科普®细菌之间的一种对话交流的方式

人类社会而言, 个体的作用总归是渺小的, 要做成一件大事, 需要群策群力, 需要人与人之间的交流, 只有个体数目达到了一定的数量形成一种规模, 然后采取统一行动, 才会有出现规模效应。当然林子大了了, 什么鸟都会有, 如何产生统一行动, 形成真正的规模效应呢? 显然需要某种有调节作用的信号机制。

在微观领域,有这样一个逐渐引起研究人员注意的术语 → QuorumSensing, 百度里有人将这个术语翻译成“群体感应”以及“群体效应”, 我个人认为“量感效应”可能更加贴切一点。

它指的是细菌和其对应的寄主或者宿主之间发生相互作用的过程中, 细菌通过分泌特定的信号分子, 用以感受细菌群体密度的一种行为调控机制,而感受细菌群体数量或者密度的信号分子称为自诱导剂(autoinducer)。当个体的细菌数量达到一定程度后, 自诱导剂的量达到一定临界浓度, 细菌相应地启动控制基因表达的开关, 用以调节细菌群体的行为。这种感受机制既可以发生在同一种类的细菌之间, 也可以发生在不同种类的细菌之间。

给您举个例子,我们研究植物疾病的抗性,使用的模式病原菌是软腐菌(Pectobacterium caratovorum subsp. caratovorum)。它是一种革兰氏阴性细菌,最早在1901年由一个叫JONES的人从胡萝卜中分离并结合胡萝卜这个词根命名为 Erwinia carotovora subsp.carotovora, 该名字一直沿用到前几年才更改成现有的名字。它通过分泌一系列的细菌性胞外酶来降解植物细胞壁,从而获得赖以生存繁衍的营养成分, 对植物有很强的攻击性。您瞧一瞧:

1) 被感染的胡萝卜

2) 被感染的土豆

3) 被感染的芹菜

3) 被感染的白菜

当我们使用这一植物病原菌侵染模式植物拟南芥的时候, 发现该病原菌分泌一种小分子充当细菌与细菌之间相互交流的信使, 协调细菌群体之间的行为, 即“N－酰基－高丝氨酸内酯”: 

但是, 当我们找到阻止形成这一信号分子的方法后, 该病原菌的感染能力就大为削弱了, 理论上将来是可以用于易感蔬菜的保鲜。不过, 俺现在对这个兴趣已经不大, 主要还是新鲜蔬菜最好吃啊。

接下来看另外一个更好玩的例子, 下面的海洋鱿鱼挺好看的哈→ 夏威夷短尾鱿鱼(Hawaiian bobtail squid), 体型很小, 大约只有5厘米长。

别看它小, 却很聪明, 为了防止被攻击消灭, 它采用昼伏夜出的生活方式。“床前明月光”固然对人来说富有诗意, 可是对于黑暗中找吃食的夏威夷短尾鱿鱼而言, 就可能遭遇灭顶之灾。当有月光透过水面的时候, 海底会由于夏威夷短尾鱿鱼的出现而形成对应的阴影。无论是对于以夏威夷短尾鱿鱼为生的捕食者、还是身为夏威夷短尾鱿鱼的猎物, 无疑都是一个警戒信号, 要么“出师未遂身先死” → 被捕食者吃掉了, 要么“竹篮打水一场空” → 猎物逃跑掉了。

为了谋求生存, 夏威夷短尾鱿鱼和有生物发光能力的费氏弧菌(Vibrio fischeri)共生。这些细菌生活在夏威夷短尾鱿鱼位于腹部位置的光器反射器(light organ reflector)内, 取决于外部环境, 夏威夷短尾鱿鱼以朝海底发光的形式来消除月光照射它的身体所形成的阴影,当然这种光强度不是人的肉眼能觉察出来的, 需要仪器检测方可。

然而, 要让夏威夷短尾鱿鱼发光, 其光器反射器必须得到充分的发育才行。费氏弧菌在光器反射器内落脚扎根后,一旦控制不当,假使夏威夷短尾鱿鱼的光器反射器还没有发育成熟, 就会因为过量的繁殖费氏弧菌而消耗掉夏威夷短尾鱿鱼大量的营养成分,导致其代谢紊乱,从而对夏威夷短尾鱿鱼构成一场灾难。

籍此, 费氏弧菌的量感信号系统(目前已经鉴定有不同的小分子信号)就派上了用场。一旦初始的共生关系建立起来, 而且夏威夷短尾鱿鱼的光器反射器也发育成熟, 费氏弧菌群就可以在很短的时期内达到109-1011 的数量级, 每天早晨, 大约有 90-95% 的费氏弧细菌则被排出体外。

<<夜夜夜夜>>不单单是大家喜欢的一首歌, 夏威夷短尾鱿鱼也好这一口, 通过和费氏弧菌的形成共生系统在黑夜里发光来消除月光带来的不良后果。但这也不是它的聪明所表现出的唯一, 它白天把自己埋在沙子里，然后利用其触角把沙子覆盖住它身子和它那双隆起的眼睛, 您可以点击连接欣赏细节。