细菌如何驾驭环境？

  细菌在自然界中取得令人瞩目的成功的关键之一是它们适应新环境的能力。由于细菌的繁殖周期较短，这些适应往往源于基因演化。例如，细菌可以迅速进化以获得耐药性或专门消耗某种资源。然而，环境波动也可能发生在更短的时间尺度上，不适合通过基因突变来进行适应。细菌如何应对这些情况呢?细菌拥有复杂的基因调控程序，可以控制涉及数百个基因的决策，并导致重大的生理变化(例如，在不利条件下变为休眠孢子的能力)。细菌依靠感知环境的能力来做出这些决策，然而，一个单独的细菌所获取的信息通常是不完整或带有噪音的。

  当细菌以集体的方式感知环境时，它们可以解决这个问题，这是通过一种称为群体感应(quorum sensing，简称QS)的过程实现的，细菌在这个过程中分泌并对外界环境中的小分子自诱导物进行反应。

  关于QS的已有观点是，细菌利用自诱导物来测量细菌群体密度，以控制需要协调并且只有在许多细胞表达时才有益的特征的表达(例如生物发光)。然而，们发现，除了协调群体行为之外，细菌还可以利用QS来集体感知它们的环境。这个想法的起源是对肺炎的主要病因之一，生活在鼻咽部的肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)的研究。肺炎链球菌利用QS来控制进入一种称为“能力”(competence)的状态，该状态下细菌增加应激反应基因的表达，并具备接收和整合细胞外DNA到其基因物质中的机制。

  通过一系列的实验和数学模型，发现尽管能力受到群体密度的调控，但同时也对pH值和抗生素等多种环境因素作出反应。这种联合调控是因为细菌并不以恒定的速率分泌自诱导物，如图而是根据其遇到的环境进行调节。

  例如，当暴露于DNA损伤剂时，肺炎链球菌会大量增加自诱导物的分泌，并在数量较低的情况下发展能力。这个过程通过在能力状态下摄取细胞外遗传物质来帮助细菌对抗DNA损伤。

  基于这些发现和对其他系统的观察，研究这个模型中群体如何适应环境波动，发现细菌通过自诱导物的分泌能够集合它们对环境的不完善估计，并消除个体噪音。随着对自诱导物浓度的监测，细菌改进了它们对环境的估计准确性，并对如何应对环境做出更明智的决策。换句话说，细菌利用了决策理论中的一个众所周知的原理：群体的智慧。

  这种对外界刺激的感知和应对仅仅是细菌应对频繁环境变化的策略之一，这一点在研究细菌如何在饥荒和丰富时期中导航时得以揭示。通常在实验室中，研究的是细菌的活跃生长阶段，然而在自然界中，大多数细菌处于饥饿状态，渴望下一顿饭。对于细菌来说，当资源可得时立即恢复生长似乎是最好的策略，因为这样可以最大限度地增加后代数量。然而，迅速恢复生长会使细菌对几种主要影响分裂细胞的压力更加脆弱。

  在没有任何线索可以预测压力是否即将到来的情况下，细菌如何解决生长和生存之间的平衡?为了研究这个问题，开发了一种设备来观察大肠杆菌群体在饥饿状态下恢复生长的行为。通过显微镜观察了数百个细胞在这个过渡过程中的变化，发现即使是遗传上完全相同的个体之间的滞后时间也存在很大的差异。一些细菌立即恢复生长，而其他相同基因型的细菌则需要更多的世代才开始繁殖。这种差异对于生长来说并不理想。

  实际上，在无压力条件下选择快速恢复生长的细菌进化出比野生型大肠杆菌更短且变化较小的滞后时间。然而，这种差异在压力时期可能是有益的。为了研究这种可能性，当细菌群体从饥饿状态恢复生长时，暴露它们于突然的抗生素脉冲。脉冲结束后，观察到尚未恢复生长的个体比已经生长的个体更有可能生存和延续种群。

  因此，进化出滞后时间分布较窄的突变体群体，在饥饿-丰富周期中能够在致命的抗生素暴露下存活，而野生型群体中包含休眠和生长细菌的混合体则能够存活下来。

  通过数学建模，表明在饥荒-丰富周期中间歇性暴露于抗生素可以导致进化出具有广泛滞后时间分布的基因型。通过这种方式，细菌可以在没有抗生素抗性和严重影响其在资源丰富时快速增殖能力的情况下，存活于致命的抗生素暴露中。令人惊讶的是，滞后时间的变异不仅可能导致临床上的抗生素失效，而且越来越多的证据表明它可能促进后续抗生素抗性的进化。

  细菌是地球上最简单的生命形式之一。尽管它们表面上看起来很简单，但它们采用了各种策略来在变化多端的环境中生存。无论是依靠群体智慧，像经验丰富的投资者一样抵御风险，还是通过基因突变快速适应，细菌似乎已经发现了应对变化的最佳方法，尽可能运用各种策略。

  参考文献：

  Moreno-Gámez S. How bacteria navigate varying environments[J]. Science, 2022, 378(6622): 845-845. DOI: 10.1126/science.adf4444