《细胞》:颠覆认知!细菌的生长模式,远比想象中更复杂

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热心网友时间：2024-10-20 05:45

细菌，这类看似简单的生物，在我们的认知中往往与复杂结构绝缘。然而，最新一期《细胞》杂志上的一项新研究，*了我们对于细菌的固有观念。加州大学圣地亚哥分校Gürol Süel教授带领的研究团队发现，细菌群落中的生物膜，竟可以展现出比我们想象中更为复杂和先进的结构。

生物膜，是指微生物聚集在一起形成的群体。在厨房的角落、你牙齿表面的牙菌斑等地方，生物膜无处不在。以往的研究已经揭示，生物膜不仅结构复杂，还能借助复杂的系统进行相互交流，甚至拥有“记忆力”，能记住几个小时前的光刺激。

这项新研究聚焦于生物膜如何应对营养的缺乏。研究团队选择了常见于土壤中的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）进行培养，并观察其生物膜的形态。结果发现，当培养皿中缺少可利用的氮源，生物膜会生长出类似于动物胚胎发育中的分节以及树木年轮生长的同心圆图案。

那么，细菌如何形成这种以往只在高等生物中观察到的复杂图案呢？研究团队借助数学模型给出了答案。在生物膜向外扩张并消耗营养时，营养耗尽的地方细菌会通过孢子形成的方式休眠，以应对营养缺乏的压力。这种过程如同营养缺乏的波在生物膜的细胞间传递。由于并非所有细菌都拥有减轻压力的基因、能通过孢子形成的方式来适应，因此不同细菌表现出的差异导致了我们所看见的同心圆图案。

值得注意的是，这项研究与遗传学家此前提出的“时钟与波前”模型一致。这一模型原本用于解释动物胚胎发育的过程：胚胎的“时钟”指示不同阶段的产生。而在实验中，低等的细菌也能用同样的模型解释其在时间和空间上形成特定图案的行为。这表明，生物膜在发育时形成特定图案的能力可能追溯到10亿年前。

这项发现不仅首次展示了细菌构成的复杂图案，对多个研究领域产生了深远影响。生物膜在医学、食品工业等领域有着广泛应用前景。此外，生物膜系统能够验证简单的细胞系统如何自组织形成复杂图案，这为在发育生物学领域研究时钟和波形机制对脊椎动物的影响提供了新视角。

“细菌群落远比我们想象的要复杂得多，”Süel教授表示，“通过设计实验，我们可以利用更简单的细菌来探索那些在脊椎动物和植物系统中难以验证的问题，从而为生物发育的研究提供新视角。”