Природная связь: как и зачем общаются между собой бактерии, растения и животные

Растения предупреждают друг друга об опасности, а бактерии принимают совместные решения. Песни управляют эволюцией птиц, а пчелы понимают указания робота. Как общаются существа, у которых нет мозга и вообще нервной системы и какие способы коммуникации используют более высокоразвитые животные?

Даже одноклеточные организмы могут общаться. Так, бактерии умеют делиться друг с другом полезными генами. Для этого у них есть плазмиды — своего рода генетические бандероли. Это маленькие кольцевые молекулы ДНК, путешествующие от одной клетки к другой.

Но обычно бактерии не склонны поглощать первую попавшуюся ДНК: мало ли что это может быть, вдруг смертоносный вирус-бактериофаг? Поэтому прежде чем рассылать плазмиды, клетка-отправитель выделяет в среду особые сигнальные вещества. Достигая мембран других бактериальных клеток, эти послания делают их готовыми к приему чужой ДНК. Благодаря обмену генами бактерии так быстро приобретают устойчивость к антибиотикам, что это становится серьезной проблемой для медицины.

Это далеко не единственный случай, когда бактериям требуется коммуницировать с себе подобными. Некоторые умеют производить антибиотики, безвредные для них самих, но подавляющие рост микробов-конкурентов. Однако одной или нескольким клеткам нет смысла тратить на это энергию: концентрация антибиотика будет слишком мала.

Приступать к истреблению конкурентов можно, только имея вокруг «единомышленников». Бактерии умеют производить куда менее дорогостоящее, чем антибиотик, сигнальное вещество. Когда его концентрация превышает определенный порог, бактерии «понимают», что их тут много, и дружно начинают вырабатывать антибиотик.

Химическая сигнализация, сообщающая «нас хватает для общего дела», называется чувством кворума. Им обладают разные бактерии. Например, у некоторых светящихся головоногих свет испускают симбиотические бактерии, живущие в специальных органах на коже животного — фотофорах. Но свечение одной или нескольких клеток слишком слабо, чтобы кто-либо мог его увидеть. Поэтому бактерии сначала наращивают свою численность, а потом «включают иллюминацию».

Жертва ради будущего

Бактерии из группы миксококков умеют сообщать друг другу, что хорошие времена закончились и наступают плохие. Пока пищи достаточно, каждый миксококк ведет себя как обычная одноклеточная бактерия. Но при нехватке пищи какая-нибудь клетка первой начинает выделять особые сигнальные вещества.

Множество одноклеточных миксококков собирается в одном месте, образуя шар, внутри которого сохраняются жизнеспособные споры. Фото: SPL / EYE OF SCIENCE.

Бактерии, получившие послание, начинают двигаться в сторону отправителя, одновременно выделяя то же вещество. В итоге множество клеток собирается в одном месте, образуя холмик. Его верхняя часть постепенно формирует почти правильный шар. Часть клеток внутри шара превращается в споры, устойчивые к нагреву, высыханию и прочим превратностям судьбы. Прочие клетки отмирают, а споры разносятся ветром и, попав в благоприятную среду, дают начало новым миксококкам.

Похожий механизм есть и у миксомицетов. Это тоже одноклеточные, но не бактерии, а эукариоты — организмы со сложными клетками, имеющими ядро. Человек тоже относится к эукариотам, и он более близкий родственник миксомицетам, чем бактерии. То есть эволюция изобретала этот механизм сотрудничества несколько раз в разных ветвях древа жизни.

Тревожная кнопка

Химические сигналы — самый древний и универсальный канал связи. Видимо, эволюция нащупала его задолго до появления многоклеточных организмов. В конце концов, многоклеточные не могли возникнуть в одночасье. Они наверняка произошли от колоний тесно сотрудничающих одноклеточных, а чтобы сотрудничать, нужно общаться. Поэтому и по сей день клетки нашего сложного тела обмениваются многочисленными сигнальными молекулами.

Растения выделяют сигнальные вещества, привлекающие естественных врагов их вредителей. Фото: Cornell University.

Но и между собой многоклеточные существа зачастую общаются с помощью «химии». Когда собака метит дерево, это сигнал для сородичей. Он может означать, что пес претендует на эту территорию или ищет полового партнера.

Иногда даже трудно понять, где послание другим частям собственного организма, а где — собратьям по виду или представителям других видов. Так, многие растения при нападении на них вредителей — скажем, гусениц или тли — выделяют в воздух целый букет летучих веществ. Это сигнал активизировать защиту: напитаться ядовитыми или отпугивающими веществами, увеличить жесткость побегов и так далее.

Эти сообщения воспринимаются как другими растениями того же вида, так и еще не пострадавшими частями обгрызаемого растения. Мало того, те же вещества могут привлекать насекомых — естественных врагов вредителей.

Например, бобы при нападении тли выделяют «парфюм», который не только извещает соседние растения об опасности, но и привлекает наездников Aphidius ervi. Правда, в данном случае скорее можно говорить не о том, что растения посылают сообщения насекомым, а о том, что насекомые научились считывать сигналы растений. Ведь наездники не поедают тлю, а откладывают яйца в их тела.

И пока личинки наездника сожрут тлю изнутри, та успеет нанести растению немалый ущерб. Но вот у табака есть специальный набор веществ, выделяющийся только при нападении гусениц бражника Manduca sexta. Этот коктейль привлекает хищных клопов рода Geocoris, питающихся именно этими гусеницами.

Полосатые балерины

Насекомые не знают равных по сложности и эффективности химической сигнализации. Но они могут общаться и другими способами. Например, у медоносных пчел есть «язык танца». Выписывая на сотах круги или восьмерки и активно виляя брюшком, пчела-разведчица сообщает сородичам, в каком направлении (по отношению к солнцу) и на каком примерно расстоянии находится источник корма.

Механическая пчела, подселенная в улей, доказала, что насекомые используют для коммуникации «язык танца». Фото: TIM LANDGRAF / EU-FET PROJECT HIVEOPOLIS.

Ученые десятилетиями спорили, реален ли этот язык. Дискуссию не прекратило даже присуждение первооткрывателю «языка танцев» Карлу фон Фришу Нобелевской премии в 1973 г. Скептики утверждали, что танец только привлекает внимание сборщиц, а направление те определяют сами по запаховому следу, оставленному разведчицей в воздухе.

Точка в этом споре была поставлена в 1994 году, когда датские ученые сконструировали пчелу-робота. Механическая пчелка исправно «танцевала», но никакого запахового следа оставить не могла, поскольку никуда не летала. Однако отряды сборщиц послушно летели в указанном ею направлении.

Палитра общения

Посылать зрительные сигналы можно и посредством красок. Например, жуки-светляки общаются друг с другом, излучая свет определенного оттенка. Умением хамелеонов «перекрашиваться» никого не удивишь, но рептилии делают это не только для маскировки, но и ради общения. Два самца, встретившись на одной ветке, могут часами неподвижно стоять, глядя друг на друга. При этом по их телам играют самые разные краски, по ним прокатываются волны цвета, как на световой рекламе. Если вы не хамелеон, то вам и в голову не придет, что смысл этой феерии красок — грубая брань и угрозы в адрес соперника.

Каракатицы умеют использовать для коммуникации цветовую сигнализацию. Причем для двух разных «собеседников» — разную. Фото: Richard Carey / iStock.

Но даже хамелеонам далеко в этом отношении до осьминогов и каракатиц. Язык цвета используется ими и при ухаживании самцов за самками, и при выяснении отношений между самцами. У некоторых видов каракатиц мелкий самец порой вклинивается между крупным сородичем и его избранницей.

Сторона его тела, обращенная к самке, пылает красным, что означает примерно следующее: «О прекрасная, я сгораю от страсти!». Сторона же, которую видит могучий соперник, окрашена в нежно-голубые тона («Да-да, я признаю ваше превосходство и ни на что не претендую!»). Такая арлекинада нередко позволяет плуту спариться с самкой прямо под носом у незадачливого конкурента.

Верю — не верю

Другие любители изощренного обмана — вилохвостые дронго. Эти птицы — большие мастера подражать самым разным звукам. В тех же ландшафтах, что и дронго, живут сурикаты — забавные зверьки, знакомые многим по фильмам о природе Африки. Когда семья сурикатов обшаривает окрестности в поисках еды, хотя бы один зверек стоит на страже, встав на задние лапы.

Сурикаты вынуждены доверять сигналам тревоги, передаваемым птицами дронго. Но дронго научились их обманывать ради еды. Фото: Charles J. Sharp, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons.

При появлении опасного хищника «часовой» издает особый сигнал — что-то среднее между лаем и кваканьем, — и вся стайка опрометью бежит к норам. Но за сурикатами часто наблюдают дронго. И когда зверьки находят что-то вкусное — скажем, жирную личинку или скорпиона — дронго подражает сурикачьему сигналу тревоги. Зверьки убегают, и птица спокойно съедает их находки.

Как ни искусны дронго в звукоподражании, эволюция могла бы научить сурикатов отличать птичьи сигналы от своих собственных. Но дронго предупреждают и о реальном появлении хищника, которого они сверху замечают раньше, чем сурикаты. Поэтому вовсе не обращать внимания на крики коварных птиц сурикаты не могут: лучше много раз отдать свой обед мошеннику, чем однажды самому стать чьим-то обедом.

Рабы искусства

Новые виды живых существ могут порождаться… нюансами общения. У многих певчих птиц песня — не только средство привлечь самку, но и визитная карточка вида. Все самцы одного вида поют примерно одну и ту же песню с небольшими вариациями.

Этот мотив передается из поколения в поколение. Самец поет у гнезда, где подрастают птенцы, и его песня запечатлевается в их памяти навсегда. Выросшие сыновья будут петь как папа, дочери — выбирать себе в супруги того, кто поет, как папа.

Именно так передается песня у знаменитых дарвиновых вьюрков. Они обитают на Галапагосских островах, причем на разных островах живут разные виды, каждый со своей песней. Но вот однажды на остров Дафне каким-то ветром занесло самца с острова Эспаньола. Удивительно, но пришельцу удалось образовать пару с местной самкой. Вместе с ней он выращивал птенцов — и, как положено, пел у гнезда свою песню.

У каждого вида дарвиновых вьюрков своя песня, по которой самки узнают самцов-сородичей. Фото: Judy Gallagher, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons.

В результате все его повзрослевшие сыновья пели песню вьюрков далекой Эспаньолы, не производя ею никакого впечатления на местных самочек. Дочери же оставались равнодушными к песне местных самцов, совсем не похожей на папину. Поскольку больше с Эспаньолы никто не прилетал, вьюркам-гибридам оставалось только скрещиваться друг с другом.

Через 30 лет на острове жило уже несколько десятков потомков эспаньольца и дафнийки, и никто из них ни разу не образовал пару с местными вьюрками. Прямо на глазах ученых, наблюдавших за этой странной историей, образовался новый вид вьюрков — вид, созданный песней.

Знак зверя

Особенно причудливо устроено общение животных со сложной групповой жизнью

Самцы китов-горбачей во время зимовки в тропических водах поют песни, слышные на расстоянии до 30 км. В этих песнях отдельные звуки соединяются в «фразы», которые многократно повторяются, как музыкальные темы (таких тем в песне может быть 4–7). В каждый момент времени все самцы популяции поют одинаковую песню, но год от года она усложняется.

А раз в несколько лет самец, заплывший из другой популяции, приносит новую песню. Местные самцы начинают ему подражать, но не могут воспроизвести его пение точно. Так что местная песня меняется на упрощенную версию «импортной», но со временем она становится все сложнее. Социальные животные используют звуковые сигналы и как индивидуальные позывные вроде наших имен.

При обращении к кому-то из стаи дельфин воспроизводит его позывной. Фото: George Clerk / iStock.

Например, у афалин такие «свисты-автографы» использует сам носитель «имени», если он оказался вдалеке от стаи или за какой-то преградой. Но если дельфин хочет обратиться персонально к кому-то из стаи, он воспроизводит его позывной. У африканских слонов такая система работает иначе: звуковое «личное имя» слона используется в основном его собратьями для обращения к нему — сам носитель имени его не употребляет.

Белоносые мартышки маркируют врагов определенными названиями. Фото: KIERA CARVALHO.

Некоторые животные дают названия своим врагам. Так у больших белоносых мартышек в африканских экваториальных лесах два главных врага — леопард и венценосный орел. Поскольку способы защиты от них совершенно различны, у мартышек есть два разных сигнала тревоги: заметив леопарда, они кричат что-то вроде «пьёу!», заметив орла — «хак!».

Однако фраза «пьёу-хак!» (или, скажем, «пьёу-пьёу-хак-хак-хак!»), произнесенная вожаком, означает лишь сигнал к перемещению семейной группы на другое место. То есть смысл комбинации знаков не сводится к комбинации их смыслов.

У обезьян верветок в Восточной Африке сигналов тревоги целых три: «орел», «леопард» и «змея». Их близкие родственники — зеленые мартышки в Западной Африке, используют для обозначения леопарда и змеи очень похожие сигналы. Однако сигнала «орел» от них никогда не слышали: там, где они живут, нет орлов, охотящихся на обезьян. Но когда над стайкой зеленых мартышек исследователи запустили квадрокоптер, ответом были крики, очень похожие на те, что у верветок означают «орел».

* * *

На первый взгляд, может показаться странным, что даже такие в буквальном смысле безмозглые существа, как бактерии и растения, умеют обмениваться сложными сигналами. На самом деле нет ничего естественнее.

В живом мире нет места одиночеству. Одни соседи служат пищей, другие сами не прочь тебя съесть, третьи — конкуренты за самку и пищу. Четвертым вроде бы и нет до тебя дела, но они тоже что-то меняют. Все эти организмы — такая же часть внешней среды, как температура, влажность и состав воздуха.

Естественный отбор поощряет адаптировавшихся к своей среде и безжалостно выбраковывает неудачников. Однако на смену времен года повлиять невозможно, можно только подстроиться под нее. А вот с живым существом можно «договориться». Одного отпугнуть, другого приманить, третьего обмануть, с четвертым посотрудничать. Зачастую это куда выгоднее, чем замкнуться в гордом молчании, и эволюция давно открыла эту нехитрую истину.

_{Фото: ISTOCKPHOTO; EYE OF SCIENCE; ANDRÉ KESSLER / CORNELL UNIVERSITY; TIM LANDGRAF / EU-FET PROJECT HIVEOPOLIS; ISTOCKPHOTO; CHARLES J. SHARP, JUDY GALLAGHER / JUDY GALLAGHER; ISTOCKPHOTO; KIERA CARVALHO}

Автор текста:Иван Стрельцов, Вокруг Света.