記憶通常與高等生物有關(guān)。不過(guò)，美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家日前開展的一項(xiàng)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(wàn)只細(xì)菌聚集于同一表面時(shí)，它們能夠形成類似于記憶的東西，比如何時(shí)一起游動(dòng)、何時(shí)形成生物膜等，而且細(xì)菌至少可以將這些“記憶”傳給自己的“曾孫”。進(jìn)一步分析顯示，看似平淡無(wú)奇的鐵是細(xì)菌形成此種“記憶”的幕后功臣。相關(guān)論文刊載于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。
那么，細(xì)菌真能形成“記憶”并傳給后代嗎？中國(guó)科學(xué)院微生物研究所微生物資源前期開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員付鈺告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校科學(xué)家開展的這項(xiàng)研究所闡述的細(xì)菌‘記憶’并非生物學(xué)意義上的記憶，而是細(xì)菌基于鐵元素濃度變化而產(chǎn)生的對(duì)外界刺激的反應(yīng)。這使細(xì)菌在復(fù)雜環(huán)境下更好地生存與繁殖。”
“最新研究對(duì)我們應(yīng)對(duì)細(xì)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(xì)菌對(duì)感染部位的附著，降低細(xì)菌對(duì)抗生素的耐受，方便免疫系統(tǒng)清除病原細(xì)菌并加強(qiáng)抗生素的療效。”付鈺進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)。
鐵是幕后功臣之一
包括人類在內(nèi)的高等動(dòng)物擁有記憶能力，這種能力能讓高等動(dòng)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(huì)形成神經(jīng)沖動(dòng)，神經(jīng)沖動(dòng)對(duì)于特定刺激形成條件反射，并能在今后遇到同樣刺激時(shí)作出相應(yīng)的反應(yīng)。
付鈺介紹：“細(xì)菌雖然沒有大腦，不能像高等動(dòng)物那樣記憶信息，但在某種意義上，它們確實(shí)具有‘記憶’機(jī)制。這種機(jī)制主要體現(xiàn)在它們對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，以及對(duì)遺傳信息和化學(xué)物質(zhì)的傳遞上。”
細(xì)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(chǔ)信息，并在以后快速訪問(wèn)這些信息，這對(duì)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(tuán)隊(duì)開展的這項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)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(guò)群聚運(yùn)動(dòng)（眾多細(xì)菌在鞭毛驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的快速運(yùn)動(dòng)）經(jīng)驗(yàn)的細(xì)菌會(huì)更愿意且更有能力成群結(jié)隊(duì)地運(yùn)動(dòng)。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?cè)O(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，可監(jiān)測(cè)由超過(guò)1萬(wàn)個(gè)大腸桿菌細(xì)胞組成的群聚運(yùn)動(dòng)。一系列分析結(jié)果顯示，這些大腸桿菌可以將形成群聚運(yùn)動(dòng)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(huì)完全消失。
那么，這種“記憶”是通過(guò)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(xì)胞過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，對(duì)生命的進(jìn)化至關(guān)重要。
巴塔查里亞解釋道，大腸桿菌的上述“記憶”機(jī)制源于大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)鐵元素含量的變化。他們的觀測(cè)結(jié)果顯示，不同細(xì)菌含有不同水平的鐵，這對(duì)于其細(xì)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(duì)運(yùn)動(dòng)。而那些細(xì)胞內(nèi)鐵含量較高的細(xì)菌則往往傾向原地不動(dòng)，形成生物膜。這些大腸桿菌的后代，會(huì)繼承其“父輩”細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，從而繼承了群聚運(yùn)動(dòng)的“記憶”。
研究人員推測(cè)，當(dāng)鐵含量較低時(shí)，細(xì)菌會(huì)快速集結(jié)，形成快速運(yùn)動(dòng)的群體，在環(huán)境中尋找鐵。當(dāng)鐵含量高時(shí)，細(xì)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(xì)胞內(nèi)鐵元素的含量，可以縮短或延長(zhǎng)“記憶”保存的時(shí)間。
付鈺認(rèn)為，鐵作為生命活動(dòng)中重要的元素，在細(xì)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(xì)菌應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的方式，其實(shí)并不令人意外。
助力應(yīng)對(duì)抗生素耐藥性
巴塔查里亞表示，細(xì)菌知道何時(shí)形成群聚運(yùn)動(dòng)、何時(shí)形成生物膜的“記憶”。這一特點(diǎn)或許也在其感染人類時(shí)起到了重要的作用。因此，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于細(xì)菌感染的治療和預(yù)防具有重要意義，有助于應(yīng)對(duì)抗生素耐藥性。巴塔查里亞強(qiáng)調(diào)，鐵濃度絕對(duì)是治療細(xì)菌感染的靶標(biāo)之一，因?yàn)殍F是決定細(xì)菌毒性的重要因素。
付鈺解釋說(shuō)：“當(dāng)鐵元素濃度較高時(shí)，大腸桿菌傾向于停止運(yùn)動(dòng)形成生物膜，生物膜的形成可以提高細(xì)菌的耐藥性。而當(dāng)大腸桿菌體內(nèi)的鐵濃度較低時(shí)，細(xì)菌對(duì)抗生素的耐受性較差。這些都對(duì)我們應(yīng)對(duì)細(xì)菌耐藥有啟發(fā)意義，比如我們可以通過(guò)改變鐵的濃度使細(xì)菌難以形成生物膜，并降低其對(duì)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(jī)制，但歸根結(jié)底，所有這些都是微生物在長(zhǎng)期進(jìn)化中形成的對(duì)外界環(huán)境變化的快速反應(yīng)。小細(xì)菌擁有大智慧，無(wú)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。
鏈接—— 各種細(xì)菌的“記憶”不是真記憶
細(xì)菌“記憶”多種多樣。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所微生物資源前期開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員付鈺介紹，在對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性方面，細(xì)菌可通過(guò)改變自身的基因表達(dá)來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境條件。如當(dāng)細(xì)菌與抗生素“狹路相逢”時(shí)，它們可能會(huì)激活一些原本處于沉默狀態(tài)的耐藥基因，從而獲得對(duì)抗生素的耐受性。而當(dāng)環(huán)境條件恢復(fù)正常時(shí)，它們又會(huì)關(guān)閉這些基因。這種對(duì)環(huán)境變化的快速響應(yīng)和適應(yīng)，可以被看成是一種“記憶”機(jī)制。
在對(duì)遺傳信息的傳遞方面，細(xì)菌可以通過(guò)垂直遺傳（從母細(xì)胞到子細(xì)胞）和水平遺傳（如質(zhì)粒交換）的方式，將有利于其生存的遺傳信息傳遞給后代或其他細(xì)菌，這可以被看作是一種長(zhǎng)期的“記憶”機(jī)制。
而在化學(xué)物質(zhì)的傳遞方面，細(xì)菌一般通過(guò)分裂來(lái)繁殖。在分裂過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)會(huì)“分道揚(yáng)鑣”進(jìn)入兩個(gè)細(xì)胞內(nèi)，這樣化學(xué)物質(zhì)所介導(dǎo)的特定反應(yīng)會(huì)延續(xù)一段時(shí)間，體現(xiàn)出細(xì)菌擁有“記憶”。
然而，這些“記憶”其實(shí)都不是真正的記憶。
人們很早就發(fā)現(xiàn)釀酒酵母在遭到DNA損傷物質(zhì)的脅迫后，下一次面臨同樣境遇時(shí)，酵母細(xì)胞的成活率會(huì)大大提高。這看來(lái)就好像是酵母細(xì)胞“記住”了如何應(yīng)對(duì)DNA損傷的脅迫。研究人員對(duì)這一現(xiàn)象開展了研究，并于2022年在《應(yīng)用和環(huán)境微生物學(xué)》雜志刊發(fā)論文揭示了其中的秘密：釀酒酵母在受到DNA損傷物質(zhì)的脅迫時(shí)，會(huì)分泌一些小肽。這些小肽會(huì)殺死群體中一些不太健康的個(gè)體，從而提高了群體應(yīng)對(duì)脅迫的能力。這種看似是“吃一塹長(zhǎng)一智”的“記憶”現(xiàn)象，事實(shí)上更像是“優(yōu)勝劣汰”。
記憶通常與高等生物有關(guān)。不過(guò)，美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家日前開展的一項(xiàng)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(wàn)只細(xì)菌聚集于同一表面時(shí)，它們能夠形成類似于記憶的東西，比如何時(shí)一起游動(dòng)、何時(shí)形成生物膜等，而且細(xì)菌至少可以將這些“記憶”傳給自己的“曾孫”。進(jìn)一步分析顯示，看似平淡無(wú)奇的鐵是細(xì)菌形成此種“記憶”的幕后功臣。相關(guān)論文刊載于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。
那么，細(xì)菌真能形成“記憶”并傳給后代嗎？中國(guó)科學(xué)院微生物研究所微生物資源前期開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員付鈺告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校科學(xué)家開展的這項(xiàng)研究所闡述的細(xì)菌‘記憶’并非生物學(xué)意義上的記憶，而是細(xì)菌基于鐵元素濃度變化而產(chǎn)生的對(duì)外界刺激的反應(yīng)。這使細(xì)菌在復(fù)雜環(huán)境下更好地生存與繁殖。”
“最新研究對(duì)我們應(yīng)對(duì)細(xì)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(xì)菌對(duì)感染部位的附著，降低細(xì)菌對(duì)抗生素的耐受，方便免疫系統(tǒng)清除病原細(xì)菌并加強(qiáng)抗生素的療效。”付鈺進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)。
鐵是幕后功臣之一
包括人類在內(nèi)的高等動(dòng)物擁有記憶能力，這種能力能讓高等動(dòng)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(huì)形成神經(jīng)沖動(dòng)，神經(jīng)沖動(dòng)對(duì)于特定刺激形成條件反射，并能在今后遇到同樣刺激時(shí)作出相應(yīng)的反應(yīng)。
付鈺介紹：“細(xì)菌雖然沒有大腦，不能像高等動(dòng)物那樣記憶信息，但在某種意義上，它們確實(shí)具有‘記憶’機(jī)制。這種機(jī)制主要體現(xiàn)在它們對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，以及對(duì)遺傳信息和化學(xué)物質(zhì)的傳遞上。”
細(xì)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(chǔ)信息，并在以后快速訪問(wèn)這些信息，這對(duì)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(tuán)隊(duì)開展的這項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)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(guò)群聚運(yùn)動(dòng)（眾多細(xì)菌在鞭毛驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的快速運(yùn)動(dòng)）經(jīng)驗(yàn)的細(xì)菌會(huì)更愿意且更有能力成群結(jié)隊(duì)地運(yùn)動(dòng)。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?cè)O(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，可監(jiān)測(cè)由超過(guò)1萬(wàn)個(gè)大腸桿菌細(xì)胞組成的群聚運(yùn)動(dòng)。一系列分析結(jié)果顯示，這些大腸桿菌可以將形成群聚運(yùn)動(dòng)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(huì)完全消失。
那么，這種“記憶”是通過(guò)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(xì)胞過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，對(duì)生命的進(jìn)化至關(guān)重要。
巴塔查里亞解釋道，大腸桿菌的上述“記憶”機(jī)制源于大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)鐵元素含量的變化。他們的觀測(cè)結(jié)果顯示，不同細(xì)菌含有不同水平的鐵，這對(duì)于其細(xì)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(duì)運(yùn)動(dòng)。而那些細(xì)胞內(nèi)鐵含量較高的細(xì)菌則往往傾向原地不動(dòng)，形成生物膜。這些大腸桿菌的后代，會(huì)繼承其“父輩”細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，從而繼承了群聚運(yùn)動(dòng)的“記憶”。
研究人員推測(cè)，當(dāng)鐵含量較低時(shí)，細(xì)菌會(huì)快速集結(jié)，形成快速運(yùn)動(dòng)的群體，在環(huán)境中尋找鐵。當(dāng)鐵含量高時(shí)，細(xì)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(xì)胞內(nèi)鐵元素的含量，可以縮短或延長(zhǎng)“記憶”保存的時(shí)間。
付鈺認(rèn)為，鐵作為生命活動(dòng)中重要的元素，在細(xì)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(xì)菌應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的方式，其實(shí)并不令人意外。
助力應(yīng)對(duì)抗生素耐藥性
巴塔查里亞表示，細(xì)菌知道何時(shí)形成群聚運(yùn)動(dòng)、何時(shí)形成生物膜的“記憶”。這一特點(diǎn)或許也在其感染人類時(shí)起到了重要的作用。因此，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于細(xì)菌感染的治療和預(yù)防具有重要意義，有助于應(yīng)對(duì)抗生素耐藥性。巴塔查里亞強(qiáng)調(diào)，鐵濃度絕對(duì)是治療細(xì)菌感染的靶標(biāo)之一，因?yàn)殍F是決定細(xì)菌毒性的重要因素。
付鈺解釋說(shuō)：“當(dāng)鐵元素濃度較高時(shí)，大腸桿菌傾向于停止運(yùn)動(dòng)形成生物膜，生物膜的形成可以提高細(xì)菌的耐藥性。而當(dāng)大腸桿菌體內(nèi)的鐵濃度較低時(shí)，細(xì)菌對(duì)抗生素的耐受性較差。這些都對(duì)我們應(yīng)對(duì)細(xì)菌耐藥有啟發(fā)意義，比如我們可以通過(guò)改變鐵的濃度使細(xì)菌難以形成生物膜，并降低其對(duì)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(jī)制，但歸根結(jié)底，所有這些都是微生物在長(zhǎng)期進(jìn)化中形成的對(duì)外界環(huán)境變化的快速反應(yīng)。小細(xì)菌擁有大智慧，無(wú)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。
鏈接—— 各種細(xì)菌的“記憶”不是真記憶
細(xì)菌“記憶”多種多樣。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所微生物資源前期開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員付鈺介紹，在對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性方面，細(xì)菌可通過(guò)改變自身的基因表達(dá)來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境條件。如當(dāng)細(xì)菌與抗生素“狹路相逢”時(shí)，它們可能會(huì)激活一些原本處于沉默狀態(tài)的耐藥基因，從而獲得對(duì)抗生素的耐受性。而當(dāng)環(huán)境條件恢復(fù)正常時(shí)，它們又會(huì)關(guān)閉這些基因。這種對(duì)環(huán)境變化的快速響應(yīng)和適應(yīng)，可以被看成是一種“記憶”機(jī)制。
在對(duì)遺傳信息的傳遞方面，細(xì)菌可以通過(guò)垂直遺傳（從母細(xì)胞到子細(xì)胞）和水平遺傳（如質(zhì)粒交換）的方式，將有利于其生存的遺傳信息傳遞給后代或其他細(xì)菌，這可以被看作是一種長(zhǎng)期的“記憶”機(jī)制。
而在化學(xué)物質(zhì)的傳遞方面，細(xì)菌一般通過(guò)分裂來(lái)繁殖。在分裂過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)會(huì)“分道揚(yáng)鑣”進(jìn)入兩個(gè)細(xì)胞內(nèi)，這樣化學(xué)物質(zhì)所介導(dǎo)的特定反應(yīng)會(huì)延續(xù)一段時(shí)間，體現(xiàn)出細(xì)菌擁有“記憶”。
然而，這些“記憶”其實(shí)都不是真正的記憶。
人們很早就發(fā)現(xiàn)釀酒酵母在遭到DNA損傷物質(zhì)的脅迫后，下一次面臨同樣境遇時(shí)，酵母細(xì)胞的成活率會(huì)大大提高。這看來(lái)就好像是酵母細(xì)胞“記住”了如何應(yīng)對(duì)DNA損傷的脅迫。研究人員對(duì)這一現(xiàn)象開展了研究，并于2022年在《應(yīng)用和環(huán)境微生物學(xué)》雜志刊發(fā)論文揭示了其中的秘密：釀酒酵母在受到DNA損傷物質(zhì)的脅迫時(shí)，會(huì)分泌一些小肽。這些小肽會(huì)殺死群體中一些不太健康的個(gè)體，從而提高了群體應(yīng)對(duì)脅迫的能力。這種看似是“吃一塹長(zhǎng)一智”的“記憶”現(xiàn)象，事實(shí)上更像是“優(yōu)勝劣汰”。
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