Не имея конечностей, они передвигаются и образуют колонии. Не имея мозга, проходят лабиринты и решают головоломки. Они размножаются спорами, но это не грибы и не плесень. Зачастую их путают со мхом, однако их нельзя отнести ни к царству растений, ни к животным. Эти загадочные организмы до сих пор малоизучены, хотя могут оказаться прямо у вас под ногами. Поиском и исследованием новых видов миксомицетов, или слизевиков, занимаются микологи из Центрального сибирского ботанического сада СО РАН.

Не гриб, не растение, не животное

Традиционно миксомицеты отождествляли с низшими растениями и сравнивали с грибами. Морфологические сходства слизевиков с грибами действительно велики. Так, в начале XIX века ученый-систематик Христиан Генрих Персон отнес их к грибам-дождевикам. Однако в 1887 году основатель микологии Генрих Антон де Бари сделал вывод, что между грибами и миксомицетами существует лишь внешнее сходство, и дал им латинское название Mycetozoa (грибоживотные). Начиная с XX века миксомицеты, как правило, называют слизистыми грибами или просто слизевиками, а в английском языке наряду с myxomycetes также закрепился термин slime-molds. В современных классификациях их относят к царству простейших вместе с другими амебоидными организмами и выделяют в отдельный класс Myxomycetes, который представляет собой четко очерченную филогенетическую группу.

Мир миксомицетов весьма разнообразен. К настоящему времени в мире выявлено около 1 000—1 100 морфовидов (конкретное число зависит от взгляда на систематику и признания или непризнания конкретного таксона). Из них в России на сегодняшний день известно порядка 460 видов. Очень вариативен и внешний вид слизевиков. Их споры могут быть покрыты бородавочками, шипиками, мелкой или крупной сетью — все эти структуры способствуют распространению спор по воздуху, водными потоками и насекомыми. Этому также способствует гидрофобность слизевиков, то есть устойчивость к влаге. Как и у грибов, у миксомицетов часто наблюдается гетероталлизм — раздельнополость, когда сливаться могут определенные особи в популяции в конкретных комбинациях.

Вегетативное тело слизевиков представляет собой слизистую массу, которая называется плазмодием. Другими словами, это одна клетка, вмещающая миллионы ядер. Размер плазмодия зависит от вида миксомицета и может быть как менее одного миллиметра (виды рода Echinostelium), так и более одного метра (виды рода Fuligo). Как правило, у большинства миксомицетов плазмодий прозрачный, белый, кремовый, желтый, но у отдельных видов миксомицетов встречаются серые, фиолетовые, красные и даже черные плазмодии.

Плазмодии кажутся неподвижными, однако при ускоренной съемке можно увидеть, что они перемещаются со скоростью 0,4 мм в минуту и могут менять свою форму, просачиваясь сквозь мельчайшие отверстия. Это и есть одно из их самых явных отличий от грибов. Не имея системы кровообращения, слизевики живут за счет течения цитоплазмы. Благодаря этому механизму они образуют новые ответвления плазмодия и последовательно двигаются в направлении пищи.

Плодовые тела (спорокапы) миксомицетов внешне очень похожи на миниатюрные грибы. Как и последние, спорокапы содержат в себе споры, откуда при благоприятных условиях могут прорастать зооспоры и миксамебы — две формы одной стадии жизненного цикла. Каждая зооспора имеет два кнутовидных жгутика, которые могут редуцироваться, и тогда она превращается в миксамебу. Этот процесс происходит при понижении необходимого уровня влажности окружающей среды. И хотя комфортнее всего миксомицеты чувствуют себя в лесной подстилке, выживать, питаться и размножаться они могут практически где угодно.

Выносливые жители почвы

За 600 миллионов лет своего существования на планете слизевики научились приспосабливаться к самым разным климатическим условиям. В периоды резкого понижения или повышения температуры, в суровую зиму или долгую засуху миксомицеты не образуют спорангии и остаются в виде микроцист и склероциев. В такой форме они сохраняют необходимый для спороношения ядерно-центриолярный комплекс. Поэтому слизевики хорошо адаптированы к экстремальным условиям пустынь или высокогорных тундр, где их спороношение приурочено к определенным краткосрочным периодам.

Благодаря своей выносливости плазмодий Physarum polycephalum использовался в космических программах США, Германии и России. Эксперименты на борту российского биоспутника «Космос-1129» в 1979 году показали, что миграция плазмодия и протоплазматический поток сохраняются и выживают в условиях микрогравитации. В 1986 году NASA применяло тот же вид миксомицетов в качестве модельной системы для изучения реакции живых организмов на гравитационные нагрузки.

Как правило, слизевики — космополиты. Большинство видов встречается повсеместно, например, те, которые находят в Африке, Европе или в странах Азии, можно обнаружить и на территории ЦСБС или в Караканском бору. Чаще всего их находят в лесах, где они обитают во влажных затененных местах на древесных остатках, в листовом опаде, почве, на мхах, лишайниках, на старых плодовых телах трутовых грибов, питаясь мертвыми насекомыми и гниющими растениями. Особую группу составляют эпифитные миксомицеты, обитающие в складках коры живых деревьев и кустарников. В регионах с сухим климатом развитие этих организмов приурочено к редким периодам осадков, поэтому трофические стадии миксомицетов преимущественно обитают в наиболее влажном верхнем почвенном горизонте и подстилке, тогда как плодовые тела образуют на помете растительноядных животных, нижних частях полукустарничков, на травяном опаде. При этом слизевики выработали способность выживать длительное время в самых неблагоприятных условиях. Пропагулы миксомицетов могут долгое время лежать в почве в ожидании подходящего уровня влаги и температуры, чтобы снова начать расти. Так, например, задокументированы случаи прорастания спор, которые хранились в лаборатории в течение 60 лет.

Миксомицет — это многоагентная система, у которой нет единого интеллекта, отвечающего за весь организм. При обнаружении пищи или влаги во всю клеточную массу посылается сигнал, после чего она перемещается в нужную сторону. Направленные к еде клетки-собиратели действуют подобно слаженной работе муравьиной колонии. В свою очередь, спороношения могут служить пищей для жуков и слизней, а некоторые насекомые используют их в качестве убежища.

Отсюда ясна и важная экологическая роль миксомицетов, которые являются одними из доминирующих групп почвенных простейших. «Прежде всего, они служат регуляторами размера популяции бактерий, дрожжей и мицелиальных грибов, а также участвуют в круговороте питательных веществ и минерализации, — рассказала заведующая лабораторией микологии, альгологии и лихенологии ЦСБС СО РАН кандидат биологических наук Анастасия Владимировна Власенко. — Один грамм почвы может содержать 104—107 спор миксомицетов. Кроме того, они способны разрушать структурные полисахариды растительной ткани, такие как целлюлоза, пектин и лигнин, так как известно, что они продуцируют внеклеточную амилазу и деградируют сложные соединения. Это ключевая способность миксомицетов, ведь благодаря этому они в качестве пионерных видов заселяют складки коры живых древесных растений».

Споры миксомицетов (сканирующая электронная микроскопия). Фотография выполнена на оборудовании ЦСБС СО РАН

Споры миксомицетов (сканирующая электронная микроскопия). Фотография выполнена на оборудовании ЦСБС СО РАН

 

Организмы под микроскопом

Классификация живых организмов — одна из важнейших задач в биологии. Оценка видового разнообразия, присутствия или отсутствия вида в природе имеет решающее значение при биогеографических и экологических исследованиях.

Изучение миксомицетов с применением молекулярно-генетических методов началось лишь в начале XXI века. С 2005 года появлялись крупные работы по филогении миксомицетов, ученые описали новые таксоны и выявили значительное генетическое разнообразие в пределах многих морфовидов. Однако, как и 100—200 лет назад, такие исследования всё еще основывались на морфологических характеристиках зрелых плодовых тел слизевиков. Сложность изучения почвенных протистов (простейших организмов) заключается в том, что не все из них образуют плодовые тела или они не всегда могут быть обнаружены в стадии спороношения. Некоторые виды миксомицетов обитают в верхнем почвенном слое только в виде плазмодиев и не переходят к стадии спороношения.

Огромный вклад в изучение разнообразия конкретного сообщества внес метод NGS-метабаркодинга. Для этого во время экспедиционных исследований берутся образцы пробы почвы, из которой в лаборатории выделяется тотальная ДНК. После того как проведены все этапы обработки метагеномных данных и получены последовательности, необходимо определить, к каким конкретно видам они принадлежат. Для этого используются реферсные базы данных, например, такие как ГенБанк, где в общем доступе хранится информация о генетических последовательностях различных организмов, которая может помочь при дальнейшей видовой идентификации. Метод NGS-метабаркодинга уже использовался при изучении скрытого разнообразия миксомицетов в смешанных лесах и лугах Немецких Альп, в таежных лесах Нижне-Свирского заповедника на северо-западе России, в субтропических лесах Центрального Китая.

«Молекулярно-генетические исследования активно применяются при описании новых видов миксомицетов, — пояснила Анастасия Власенко. — Например, в 2020 году нами были описаны два новых для науки вида миксомицетов: Symphytocarpus macrosporus и Stemonitis pseudoflavogenita. При описании необходимо было представить неоспоримые доказательства, что морфологические признаки у данных образцов представляют собой не временные фенотипические тренды, возникшие под влиянием узконаправленных факторов окружающей среды, а закреплены генетически и позволяют описать новый для науки вид».

Биоразнообразие миксомицетов, как отдельных регионов мира, так и России, до сих пор остается малоизученным. Специальные исследования слизевиков Новосибирской области и Алтайского края, где ранее было известно менее десяти видов, начаты сотрудниками лаборатории микологии, альгологии и лихенологии ЦСБС СО РАН в 2007 году. Аналогичные поиски проводились в Омской области и Республике Тыва в 2018—2019 годах, где миксомицетов до этого не фиксировали вовсе. Наравне с этим учеными из ЦСБС СО РАН при поддержке директора Тувинского научного центра доктора биологических наук Чойган Николаевны Самбыла с 2020 года проводится изучение миксомицетов в труднодоступных точках Республики Тыва: Пий-Хемский кожуун, Сут-Хольский кожуун, Эрзинский кожуун и других.

«Отдельный интерес представляют ископаемые миксомицеты, которых обнаруживают достаточно редко, ведь их плодовые тела очень мелкие и хрупкие, — отметила Анастасия Власенко. — Существует несколько образцов, датированных эоценом и сохранившихся в балтийском янтаре, среди которых были выделены новые виды миксомицетов: Arcyria sulcate и Protophysarum balticum. Кроме того, в балтийском янтаре были обнаружены спорангии Stemonitis splendens. Этот вид не претерпел морфологических изменений и в неизменном виде распространен сейчас практически на всех континентах. Также и в доминиканском янтаре, возраст которого равен примерно 40—25 миллионам лет, обнаружен плазмодий миксомицетов, конкретный вид которого определить не удалось».

Изучение и классификация миксомицетов значительно продвинулись за последние 20 лет. На сайтах таких глобальных проектов, как The Eumycetozoan Project или Discover Life, можно найти информацию о систематике и актуальных исследованиях миксомицетов, среди которых открывают десятки новых видов. Причем они были обнаружены в городских пространствах. Оказалось, что слизевики могут поселяться прямо в квартирах с комфортной для них влажностью, например на листьях домашних растений.

Полезная слизь

Слизевики, действительно, не так просты, какими кажутся на первый взгляд, и их роль в экосистеме до сих пор не вполне очевидна даже для ученых. Могут ли эти загадочные организмы быть чем-либо полезны человеку?

«Прежде всего, миксомицеты выступают удобными модельными объектами при изучении влияния антропогенной нагрузки на конкретные природные сообщества, — прокомментировала Анастасия Власенко. — Методика выявления видового разнообразия этих организмов стандартизирована, поэтому получаемые данные сравнимы с любыми идентичными исследованиями, выполненными как российскими, так и зарубежными специалистами».

Экстракты, полученные из слизевиков, обладают высокой биологической активностью. Впервые исследования, посвященные этому, были проведены в 1950-х годах. Оказалось, что Physarum polycephalum может подавлять размножение микробов фагоцитозом или путем выделения веществ, обладающих антибактериальной активностью, а плазмодий слизевиков способен вырабатывать вещества, подавляющие рост бактерий.

В настоящее время из слизевиков выделено порядка ста вторичных метаболитов, которые могут быть классифицированы как липиды, амиды жирных кислот и их производных, алкалоиды, аминокислоты, пептиды, нафтохиноновые пигменты, ароматические соединения, углеводные соединения, терпиноиды и другие. Многие из метаболитов обладают противомикробной активностью, как и спиртовые экстракты плазмодиев миксомицетов.

«Умная» слизь

Обычно считается, что зачатками интеллекта и способностью к обучению обладают только организмы, имеющие нервную систему. Однако ряд исследований последних десятилетий доказал, что даже слизевики, будучи биологическими родственниками амеб и инфузорий-туфелек, способны решать незаурядные задачи.

Ставшее уже классическим исследование японского ученого Тосиюки Накагаки показало, что миксомицеты могут находить выход из лабиринта. В этом эксперименте разрезанный плазмодий Physarum polycephalum поместили в лабиринт с двумя равноудаленными источниками пищи. Спустя время плазмодий изменил свою форму, слившись в единую толстую трубку, что позволило проложить кратчайший путь между двумя кормушками. В 2008 году необычное исследование было отмечено Шнобелевской премией за вклад в когнитивную науку.

Позже группа ученых из университета Хоккайдо изучила движение плазмодия Physarum polycephalum в эксперименте, где на плоской поверхности были разложены хлопья геркулеса в конфигурации, повторяющей расположение станций на железной дороге Токио. Через 26 часов плазмодий сформировал единую сеть тяжей, которая обозначила кратчайшие пути между точками (метками с пищей). Ученые пришли к выводу, что слизевик формирует сети с сопоставимой эффективностью и оптимальными отрезками между метками, подобно инфраструктуре мегаполиса — в данном случае железнодорожной системе Токио.

Еще один коллектив ученых из Франции, Швеции и Индии провел на нескольких штаммах миксомицета Physarum polycephalum эксперименты по изучению влияния условий окружающей среды на его поведение. Оказалось, что протисты обладают внешней химической памятью и способностью к обучению. Ученые доказали, что миксомицеты во время питания оставляют специальные метки — химические вещества, которые привлекают сородичей. Это означает, что плазмодий слизевиков использует систему связи, подобную запаховым меткам у высших животных, с помощью которой они могут сигнализировать друг другу во времени и пространстве.

Кроме того, у плазмодия миксомицетов есть внешняя пространственная память, и, вероятно, она может быть функциональным предшественником внутренней памяти высших организмов. Австралийские ученые провели эксперимент по изучению движения плазмодия в поисках пищи. Плазмодий сознательно избегал областей, которые он посещал ранее. Если предоставить слизевику выбор между агаром, содержащим его следы, и агаром, где он ранее не был, то плазмодий будет избегать областей с внеклеточной слизью. Двигаться по пути, где он уже был и съел все пищевые ресурсы, нецелесообразно, поэтому эта замечательная стратегия позволяет миксомицетам получить максимум пищевых ресурсов за конкретный промежуток времени, не проходя по одному и тому же пути дважды.

Сегодня миксомицетов пытаются использовать даже в робототехнике. Так, английские и японские ученые уже несколько лет разрабатывают плазмобота — шестиногую машину, процессором которой будет управлять размещенный на ней слизевик Physarum polycephalum. Контролировать поведение организма предполагается электромагнитным полем, которого он обычно избегает. Такой робот сможет выполнять задачи, с которыми миксомицеты удачно справлялись в других экспериментах, например находить кратчайший путь до цели.

Не чуждо этим грибоживотным и высокое искусство. В своем эксперименте ученые из Великобритании использовали расположенные в линию электроды, каждый из которых был покрыт каплей агара — лакомой пищей слизевиков. В течение девяти дней исследователи записывали электрическую активность миксомицетов, затем перекодировали ее в ноты и ускорили. Таким образом, люди впервые услышали композицию, созданную амебоидным организмом.

Миксомицеты существовали задолго до появления человека и, вероятно, будут населять Землю и после него. Пока биологи продолжают обнаруживать новые способности этих удивительных организмов, они постепенно воцаряются в лесной почве, захватывают газоны и поселяются в наших домах. Кто знает, возможно, в будущем мы научимся взаимодействовать со слизевиками, использовать их как в новых технологиях, так и в быту, а однажды научно-фантастические сюжеты станут реальностью, и древняя мудрость миксомицетов поможет нам обустроиться на других планетах.

 

Глеб Сегеда

Фото предоставлены исследовательницей и из открытых источников (анонс)

Источник информации и фото: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН