互动科普

微生物的技艺

Eshel Ben Jacob，Herbert Levine

细菌菌落或变形虫形成了一些复杂的类型，从而模糊了生命与非生命的界限。

在过去几十年中，物理学家已经了解了某些现象（如雪花形状和火焰形状）是如何形成的。看看雪“嵌花”是怎样在寒冷的窗户上形成的吧！窗户玻璃上面随机运动的水分子偶然遇上雪嵌花就停止运动了，因为水分子碰上雪花突出部分并粘附在上面的可能性更大，因此，一些突出的部分是比变得更长，这一过程就形成了许多分支。此外，水分子更有可能根据雪花中已经形成的球分子方位结构而附着于某一位置。 结果， 复杂的晶状结构就自然地形成了。

由于具有一个特别的因素——生命，因而微生物群落能够形成更复杂的类型。物理学家惊奇地发现这些类型常常与非生物的类型相似，然而，细菌却清楚地选择某些方式而不选择另外一些方式，从而促进自身的生存。

以枯草杆菌(Bacillus subtilis)为例。80年代后期东京Chou大学Mitsugu Matsushita及其合作者揭示，用有限的营养物在琼脂上培养这些微生物，它们就能产生出分枝类型．它们的生长方式遵循与雪花生长方式极为相似的原则。想象一下琼脂硬得细菌不能移动这一极端情形吧!不过，食物分子却能在琼脂上随机运动，势必接触到那些从菌落中凸出来的细菌。这样，细菌就吸收营养，长度增加一倍，并分成两个。按照这种方式，突出的部分就逐渐长成了一个分枝。当然，通常情况下，细菌还是要移动的。它们向有更多食物的区域趋近一一也就是越过分枝的顶端——从而使分枝生长更快。

受这一发现的启发，Ben Jacob决定探寻能够显示这种类型组成成分的生命性质之关键地方。他发现，如果细菌在软琼脂上生长，原先的分枝类型就自然而然地变成了卷曲类型，而且这种类型扩张更快．在显微镜下观察，看见每个细菌在类型开始卷曲时就显著地变长了。尽管转变明显有助于细菌运动——井因此增加了它们接近了食物的机会——但还不知道转变发生的原因。

细菌不仅感知环境，而且还影响环境，就象细菌相互之问那样：大肠杆菌苗落可通过分泌化学吸引液来进行聚集，变形虫具有细胞核和其他结构，是比细菌更复杂的生物，生命力更旺盛。然而，细菌通常发生新变异，从而对环境压力作出反应——因此出现新类型——变形虫却坚决拒绝发生变化，但是，它们却表现出惊人复杂的集体行动。

与变形虫相似的盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)，它是打算研究细胞怎样结合在一起从而形成多细胞有机物的发育生物学家们的首选对象。如果这些细胞分布在没有任何营养物的表面，则在开始时之后它们就建立起化学信号系统(也许是警报吧？)每个细胞对其它细胞分泌出的特别的化学物质环腺苷酸(cAMP)都具有感受器：一个细胞感受到cAMP后，它就释放出更多的cAMP．最终结果是cAMP螺旋波在系统内传播。

到某一程度时，每一个变形虫开始向最近的螺旋中心逼近。在这一过程中，它碰上了其它细胞的集聚，从而与之融合在一起，也就形成了类似河流体系的类型。Levine与以色列BarIlan大学的Daivd A. Kessler一道揭示出，这种河流类型的形成不需要任何特殊的遗传器官，而只是简单的物理学原理的结果。最终，变形虫聚集成堆，每一个都产生出成千上万个孢子，这些孢子等待着转移到更合适的环境中去。

现在，生物学家主要依靠生物技术和遗传技术分析由内部信号控制的细胞运动．他们的任务包括揭示这种运动的显微规则。但是，物理学家知道，

从微观规律到宏观类型的转变还是一个极具挑战性的问题。我们坚信，微生物科学和艺术还将长久地强烈地吸引科学家。

【吴斗思 译 郭凯声 校】