你看那个乌贼它又亮又光,全靠那群细菌在又聚又聊

夏威夷乌贼的“性衣”

身为一个动物,最害怕的事情就是被吃掉。因此躲避天敌是它们永远的共同话题。有些动物能够急速逃命;有些动物会变色;有些动物会装死。然而你可曾听说过,还有些动物,可以通过发光来隐藏自己。

夏威夷乌贼就是这样一种生物。它生活在夏威夷的海岸,白天睡觉,晚上觅食。夏威夷乌贼痛恨每一个月光皎洁的明亮夜晚——可恶的月亮和星星将岸边的浅水区照得透透的,给每个游动在浅水中的动物都罩上了一团醒目的黑影,告诉捕食者,食物在这儿。

那么如何解决这个问题呢?夏威夷乌贼对着哈氏弧菌说:“我们同居吧[1]。”

左图中箭头的方向标识的是夏威夷乌贼每次吞吐哈氏弧菌的线路。哈氏弧菌从绿色箭头所指出来的途径进入乌贼体内,在此快乐地生活。白天,乌贼不需要发光的时候,就把多余的哈氏弧菌排出体外。右图是是夏威夷乌贼的腹侧图片,可以看见左右对称的两侧发光器官。图片来源:左图来源于文献[2],右图来源于Ted演讲《细菌是如何交流的》

乌贼在每次换气的时候把哈氏弧菌吞进身体中。每当夜幕降临,哈氏弧菌就在乌贼的腹侧发光。乌贼自己呢,可以依靠内部的组织,把哈氏弧菌发出的光调节到和月光星光差不多的光度[2],这样一来,这个聪明的家伙就像是披了一层发光的隐形衣,捕食者完全就看不见它的影子啦!

 然而到了白天的时候,乌贼并不需要哈氏弧菌发光。那么,哈氏弧菌是怎么理解了乌贼的需求,做到白天的时候不发光,晚上的时候再一起合作卖力发光的呢?事实上,这些细菌会“说话”。

的微帝国——菌会“说话”

细菌说话,或是听别的小伙伴说话,靠的都是“化学信号”。

 细菌们会分泌一些小小的化学信号分子。这些信号分子扩散在周围环境中,其他细菌可以通过叫做“受体”的接收器感知到信号的浓度,你就认为是菌菌的耳朵好了。当细菌种群密度越来越高,周围信号分子的浓度就越来越高,一旦这个浓度到达到阈值,便会启动细菌细胞内部的一系列基因表达调控、蛋白质合成等过程,诱发它们的“群体效应”——就是让大群的细菌同时做同一件事情。依靠这套机制,小小的细菌们就能“合力完成一件大事”(比如哈氏弧菌发光)。

 夜晚,在夏威夷乌贼的发光器官中,1mL的地方可聚集着1011只卖力的哈氏弧菌,足以分泌出满足浓度要求的化学信号,一同发光!

 所以你可以看出来,“群体效应”最鲜明的特征是——数量依赖型。

聚在一起光——哈氏弧菌

这些能发出美丽荧光的细菌可不是随时随地乱发光的,如果小伙伴们数量少的话,它们就不发光,当小伙伴数量越来越多,它们就同时发光[3]

 那乌贼身体里的哈氏弧菌到底是怎么工作的呢?在乌贼的发光器官中,每天都上演着下面的故事。

 白天,大量的菌菌被乌贼排出体外,菌菌浓度变得极低,信号分子浓度也低得可怜。它们感应不到彼此的存在……也没法一起商量发光这事。不过这个时候乌贼正在沙子里睡觉,也用不上它们。

 不需要工作,可以不断地繁衍。微生物们强大的繁殖能力啊,等到了晚上,乌贼的发光器官中就充满了哈氏弧菌的大家族啦。

 就像大家都深处在一个热闹的广场上,每只菌都在说:“我在这,我在这,我在这……”,每只菌在分泌信号分子怒刷存在感的同时,也在仔细地聆听。

“我在这!”
“我也是!”
“我也在呢!”
……

就这样不知过了多久,大家都觉得,人数够啦。

“我们人够了,一起干件大事吧!”

“biu~”乌贼的发光器官就亮了。它将自己隐藏在月光之中,大胆地在海水中游动,肆意地吞食自己的猎物。

菌也有通用

 人类有不同的语言。细菌也一样。

 不同种细菌会有不同的语言(信号分子),这些信号分子在空间结构上不同,一种语言(信号分子)只能被一种耳朵(受体)“听见”。

 人类有自己的家人,也有邻里街坊;有竞争合作,也有你死我活。细菌也一样。自然状态下,细菌群落中会汇集着多种细菌,它们需要交流,计算出自己同类的数量和异类的数量,知道谁占多数谁占少数,以此“摆清楚自己的位置”。

 就像国家与国家之间的和平需要交流一样,成百上千种的细菌住在一起,如果它们只能内部交流而不会说外文也听不懂外文,又怎么和这些邻居友爱和平地相处呢?

 幸好,细菌界也有自己的“国际通用语言”。大多数细菌都能分泌一类相同的化学分子,也有接受这种通用信号的“第二只耳朵” [4]。科学家猜测,正式因为有这两种语言和两只耳朵的存在,细菌们才知道周围的世界里有多少是自己人,有多少是邻居们。

当环境适宜、食物充足的时候,黄色黏球菌为杆状(黄色),它们快乐地游来游去,互相抢食的现象时有发生;面临压力后,大家变得更加团结,气氛变得更加和谐,细胞会聚集在一起形成细胞团块,信号分子在细胞团块之间传递,此时,一些圆形的抗压能力更强的孢子(绿色)产生,帮助群体熬过艰难的时光。图片来源:参考文献[5]

合作,共同致病

其实吧,细菌会说话交流,利用“众人拾柴火焰高”的策略也不难理解,尤其是那些致病菌。毕竟,它们想攻陷的是比单独的自己强大不知多少倍的人类。人类免疫系统也不是吃素的,如果细菌们不拧成一股绳,怎么可能击溃对手呢?

铜绿假单胞菌(pseudomonas aeruginosa)就是这样一种精诚合作、众志成城的致病菌。在这种菌小小的基因组中,存在着功能强大的“语言”系统,可以让铜绿假单胞菌互相交流,决定一起分泌胞外毒素分子造成侵染组织的大量损伤,或是决定何时侵染血液系统好让子孙后代得以在组织间更广泛地传播。你想用抗生素对付它?这些家伙还能商量着形成细胞叠着细胞的“生物膜biofilm”结构,对抗生素的敏感性大大降低……事实上,铜绿假单胞菌的“语言”系统调控着细菌基因组中6%-10%的基因,时刻影响着这些细菌的行为[6]

所以你看,微观世界根本不是一部默片。若你能置身其中,必会发现小小微生物的世界和我们的世界一样嘈杂精彩。细菌们的语言和我们的语言一样丰富;细菌们的社交活动与群体行为也一样充满智慧。(编辑:明天)

参考文献:

  1. Ruby E G. Lessons from a cooperative, bacterial-animal association: the Vibrio fischeri–Euprymna scolopes light organ symbiosis[J]. Annual Reviews in Microbiology, 1996, 50(1): 591-624.
  2. Visick K L, McFall-Ngai M J. An exclusive contract: specificity in the Vibrio fischeri-Euprymna scolopes partnership[J]. Journal of Bacteriology, 2000, 182(7): 1779-1787.
  3. Miller M B, Bassler B L. Quorum sensing in bacteria[J]. Annual Review of Microbiology, 2001, 55(1):165-199.
  4. 付艳芳, 唐李斐, 万军庭,等. 细菌的信息交流[J]. 氨基酸和生物资源, 2004, 26(4):62-64.
  5. Indiana University. "'Policing' stops cheaters from dominating groups of cooperative bacteria." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2011/05/110526103002.htm (accessed October 22, 2017).
  6. Diggle S P, Griffin A S, Campbell G S, et al. Cooperation and conflict in quorum-sensing bacterial populations.[J]. Nature, 2007, 450(7168):411-4.

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