細菌能儲存“記憶”并傳給“曾孫”？
記憶通常與高等生物有關(guān)。不過，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家日前開展的一項研究發(fā)現(xiàn)：盡管缺乏神經(jīng)元、突觸和神經(jīng)系統(tǒng)，但當(dāng)數(shù)百萬只細菌聚集于同一表面時，它們能夠形成類似于記憶的東西，比如何時一起游動、何時形成生物膜等，而且細菌至少可以將這些“記憶”傳給自己的“曾孫”。進一步分析顯示，看似平淡無奇的鐵是細菌形成此種“記憶”的幕后功臣。相關(guān)論文刊載于《美國國家科學(xué)院院刊》。
那么，細菌真能形成“記憶”并傳給后代嗎？中國科學(xué)院微生物研究所微生物資源前期開發(fā)國家重點實驗室研究員付鈺告訴科技日報記者：“嚴格來說，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校科學(xué)家開展的這項研究所闡述的細菌‘記憶’并非生物學(xué)意義上的記憶，而是細菌基于鐵元素濃度變化而產(chǎn)生的對外界刺激的反應(yīng)。這使細菌在復(fù)雜環(huán)境下更好地生存與繁殖。”
“最新研究對我們應(yīng)對細菌耐藥性有啟發(fā)意義，比如我們可以人為調(diào)節(jié)鐵的濃度，從而減少細菌對感染部位的附著，降低細菌對抗生素的耐受，方便免疫系統(tǒng)清除病原細菌并加強抗生素的療效。”付鈺進一步強調(diào)。
鐵是幕后功臣之一
包括人類在內(nèi)的高等動物擁有記憶能力，這種能力能讓高等動物不斷適應(yīng)環(huán)境的改變，快速作出正確的反應(yīng)。研究顯示，這種記憶能力源于神經(jīng)組織。神經(jīng)組織在接受外界刺激后會形成神經(jīng)沖動，神經(jīng)沖動對于特定刺激形成條件反射，并能在今后遇到同樣刺激時作出相應(yīng)的反應(yīng)。
付鈺介紹：“細菌雖然沒有大腦，不能像高等動物那樣記憶信息，但在某種意義上，它們確實具有‘記憶’機制。這種機制主要體現(xiàn)在它們對環(huán)境變化的適應(yīng)性，以及對遺傳信息和化學(xué)物質(zhì)的傳遞上。”
細菌可以從環(huán)境中收集信息。如果它們經(jīng)常遇到這種環(huán)境，它們能存儲信息，并在以后快速訪問這些信息，這對它們有利。
得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家蘇維克·巴塔查里亞領(lǐng)導(dǎo)的團隊開展的這項最新研究發(fā)現(xiàn)，細菌不僅可以形成“記憶”，還可將“記憶”傳給自己的后代。
科學(xué)家此前觀察到，有過群聚運動（眾多細菌在鞭毛驅(qū)動下進行的快速運動）經(jīng)驗的細菌會更愿意且更有能力成群結(jié)隊地運動。巴塔查里亞等人希望厘清這一現(xiàn)象的內(nèi)在原因。為此，他們設(shè)計了一種實驗裝置，可監(jiān)測由超過1萬個大腸桿菌細胞組成的群聚運動。一系列分析結(jié)果顯示，這些大腸桿菌可以將形成群聚運動的“記憶”保留至少四代，也就是傳給自己的“曾孫”，直到第七代才會完全消失。
那么，這種“記憶”是通過什么方式保留和傳遞的呢？答案指向了鐵。鐵是地球上最豐富的元素之一。在氧氣出現(xiàn)于早期地球的大氣中之前，鐵在早期生命的許多細胞過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，對生命的進化至關(guān)重要。
巴塔查里亞解釋道，大腸桿菌的上述“記憶”機制源于大腸桿菌細胞內(nèi)鐵元素含量的變化。他們的觀測結(jié)果顯示，不同細菌含有不同水平的鐵，這對于其細胞代謝非常重要。鐵元素含量較低的大腸桿菌更容易成群結(jié)隊運動。而那些細胞內(nèi)鐵含量較高的細菌則往往傾向原地不動，形成生物膜。這些大腸桿菌的后代，會繼承其“父輩”細胞內(nèi)的物質(zhì)，從而繼承了群聚運動的“記憶”。
研究人員推測，當(dāng)鐵含量較低時，細菌會快速集結(jié)，形成快速運動的群體，在環(huán)境中尋找鐵。當(dāng)鐵含量高時，細菌可以原地附著并形成生物膜。
他們的最新研究還發(fā)現(xiàn)，人為升高或降低大腸桿菌細胞內(nèi)鐵元素的含量，可以縮短或延長“記憶”保存的時間。
付鈺認為，鐵作為生命活動中重要的元素，在細菌各種生化反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。因此，鐵濃度的變化可以調(diào)控細菌應(yīng)對外界環(huán)境的方式，其實并不令人意外。
助力應(yīng)對抗生素耐藥性
巴塔查里亞表示，細菌知道何時形成群聚運動、何時形成生物膜的“記憶”。這一特點或許也在其感染人類時起到了重要的作用。因此，這些發(fā)現(xiàn)對于細菌感染的治療和預(yù)防具有重要意義，有助于應(yīng)對抗生素耐藥性。巴塔查里亞強調(diào)，鐵濃度絕對是治療細菌感染的靶標(biāo)之一，因為鐵是決定細菌毒性的重要因素。
付鈺解釋說：“當(dāng)鐵元素濃度較高時，大腸桿菌傾向于停止運動形成生物膜，生物膜的形成可以提高細菌的耐藥性。而當(dāng)大腸桿菌體內(nèi)的鐵濃度較低時，細菌對抗生素的耐受性較差。這些都對我們應(yīng)對細菌耐藥有啟發(fā)意義，比如我們可以通過改變鐵的濃度使細菌難以形成生物膜，并降低其對抗生素的耐受性，從而高效地治療感染。”
“微生物所表現(xiàn)出的‘記憶’可能基于各種機制，但歸根結(jié)底，所有這些都是微生物在長期進化中形成的對外界環(huán)境變化的快速反應(yīng)。小細菌擁有大智慧，無數(shù)有意思的現(xiàn)象等待科學(xué)家們一一解析。”付鈺總結(jié)道。
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