微生物的生存之道：合則生，分則死！
中國微生物菌種查詢網(wǎng) / 2019-04-26 09:37:13
在大自然中，資源爭奪無處不在，不僅動物和植物需要合作，微生物也會為了生存而合作。物競天擇，適者生存。自然選擇自帶“自私”屬性，而任何合作都需要參與合作的個體做出一定的“犧牲”。那么微生物們究竟如何達成合作共識，今天我們就來探個究竟。
相濡以沫
如同人類一樣，許多細(xì)菌也過著群居生活，大量的細(xì)菌連成一片形成生物膜（更多生物膜精彩內(nèi)容，猛戳微生物的AI）。生活在一起難免磕磕碰碰，生物膜里的細(xì)菌也得競爭利益和需求。一方面，位于生物膜邊緣的微生物容易受到來自外部的攻擊，如抗生素和其他細(xì)菌，而位于內(nèi)部的細(xì)菌則受到保護；另一方面，這些外圍的細(xì)菌卻更容易獲得食物，如若不加以控制，它們就會消耗完所有的營養(yǎng)，使得內(nèi)部的細(xì)菌挨餓。
為了解決這一“社會沖突”，細(xì)菌們進化出了一套機制，從而使整個菌落受益。研究人員通過觀測生物膜的生長過程發(fā)現(xiàn)：在長到一定大小的時候，生物膜的擴張速度變得忽快忽慢。周期性的減慢生長速度阻止了外圍的細(xì)菌吃掉所有的食物。這一機制涉及一個生長必需的分子：銨。
細(xì)菌可以自己制造銨，但是生物膜外圍的細(xì)菌在迅速擴張到新領(lǐng)域的時候，需要依靠內(nèi)部的細(xì)菌為其提供按。因此，如果內(nèi)部的細(xì)菌開始食物短缺，內(nèi)部銨的生產(chǎn)也會隨之變慢，從而抑制了外部細(xì)菌的生長。這樣的一個過程，形成了一個典型的反饋回路。
通過這種調(diào)控機制，生物膜便可持續(xù)生長，并且使得整個細(xì)菌社區(qū)更具活力。當(dāng)研究人員通過基因工程手段改造外圍細(xì)菌使其能夠大量生產(chǎn)銨后，它們不再依賴內(nèi)部細(xì)菌。這一改造，使得反饋回路被打破，生物膜便會持續(xù)生長。隨后內(nèi)部細(xì)菌如預(yù)期一樣，因食物匱乏而死亡，而生物膜也更容易被抗生素等物質(zhì)破壞。
一根筷子輕松被折斷，十根筷子牢牢抱成團。這一點在細(xì)菌的抗性上體現(xiàn)的尤為明顯。研究表明，生物膜對抗生素的抗性是單個細(xì)菌的1000倍以上。生物膜能夠形成一個物理屏障來阻止抗生素的滲透；抗生素很難滲透到生物膜內(nèi)部，只能殺死外部細(xì)菌。另外，一些細(xì)菌可以通過休眠的方式度過難關(guān)，一旦抗生素濃度降低，便會重新開始生長。另一方面，外圍細(xì)菌死亡，內(nèi)部細(xì)菌便會獲得更多的食物，接替死去的同胞繼續(xù)擴張領(lǐng)地。
這項研究從另一個側(cè)面也為我們提供了消滅微生物的新方法。例如，通過給細(xì)菌生物膜提供銨可以使抗生素更有效——外圍細(xì)菌不再依賴內(nèi)部細(xì)菌，使后者被餓死，我們便可以摧毀整個細(xì)菌群落。
合作在人類社會十分普遍，從個人到公司再到國家間，合作不分種族和年齡。但是細(xì)菌會有一些極端的合作模式：為了大部分細(xì)菌的利益，犧牲小我，成全大我。
這種自我毀滅式的合作方式的典型案例發(fā)生在沙門氏菌的感染過程中。沙門氏菌感染通常是由于吃了染有細(xì)菌的食物引起的。要引發(fā)感染，這一小撮細(xì)菌必須“占領(lǐng)”腸道。腸道內(nèi)生長著大量的競爭性菌群，這對“初來乍到”的沙門氏菌是個挑戰(zhàn)，即使它們競爭過了“地頭蛇”，還有人類強大的免疫系統(tǒng)在等著它們。雖然剛剛進入人類腸道的一小撮沙門氏菌都是相同的，但是很快它們就會分成兩個隊伍：一組變身神風(fēng)特工隊，一組伺機而動。沙門氏菌在人類腸道里來了一次“公共物品博弈”。
在博弈場景中，參與者每人得到一些錢，他們可以將這些錢拿出一部分作為公共資金，不管有多少人往里面投了錢，這筆資金都會變成三倍，最后平均分給所有參與者。該博弈場景中的理性行為是采取自私做法，不向公共資金中投錢，收取分到的錢從中獲利。幸運的是，在真實場景中，人們有時不會采取理性行為，而向公共金中投錢。
這種行為對沙門氏菌來說是危險的。在分成兩組后，其中一組原地待命，另一組則開始入侵腸壁。入侵行動引發(fā)的免疫反應(yīng)會使后者粉身碎骨，同時也消滅了大量腸道內(nèi)其他的競爭性微生物。沒有了競爭，原地待命的細(xì)菌開始繁殖進而引發(fā)感染。
整個過程最奇怪的就是：明明完全相同的細(xì)菌，為何一部分選擇了自我犧牲？
這種差異并不是來自于基因上的不同，而是來自表型噪音（phenotypic noise）——在細(xì)胞分裂過程中隨機分配蛋白質(zhì)和其他分子。也就是說，所有的細(xì)菌都含 有指示自我犧牲行為的基因，但是并不是所有的細(xì)菌都會表達這些基因。如果這兩組細(xì)菌的基因不同，自我犧牲的細(xì)菌便會很快死光。相反，如果這個過程只是隨機發(fā)生，這個細(xì)菌群落作為一個整體便會存活。