Science：已“死亡”的细菌仍能感知来自环境的信息

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Science：已“死亡”的细菌仍能感知来自环境的信息
: i9 f! ^8 ]- [" P6 o来源： 生物技术君 2022-10-28 16:56
7 L; C2 Q5 g7 @. u这项发现揭示了一种在无生理活动的细胞中运行的决策机制。孢子处理信息的方式与我们大脑中神经元的运作方式相似。这是一种非常熟悉的进化策略。9 T* k" l; J6 @; M2 m' u
细菌依靠其顽强的生命力，在包括人类在内的各种生命体和地球的各个角落繁衍生息。细菌之所以难以被杀死，是因为它们具有独特的生存策略，其中一种是在内生孢子的保护下进入休眠状态。细菌孢子是具有极强复原力的细菌遗传物质。在孢子内，细菌可以在保护层的包围下保持脱水、休眠状态持续多年。因此，具备了在极端高温、压力甚至外层空间中生存的能力。
' [" L6 K1 U7 g5 D# O0 C严格来说，细菌的这种休眠状态不能算是纯粹的深度睡眠。由于它们停止了代谢，因此被认为是生理上已经死亡（没有生物活性）。
! }- J" }$ U$ S; Y" l& d. z# P8 t发表在《Science》上的一项新研究中，来自加州大学圣地亚哥分校的研究团队在休眠的细菌孢子中检测到了意想不到的活动，首次表明这些在生理上已死亡的生命仍能感知周围的环境，并在整合环境信息后决定自己复活的时机。这一发现改变了先前科学家们对孢子的认知，还挑战了对疾病的传播方式，以及生命如何在极端环境中生存的理解。
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细菌孢子的休眠状态通常被认为是缺乏生物活性的。在这项新研究中，研究人员发现，处于深度休眠状态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，以在无需进行代谢活动的情况下对其环境进行感知。
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孢子是导致许多疾病在没有水或营养物质的条件下长期存在的原因。在适当的条件下，孢子能再水化并重启代谢，从而使它们再次具有传染性。! T4 m5 z, i9 n  w* Z: l
但孢子究竟是如何知道该什么时候“复活”呢？如果这个时间窗不能持续很长时间，那么对每一滴水或每一口营养素做出反应都意味着会浪费大量能量。不过，无休止地等待下一顿“盛宴”也可能意味着会错过“复活”的时机。
1 G: d8 p5 [. c: j( R$ R% V为了找到答案，研究人员测试了数千个休眠的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）孢子。这种细菌被认为对人类无害，并且它们保持着在太空中存活时间最长的纪录。
8 n( r+ d0 X/ T7 t研究人员测量了孢子是否能检测到环境中的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。
6 k: a5 p2 o4 y& \, R( Q6 E, M正如预测的那样，一两个营养脉冲并不足以唤醒细菌，但随着时间推移，出现了累积效应：孢子能够保持记忆，在达到一定数量的营养信号之后细菌会“复活”。' D, T$ J+ \- A/ g8 b
研究人员还监测了细菌孢子响应这些短暂营养信号时的活动变化，表明在每次有信号输入时孢子都使用以钾离子（K+）形式储存的能量。这有点像电路中的电容，将能量储存起来供以后使用。
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接下来，该团队通过细菌电生理学数学模型来解释发生了什么。他们发现，每一个整合的信号都会触发钾离子释放，并且随着时间推移，钾离子变得越来越多，最终启动细菌的“复活”。如果外部条件不太合适，被称为累积信号的处理机制也可以阻止细菌过早“复活”。
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0 @6 M: n  P5 E1 S" O5 q这项发现揭示了一种在无生理活动的细胞中运行的决策机制。孢子处理信息的方式与我们大脑中神经元的运作方式相似。这是一种非常熟悉的进化策略。随着时间推移，在细菌和神经元中微小而短暂的输入被叠加在一起，以试探是否达到阈值。在达到阈值后，孢子开始恢复生命；而神经元则激发动作电位，与其他神经元交流。! r; `; B6 U% [
然而，与非常耗能的神经元细胞不同的是，孢子能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。
  a2 v. _0 g/ j这一发现超出了对地球上疾病的管理范围。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，一种看似完全没有活动能力的生命形式仍然可以思考其下一步的行动。
# f  \; X/ d" y9 Y1 x该团队表示，对其他已知能够进入类似孢子状态的生物体（如真菌）进行深入研究，将有助于进一步梳理出它们对更广泛的生命意味着什么。
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