细菌靠“集体行动”挣脱噬菌体

人类为了对付细菌,想出了抗生素、消毒剂、疫苗等各种办法。可对细菌来说,噬菌体才是它们身边最凶险的“天敌”。噬菌体是专门捕食细菌的病毒,在人体、土壤、水体等细菌密集的环境中,它们常常比细菌还多,有时甚至能多出百倍。

强敌环伺之下,细菌为何仍能繁衍生息?美国加州理工学院科学家最新研究给出了一个出人意料的答案:细菌并非只靠“硬扛”,而是靠“人多力量大”。更准确地说,是靠群体趋化运动挣脱噬菌体。

趋化性,就是细菌的“嗅觉导航”。当环境中出现营养物质时,散发出的气味会形成浓度梯度,细菌便会朝着食物更丰富的方向定向移动。为研究这一特性,科学家们设计了一个实验,让大肠杆菌在试管中朝着糖和L-丝氨酸等“美食”前进。此前研究显示,细菌很快会形成一道整齐的迁移锋面带,像环法自行车赛中并肩前进的车阵。

真实环境中,细菌生活在土壤颗粒、生物组织、黏液等复杂多孔空间里,很难直接观察。于是,在最新研究中,科学家设计了一种“细菌版蚂蚁农场”:用透明玻璃管装入微小水凝胶珠,珠子之间形成迷宫般的通道。大肠杆菌必须在这些曲折孔隙中穿行,就像在自然栖息地里游泳一样。

科学家们把大肠杆菌改造成能在荧光下发出绿光,再加入噬菌体,相当于在迷宫里布下“雷区”。起初,细菌似乎按兵不动,科学家们甚至以为噬菌体已经占了上风。但几小时后,细菌开始集体向前推进。噬菌体越多,它们“等待”的时间越长,有时可达15小时;可一旦达到临界密度,细菌群便会迅速形成趋化锋面,朝着食物方向加速前进。

科学家们强调,细菌并不是因为“害怕”噬菌体而拖延。它们其实无法直接感知捕食者,无论有没有噬菌体,启动觅食的条件都一样。真正需要时间的是种群恢复:早期细菌一边进食生长,一边被噬菌体感染裂解,新增个体与死亡个体相互抵消。只有当群体成员足够多,密度足够高,才能形成稳定推进的趋化带。

一旦这支“细菌车队”开动,噬菌体就很难追上。噬菌体不会主动游泳,只能像墨水滴入静水那样缓慢扩散。当然,“细菌车队”后方难免有掉队的细菌被感染、裂解,每个破裂细胞甚至能释放约90个新噬菌体。但随机漂移的“散兵游勇”,终究追不上定向迁移的细菌群落。更令人意外的是,这种逃脱并不依赖基因层面的抗性突变——细菌靠的是集体行动,而非个体“升级装备”。

过去,人们普遍认为趋化性主要帮助细菌寻找营养、探索环境。这项研究则表明,它还能成为逃避捕食的关键策略。科学家们还据此建立了一套数学框架,用以预测在不同噬菌体浓度和环境条件下,细菌群体需要多久才能成功逃脱。

面对噬菌体的重重围捕,细菌没有单打独斗,而是以群体之势,在迷宫般的微环境中杀出一条生路。微观世界里的生存智慧,与古人所言“积力之所举,则无不胜也;众智之所为,则无不成也”不谋而合。(记者 刘 霞)

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