За последние несколько десятилетий ученые выяснили, как образуются некоторые сложные формы – снежинки, языки пламени, морозные узоры на окне. Например снежные «листья» папоротников на замерзшем окне образуются в результате случайных миграций молекул воды по поверхности оконного стекла, когда они наталкиваются на растущий зародыш листа и прилипают к нему. Молекулы чаще встречаются и связываются друг с другом в выступающих частях листа, поэтому там происходит наиболее быстрый рост и удлиненные части листа еще более удлиняются, образуя новые ветви. Кроме того, молекулы воды хорошо прилипают к частицам льда, ориентируясь определенным образом, что приводит в конце концов к образованию сложной ветвящейся структуры.

Колонии микроорганизмов могут принимать гораздо более сложные формы, так как образующие их организмы подчиняются гораздо более сложным законам жизни. Ученые были удивлены, обнаружив, как часто структуры колоний сходны со структурами неживых объектов. Оказалось, что микроорганизмы в колониях обычно образуют не любые, а вполне определенные структуры, которые, видимо, позволяют им выживать.

В конце 80-х гг. Мицугу Мацушита из Токийского университета показал, что при выращивании в среде, обедненной питательными элементами, эти микроорганизмы образуют разветвленные структуры на поверхности агара. Их рост в данном случае обусловлен практически теми же закономерностями, которые определяют и формирование снежного «папоротника» на окне. Представьте себе, что агар слишком тверд и бактерии не могут в нем перемещаться. Молекулы же питательных веществ движутся в геле случайным образом и достигают в первую очередь тех бактерий, которые находятся в выступающих частях колонии. Получая питание, эти бактерии значительно быстрее растут и делятся, образуя все более длинные ветви узора. В обычных условиях бактерии еще и движутся – они «проталкиваются» к тем местам, где больше пищи, т.е. к концам ветвей, в результате чего ветви узора растут еще быстрее.

Исследователи заинтересовались, в каких условиях будет наиболее существенна разница между структурами, формируемыми живыми и неживыми частицами. Оказалось, что если бактерии растут на мягком агаре, образуемые ими сначала разветвленные узоры спонтанно изменяются, ветви образуют завитки и вся структура начинает распространяться по агару гораздо быстрее исходной. В микроскоп видно, что в завитках бактерии выглядят более удлиненными. Хотя и очевидно, что эта трансформация делает бактерии более подвижными и обеспечивает им лучшее питание, до сих пор неизвестно, какими факторами она запускается.

Бактерии не только «чувствуют» окружающую среду, но и изменяют ее. Так, в колонии Escherichia coli бактерии, выделяя вещества-аттрактанты, могут образовывать агрегаты. Бактерии часто отвечают на стресс генерацией видоизмененных клеток, что сказывается на рисунке колоний.

Это любимый объект исследователей в области биологии развития, занимающихся проблемами взаимодействия клеток при объединении их в многоклеточный организм. В присутствии пищи слизевик представляет собой разрозненные амебы, свободно живущие в почве. Если амебы перенести на субстрат, полностью лишенный пищи, то примерно через четыре часа в колонии формируется система химической сигнализации. В результате образуется рисунок, похожий на систему ручейков и рек. В конце концов реки сливаются в большие скопления-слизни, которые способны переползать на новые местообитания, где продуцируют десятки тысяч спор, которые прорастут в подходящих для жизни амеб условиях.

Исследования ученых в России и за рубежом показали, что образование подобных структур не запрограммировано в генетическом аппарате амеб, а является результатом только физических взаимодействий. В настоящее время ученые рассчитывают, что биохимические и генетические исследования помогут понять, как внешние сигналы влияют на передвижение клеток. Основная задача этих исследований – выяснить молекулярные механизмы управления подвижностью и поведением. Однако даже после решения этой основной задачи понять, как факторы микроскопического уровня обусловливают коллективное поведение микроорганизмов, будет совсем нелегко.