Organismul ameboid rezolvă provocările nutriționale complexe PNAS
Editat de James Hemphill Brown, Universitatea din New Mexico, Albuquerque, NM și aprobat pe 14 ianuarie 2010 (primit pentru examinare 23 octombrie 2009)
Articol conex
Abstract
Plasmodia Physarum polycephalum sunt celule unice multinucleate care se extind până la sute de centimetri pătrați. Citoplasma curge ritmic înainte și înapoi printr-o rețea de elemente tubulare, circulând substanțe nutritive și semnale chimice și formând pseudopode care permit organismului să navigheze și să răspundă la mediul său. Plasmodia sunt procesoare de informații distribuite, care, de exemplu, pot găsi cea mai scurtă rută printr-un labirint pentru a localiza alimentele (1), anticipa calendarul evenimentelor periodice (2) și rezolva problemele de foraj multiobjectiv (3).
Rezultate
Setare experimentala. (A) Experiment fără alegere, dieta 1: 2, cu o concentrație totală de 40 g · L -1. (B) Experiment de alegere, dieta 6: 1 vs. dieta 1: 2. (C) Experiment cu alegeri multiple. Matrița de nămol a fost plasată inițial în centrul vasului Petri.
Reglementarea „consumului” atunci când se confruntă cu două alimente care conțin conținut de proteine (P) și carbohidrați (C). Rata medie de creștere [masa inițială (mg)/masa finală (mg)] ± SD în funcție de proporția medie de carbohidrați ingerați ± SD [aportul C/(aportul P + aportul C)], măsurat pentru experimentul de alegere binară SI Textul descrie metoda utilizată pentru estimarea aportului) (n = 10 fragmente de mucegai de mucegai pe tratament la alegere, concentrația totală dietetică de P și C în fiecare aliment a fost de 80 g · L -1). Curba neagră provine din experimentele fără alegere (Fig. 2C).
Reglementarea „consumului” atunci când se confruntă cu mai multe alimente care variază în conținut de proteine și carbohidrați. (A) S-a observat o acoperire proporțională de către mucegaiurile de slime ale diferitelor alimente din gama de 11 alimente, comparativ cu proporția așteptată, dacă mucegaiurile de slime au crescut pentru a acoperi alimentele fără discriminare (n = 30 de mucegaiuri de slime). Pentru a testa dacă mucegaiurile de nămol au preferat un anumit raport nutrițional față de altele, am folosit un test binomial asupra numărului de mucegaiuri de nămol care acoperă fiecare dietă. Ipoteza nulă a fost că mucegaiurile de nămol ar putea acoperi fiecare aliment cu o probabilitate egală (am calculat probabilitatea de a acoperi un anumit aliment știind că o mucegai de nămol ar putea acoperi între 1 și 3 alimente la un moment dat, dar nu mai mult). Mucegaiurile de nămol au evitat în mod semnificativ dietele extrem de glucidice (C) orientate (test binomial: P −1). Curba neagră provine din experimentele fără alegere (Fig. 2C).
Discuţie
Controlul distribuit al reglării nutriționale a fost raportat pentru insectele sociale (14-18), dar implică furaje specializate care colectează substanțe nutritive pentru întreaga colonie și răspund la indicațiile nutriționale din interiorul cuibului. Aici am arătat că un alt sistem distribuit, plasmodiul P. polycephalum, este capabil să rezolve provocări nutriționale complexe fără a deține un centru de procesare centralizat sau agenți specializați de hrănire. Plasmodia a răspuns la concentrația și echilibrul macronutrienților din mediul lor și a reușit să-și modifice forma de creștere și mișcarea pentru a exploata resursele alimentare complementare și a reglementa aprovizionarea cu carbohidrați și proteine la un raport țintă care să maximizeze performanța.
Studiul nostru a relevat alte două efecte ale concentrațiilor crescute de nutrienți. În primul rând, am observat că plasmodia s-a divizat atunci când concentrația de proteine a fost mare. Fragmentarea este o formă de morfogeneză care determină o creștere a numărului de organisme independente. Poate apărea ca urmare a expunerii la iradiere UV (27) sau la temperaturi scăzute (28). Într-o altă mucegai celular mai primitiv, Echinostelium minutum, plasmodiul se împarte atunci când nucleele ating un anumit număr. Astfel, fragmentarea pe care am observat-o ar putea fi o expresie a diviziunii plasmodiale în condiții în care resursele de azot pentru creștere sunt abundente (29). O a doua consecință a concentrațiilor ridicate de nutrienți a fost că, cu cât concentrația de carbohidrați în mediu este mai mare, cu atât este mai mare incidența mortalității. Acest lucru poate fi legat de sensibilitatea matrițelor slime la presiunea osmotică ridicată (11, 30, 31). S-a sugerat că efectele osmotice ale concentrațiilor ridicate de zahăr provoacă atât o rată de migrație redusă (31, 32), cât și chimiotaxie negativă (11, 33). Glucoza sa dovedit a fi respingătoare la o concentrație ridicată (56 g · L -1) (33); aici, am constatat că niciuna dintre formele de nămol nu a supraviețuit atunci când concentrația de glucoză a depășit 60 g · L -1 .