Амебоїдний організм вирішує складні харчові завдання

Відредаговано Джеймсом Хемфіллом Брауном, Університет Нью-Мексико, Альбукерке, Нью-Мексико, та затверджено 14 січня 2010 р. (Отримано на огляд 23 жовтня 2009 р.)

Стаття, пов’язана з цим

Анотація

Плазмодії Physarum polycephalum - це поодинокі багатоядерні клітини, що простягаються до сотень квадратних сантиметрів. Цитоплазма ритмічно тече вперед-назад через мережу трубчастих елементів, циркулюючи поживні речовини та хімічні сигнали та утворюючи псевдоподи, які дозволяють організму рухатися навколо та реагувати на навколишнє середовище. Плазмодії - це розподілені інформаційні процесори, які, наприклад, можуть знайти найкоротший шлях через лабіринт, щоб знайти їжу (1), передбачити терміни періодичних подій (2) та вирішити багатооб'єктивні проблеми пошуку їжі (3).

Результати

Експериментальне встановлення. (A) Експеримент без вибору, дієта 1: 2, із загальною концентрацією 40 г · L -1. (Б) Експеримент на вибір, дієта 6: 1 проти дієти 1: 2. (C) Експеримент із множинним вибором. Спочатку слизову форму розміщували в центрі чашки Петрі.

Регулювання “споживання”, коли вони стикаються з двома продуктами, що відрізняються вмістом білка (Р) та вуглеводів (С). Середня швидкість росту [початкова маса (мг)/кінцева маса (мг)] ± SD як функція середньої частки споживаних вуглеводів ± SD [споживання C/(споживання P + споживання C)], виміряне для бінарного експерименту вибору ( Текст SI описує метод, що використовується для оцінки споживання) (n = 10 фрагментів цвілі цвілі на вибір, загальна дієтична концентрація P і C у кожному харчовому продукті становила 80 г · L -1). Чорна крива походить від експериментів без вибору (рис. 2С).

Регулювання “споживання”, коли стикаються з кількома продуктами, що відрізняються вмістом білка та вуглеводів. (А) Спостережуване пропорційне покриття слизовими формами різних харчових продуктів у масиві з 11 продуктів у порівнянні з очікуваною часткою, якщо цвілеві форми виросли, щоб покрити продукти без розбору (n = 30 слизових форм). Щоб перевірити, чи плісняви слизу надають перевагу певним співвідношенням поживних речовин перед іншими, ми використовували біноміальний тест на кількість цвілі, що охоплює кожну дієту. Нульовою гіпотезою було те, що цвілеві цвілі можуть охоплювати кожну їжу з однаковою ймовірністю (ми розрахували ймовірність покрити конкретну їжу, знаючи, що одна слизова форма може охоплювати від 1 до 3 продуктів одночасно, але не більше). Слизові форми значно уникали дієти з надзвичайним вмістом вуглеводів (С) (біноміальний тест: Р -1). Чорна крива походить від експериментів без вибору (рис. 2С).

Обговорення

Повідомляється про розподілений контроль за поживним регулюванням для соціальних комах (14–18), але за участю спеціалізованих фуражників, які збирають поживні речовини для всієї колонії та реагують на харчові сигнали з гнізда. Тут ми показали, що інша розподілена система, плазмодій P. polycephalum, здатна вирішувати складні харчові завдання, не маючи централізованого центру обробки або спеціалізованих кормових речовин. Плазмодія реагувала на концентрацію та збалансованість макроелементів у своєму середовищі та змогла змінити їх форму росту та рух, щоб використати додаткові харчові ресурси та регулювати надходження вуглеводів та білка до цільового співвідношення, що максимізувало ефективність.

Наше дослідження виявило ще два ефекти підвищеної концентрації поживних речовин. По-перше, ми спостерігали, що плазмодії розщеплюються, коли концентрація білка була високою. Фрагментація - це форма морфогенезу, яка призводить до збільшення кількості незалежних організмів. Це може статися в результаті впливу УФ-опромінення (27) або низьких температур (28). В іншій більш примітивній безклітинній слизовій цвілі, Echinostelium minutum, плазмодій ділиться, коли ядра досягають певної кількості. Таким чином, фрагментація, яку ми спостерігали, може бути вираженням плазмодіального поділу в умовах, коли азотистих ресурсів для росту багато (29). Другим наслідком високих концентрацій поживних речовин було те, що чим вища концентрація вуглеводів у середовищі, тим вища частота смертності. Це може бути пов'язано з чутливістю слизових форм до високого осмотичного тиску (11, 30, 31). Вважається, що осмотичні ефекти високих концентрацій цукру спричиняють як зниження швидкості міграції (31, 32), так і негативний хемотаксис (11, 33). Показано, що глюкоза відлякує при високій концентрації (56 г · L -1) (33); тут ми виявили, що жодна з форм слизу не вижила, коли концентрація глюкози перевищила 60 г · L -1 .

Наша демонстрація того, що видобуток слизу та продуктивність цвілі визначається кількома валютами поживних речовин, має наслідки за межами поведінки цих дивних організмів. Розуміння харчових валют, які формують експлуатацію харчових ресурсів такими організмами, як слизові плісняви та гриби, та наслідки таких харчових рішень для росту, форми та функцій, має центральне значення для розробки моделей екології ґрунту та сміття, біорізноманіття та відновлення та мають більш широке значення для місцевого та глобального кругообігу поживних речовин та поглинання вуглецю (34, 35).

Методи

Види.

P. polycephalum - це безклітинна слиз, яка зазвичай має жовтий колір і мешкає в тінистих, прохолодних та вологих місцях. У дикій природі P. polycephalum поїдає бактерії та мертву органічну речовину. Для експерименту ми використовували синтетичну їжу, що відрізняється співвідношенням та концентрацією білка та засвоюваних вуглеводів (37).

Дієтичний експеримент без вибору.

Ми обмежили 350 фрагментів цвілі цвіллю (середня вага ± SD: 15,6 ± 4,4 мг, середня площа ± SD: 0,16 ± 0,4 см 2) до 1 з 35 дієт, що змінюються як за співвідношенням білка до вуглеводів, так і від загальної концентрації білка + вуглеводів. Ми протестували 17 співвідношень (9: 1, 8: 1, 7: 1, 6: 1, 5: 1, 4: 1, 3: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4, 1: 5, 1: 6, 1: 7, 1: 8 та 1: 9) при концентрації 80 г · L −1 та 9 співвідношень (9: 1, 6: 1, 4: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 4, 1: 6 та 1: 9) при двох інших концентраціях 40 г · L −1 та 160 г · L −1. Кожна форма слизу була поміщена в центр чашки Петрі безпосередньо на їжу (діаметр, 100 мм; висота, 15 мм) (рис. 1А).

Експеримент з дієти на вибір.

Ми дозволили 60 фрагментам слизової цвілі (середня вага ± SD: 14,03 ± 3,9 мг, середня площа ± SD: 0,15 ± 0,3 см 2) вибирати між продуктами харчування, що відрізняються вмістом білка та вуглеводів. Експеримент складався з шести бінарних варіантів використання 12 співвідношень білків до вуглеводів з концентрацією білок + вуглеводи 80 г · L -1 (9: 1 проти 1: 3, 8: 1 проти 1: 4, 6: 1 проти 1: 2, 4: 1 проти 1: 8, 3: 1 проти 1: 9 та 2: 1 проти 1: 6). Кожна форма слизу була поміщена в центр чашки Петрі (діаметр, 100 мм; висота, 15 м) на відстані 5 мм від двох джерел їжі (діаметр, 20 мм) (рис. 1Б).

Дієтичний експеримент з декількома варіантами вибору.

Ми дозволили 30 фрагментам слизової цвілі (середня вага ± SD: 16,03 ± 4,6 мг, середня площа ± SD: 0,17 ± 0,5 см 2) вибрати 11 продуктів, що відрізняються вмістом білка та вуглеводів (9: 1, 6: 1, 4: 1, 3: 1, 2: 1, 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4, 1: 6 та 1: 9), усі із загальною концентрацією білка + вуглеводів 80 г · L −1. Джерела їжі розміщувались від їжі, яка має найбільший білок, до їжі з найбільшим вмістом вуглеводів за годинниковою стрілкою. Кожна форма слизу була поміщена в центр чашки Петрі (діаметр, 150 мм; висота, 25 мм) на відстані 40 мм від кожного джерела їжі (діаметр, 20 мм) (рис. 1С).

Заходи.

Знімки слизової форми були зроблені в різний час (0, 5, 19, 24, 29, 43, 48 та 60 год) після введення. Форми для слизу зважували перед тим, як їх поміщали в центр чашки Петрі і знову в кінці експерименту через 60 год. Для всіх зображень вимірювали площу кожної слизової форми.

Подяка

Ми дякуємо професору Джону Боннеру за його коментарі щодо попередньої версії рукопису. А.Д. був підтриманий післядипломною грантом Університету Сіднея, грантом Фонду Фіссена на дослідження та Національним центром наукових досліджень. S.J.S. була підтримана Федерацією дослідницької ради Австралії та стипендіями Лауреатів. М.Б. була підтримана Австралійською науковою радою (Grant DP0878924), Науковою програмою Human Frontier Science та Університетом Сіднея. Т.Л. була підтримана Програмою людських рубежів.

Виноски

1 Кому слід адресувати листування. Електронна пошта: dussutoucict.fr .

Внески авторів: А.Д. та С.Дж.С. розроблені дослідження; А.Д., Т.Л. та М.Б. виконані дослідження; А.Д. аналізував дані; та A.D., T.L., M.B. та S.J.S. написав роботу.

Автори не заявляють конфлікту інтересів.