「苏醒」我在计算,何时醒来
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原文标题:我在计算,何时醒来
许多细菌物种都有一种神奇的生存策略。在面对饥饿和胁迫条件时,一些细菌会进入一种休眠状态,生命过程随即暂停。
这种 " 关机 " 进入深度休眠的细胞就像 " 僵尸 " 一般,它们也被称为孢子。这是一些部分脱水的细胞,它们的外部被包围着一层具有抵抗力的保护层。它们能经受住高温、高压甚至外太空的恶劣条件,维持可长达数千年的休眠状态。
等到周围环境再度变得有利于生存时,休眠多年的孢子可以在几分钟内苏醒,它们重新水合,恢复新陈代谢和生理机能,再次焕发生机。
但是直到现在,科学家仍不清楚孢子究竟如何 " 决定 " 再次醒来的时机。孢子是否能在不被唤醒的情况下,在 " 睡眠 " 中监测周围环境?特别是,人们还不知道,孢子如何处理那些并没有明确显示有利条件的模糊环境信号。它们是无视这种不明确的条件,还是也能留意到?
近日,一组生物学家在《科学》上发表的新研究解开了这个谜团。研究人员发现,孢子在保持生理上的休眠状态时,仍然具备一种评估周围环境的非凡能力。它们利用储存的电化学能量,就像一个电容器一样,来确定周围条件是否适合恢复正常机能的生活。
" 整合放电 " 机制
在新研究中,团队测试了枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的休眠孢子是否能感知短暂的环境信号。实验中的这些信号并不强烈,还不足以让它们恢复正常的生命活动。
他们将枯草芽孢杆菌的孢子暴露在营养物质中,并用染料来追踪钾离开核的移动。结果发现,孢子能够计算这种小的输入。随着每次暴露,更多钾离开核心部位,它的负电荷便越来越大。如果总和达到一定临界阈值,也就是孢子的核心部位累积了足够的负电荷,孢子就会 " 决定 " 退出休眠状态,恢复生物活动,也就是所谓的萌发。
实验还表明,如果孢子的钾的移动受到了阻碍,它们则显示出了有限的电荷变化,无论它们接触到多少营养物质,似乎都不太可能回到正常的生命状态。
研究人员还开发了一个数学模型来帮助解释这个过程:孢子使用一种被称为 "整合放电"(integrate-and-fire)的机制,基于钾离子通量来评估周围环境。即使是一些短暂的,但本身并不足以触发脱离休眠状态的有利信号,孢子也能做出反应。
显微图像显示了数个孢子的电化学势,颜色的不同代表了信号强度的差异。(图/Süel Lab, Kaito Kikuchi and Leticia Galera)
它们不会被唤醒,而是对每个微小的输入作出反应,释放一些储存的钾,然后对连续的有利信号进行汇总,确定条件是否适合。这种累积信号处理策略能揭示外部条件是否确实有利,并防止孢子操之过急而进入一个条件艰难的世界。
有趣的是,这种细胞中的电荷变化在各类生命中都很重要。比如,孢子处理信息的方式,和我们大脑中神经元的运作方式就颇具相似之处。
在细菌和神经元中,微小而短促的输入随着时间的推移而累加。一旦达到阈值,孢子就会启动回归,而神经元则会发射一个动作电位,与其他神经元进行交流。
但两者也有所不同。孢子可以在不需要任何代谢能量的情况下进行这种信号整合,但神经元则是我们身体中最依赖能量的细胞之一。
在休眠中处理信息
科学家认为,这项研究改变了我们对孢子的理解。孢子曾被认为是惰性物体。而新研究却告诉我们,处于深度休眠状态的细胞仍然有能力处理信息。孢子可以释放它们储存的电化学势能进行有关环境的计算,而不需要新陈代谢活动的参与。
他们同时表示,这些与孢子有关的新见解,重新构建了关于休眠状态的细胞的流行观点。了解这种萌发的过程具有更实际的应用价值。孢子对大多数抗生素具有抗药性,一些病原体孢子甚至会引起严重的后果。这类研究也能帮助我们更好地杀死它们。
此外,这对于评估诸如流星等物体上的生命,以及寻求生命证据的太空任务具有重要意义。如果科学家未来在火星或金星上真的发现了生命,它们很有可能处于休眠状态。
我们现在知道,即使是一种看似完全惰性的生命形式,或许仍有能力 " 思考 " 它的下一步行动。
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