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細菌真的很臭。 任何鼻孔曾面對一盒凝結的牛奶或一雙仍然浸透馬拉松記憶的襪子的人都承認這個事實。 但一篇新論文表明，細菌不僅僅散發氣味，它們也能聞到氣味。 根據8月11日發表在《生物技術雜誌》（BTJ）上的一項研究，細菌菌落可以檢測到鄰近菌落釋放出的刺激性氨分子，並透過用保護性粘液覆蓋自身來做出反應。 這不僅是細菌具有嗅覺的首個證據，研究結果也可能代表了進化史上最早的嗅覺形式之一。
德克薩斯大學西南醫學中心達拉斯分校的微生物學家瓦妮莎·斯佩蘭迪奧說：“這是一篇有趣的論文”，她沒有參與這項研究。“細菌的嗅覺不像擁有鼻子的多細胞生物，但這可能是後來發展的原始形式。我認為這是首次有人證明細菌細胞實際上可以感知像氨氣這樣的有氣味的 gases。但這並不是我們第一次證明細菌可以感知氣體。例如，細菌可以檢測氧氣。”
細菌還會釋放、檢測和響應有機訊號分子，這個過程被稱為群體感應。 這篇新論文的作者區分了嗅覺——或聞氣味——和群體感應，因為後者通常涉及在共享液體介質中細菌之間交換的分子，而前者涉及揮發性（空氣傳播的）分子，隨後被物理屏障隔開的不同菌落檢測到。
BTJ 的這項研究起源於一次意外。 研究人員最初並非專門致力於研究細菌如何響應空氣傳播的分子。 相反，他們試圖瞭解細菌如何產生生物膜——一種結構化的粘液，使微生物能夠粘附在表面、聚集在一起並阻止其直接環境中的競爭者。
斯佩蘭迪奧說：“生物膜就像細菌居住的城市。 細菌分泌一種粘性基質，並將自身組織成多細胞結構，其中有通道供水和營養物質流入和流出。”
為了節省實驗室空間，研究人員決定使用一塊微量滴定板——一個帶有 96 個小孔的塑膠托盤，為常見的土壤細菌地衣芽孢桿菌創造兩種生長條件。 在板左側的所有孔中，研究人員在複雜的富營養培養基中培養細菌； 在右半部分，他們使用了一種營養物質較少但專門設計用於刺激生物膜生長的培養基。
右側誘導粘液生長的培養基中的細菌產生了生物膜，但並非均勻產生。 相反，研究人員觀察到一個梯度：板中間，最靠近左側以富營養培養基為食的細菌的培養物滲出最多的粘液，並呈現粉紅色。 那些距離板最右側的營養充足的細菌最遠的培養物，粘性最差，粉紅色也最淺。 由於每個細菌菌落都在其自己的單獨孔中生長，菌落之間沒有直接接觸，因此研究人員懷疑，板右側的粘性菌落可能以某種方式響應了來自左側營養充足的菌落的空氣傳播訊號。 檢測到這種空氣傳播訊號將解釋粘液梯度，因為與最右側的菌落相比，最靠近板中間的粘性右側菌落將檢測到更多從左側菌落漂浮過來的分子。
紐卡斯爾大學的海洋生物學家、這項新研究的主要作者雷恩德特·尼日蘭說：“唯一可能導致這種情況的是富營養培養基中細菌產生的東西——而且它必須是空氣中的東西，因為沒有其他介質將它們連線起來。”
實驗者測試了他們是否可以在其他種類的細菌中複製粘液梯度，包括枯草芽孢桿菌、藤黃微球菌和大腸桿菌。 每次他們都發現了相同的效果：營養匱乏的菌落越靠近富營養培養基中的細菌生長，前者就變得越粘稠。 尼日蘭說：“我們測試了我們在實驗室中擁有的一大堆菌株，這些菌株是從海藻、螃蟹和鯊魚中分離出來的。 我發現使用哪種細菌菌株並不重要，只要我使用的是含有大量氨氣的富營養培養基。”
每當研究人員在含有硫酸銨的培養基中培養細菌菌落時——許多細菌將硫酸銨分解為氨氣以獲取氮——不同培養基中的鄰近菌落都會透過產生更多的粘液來做出反應。 注意到這一點，實驗者推斷氨氣是細菌正在響應的空氣傳播分子。 尼日蘭認為，當營養充足的細菌分解其生長培養基中的營養物質並以代謝副產物形式排放過量氨氣時，鄰近的菌落會檢測到這種氣體，並透過產生生物膜來做出反應。 為了進一步證實他們的結果，研究人員在裝有氨溶液的孔附近培養細菌菌落，並發現了相同的粘液梯度。 細菌菌落一次又一次地對氨氣做出反應，滲出粘液。
一種可能性是，細菌實際上並沒有響應鄰近菌落的存在，而僅僅是因為氨氣提高了細菌周圍環境的 pH 值而產生生物膜——pH 值是一種可能促進粘液生長的環境壓力源。 然而，研究人員指出，即使在氨氣濃度較低，不會顯著改變 pH 值的情況下，他們也觀察到了他們的結果； 他們還緩衝了生長培養基，以進一步控制 pH 值的變化。
研究人員得出結論，細菌能夠進行嗅覺——跨距離生物檢測揮發性化學物質——並假設這種感覺可能首先在細菌中進化出來。 儘管研究人員不確定細菌如何檢測空氣中的氨氣，但他們對細菌為何會產生粘液以響應揮發性氨氣有一些假設。 尼日蘭解釋說：“它們感知到這種氨氣，這對它們來說是附近有營養物質的跡象”，空氣傳播的氨氣不僅可以讓細菌菌落了解重要資源的所在地，還可以讓它們瞭解已經獲得這些資源的競爭對手菌落。 研究人員認為，生物膜可能具有雙重功能：它可以幫助細菌菌落作為一個集體蜂群向資源生長，也可能有助於阻止競爭菌落。
尼日蘭說：“我們已經證明細菌可以聞到附近是否有食物，並對此做出反應。 我傾向於認為這更像是獲取營養物質的方式，但與此同時，這意味著其他細菌已經存在，因此開啟防禦機制也是有道理的。 生物膜可能既是一種保護形式，也是一種遷移手段。”
格羅寧根生物分子科學與生物技術研究所的分子遺傳學家奧斯卡·庫珀斯的研究重點是細菌，他對細菌為什麼需要感知環境中的氨氣特別感興趣。 他提出，對於生活在乾燥環境中的細菌來說，分子無法輕易在菌落之間擴散，空氣傳播的氨氣可以作為氮源的重要指標。 此外，庫珀斯同意，乾燥環境中的細菌最好透過使用生物膜在陸地上蔓延來獲得這些資源。 他還推測粘液可以保護細菌免受高濃度有毒氣體的侵害。
由於生物膜增加了細菌對抗生素的抗性，並且已知會覆蓋許多植入的醫療裝置，因此更多地瞭解細菌如何以及為何產生粘液可能具有重要的醫學應用。 斯佩蘭迪奧說：“病原體傾向於在塑膠導管中形成厚厚的生物膜，而且在許多心臟瓣膜被生物膜汙染的情況下，這可能導致患者敗血症[感染]。 生物膜的性質決定了它們很難控制。”
斯佩蘭迪奧補充說：“我認為他們接下來必須做的是找到細菌對氨氣的感測器。” 庫珀斯表示同意。 他透過電子郵件寫道：“有趣的是，揮發物必須以某種方式被感知，也許是透過受體或轉運系統，並且訊號需要傳遞下去以誘導負責生物膜形成的基因。 一個巨大的挑戰是找出這種訊號轉導如何在分子水平上發生。”