來自 Quanta Magazine (在此處查詢原始故事)。
細菌有一個不幸的——而且不準確的——公眾形象，即它們是顯微鏡載玻片上孤立地擺弄的細胞。然而，科學家們對細菌瞭解得越多，就越發現這種隱士般的聲譽是極具誤導性的，就像試圖在不提及城市、法律或語言的情況下理解人類行為一樣。“人們過去將細菌視為……獨自生活的孤立生物，”加州大學聖地亞哥分校的生物物理學家Gürol Süel說。“事實上，自然界中的大多數細菌似乎都居住在非常稠密的群落中。”
細菌首選的群落形式似乎是生物膜。在牙齒上、管道上、岩石上和海洋中，微生物數十億地聚集在一起，並在自身周圍構建粘性有機超結構。在這些膜中，細菌可以分工合作：外部細胞可以抵禦威脅，而內部細胞可以產生食物。就像人類主要透過相互合作而取得成功一樣，細菌在群落中茁壯成長。當自由遊動的細胞很容易被抗生素消滅時，同類型的細胞一旦躲藏在膜中，抗生素往往就毫無用處。
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與所有群落一樣，共同居住的細菌需要交流資訊的方式。生物學家幾十年來一直知道細菌可以使用化學訊號來協調它們的行為。普林斯頓大學的Bonnie Bassler和其他人闡明的最著名的例子是群體感應，這是一個細菌分泌訊號分子的過程，直到高濃度足以觸發細胞形成生物膜或啟動其他集體行為。
但Süel和其他科學家現在發現，生物膜中的細菌也可以相互進行電交流。生物膜似乎使用帶電粒子來組織和同步大範圍的活動。這種電交換已被證明非常強大，以至於生物膜甚至利用它從周圍環境中招募新的細菌，並與鄰近的生物膜協商，以實現彼此的福祉。
“我認為這些可以說是近幾年微生物學領域最重要的進展，”普林斯頓大學研究群體感應的生物物理學家Ned Wingreen說。“我們正在瞭解一種全新的交流模式。”
當Süel在2012年作為一名年輕教授被招聘到聖地亞哥時，生物膜已經是一個熱門話題。但關於它們的許多方面仍然很神秘，包括個體細菌如何放棄它們的自由並定居在大型、靜止的社會中。為了獲得深入瞭解，Süel和他的同事培養了枯草芽孢桿菌的生物膜，這是一種常見的桿狀細菌，並用精密的顯微鏡觀察了它們數小時。在延時電影中，他們看到生物膜向外擴張，直到內部細胞消耗了可用的氨基酸穀氨酸鹽儲備，細菌將其用作氮源。然後生物膜會停止擴張，直到穀氨酸鹽得到補充。Süel和他的同事開始好奇內部細菌是如何告訴外部細胞何時分裂以及何時放鬆的。
群體感應是明顯的嫌疑物件。但Süel接受過物理學方面的培訓，他懷疑在他的芽孢桿菌菌落中，除了化學信使的擴散之外，還有更重要的因素在起作用。他專注於離子通道——嵌入細胞外膜並運送帶電粒子進出的特殊分子。離子通道可能最出名的是它們在神經細胞或神經元中的作用。大多數時候，神經元會泵出鈉離子（帶單正電荷），並讓不同數量的鉀離子（也帶單正電荷）進入。由此產生的電荷不平衡就像水堆積在水壩後面。當電脈衝震動神經元的膜時，特殊的通道會開啟，讓集中的離子湧入和湧出，實際上是打開了水壩的洩洪閘。這種交換沿著神經元傳播，產生在大腦中傳遞資訊的電“動作電位”。
Süel知道細菌也會將離子泵過它們的膜，並且最近的幾篇論文報道了細菌中至少與大腦中發現的那些電活動鬆散相似的電活動峰值。他想知道，細菌是否也可能使用動作電位機制來傳遞電訊號？
他和他的同事用熒游標記物處理了實驗室中的生物膜，這些標記物會被鉀離子和鈉離子啟用，當離子流出飢餓的細胞時，鉀標記物會發光。當離子到達附近的細胞時，這些細胞也會釋放鉀，重新整理訊號。訊號以這種方式向外流動，直到到達生物膜的邊緣。並且響應於該訊號，邊緣細胞停止分裂，直到內部細胞可以獲得營養，之後它們停止釋放鉀。
Süel的團隊隨後創造了沒有鉀通道的突變細菌，他們發現這些細胞的生長方式與之前的停停走走的方式不同。（研究人員在他們的實驗中也沒有看到標記的鈉離子的移動。）Süel和他的同事在2015年的自然雜誌上報道，像神經元一樣，細菌顯然使用鉀離子來傳播電訊號。
儘管與神經活動有相似之處，但Süel強調生物膜不僅僅像大腦。神經訊號除了鉀通道外，還依賴於快速作用的鈉通道，其傳播速度可以超過每秒100米——這種速度對於使動物能夠進行復雜的快速運動行為（如狩獵）至關重要。芽孢桿菌中的鉀波以每小時幾毫米的相對緩慢的速度傳播。“基本上，我們正在這些生物膜中觀察到一種原始形式的動作電位，”Süel說。“從數學角度來看，它們完全相同。只是一個速度快得多。”
細菌廣播
然而，Süel和他的同事對那個電訊號有更多疑問。當鉀驅動的電活動波到達生物膜的邊緣時，電活動可能會停止，但釋放到環境中的鉀離子云會繼續前進。因此，研究人員決定研究一旦鉀波離開生物膜會發生什麼。
今年的第一個答案發表在細胞雜誌的一篇論文中，他們在論文中表明，芽孢桿菌似乎使用鉀離子來招募自由遊動的細胞加入群落。令人驚訝的是，細菌不僅吸引了其他芽孢桿菌，還吸引了不相關的物種。看來，細菌可能已經進化為不僅生活在單一培養物中，而且還生活在多樣化的群落中。
幾個月後，Süel的團隊在科學雜誌上表明，透過交換鉀訊號，兩個芽孢桿菌生物膜可以“分時”共享營養物質。在這些實驗中，兩個細菌群落輪流食用穀氨酸鹽，使生物膜能夠更有效地消耗有限的營養物質。由於這種共享，生物膜的生長速度比細菌在沒有中斷的情況下儘可能多地食用時的生長速度更快。當研究人員使用離子通道被修飾為發出較弱訊號的細菌時，生物膜不再能夠協調它們的攝食，生長速度變慢。
Süel關於細菌如何進行電交流的發現使細菌研究人員感到興奮。
南加州大學的生物物理學家Moh El-Naggar說：“我認為這是目前生物學領域正在進行的最有趣的工作之一。”El-Naggar研究細菌如何使用特殊的細管傳輸電子，他稱之為奈米線。儘管這種傳輸也可以被認為是電交流的一種形式，但El-Naggar說，過去如果有人暗示細菌的行為與神經元相似，他會“踩剎車”。自從閱讀了Süel 2015年的論文以來，他改變了他的想法。“我們很多人都迫不及待地想看看會發生什麼，”他說。
密歇根州立大學的微生物學家Gemma Reguera認為，最近的發現加強了她長期以來一直向她的生物學家同行提出的一個論點：光、聲音和電等物理訊號對細菌與化學訊號同樣重要。“也許[Süel的發現]將有助於科學界和科學界以外的[人們]對細菌之間其他形式的物理交流持更開放的態度，”Reguera說。
研究人員興奮的部分原因是細菌之間的電訊號顯示出比化學介導的群體感應更強大的跡象。化學訊號已被證明對於協調某些集體行為至關重要，但一旦超出發出訊號的細菌的直接範圍，它們很快就會被稀釋和消退。相比之下，正如Süel的團隊發現的那樣，從生物膜釋放的鉀訊號可以以恆定的強度傳播超過典型細菌細胞寬度1000倍的距離——即使這個限制也是實驗中使用的微流體裝置施加的人為上限。群體感應和鉀訊號之間的區別就像在山頂上喊叫和撥打國際長途電話之間的區別。
Wingreen指出，此外，化學物質只能與具有對其敏感的特定受體的細胞進行通訊。然而，鉀似乎是動物神經元、植物細胞和——科學家們越來越發現——細菌共享的一種通用語言。
一種通用的化學語言
德克薩斯A&M大學的生物學家Steve Lockless說：“我個人在我研究過的每一種單細胞生物中都發現了[帶正電荷的離子通道]”，他曾在研究生院與Süel是實驗室夥伴。因此，正如Lockless在對Süel 2015年論文的評論中推測的那樣，細菌可以使用鉀不僅相互交談，還可以與其他生命形式（包括人類）交談。研究表明，細菌會影響宿主的食慾或情緒；也許鉀通道有助於提供這種跨界通訊通道。
巴塞羅那龐培法布拉大學系統生物學教授Jordi Garcia-Ojalvo根據Süel的實驗提供理論建模支援，他認為微生物使用鉀表明這是一種古老的適應，在構成植物、動物和其他生命形式的真核細胞從細菌中分離出來之前就已發展出來。他說，對於細胞間通訊現象，細菌通道“可能是整個行為進化祖先的良好候選者”。
芝加哥大學的細菌遺傳學家James Shapiro說，這些發現構成了“一項非常有趣的工作”。Shapiro不害怕大膽的假設：他認為細菌菌落可能具有某種形式的認知能力。但他對神經元和細菌之間的類比持謹慎態度。Shapiro說，Süel迄今為止證明的鉀介導的行為非常簡單，不需要大腦已經進化出的那種複雜的電路。“目前尚不清楚正在進行多少資訊處理。”
Süel對此表示贊同。但他目前不太關注量化生物膜的資訊含量，而是更感興趣地揭示細菌能夠完成的其他壯舉。他現在正試圖看看不同細菌物種的生物膜是否像純芽孢桿菌生物膜那樣進行分時共享。
他還希望開發他稱之為“細菌生物膜電生理學”的技術：直接研究細菌電活動的技術，就像神經科學家幾十年來一直在探測大腦一樣。義大利佛羅倫薩大學的研究員Elisa Masi使用了為神經元設計的電極來檢測細菌中的電活動，她說，為細菌設計的工具將是一個主要的福音。“我們談論的是非常非常小的細胞，”她說。“很難觀察它們的代謝活動，並且沒有專門的方法”來測量它們的電訊號。
Süel和他的同事目前正在開發此類工具，這是霍華德·休斯醫學研究所、比爾和梅琳達·蓋茨基金會以及西蒙斯基金會（Quanta的出版商）提供的150萬美元資助的一部分。
Süel說，這些發現也可能導致新型抗生素或受細菌啟發的技術，但此類應用還需要數年時間。更直接的回報是再次徹底改變我們對細菌的觀念所帶來的興奮。“在過去的幾十年裡，我們對細菌的理解發生了驚人的演變，”El-Naggar說。他對鉀訊號在海洋等複雜、充滿離子的自然環境中效果如何感到好奇。“現在我們認為[細菌]是操縱其環境中電子和離子的專家。這與我們過去認為它們是非常簡單的生物體的方式相去甚遠。”
Wingreen說：“我們一步一步地發現，所有我們認為細菌不會做的事情，它們實際上都會做。”“這正在將我們從我們的神壇上拉下來。”
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