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单细胞生物如何实现趋利避害的? 第1页

  

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和我们人类比起来,细菌的运动方式算是比较苦逼的:假如我们在街上走着,看到了右手边的冰淇淋店,心想“我要走向右边”,就可以可以立刻右转走进店里买冰淇淋。但这么简单的事对细菌来说却要费不少功夫才能做到。


“控制方向”对于我们来说是一项理所当然的能力,我们可以通过复杂的肢体运动控制自己的前后左右移动,但是细菌运动只能靠鞭毛,它的运动方式只有两种:顺时针转和逆时针转。也就是说,苦逼的细菌无法像我们一样直接控制移动方向

但是,这并不代表细菌无法做到趋利避害。相反,它们的手段非常简单且实用,而且是目前在分子生物学方面最为理解透彻的机制之一。我们前面说了,细菌的鞭毛可以顺时针转和逆时针转。这两种旋转带来的效果是不同的:鞭毛逆时针旋转时,细菌会直线游动;鞭毛顺时针旋转时,细菌则会原地乱转

只需要在直线游动原地乱转中切换运动模式,细菌就可以有效地实现趋利避害。具体是如何完成的呢?


首先,细菌需要知道自己所处的环境。在细菌表面有上万个感受器,这些感受器就是细菌的鼻子,可以让它“嗅”到周围的物质,其中有一些物质对细菌有吸引作用,比如说糖类、丝氨酸,这些是细菌喜欢的物质,另一些物质对细菌有排斥作用,比如说吲哚、部分金属离子(如镍离子),这些物质告诉细菌此地不宜久留。不过这些分类并不一定对所有细菌都适用。甲之蜜糖,乙之砒霜。举个例子:苯酚对于大肠杆菌有吸引作用,但是对沙门氏菌却有排斥作用。


感受器“闻”到这些物质以后,就会在细胞内通过信号分子告诉鞭毛控制自己的方向:

  • 在探测到有吸引作用的物质(attractant)时,鞭毛逆时针旋转,细菌会更频繁地直线游动
  • 在探测到有排斥作用的物质(repellent)时,鞭毛顺时针旋转,细菌会更频繁地原地打转

注意这两种运动方式是都是交替进行的,细菌不会一直直线游动或者一直打转。只不过这两种运动的频率会随环境而变化。

为什么这样做可以达到趋利避害的效果呢?如果细菌闻到了喜欢的物质,说明目前的行动方向是对的,可以继续原路前进。如果闻到了不喜欢的物质,则说明自己走错路了,需要换个方向试试。这个策略虽然简单,但却可以很有效的帮助细菌找到食物或者躲避有害物质。


如果用回一开始冰淇淋的例子,细菌就是一个被蒙着眼睛,鼻子超灵的小孩。

“我闻到冰淇淋的味道了!直走看看!”

(可惜方向错了,越走越远)

“冰淇淋的味道没了,转几圈继续走!”

(虽然没有越走越远,但依旧不是正确的方向)

“还是没有冰淇淋的味道,继续打转!”

(终于方向对了)

“又闻到冰淇淋的味道了,直走!”

(找到了冰淇淋店)

怎么样,比我们人类麻烦的多吧。

细菌的运动机制还不止如此,细菌会不断地通过给感受器甲基化和去甲基化来调整自己的阈值。简单地说就是:细菌在一个环境呆久了会适应已有的环境,对原有的刺激不会再有那么强的反应。


我还记得小时候第一次接触麦当劳等快餐时那种兴奋的感觉,但长大后吃得多了也就会觉得那些快餐并不算什么。细菌也是如此,假如一个细菌在糖分较高的环境里开开心心地游了一段时间,它就会适应这个糖分浓度,开始时不时的原地打转。而且如果糖分降低了,它还会更加频繁的打转(就像遇到有排斥作用的物质一样)。如果想让它继续多以直线游动的方式运动,就需要用更高浓度的糖分来吸引它。这种机制让细菌变得“贪得无厌”,永远不安于现状,而是去寻找更好的生活环境。



想知道具体分子生物学原理的朋友可以看下面这篇文章:

还有一篇新一点的(感谢 @赵永峰 提供)



你说细菌要是遇到了这两货怎么办?

没办法,细菌既无法远程感知免疫细胞,跑得也没有免疫细胞快,只能被吞掉以后自求多福了。我们的免疫系统还是很厉害的。

(不过有时会也遇到肺结核杆菌这样的硬骨头,被吞了消化不了)


无奖竞猜:这个答案虽然只是在说单个细菌的行为,但有一处地方暗示了细菌间可以交流行动,你能找到在哪里吗?

提示:一种物质。


除了用双脚控制移动方向,我们还能用双手做出复杂的动作,比如说拿起手机,扫一下下图的二维码,关注一下这个知识和脑洞并存的公众号。


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谢邀!终于有一个我特别感兴趣的问题了!

题主也许没有意识到自己问了一个多大的问题。可以这么说,随手拿起任意一本微生物学课本,每本书从头到尾都是这个题目的回答。

因为“生存”是所有生物的终极目标,即便是微小到只有纳米微米级别的单细胞生物,甚至是非细胞结构的病毒等,概无例外。

从本身遗传物质的结构,到如何“复制”自己,再到如何找到“猎物”,如何和其他同种或是不同种生物竞争有限资源?如何适应变幻莫测的复杂环境?等等……以上种种,都是单细胞生物实现趋利避害的关键。如果全都展开说,我觉得还不如介绍大家去看课本。

我在这里想介绍的,也是特别吸引我的,是单细胞生物所表现出来的“群体”特征

最近偶然看到的关于粘球菌的一些文章就让人觉得非常新颖。作为一个研究微生物的,经常的,我会觉得这些只有几微米的小东西们简直成精了!所以这里就拿它们举个生存竞争的例子吧。


粘细菌(Myxococcus)是一种主要在土壤中存在的杆状细菌,很特别的是,它们以捕食其他微生物为生。虽然是单细胞生物,但是通常是上百万个细胞共同生活在被膜(biofilm)中。粘细菌的游动速度很快,能够随着环境而不断发展变化菌落的形态和大小,更表现出惊人的细胞—细胞之间的“交流”活动,呈现出精细巧妙的社会结构。

粘细菌之间的交流,已经远超过了单一的“互助互利”,含有相互的欺骗、识破欺骗,抑制、甚至是自我牺牲等过程,简直就如同一部精彩的宫斗大戏!

粘细菌中研究最多的,名叫黄色粘球菌Myxococcus xanthus)。一定要注意,被广为人知的“东京地铁”实验和“会走迷宫”的是黏菌 (Physarum polycephalum) 是真核生物,和我这里要介绍的粘细菌是完全不同的生物。

黄色粘球菌的单个细胞在电子显微镜下看长这样,它们生活在共同的被膜(biofilm)中,这种被膜不仅可以让细菌的游动速度更快,而且可以很好的保护细胞——想打破这种biofilm获得单独的细胞,就不得不进行超声破碎。

黄色粘球菌的生命周期比较特别,先简单介绍一下,后面再进行详解:

在有大量营养物质的条件下,这些杆状的细菌会迅速的游动,到处进行捕食,这时候的菌落,并没有太多规则的形状。

但是一旦感知到食物缺乏,黄色粘球菌菌落表面会形成波浪起伏的“涟漪”一般的样子,细胞开始聚集起来,慢慢越聚越多,形成小山丘一样的小包。这些小山丘长得越来越高,形成子实体,最上面的细菌会形成可以对抗恶劣环境的繁殖孢子。这些孢子等待时机,等食物不再贫乏后,又会再次长成可以游走的粘球菌细胞。

整个过程如下图所示。

菌落表面会呈现一种像是“涟漪”一般的波纹,这是黄色粘球菌的群落的特点,像这样:

其实这是是由高密度细胞形成的“脊”状结构,被低密度细胞展现出的“沟”分隔,从而形成的视觉对比。这种排列方式能让他们有效的捕食其他微生物。

在食物丰富的时候,生活在一起的细菌相安无事,大家都一起努力扩展地盘。但是如同任何社会中会存在的问题一样,黄色粘球菌群落中也常常存在“欺诈分子”。

一种欺诈分子,是“混入我军的奸细”,也就是说,是其他看起来长得很像,但其实是不同基因型的细胞。

还有一种欺诈分子,是不捕食只薅社会主义的羊毛,侵占社会福利的同基因型细胞。

为了对付第一种“欺诈分子”,微生物有一套非常精妙的,可以辨别亲缘关系的系统——同种识别(allorecognition)系统,也就是说,两个不同基因型的细胞会相互识别并排斥,使得不同的细胞无法进行聚集和形成子实体。这使得外源的欺诈细胞无法混入大部队中占便宜,而且可以提高子实体中的细胞密度,更有利于群落的生存。

另外,微生物如果识别到自己的邻居并非同基因型的亲戚,它们会产生抗菌素,消灭这些“欺诈分子”。

而第二种“欺诈分子”似乎更常见,在实验室的菌株和自然中的菌株中,都观察到了详实的欺诈行为。但似乎老天是公平的,这些“欺诈”细胞本身往往有其他的缺陷,比如游动速度较慢等,这在一定程度上使得这些欺诈细胞并无法完全成为群落中的大多数。

但是土壤中并不是时时刻刻都会有丰富的食物来源,而是时不时地需要“忍饥挨饿”。在挨饿的时候,黄色粘球菌的生长会放缓慢,与此同时,如同树木在秋天需要落叶一样,整个群体开始其独特的变化:形成特异性子实体(fruiting body)

通常在养料断绝后的4-6小时左右,所有的细胞都已经开始对饥饿做出了反应。此时,细胞移动速度的降低,并开始往一起聚集,聚集中心点出现,很快形成初期的子实体(每个子实体此时含有大约10^5个密集堆积的细胞)。

形成子实体的细胞虽然都是黄色粘球菌细胞,但它们的分工和作用有很大不同:

最重要的中心孢子细胞会形成孢子。因为孢子具有很强的抗旱,抗紫外线,甚至对抗生素也有很强的抵抗力从而更可能存活下来。

子实体外围的杆状细胞,也可以在营养虽然比较缺乏,但还没有严峻到非要产生孢子不可的条件下生存下来。

剩下的其他细胞,则需要做出“牺牲”,以自身死亡为代价,为其他两种细胞提供养分。

在子实体中,有大概10%的细胞异化,形成孢子;有30%的细胞形成子实体外围的部分,最后剩下的60%的细胞需要“舍己为人”。

那在子实体形成的过程中,该怎么决定谁会形成孢子“永世流传”,谁又需要被牺牲掉呢?毕竟谁都不想死啊……

这目前还是一个结论待定的问题。这些研究过程涉及很多专业术语和分子生物学的知识,似乎不太适合做简单的科普,所以我会在我的专栏一碗梅洋汤-主食/正餐中试图做更多的解答,敬请期待……

参考资料:

O’Connor, K. A. & Zusman, D. R. Development in Myxococcus xanthus involves differentiation into two cell types, peripheral rods and spores. J. Bacteriol. 173, 3318–3333 (1991).

Nariya, H. & Inouye, M. MazF, an mRNA interferase, mediates programmed cell death during multicellular Myxococcus development. Cell 132, 55–66 (2008).

Wireman, J. W. & Dworkin, M. Developmentally induced autolysis during fruiting body formation by Myxococcus xanthus. J. Bacteriol. 129, 798–802 (1977).

Claessen, D., Rozen, E. D., Kuipers, P. O., Søgaard-Andersen, L., van Wezel, P. G. Bacterial solutions to multicellularity: a tale of biofilms, filaments and fruiting bodies. Nature Reviews Microbiology 12, 115–124 (2014)

Velicer, G. J., Kroos, L. & Lenski, R. E. Developmental cheating in the social bacterium Myxococcus xanthus. Nature 404, 598–601 (2000).

Kraemer, S. A. & Velicer, G. J. Endemic social diversity within natural kin groups of a cooperative bacterium. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 10823–10830 (2011).

Velicer, G. J., Kroos, L. & Lenski, R. E. Loss of social behaviors by Myxococcus xanthus during evolution in an unstructured habitat. Proc. Natl Acad. Sci. USA 95, 12376–12380 (1998).




  

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