顛覆傳統認知！細菌生長模式遠比想象中複雜
2022年01月10日
▎藥明康德內容團隊編輯
作為一類簡單的生物，細菌在我們眼中往往與複雜的結構絕緣。畢竟，不要說高等的動植物，就連真菌界都有黏菌這樣具有集體意識的智慧生命。而細菌群落裏，有的似乎只有結構簡單的微小個體。
然而，最新一期《細胞》雜志的一項新研究，或許會改變你對於細菌的看法。
所謂生物膜，就是微生物聚集在一起，形成的群落。從廚房的角落，到你牙齒表面的牙菌斑，生物膜在現實世界中可以說是無處不在。之前的研究已經發現，細菌的生物膜可能比你想象得更加複雜、聰明——它們可以借助複雜的系統相互交流；也可以擁有「記憶力」，能記住幾個小時前的光刺激……
subtilis），在培養皿中培養、檢驗由其構成的生物膜。結果，研究者觀察到了有趣的現象。枯草芽孢杆菌的生長需要氮源，而當培養皿中缺少可利用的氮，生物膜就會長出類似於同心圓的圖案，這與動物胚胎發育的分節以及樹木的年輪生長類似，但唯獨不是人們熟悉的生物膜的形態。
Chou）這種以往只在高等生物中觀察到的複雜圖案，是如何出現在細菌身上的？研究團隊借助數學模型給出了解釋。
當生物膜向外擴張並消耗營養，在營養耗盡的地方，特定的細菌會被「凍結」，通過孢子形成的方式休眠，來應對營養缺乏的壓力。這時，營養缺乏的情況就如同一道波，在生物膜的細胞之間傳遞。由於並非所有細菌都擁有能減輕壓力的基因、能通過孢子形成的方式來適應，因此不同細菌表現出的差異，將產生了我們看見的同心圓圖案。
值得注意的是，這個過程與遺傳學家此前提出的「時鐘與波前」模型一致。這個模型原本是用於解釋動物胚胎發育的過程：胚胎的「時鐘」指示了不同階段的產生。而在這項實驗中，相對低等的細菌也能用同樣的模型來解釋：原本聚作一團的細菌也因為狀態的不同而出現分節。
Süel教授表示，「從生物學的角度，我們的結果表明，細胞在比預期更早的時間，就能在發育時形成特定的圖案。顯然，能夠在時間和空間上為自身分節的不僅有脊椎動物和植物，這樣的行為或許可以追溯到10億年前。」
這項發現不僅首次展示了細菌構成的複雜圖案，還將對多個研究領域產生影響。由於生物膜在我們的生活中非常常見，它們在醫學、食品工業甚至軍事領域都有著應用前景。此外，由於生物膜系統能夠驗證簡單的細胞系統如何自組織形成複雜圖案，這對於在發育生物學領域研究時鐘和波形機制對脊椎動物的影響，也將起到推動作用。
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