王大虎

王大虎:微生物的集体意识进化选择

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在35亿年前,地球上的生物开始利用光合成能量,并放出二氧化碳。后来产生了氧气,当时的生物是厌氧的,它们不得不进化了一些机制来抵抗氧气的作用。但有氧气的参与反而初进了生物的进化,因为氧提高了生物的能量。到目前,几乎地球上所有的细菌、植物、动物,仍然直接或间接地来依赖光合作用的能量。当然一些证据也证明一些微生物不依赖太阳的能量。光合作用可以视为生物界的整体合作,随着发展叶绿体不再作为单独细菌生活,而是进入生物细胞中,成为生物光合作用的主要发挥者。

在6亿年前,单细胞生物完成了向多细胞生物的进化过程。不同的细胞有机组合在一起,彼此合作,形成了后来复杂生物的基础。这件事听起来容易,但实际上,现在不少国家的研究人员都试图重复当年单细胞的最初组合过程,还没有人完全获得成功。多细胞生物是单细胞生物的紧密分工合作方式,属于生物共生的早期形式之一,而最初的分工合作发生在X基因之间。X基因制造的最早的躯体结构,一个是膜(使它变成单细胞生物),另一个是纤毛(使它具有自主移X能),再以后才是各种功能的器官。随着多细胞的发展,动植物的分化,线粒体不再三单独的细菌,开始进入动物细胞并发挥作用成为能量转化的主要来源。

叶绿体与线粒体两种独立的细菌分别进入植物与动物细胞体内,并甘愿充当细胞的一个分子,这听起来确实令人感到惊讶,但正是微观生物的这些伟大合作,也促进了地球生命的进化,人类作为高等智慧才得以诞生。所以我们需要更多地了解微观生物世界里它们是如何合作交流的。

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微生物的集体合作意识

当细胞面临“生命威胁”时,它们会快速行动挽救自己。其中一个策略是,它们开始制造能够执行修复DNA等关键任务的蛋白质。美国麻省理工学院(MIT)和阿尔巴尼大学的研究人员如今发现了细胞促进这种蛋白质生产的机制。研究人员指出,当面临压力时,细胞会重组一个复杂的RNA分子化学修饰系统。

科学家借助纳米技术,将一个金黄色葡萄球菌“监禁”在一个20微米大小的玻璃试管里,这种球菌可导致致命X染,被“监禁”后,它竟然能够独自改变自己的基因表达。科学家们曾经认为,这种现象通常只有在数百个细菌集结在一起时才会发生。对于被“监禁”的细菌来说,它仍然能够产生基因适应,产生一种名为“溶酶体”的化学X。溶酶体的典型特点就是能够吃掉它们所接触的一切。当然它们对玻璃试管是无能为力的。被“监禁”的金黄色葡萄球菌能够产生溶酶体,表明细菌基因转换只需要一个单一的个体。

图113 细胞分辨特殊蛋白质以应对威胁(图片来源:微图网)

作为高级动物,人们通常不会认为细菌也拥有视觉、触觉、味觉与嗅觉,但是事实上细菌也拥有视觉、触觉、味觉和嗅觉,唯一暂时没有被发现的是听觉。具体地说,细菌能够通过对光线作出反应拥有“视觉”;通过对外界接触作出反应获得“触觉”;通过直接对环境中的化学物质作出反应获得“味觉”;最后通过探测空气中的分子获得“嗅觉”。英国纽卡斯尔大学格兰特·伯吉斯教授领导的小组发现,细菌也长“鼻子”,负责对气味作出反应。他们发现了确定细菌如何通过“嗅探”空气中化学物质的气味发现竞争对手的存在。氨是氮的一个最简单的来源之一,氮则是细菌生长的一个关键营养物质。在实验室测试中,科学家发现两种相互竞争的土壤细菌——枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌以同样的方式对对方释放的氨的气味作出反应。探测到气味之后,每一种细菌都开始产生生物膜(一种X),借此聚集在一起建立一个“殖民地”,赶走任何潜在的竞争者。这种反应的强度会随着两个细菌殖民地之间的距离发生变化,距离越远,强度越低。

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海底菌类的《阿凡达》式生活:2010年,丹麦生物学家尼尔森在自己的烧瓶里模拟了一个微型的海洋世界,发现海底沉积物表层和底层的细菌,就像《阿凡达》中纳威人交流时那样,它们之间可能存在着一张微观的电网,互通消息,传输能量。在海洋深处的细菌,很有可能是靠着一张纳米级的蛋白质网络来互通信息,一切都可以在瞬间完成!

生物学家一直认为,海底沉积物顶部的菌类近先得“氧”,无法获得10厘米之下的矿物养分,而沉积物底部的细菌虽然接触矿藏,却整天很难获得氧气。但是他们是如何获得生存的呢?为了试验,尼尔森与同事从海底收集一些泥土与硫细菌,硫细菌必须靠硫化物获取能量。他们将泥土和菌类放进烧瓶,倒上海水,然后从水中X氧气。如果细菌间真的存在上下层的矿氧互换,那么改变沉积物上层的氧气浓度一定会使下层细菌有所察觉,它们的反应也应当会引发沉积物中的化学变化。结果证明,下层细菌的确对供氧变化有所行动,但其速度之快,远远超乎预料:他们先在海水中抽走氧气,接着恢复供氧,结果上层的供氧刚刚恢复,下层的细菌就立刻开始分解周围的硫化氢,水中的PH值也会随即迅速变化。烧瓶中的沉积物虽然仅厚12毫米,却达到细菌体长的1万倍,唯一合理的假设,就是上下层的细菌间通过发送电子来互通消息。

尼尔森猜测,细菌个体之间应该存在一张微观电网,而沉积物中的金属颗粒(如铁或锰)就可能起到了导线的作用。这张网络不单能传递信息,还可提供能量。原本的设想是上层细菌将海水中获得的氧输送到下层,下层细菌可能直接从电网中吸收电能,并将下层的养分以化学迁移的形式输送到上层。尼尔森认为,对于这些细菌的生活方式,未来都得换一种方式思考。地球化学家们早就知道微生物会在海床中制造微弱电流。近年发现的细菌中,有的外层覆盖着能够输送电子的酶,有的全身插满微米级别的导电细丝。但在尼尔森看来,这张电网的具体运作方式仍旧疑点重重:“导线是用什么做的?它们是怎么和细胞连接,又是如何相互连接的?还有,它们究竟是怎么形成的?”

奇特细菌X能够改变基因以电子的形式共享能量:美国X州的实验室研究人员发现一种非常奇特的共生细菌X体,这些细菌属于两种不同的物种,它们彼此离开则无法生存,并且它们生长出生物丝线,以电子形式共享能量。

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美国X州大学微生物学家德里克—洛维利(Derek Lovley)说:“它们可以仅通过生物丝线彼此连接在一起,我认为这是迄今观察到最惊人的微生物学现象。”维利和研究同事培育出两株细菌X——铁还原细菌与硫磺还原细菌,它们需要彼此依赖,铁还原细菌能够分解乙醇产生能量,需要释放多余的电子,硫磺还原细菌无法分解乙醇,却能接受电子。因此,洛维利和同事扎拉斯—萨默斯在一起开始培育9个细菌培养基,并等待实验结果。他们猜测这两种细菌能够协作,并完全分解乙醇,使用氢作为化学传输器,铁还原细菌将多余的电子传输至硫磺还原细菌。

图114 奇特细菌X能改变基因以电子形式共享能量(图片来源:壹图网,参考资料来源:腾讯,2010年12月8日。)

一开始,这两种细菌的结合概率非常低,它们消耗非常少的乙醇,但几个月后,在液体培养基中这些细菌发生变异,产生一种红色蛋白质的细胞色素块状结构,细胞色素通过两种细菌所产生的“纳米丝线”,可在这两种细菌之间控制电子传输。研究小组猜测,在铁还原细菌直接将电子传输给硫磺还原细菌的过程中,可能不需要氢作为中介化学物质,他们“创造”一种基因可帮助细菌消耗氢,并促使再次循环,因为如果氢作为电子“传播体”,两种细菌最终都将死亡。相反,大约数周之后新细菌X培育X现了细胞色素变异,氢最终消失,在新的共生细菌X中不需要氢即可实现电子传播。

为了进一步确定这两种细菌之间的单一电子交换现象,研究人员对其他几种基因进行了控制操作,他们在硫磺还原细菌中培育一种可生成细胞色素的基因,红色块状结构并未形成,该细菌X也无法分解乙醇。他们进一步增强了这种细胞色素基因,在数周之内该变异的细胞色素才出现。研究小组认为,这两种细菌生活在电共生环境,它们彼此处于反应之中,需要分解它们的食物和乙醇。为了接通彼此并完成反应,它们必须共享电子。期间它们通过产生微小电子丝线,并彼此连接在一起,从而实现了这一反应过程。

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美国洛杉矶市南加州大学环境微生物学家肯·尼尔逊(Ken Nealson)说:“这项研究具有深远意义,例如:人体内的细胞是否可以像这些细菌连接,共享能量?这对于疾病诊断和治疗有何意义?许多人都相信细菌之间存在彼此交流的特殊机制,但没有人会想到它们是通过电子进行交流连接的。”

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多细胞生物的必然进化

英国诺丁汉大学等机构发表在美国《国家科学院学报》的文章表明,小小细菌能造成大面积感染,一个重要原因就是它们会“集团作战”。细菌之间能够“互通声气”,等到细菌X体达到一定规模后再集体释放毒素,从而更有效地造成感染。

他们利用绿脓杆菌进行了实验,这是一种很容易造成伤口感染的细菌。研究人员通过控制培养环境,培养出一些含个体细菌数量不等的菌X,结果发现,细菌在X体大小不等的时候释放毒素的行为并不一样。研究人员斯蒂芬·迪格尔说,这些细菌采取了一种“集团作战”策略,即在菌X中细菌数量较少的时候,它们并不释放毒素;而当细菌数量达到临界点,它们就开始集体释放毒素,这样可帮助它们攻克一些比较“难对付”的免疫防御机制。对于个体细菌如何判断X体数量、是否达到临界点的问题,研究人员认为,个体细菌之间也存在交流沟通的机制,它们可能会发出一些特殊分子作为信号,彼此能够探测到其他细菌的存在并估计X体数量的多少。

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细胞能在体外能够繁殖,生长,有自己的生命力。细胞也能够互相“交谈”,它们通过分子通道发送和接收化学信号,细胞通过X体编码相互“交谈”。美国副教授伊利亚·勒门曼和安德烈·列夫琴科于2007年就开始携手合作,研究发现细胞无法通过信号传导通道得到所有信息,它们有时候会在这些已知通道外互相“交谈”。单个细胞没有足够多的信息来考虑所有变量并决定是否修复某些组织,但一X细胞能互相“交谈”,每个细胞提供一点信息,细胞们就能X策X力做出决定,这种现象被命名为X体编码。

在5亿多年前,地球表面的单细胞生物开始形成多细胞簇,最终变成了植物和动物,单细胞生物到多细胞体这一过渡是怎么发生的?一些科学家通过啤酒酵母菌演示了这一重要过程。

美国明尼苏达大学的威尔·拉特克利夫(William C. Ratcliff)等人,在实验室将普通的啤酒酵母菌加入到培养基中,然后用离心机搅动使试管中的成分分层。当混合物稳定下来,细胞簇会更快地落在试管底部。研究人员把这些细胞簇取出来,转移到新的培养基中,然后再次搅动它们。六轮循环后,细胞簇已经包含了几百个细胞,看起来就像球形的雪花。

酵母菌“进化”成了多细胞簇,能协同合作、繁殖并改变它们的环境,基本上变成了今天地球生命的初期形式。分析显示,细胞簇并不是随机粘在一起的细胞X,而是互相关联的,它们随着细胞分裂而保持连接。这表示它们具有遗传相似性以促进合作。当细胞簇达到临界大小时,一些细胞就会进入凋亡过程而死亡,将后代细胞分隔开来。而后代细胞簇的繁殖扩展也只能到达它们“父母”所达到的大小。

这种集X显示出了几种多细胞性状,包括通过产生雪花样子代集X的多细胞“X芽”进行繁殖以及一个幼年阶段的出现。当定居选择的强度发生变化的时候,雪花酵母通过在多细胞层次而非单细胞层次上对变化进行了适应,这表明整个细胞集X作为一个整体进行进化。

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这组科研人员还观察到了集X内部的劳动分工的进化:大多数细胞仍然活着并能进行繁殖,但是少部分细胞进行了程序细胞死亡,或者说细胞凋亡。凋亡的细胞起到了多细胞集X中的断裂点的作用,让雪花酵母调控它们产生的后代的数量和尺寸。这些发现提示多细胞复杂性的关键特性可以在一种单细胞真核细胞中容易地进化出来。

美国国家科学X会乔治·吉尔克利斯特认为:这种劳动分工进化得非常快,以雪花状集簇的形式不断繁殖。通向多细胞复合体的第一步,好像并没有理论认为的那么艰巨。

威尔·拉特克利夫认为:一个细胞簇还不能称为多细胞体,只有当其中的细胞开始合作,自我牺牲以达成公共利益并能适应变化,这就是向多细胞体进化的一种过渡。要形成多细胞生物,大部分细胞要牺牲它们的繁殖能力,这是一种有利整体却不利于个体的行为。比如人体的几乎所有细胞从本质上说就是一个支持系统,只有X和X负责把DNA传到下一代。所以多细胞体是由其合作性来定义的。

细菌之间是可以通过一种名为“X体感应”的化学过程相互联系的。所谓的“X体感应”,就是细菌根据细胞密度变化进行基因表达调控的一种生理行为,它们可以改变自己的行为,关闭和打开某些基因,从而在菌X中扮演着不同的角色。

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在自然界非实验状态中,细胞集团进化似乎也没有停止过,据地中海一项最新研究显示,随着近几十年来海水温度的持续升高,海洋X现许多体积较大的神秘团状X物质。夏季地中海124英里长的海岸线上时常会出现这些团状X。

另外在深海中有一种类似水母的动物,把它放在显微镜下观察,会发现它并不是“一种”动物,而是无数单细胞生物的集体。这些细胞各有分工,有的负责运动,有的负责捕食,有的负责传送养料。蚂蚁和蜜蜂的集体劳动也是分工合作,我们可以很机械地解释其中一些现象,但这样的超级组织工作到底是怎么进行的,没有人真正知道。在生物进化历史上,从单细胞向多细胞进化一直是生物界的关键,关于真实的演变历史,很难还原当时的环境,但是从现代的实验证据及细胞之间的探索表明,无论是单一的微生物或者多种为生物,都会因为食物或者共同生存而演变成团体行为。如果能够分工合作,共享信息,那么数量众多的微生物集体就会演变成为一个集体意识行为。

图115 地中海出现巨型神秘X团(图片及参考资料来源:《地中海出现巨型神秘X团>腾讯科,2009年10月10日)

一方面,从有机物质向细胞的演化角度看,具有自我组织性质活性的大分子有机物质在向细胞进化的过程中,也会采取微生物集团合作的模式。

另一方面,从单细胞到多细胞的进化及集体意识的体现,(包括多细胞的分化、繁殖、死亡),来看这都说明了合作中的共生与妥协,验证了基因是绝对自私的错误观点。人类之所以发展也正如微生物之间的行为一样,互相学习、妥协,形成共识的强大集体对于个人、公司、国家来说也是有益的。

 

 

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