细菌能够像神经元一样交流信息，还能通过交流影响其他生物？

细菌利用电信号的传递，编织出复杂的社会结构，并与其它个体交流。

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GABRIEL POPKIN

发表于 QUANTA MAGAZINE

封面：OLENA SHMAHALO

生物物理学 BIOPHYSICS

大众印象中的细菌，是显微镜下星星点点的细胞样生物。随着研究深入，越来越多的证据表明，人们对这种“隐士”一般的生物存在着很多错误的认识。如同抛开文化、法律、语言去了解人类一样，加州大学圣地亚哥分校的生物物理学家Gürol Süel说：“人们将细菌看作一种孤独的生物，彼此独立地生活着，但事实上，自然界中的细菌有着极为庞大的‘社会群落’。”

细菌最为理想的群落形式是菌膜，它是由成百上千万的细菌通过自身分泌出的有机质相连而成，它存在于牙齿表面、管壁、岩石，甚至在海洋中。在这样的菌膜群落中，细菌有各自的分工：菌膜外周的细菌负责抵御外来威胁，中心部位的细菌负责生产食物。和人类一样，细菌依靠着这种广泛的合作关系不断茁壮成长，这也是那些能杀死“落单”细菌的抗生素，对盘踞在群落中心的个体无效的原因。

和其他群落生物一样，共生的细菌也需要进行信息交流。长久以来，化学信号一直被认为是细菌间交流的主要方式。最著名的是普林斯顿大学 Bonnie Bassler教授的“群体感应”学说，这一学说认为细菌会持续向外界释放化学物质，直到浓度能够吸引其他个体形成群落，或激发其他群体行为。

Süel教授的研究团队还发现菌膜中的个体可以通过电流与其他个体交流。形成菌膜的细菌群落，似乎会运用类似电流的方式在一大片菌膜中交流和同步行为。用来交流的电信号甚至可以强大到招募菌膜之外游离的细菌个体，以及与相邻菌膜交流实现共赢。

普林斯顿大学的生物物理学家Ned Wingreen教授说：“这会是近几年微生物学界最重要的研究——一种全新的生物间交流形式。”

2012年 Süel 最初来到大学任教时，菌膜研究已经非常热门，但仍然存在大片认识空白，包括单一独立的细菌个体为何会放弃“自由”而加入一个固定的集体。为了一探究竟，Süel教授和他的团队运用枯草芽孢杆菌（一个研究常用到的杆菌属）进行实验，运用精密的显微镜等设备进行观察。通过延迟摄影，他们发现只要培养基中作为氮源的谷氨酰胺供应充足，菌膜就会不断扩张。当谷氨酰胺消耗殆尽，菌膜就会停止扩张。位于菌膜中心的细菌是通过什么方式告知周边的细菌是否需要分裂的，Süel教授和他的同事对此感到好奇。

显然，群体感应是一个可能性。受过物理学训练的Süel怀疑除了存在化学信号的扩散之外，这群细菌中还可能存在另一种交流形式。他将目光集中在了离子通道上。离子通道是一类广泛存在于细胞外膜表面、能够控制离子进出细胞的蛋白质分子。其中最典型的是存在于神经细胞或称作神经元表面的离子通道。神经元表面的钠离子通道将携带两个正电荷钠离子泵出细胞外，而钾离子通道将一些携带一个正电荷钾离子泵入细胞内，从而造成了细胞内外的电势不平衡，就像一个水坝拦住了大量的水。当外界信息传入，使膜表面电位达到阈值，水坝的闸门被打开，离子在通道之间交换，就会引起膜表面动作电位的形成，产生神经冲动，即动作电位，将信息传入、传出大脑。

Süel提到在细菌表面同样存在离子通道，多篇论文都报道了菌体表面的电冲动与脑内神经元的电活动相类似，由此他猜测细菌之间或许也存在着进行信息传递的“动作电位”。

他和同事在实验中对细菌进行饥饿处理，然后利用能被钠钾离子激活的荧光标记来标记菌膜。他们观察到，菌体内泵出了钾离子，而相邻的细菌接收到钾离子信号，会再次发出同样的信号，直至菌膜边缘。这时接收到“饥饿”信号的菌膜会停止分裂，直至获得充足的养分后，中心位置的细菌才会停止钾离子释放。

接下来，Süel的团队构建了钾离子缺失的变异菌种，发现细菌个体并不能按照相同的节奏生长（在实验中他们也没有发现钠离子泵的活动）。和神经元一样，细菌运用钾离子通道来传输信息，这些研究结果刊登在2015年的《自然》杂志中。

○ 在延时影像片段中，研究人员将两个菌膜放在同一环境中培养，观察到两个菌膜能通过电信号同步生长，绿色荧光信号标记的钾离子流代表从菌膜发出的生长信号。实验中，当营养物质充足时（图1），两个菌膜会同时生长，生长信号也会同步涨落。当营养物质短缺时（图2），两个菌膜会通过交替生长（一个菌膜静息时另一个菌膜生长）来更有效地利用培养基中的营养物质。

尽管与神经元的活动相类似，但Süel解释道菌膜和人脑还是有很大差异的。神经信号的传导更依赖于快钠通道，能够提供每秒100米的传输速度，这样的速度可以完成如捕猎等需要在瞬间作出反应的行动。而在菌膜中的钾通道则提供的是每小时数毫米的缓慢传播。“在这些菌膜中，我们观察到了最原始的动作电位形式。“从物质形态角度而言，二者是相同的，区别仅仅在于传播的速度而已，”Süel说道。

细菌的广播

Süel和他的同事对于这种电信号仍有许多疑问。当菌膜产生的电信号传播至边缘时，钾离子电流并没有停止，而是继续扩散至周围的培养基中。这让研究人员想了解一下在电流离开菌膜扩散至周围培养基后，还有什么事情会发生。

第一个回答刊登在今年早些的《细胞》杂志上。研究人员发现，枯草杆菌菌群似乎是在通过这些扩散出去的钾离子来募集在培养基中游离的细菌个体，不仅仅包括其他杆菌个体，甚至还有其他种属的细菌个体。这样看来，细菌更倾向于一个多元的菌落而不是单一菌落的培养。

数月后，在《科学》杂志上，Süel的团队报道了两个菌膜之间通过交换钾离子信号来“分时享用”营养物质。在实验中，两个不同的杆菌菌膜轮流消耗着谷氨酸，以保证在食物短缺的情况下能够更加合理地利用食物。相比在养分充足的情况，“分时享用”下的菌膜生长速度更快。当科学家使用有离子通道缺陷的菌株进行相同实验时，因为无法协调菌膜间的交流，菌膜的生长速度也变得更慢。

细菌通过电信号进行交流的发现极大地振奋了微生物研究者。

南加州大学的生物物理学家Moh El-Naggar说：“我认为现在做的是生物学界最有趣的工作。”El-Naggar研究细菌间如何通过一种特化的细微管道——纳米管线来传递电子。当时的他对细菌可以像神经元一样交流持反对意见，不过在2015年阅读了Süel的文章后便改变了想法，“我已经迫不及待地想知道接下来会发现什么了”。

对于来自密歇根州立大学的微生物学家Gemma Reguera而言，Süel团队的发现很可能对她长久以来与同事们的一个争论起到了支持。即声、光、电等物理刺激对于细菌来说和化学刺激同样重要。“也许Süel的发现可以帮助科学界圈里圈外的人们更好的了解在细菌中的其他形式的物理信号交流，”Reguera说到。

一部分令人兴奋的研究结果是——在调节群体感应时，电信号的交流比化学信号占有更大的比重。化学信号对细菌集体行为的重要性已经被证实，但它很快就会被周围环境所稀释，一旦远离释放个体，它的功能就会被大大削弱。相反，钾离子信号的影响距离是细菌本身长度的1000倍——这还是受限于检测仪器的结果。作为群体感应的媒介，化学信号与钾离子的区别，好比从山顶向地面射击和打一通国际长途电话。

另外，化学信号的传播需要存在于细胞间的特异性受体进行协调，而钾离子信号就如同一种世界通用语言，广泛存在于动物神经元、植物细胞以及如今正在研究的细菌之间。

通用的化学语言

Süel研究生时期的同学、德克萨斯A&M大学的Steve Lockless说：“在我研究过的每种单细胞生物细胞表面，都发现了钾离子通道。”细菌不仅能通过钾离子与其他细菌进行交流，甚至能和其他生命形式交流，其中或许还包括人类。研究者称，细菌可以影响宿主的食欲或者情绪，利用钾通道或许还可以建立跨生物界的通讯手段。

庞培法布拉大学系统生物学家Jordi Garcia-Ojalvo为 Süel的实验提供了可靠的理论模型——细菌能够使用钾离子进行交流，说明这是一种古老的交流形式，比构成植物、动物以及其他高级生物模式的真核细胞还早。Jordi Garcia-Ojalvo 表示：“这种细菌之间的交流，也许能为行为进化提供一个可能的起源。”

芝加哥大学的细菌遗传学家James Shapiro认为这一发现十分有趣。他大胆地假设出：细菌群落或许是另一种意识形态。但是他认为我们应该谨慎思考Suel对菌群和神经元的类比。Süel的实验中菌群由钾离子介导的行为非常简单，并不像神经元一样需要复杂的神经环路参与其中，Shapiro指出这其中“具体有多少信息在细菌间传递尚不清楚”。

Süel教授赞同以上观点，同时也对细菌可能拥有的其他能力感兴趣。他目前开展的实验，是关于由多种细菌构成的菌落中，是否仍然会出现像单一杆菌属菌落中出现的“分时行动”行为。

同时，他还对自己的“菌膜电生理理论”作进一步拓展，他希望能够发展出能直接检测细菌电活动的技术。类似的技术在神经科学领域已经沿用了数十年，如果能出现专门针对细菌的检测工具，将会对这项研究产生有益的影响。意大利佛罗伦萨大学的Elisa Masi目前正在借助神经生物实验中的电极来检测细菌的电活动，她表示：“我们检测的细胞非常之小，因而检测其代谢活动格外困难，也没有专门为之设计的实验手段。”

Süel和他的同事目前正为研发这样的工具而努力。他同时收到了多个基金会的资助，其中有霍华德休斯医学研究所、比尔及梅琳达·盖茨基金会和西蒙斯基金会。

这项发现能为抗生素研发或者新技术的开发开辟新道路，不过仍有很长的路要走。如今最立竿见影的成效是刷新了人们对细菌的认识，El-Naggar说：“对细菌的认识在近十多年有了如此大的变化。”其中最令他感兴趣的，是钾离子信号如何在海洋这种复杂、充满离子的自然环境中正常运作的。“现在，我们发现细菌在它们的生存环境中是操纵离子的大师，这和我们最初把细菌看作简单生物有机体的认知相去甚远。”

Wingreen说：“一系列的实验都发现了所有我们认为细菌不会做的事，它们都做了，细菌正在将我们从基座上取代。”

翻译：赵欣南；校对：Rebecca；编辑：EON

原文：Bacteria Use Brainlike Bursts of Electricity to Communicate

https://www.quantamagazine.org/bacteria-use-brainlike-bursts-of-electricity-to-communicate-20170905/

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