수있다. 그러나 크기에도 불구하고 physarum 중단되지 않은 질량의 세포질에 수만 개의 핵이 떠있는 거대한 단일 세포입니다. 이 형태에서 physarum 매우 효율적인 사냥꾼입니다. 세포막의 센서가 좋은 영양소 공급원을 감지 할 때, 단백질의 수축 네트워크 (인간 근육에서 발견 된 것과 밀접한 관련이 있음)는 그 방향으로 세포질의 흐름을 펌핑하여 슬라임 곰팡이를 필요로하는 것입니다.
그러나 physarum 음식을 향해 반사적으로 급증하는 것이 아닙니다. 그것이 한 방향으로 이동함에 따라, 셀 전체에 걸쳐 전송 된 신호는 덜 유망한 경로를 따라 역전 적으로 밀어 붙이는 것을 방해합니다. 더욱이 슬라임 곰팡이는 본질적으로 지형을 매핑하고 가서하지 않을 곳을 암기하기위한 시스템을 발전 시켰습니다. 움직일 때, 그들은 반투명 화학 트레일을 남겨두고 어떤 영역이 다시 방문 할 가치가 없는지를 알려줍니다.
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박테리아가 현미경을 통해 처음 관찰되었을 때, 슬라이드에 액체에 매달려 있었고, 단순성에서는 원시적, 독방 세포의 원형처럼 보였다. 그러나 진실은 야생에서 대부분의 박테리아가 매우 화려하다는 것입니다. 일부 박테리아는 외로운 개인으로서의 환경을 통해 수영을합니다. 그러나 대부분의 박테리아 세포 (대부분의 박테리아 종)는 표면에 고정 된 바이오 필름이라는 소형 사회에서 사는 것을 선호합니다. (개별 수영 선수는 종종 새로운 위치를 식민지화하려는 바이오 필름의 파생물을 나타냅니다.)
또한, 바이오 필름은 박테리아 세포의 조밀 한 축적이 아니다. 그들은 pseudomonas aeruginosa 의 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 세포의 집단 운명을 제공하는 내부 및 외부의 정교한 기능 구조를 가지고 있습니다. . 바이오 필름은 콩고 적색 염료로 염색되며, 박테리아가 지역 사회의 스캐 폴딩으로 분비하는 세포 외 매트릭스 단백질에 결합됩니다. 바이오 필름의 깊게 주름진 표면은 박테리아가 산소를 흡수 할 수있는 영역을 최대화합니다. 또한 영양분을 수집하고 폐기물을 효율적으로 방출하는 데 도움이 될 것입니다.
바이오 필름 내에서 박테리아는 식민지를 유지하는 노동을 나누고 기능을 위해 특수한 형태로 구별됩니다. 일반적인 토양 박테리아 의이 바이오 필름에서 Bacillus subtilis 예를 들어, 일부 세포는 세포 외 매트릭스를 분비하고 제자리에 고정하는 반면 일부는 운동성을 유지합니다. 바이오 필름의 가장자리에있는 세포는 성장을 위해 분열 될 수있는 반면, 중간 방출 포자는 힘든 조건을 생존하고 새로운 위치를 식민지화합니다.
자연 선택이 왜 세포들 사이에서 더 만연한 개인주의 대신이 집단적 행동을 선호했는지 궁금 할 것입니다. 대답의 일부는 진화론 적 이론가들이 포괄적 인 체력이라고 부르는 것일 수 있습니다. 바이오 필름의 박테리아가 관련이있는 한, 개별 희생은 각 세포의 수백만 명의 사촌에 대한 체력 증가에 의해 상쇄됩니다. 그러나 바이오 필름 내의 모든 역할에는 장점이있을 수 있습니다. 가장자리의 세포는 위험에 가장 많이 노출되며 바이오 필름을 확장하기 위해 격렬하게 번식해야하지만 가장 영양소와 산소에 접근 할 수 있습니다. 내부의 세포는 중요한 배급을 위해 다른 사람들에게 의존하지만 더 오래 살아남을 수 있습니다.
바이오 필름이 자라는 표면이 항상 견고하지는 않습니다. 이 b. 서브 틸리 스 물과 공기 사이의 인터페이스에서 일종의 떠 다니는 바이오 필름 인 pellicle을 형성하고 있습니다. 펠리클 형성에 관여하는 유전 적 경로는 기본적으로 결석을 가로 질러 자라는 데 사용되는 것과 동일하지만, 필요에 따라 세포 외 매트릭스에서 단백질의 정확한 혼합을 변경함으로써 서식지의 변화에 반응 할 수 있습니다.
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넓은 성장이 미생물 공동체가 움직일 수있는 유일한 방법은 아닙니다. 아래, b. 서브 틸리 스 수지상 무리라는 거동에 관여하고 있으며, 여기서 세포는 표면을 효율적으로 포장 할 수있는 분지 컬럼에서 빠르게 바깥쪽으로 밀립니다. 바이오 필름은 영양소가 풍부한 환경에 있음을 감지 할 때 떼를 떼어냅니다. 떼는 바이오 필름이 경쟁하는 커뮤니티가 할 수 있기 전에이 귀중한 영역을 이용하도록 도와줍니다.
바이오 필름에서 세포의 분화에서 적어도 두 가지 중요한 변화가 발생하여 떼를 가능하게합니다. 첫째, 필름 주변의 운동성 세포는 여분의 편모를 개발하여 더 활력으로 수영 할 수있게합니다. 둘째, 일부 가장자리 세포는 또한 계면 활성제를 분비하기 시작합니다. 계면 활성제, 미끄러운 물질은 운동성 세포가 표면 위로 더 빠르게 미끄러지도록 도와줍니다.
.바이오 필름이 평평한 실험실 접시에서 자랄 때, 떼가있는 바이오 필름의 수지상 컬럼은 깔끔하게 뚜렷하게 남아 있습니다. 그들은 서로 확장되고 코일을 코일하지만 교차하지 않습니다. 계면 활성제가 바이오 필름 가지 주위를 장벽으로 쌓기 때문에 부분적으로 보인다. 마찬가지로, 일부 박테리아는 실험실 조건 하에서 더 계단식 구조물에서 떼질 수 있습니다. 그 옵션의 영향은 본질적으로 박테리아에 대한 내용이 여전히 미스터리입니다.
실험실 조건에서 자라는 바이오 필름에 의해 입증 된 또 다른 유형의 행동 유형의 행동은 나선형 마이그레이션이며, bacillus mycoides 의 아래 시간 경과 비디오에서 시연됩니다. . 이 박테리아 세포는 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 말리는 긴 사슬 또는 필라멘트에서 자랍니다. Chimileski에 따르면이 나선형 운동의 구체적인 장점은 여전히 조사 중이지만 b이기 때문에 상당해야합니다. mycoides 사용 가능한 환경을 인수하는 데 탁월합니다. “ bacillus mycoides 토양에서 재배하는 가장 쉬운 박테리아 종 중 하나입니다.”라고 그는 설명했다. 과학자들은 토양에서 미생물을 분리하고, 특히 실온에서 한천 요리에서 자랄 때,“ mycoides 종종 전체 판에 퍼져서 다른 모든 유기체를 추월합니다. 이런 이유로 많은 미생물 학자들에게 일종의 'nuisance 종'이라는 것이 고려됩니다.”
궁금한 점은 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 나선형 마이그레이션의 방향이 유전 적 특성으로 보인다는 것입니다. 같은 종의 박테리아 균주, 심지어 다른 방향으로 나선형의 다른 균주. 그것은 개별 DNA의 지시에 따라 박테리아가 어떻게 바이오 필름의 집단적 수준에서 놀랍도록 복잡하고 적응하는 문제 해결 행동을 어떻게 나타낼 수 있는지에 대한 또 다른 예입니다.
.바이오 필름이 문화에서 생성하는 이러한 기하학적 및 아마도 기능적 패턴은 흥미롭게도 아름답습니다. 그러나 Chimileski는 실험실에서 볼 수있는 행동을 자연 미생물 공동체로 번역 할 때 발견해야 할 것이 많다고 지적합니다.
Chimileski는“대부분의 천연 바이오 필름은 다중 종 생태계이며 천연 바이오 필름 내부의 세포는 일반적으로 더 느리게 자랍니다.” 그는“저는 Petri 판에서 박테리아를 재배하는 방식을 생각하고 싶습니다. 단일 종 자체가 자체적이며 유기체의 생물학에 대한 '부피를 올리기'와 같이 최적의 온도에서 자라는 모든 것을 갖추고 있습니다. " 실험실 조건 하에서, 연구원들은 복잡한 다세포 행동에 어떤 유전자가 관여하는지 연구 할 수 있으며 박테리아 종의 체력에 대한 이점을 측정 할 수 있습니다. 그러나 자연 환경에서는 바이오 필름이 영양소가 제한되거나 다른 종과의 경쟁으로 인해 실험실에서와 동일한 패턴을 형성하지 않습니다. "따라서 뒷마당의 토양 입자에서 동일한 생물학이 더 작은 크기 규모와 더 긴 기간 동안 발생할 수 있습니다."
바이오 필름 거동은 집단을 형성하기위한 박테리아의 용량과 개방성을 증언하지만,이 문화에서 여러 공동 종족 바이오 필름을 가진이 문화에서 볼 수 있듯이 개방성은 한계가 있습니다. 여기서, 동일한 박테리아 또는 밀접하게 관련된 균주로 구성된 인접한 바이오 필름은 편안하게 병합됩니다. 그러나보다 발산적인 박테리아로 구성된 인접한 바이오 필름은 스스로 뚜렷하게 유지되며 서로를 제거하거나 통제하려고 할 수도 있습니다.
바이오 필름은 계면 활성제, 세포 외 매트릭스 및 세균 학자들이 공공재로 분류하는 다른 분자의 생산에 상당히 투자하기 때문에 다른 균주와 종에 관대하지 않습니다. 박테리아가 지역 사회의 다른 구성원을 위해 분비되는 공공재로 분류하는 다른 분자. 박테리아는 관련이없는 프리 로딩 세포가 먼저 사용함으로써 강력하게 혜택을받을 수 있기 때문에 이러한 질투심을 지키고 있습니다.
바이오 필름은 이러한 프리 로더를 다른 방식으로 거부합니다. 예를 들어, b. 서브 틸리 스 이 이미지의 식민지는“친족 차별”의 전략을 채택하며,이 전략은 다른 종에게는 독성이 있지만 자신의 경우는 아니지만 항생제 화합물을 분비합니다. proteus mirabilis 박테리아는“자기 인식”에 따라 다른 방식으로 그들의 관심을 방어합니다. Mirabilis Biofilms는 침해 세포를 검사하고, 창 같은 구조를 가진 다른 종에서 찌르고 거의 모든 밀접하게 관련된 종을 죽일 독을 주입합니다.
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Streptomyces coelicolor의 바이오 필름 문화에 나타나는 색상 아래 비디오에서 박테리아가 생산하는 천연 안료를 반영합니다. 바이오 필름에 대한 안료의 가치는 완전히 명확하지 않지만 아마도 그 색상과 관련이 없을 것입니다. 오히려, 이들 안료 분자는 종종 다양한 방식으로 생물 활성이다. Chimileski는“이 비디오에서 볼 수있는 파란색 안료는 기술적으로 항생제 인 Actinorhodin입니다. "살해 또는 성장 억제는 일반적으로 자연의 내용에 비해 매우 높은 농도에서만 발생합니다." 이런 이유로 그는“살해는 아마도 많은 항생제의 생태 기능이 아닐 것이라는 새로운 견해가있다. 오히려, 이들 생물 활성 분자는 다른 세포에 대한 신호 또는 발달 신호로 작용한다.
이 견해는 다양한 유형의 박테리아가 얼마나 다양한 유형의 박테리아가 공동화하는지 연구하는 Kolter 실험실의 또 다른 연구원 인 Gleb Pishchany의 메모에 반영됩니다. “흥미로운 가능성은 자연 생태계에서 streptomyces 입니다 그는 "다중 종교 미생물 군집들 사이에서 교환되는 신호로서 낮은 농도에서 안료 및 기타 생물 활성 분자"를 사용한다고 그는 밝혔다. 안료는 박테리아의 구색을 서로의 덜 이웃 본능에 고급하는 데 도움이 될 수 있으며, 따라서보다 협력적이고 유익한 공동체 존재를 유지합니다.
미생물 공동체 의이 눈에 띄는 사진은 DSLR 카메라로 캡처되었습니다. Chimileski는 벤치에서 작업하는 동안 매크로 렌즈로 스틸 이미지를 수집하는 반면, 비디오는 시간 경과 현미경 전용 인큐베이터로 만들어집니다. 그는 카메라를 10 분마다 사진을 찍도록 설정하지만 슬라임 곰팡이의 움직임과 같이 더 빨리 발생하는 동작에 대해 1 ~ 2 분마다 빈도를 증가시킵니다. 결과적으로,이 비디오에서 미생물의 움직임은 일반적으로 실제 속도의 5,000 ~ 50,000 배 사이에 가속됩니다. Chimileski는 이미지를 아름답게하기 위해 잘못된 색상을 사용하지 않습니다. 일부 배양에서 세포 외 매트릭스를 염색하기 위해 염료를 사용하여 미생물의 자연 채색을 보여줍니다.
.Chimileski는 일반적으로 30 ° 에서 박테리아 콜로니를 재배합니다 C, 몇 주 동안 느리게 성장하는 종의 이미지를 수집 할 수있는 온도. 바이오 필름 성장에 적합한 열과 습도는 카메라에 이상적이지 않지만 장비는보다 극단적 인 조건에 따라 평가된다고 말했다. 오작동을 일으킨 몇 안되는 카메라는 기계적 이유로 그렇게했습니다. 미생물 동작을 문서화하는 데 필요한 샷의 수는 너무 커서 카메라의 셔터가 수십만 번의 클릭 후 결국 분해됩니다.
