Есть и быть съеденным - нормальный процесс в природе. Такая динамика хищник-жертва помогает стабилизировать экосистемы. Она гарантирует, что отдельные виды не станут слишком многочисленными, контролирует их популяции и предотвращает ущерб, вызванный перенаселением (например, поедание оленями леса или повреждение посевов гусеницами).

Но как же хищники просто не съедают всю добычу, разрушая систему? Исследовательская группа из Центра экологических исследований имени Гельмгольца (UFZ) совместно с учеными из Технического университета Дрездена и Потсдамского университета изучили этот вопрос на примере бактерий и протистов, обитающих в водоемах, и обнаружили нечто поразительное.

Согласно статье, недавно опубликованной в журнале ISME, бактерии защищаются от хищных протистов с помощью кооперативного поведения и эволюции.

В озере или реке всего в 1 мл воды живет от одного до 10 миллионов бактерий. Такая высокая плотность необходима, поскольку бактерии постоянно разлагают органические соединения и загрязняющие вещества и таким образом очищают воду. Однако если бактерий слишком много, это может привести к распространению болезнетворных микроорганизмов. Для предотвращения этого необходимы хищники: микроскопические протисты, которых обычно насчитывается от нескольких сотен до нескольких тысяч особей в 1 мл воды.

Они постоянно поедают бактерии и таким образом следят за тем, чтобы бактерии выполняли свою очистительную функцию, но не становились слишком многочисленными. Используя бактерию Pseudomonas putida и бактериоядного протиста Poteriospumella lacustris, исследовательская группа изучила роль различных защитных стратегий бактерий и то, как формирование устойчивости к питанию связано с динамикой экологических систем.
Кооперативное поведение помогает - но только в краткосрочной перспективе

В ходе пятинедельного лабораторного эксперимента ученые обнаружили, что, как и ожидалось, хищные протисты сначала размножались в бактериальной культуре в течение недели и уменьшали количество бактерий. Однако на второй неделе популяция протистов быстро сократилась, потому что бактерии выработали токсин, который сильно подавляет размножение этих хищников.

"Такая химическая защита успешна только в том случае, если относительно большое количество бактерий объединяется и выделяет в воду соответствующее количество токсина", - говорит доктор Магали де ла Круз Баррон, ведущий автор работы и гидробиолог из UFZ и TU Dresden.

Такое совместное поведение защищает всю популяцию - по крайней мере, на короткое время. Но через несколько дней бактерии перестали выделять токсин, и хищники восстановились к концу третьей недели. Невозможно точно сказать, почему так происходит. Одно из распространенных объяснений такого явления заключается в том, что образуется слишком много "обманщиков".

В данном случае речь идет о бактериях, которые сами не образуют токсины, но получают выгоду от их наличия в группе, поскольку им не приходится затрачивать собственные усилия для защиты. "Но мы смогли показать с помощью математического моделирования, что читеры не нужны для объяснения таких закономерностей, если эволюционируют альтернативные стратегии защиты", - объясняет Магали де ла Круз Баррон.
Индивидуальная защита длится долго и стабилизирует плотность популяции

И действительно, исследовательская группа обнаружила второй механизм защиты, который бактерии развивали, начиная с третьей недели. Большинство бактерий формировали филаменты (т.е. нити с клетками, расположенными в виде цепочек). Благодаря им бактерии становились в 10-100 раз больше и намного объемнее, так что многие из них уже не могли быть съедены протистами. Такое индивидуальное поведение было успешным.

Плотность бактерий стабилизировалась к концу пятой недели. Однако количество бактерий, которые могли быть съедены, все еще оставалось достаточным, поскольку для размножения бактерии должны были продолжать образовывать небольшие единицы, которые служили пищей для хищников. Это также позволило протистам установить стабильную плотность популяции. В отличие от образования токсинов, индивидуальная защита бактерий не была обратимой.

"Секвенируя геном бактерий, мы доказали, что образование нитей действительно сопровождалось изменением генетического материала. Таким образом, произошла эволюция. Но не за миллионы лет, а всего за несколько дней", - говорит профессор д-р Маркус Вайтере, соавтор исследования и заведующий кафедрой экологии рек UFZ. Это наблюдение не является абсолютно новым. Известно, что эволюция может происходить в относительно короткие периоды времени, особенно в быстрорастущих организмах, таких как бактерии.

"Но примечательно то, что эта мутация произошла не единожды. Эксперименты часто повторялись, и эти коррективы всегда вносились", - говорит Вайтере. Несмотря на то, что изменение в геноме, вероятно, происходит случайно, оно приводит к воспроизводимой модели адаптации у бактерий".

С помощью этого эксперимента исследовательская группа показала, как формирование стратегий защиты влияет на динамику систем хищник-жертва и насколько важна эта защита для стабилизации популяций. Также стало ясно, что хищным видам имеет смысл не полагаться только на одну стратегию.

"В зависимости от ситуации, одна из нескольких стратегий может быть успешной. В нашем эксперименте именно быстрое кооперативное поведение привело к первоначальному успеху. В конце концов, именно более громоздкая индивидуальная защита в ходе эволюции привела к постоянной защите", - говорит Вайтер. Таким образом, индивидуальная защита преобладает - даже если первоначальная кооперативная защита была, безусловно, выгодна для сообщества".