Многие клетки умеют двигаться в направлении увеличивающейся концентрации нужных веществ или уменьшающейся концентрации ненужных. Эта способность называется хемотаксисом, соответственно, положительным или отрицательным. А вещества, соответственно, называются аттрактантами или репеллентами.
Эукариотические клетки имеют размер ~ 10 uм. При таком размере они могут почувствовать различие концентраций вещества на разных сторонах клетки и, таким образом, выбрать направление, куда двигаться.
Но бактерия для этого слишком мала. Ее размер ~ 1 uм. Количество молекул вещества, одновременно взаимодействующих с ее поверхностью, можно пересчитать по пальцам. При этом нет никакой возможности решить, с какой стороны клетки их больше. Поэтому для хемотаксиса бактерии используют совершенно другую стратегию.
У бактерии несколько жгутиков, обычно от 4 до 10. В отличие от эукариотов, которые, если у них есть жгутик, гребут им, как рыба хвостом, бактерии жгутиком крутят. Это едва ли не единственный пример применения колеса в живой природе. Притом бактерия может крутить жгутиком как по часовой стрелке, так и против.
Жгутиков, как я уже сказал, несколько. Причем они не прямые, а изогнутые. Поэтому, если они крутятся против часовой стрелки, то сплетаются в косичку и бактерия движется поступательно. Если же они крутятся по часовой стрелке, то расплетаются, и бактерия кружится на месте. Движение бактерий состоит, таким образом, из чередования поступательного движения, вращения на месте, и нового поступательного движения в произвольном направлении.
Похоже на броуновское движение, только в другом масштабе. Вот здесь можно увидеть небольшой фильм, демонстрирующий движение бактерии.
Так вот, бактерия мерит изменение концентрации интересующего вещества не в пространстве, а во времени. И процент времени, занятый поступательным движением, зависит от производной концентрации вещества по времени. То есть если в течение поступательного движения бактерия движется в направлении увеличения концентрацией аттрактанта, то ее поступательный пробег будет больше. А если в противоположном направлении – меньше. Таким образом, с течением времени больше бактерий окажется в зоне с большей концентрацией аттрактанта. Вот здесь можно посмотреть небольшой фильм с компьютерной симуляцией движения бактерии в градиенте аттрактанта. Красным обозначены периоды вращения, а белым – периоды поступательного движения. Оба фильма с сайта http://emonet.biology.yale.edu/agentcell.
Спрашивается, как можно мерить первую производную концентрации? Если не вдаваться в биохимические подробности, дело обстоит так. Аттрактант связывается с рецептором, и это связывание вызывает каскад реакций, удлиняющий время поступательного движения. С другой стороны, он активирует также с некоторым отставанием другой процесс, приводящий к инактивации первого. Таким образом, если концентрация не меняется, то инактивация через некоторое время догоняет активацию. И только если концентрация продолжает расти, инактивация отстает от активации. А если уменьшается – обгоняет.
Кстати, при такой стратегии бактериям удается двигаться в направлении увеличения концентрации аттрактанта, даже если при этом приходится огибать какие-либо препятствия.