携手并进,连细菌都能做到

作者: 张浩

来源: 中国科学院深圳先进技术研究院

发布日期: 2021-11-06 08:00:00

中国科学院深圳先进院合成生物学研究所傅雄飞课题组的研究人员揭示了一种“细菌群体以稳健的速度协调运动”的机制,该成果发表在eLife杂志。研究通过实验和数学模型模拟,发现细菌群体中的浓度梯度是推动细菌协调运动的关键因素。

想象这样一个赛跑的场景,下课铃响起,全班哄抢着跑向食堂。有的同学身高一米五,跑一千米都费劲,有的同学身高一米八,一步赛别人两步。现在全班一起出发,各凭本事跑向食堂。你是觉得队伍会越拉越长,不断有人掉队,越跑越稀松?还是一直跑到食堂的那一刻,全班还能基本保持完整?

答案是,不管从多远的地方跑向食堂,即使没人明确要求保持队形,你们还是可以保持一个完整群体完整到达终点。这种情况真的存在,只不过是在细菌的群体中。

近期,来自中国科学院深圳先进院合成生物学研究所傅雄飞课题组的研究人员揭示了一种“细菌群体以稳健的速度协调运动”的机制,该成果发表在eLife杂志,同时,该论文被遴选为eLife digest科学文摘评述报道。

大肠杆菌是一种非常常见的细菌,虽然是一种单细胞的生物,但是在菌体表面有几根长长的鞭毛,大肠杆菌通过旋转鞭毛就能在液体中游动或者翻滚身体改变游动方向。如果遇到好吃的或者有毒有害物质,细菌可以通过调翻滚身体的频率,朝着一定的方向前进。虽然看着像醉汉一样时而向左时而向右,但长远来看运动还是有大致方向。

就像有的人看到这么优秀文章就点了在看、转发到朋友圈,而有的人却无动于衷;单个大肠杆菌对趋化物(我们通常把对细菌具有吸引能力的化学物质叫做趋化物)敏感程度也是不一样的。有的细菌十分敏感,可以很快检测到环境中有趋化物的信号并且判断方向,快速聚集到高浓度区,而有的则比较麻木,慢一些才能到达。

可是如果一群细菌遇到趋化物,一定是其中跑得快的细菌永远能冲锋在前吗?跑得快的细菌和跑的慢的细菌,它们分别会怎么运动呢?傅老师团队设计了一个巧妙地实验来观察这一过程。他们设置了一个狭长的通道,整个通道中都弥散着趋化因子(200μM天冬氨酸Asp,可以认为是细菌眼中的珍馐美味),在其中一端滴加培养好的细菌。

经过研究人员对每一个细菌的运动轨迹进行追踪与观测。他们发现每一个细菌都在群体中做往复运动:当细菌落在群体后面时,它们就会非常努力地向前游动。可是一旦它们游到了群体的前端,慢慢就失去了前进的动力,直到被其它细菌超过落在群体后端,才再一次奋力向前。

为了解释这种奇怪的现象,傅老师团队建立数学模型对细菌的运动轨迹做了模拟,发现这种催促细菌的动力很有可能就来源于细菌群体消耗趋化物所产生的浓度梯度!

自然界中生活着大量的群居生物,为了找到更丰富食物与更适宜的环境,它们往往需要进行群体迁移。然而不同的个体总会在行动能力、导航能力等方面存在差异,如果任其自由移动,必然导致部分个体落单,陷入危险环境。

因此一种稳健的速度协调机制对于一个群体而言至关重要。细菌群体迁移时存在这样后面强前面弱的“推动力”,对那些不太敏感的细菌来说是一个巨大的利好。因为每当它们被那些对趋化物敏感的同伴落在后面时,它们就会受到更大的推动力,驱使它们向前赶。而那些游在前面的个体反而在高浓度的趋化物“舒适”环境中迷失了继续游动的方向。

总的来说,有一个指引的方向最重要。细菌如此,人也一样。当有明确目标的时候才能坚定地朝着一个方向前进。如果满眼花花世界,每件事做一下就要换,今天立志我要学英语!明天换目标我要学绘画!后天又换了目标还是想学代码!即使每天都学习到很累,可每天都做不同的事情,长久来看,也很难说有什么实质性的提高。

UUID: 8cd3ff8e-b2eb-435a-a1b2-9b68b796ffba

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/中科院之声公众号-pdf2txt/2021/中科院之声_2021-11-06_携手并进,连细菌都能做到.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0050 元