科学:死去的细菌仍能感知来自环境的信息

来源：生物科技2022-10-28 16:56

这一发现揭示了一种在没有生理活动的细胞中运作的决策机制。孢子处理信息的方式类似于我们大脑中神经元的运作方式。这是一个非常熟悉的进化策略。

细菌依靠其顽强的生命力，在包括人类在内的各种生物体内繁衍生息，遍布地球的各个角落。细菌很难被杀死，因为它们有独特的生存策略，其中之一就是在内生孢子的保护下进入休眠状态。细菌孢子是细菌遗传物质，具有很强的韧性。在孢子中，细菌可以在保护层的包围下保持脱水和休眠多年。因此，它具有在极端高温、高压甚至外太空生存的能力。

严格来说，细菌的这种休眠状态不能算是纯粹的深度睡眠。它们被认为是生理死亡的(没有生物活性)，因为它们已经停止了新陈代谢。

在《Science》发表的一项新研究中，来自加州大学圣地亚哥分校的研究小组在休眠的细菌孢子中检测到了意想不到的活动，这首次表明这些生理上死亡的生命在整合环境信息后仍然可以感知周围环境并决定自己复活的时机。这一发现改变了之前科学家对孢子的认识，也挑战了我们对疾病如何传播、生命如何在极端环境下生存的认识。

细菌孢子的休眠状态通常被认为缺乏生物活性。在这项新的研究中，研究人员发现深度休眠的孢子具有处理信息的能力。它们可以释放储存的电化学势能，在没有代谢活动的情况下感知环境。

孢子是许多在没有水和营养的情况下长期存在的疾病的原因。在适当的条件下，孢子可以重新水合并重新开始新陈代谢，从而使它们再次具有传染性。

但是孢子究竟是如何知道什么时候复活的呢？如果这个时间窗口不能持续很长时间，那么对每一滴水或每一口营养物质做出反应就意味着浪费大量的能量。然而，无休止地等待下一场盛宴，也可能意味着错过复活的机会。

为了找到答案，研究人员测试了数千个枯草芽孢杆菌休眠孢子。这种细菌被认为对人类无害，它们保持着在太空中存活时间最长的记录。

研究人员测量了孢子是否可以在环境中检测到多个短暂的营养脉冲信号，这些信号通常不足以触发孢子复活。

正如预测的那样，一两次营养脉冲不足以唤醒细菌，但随着时间的推移，有一种累积效应：孢子可以保持记忆，细菌在达到一定数量的营养信号后会复活。

研究人员还监测了细菌孢子响应这些短期营养信号的活动变化，表明每当有信号输入时，孢子都会利用以钾离子(K)形式储存的能量。有点像电路中的电容，储存能量以备后用。

接下来，该团队通过细菌电生理学的数学模型解释了所发生的事情。他们发现，每一个整合的信号都会触发钾离子的释放，随着时间的推移，钾离子越来越多，最终开始细菌的复活。如果外界条件不合适，这种被称为累积信号的处理机制也可以防止细菌过早起死回生。

这一发现揭示了一种在没有生理活动的细胞中运作的决策机制。孢子处理信息的方式类似于我们大脑中神经元的运作方式。这是一个非常熟悉的进化策略。随着时间的推移，细菌和神经元中微小而短暂的输入被叠加，以测试是否达到阈值。达到阈值后，孢子开始恢复；神经元刺激动作电位并与其他神经元交流。

然而，与消耗大量能量的神经元不同，孢子可以在没有任何代谢能量的情况下做到这一点。它们只需要储存钾。

这个发现超出了地球上疾病的范畴。研究人员认为，如果科学家在火星或金星上发现生命，它们很可能处于休眠状态。这项研究告诉我们，一个似乎完全丧失能力的生命形式仍然可以思考它的下一步行动。

该团队表示，对已知能够进入孢子样状态的其他生物(如真菌)的深入研究，将有助于进一步理清它们对更广泛的生命意味着什么。

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