会说话的细菌:解读微生物的语言学和认知

语言是高等生物的标志。人类已经发展了一个高度复杂的过程,涉及数千个词语的组织,每个词语都包含一个意义。然而,我们并非唯一能够互相交谈的生物。在过去的几十年里,研究人员已经证明动物也拥有沟通的能力,尽管是初步的。

大多数推测性研究发生在20世纪50年代,并产生了一系列发现,都表明语言被普遍使用。它们的方法与我们不同,表现为面部表情、肢体语言、声音甚至气味来传达信息。然而,毋庸置疑的是,沟通甚至语言在进化过程中得以保留。只是时间问题,同样的假设就会被应用到包括微生物在内的单细胞生物身上。

尽管微生物语言理论始于六十年前,但直到1994年才完全解释了这种能力的检测,当时发现了细菌铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa)能与其他细胞沟通。其方式是化学性质的,即N-酰基-L-高丝氨酸内酯(AHLs)。每种AHLs提供一个信号,促使附近的其他细菌以某种方式做出反应。这种语言被称为群体感应(QS),被认为是社交互动的基础。随着研究的深入,QS在其他多种微生物中被发现,包括葡萄球菌大肠杆菌沙门氏菌甚至真菌

然而,尽管在细菌中对QS的表征研究如火如荼,但试图破译这种现象背后的语言学却收效甚微。尽管有证据表明这些信号与抗生素耐药性、感染期间毒力增加甚至数学表现有关,但研究人员在将信号翻译成语言方面仍面临难题。问题在于无法确定AHLs与群体反应之间的具体机制。

为了克服这一障碍,在2004年,一个国际研究团队放弃了AHLs,希望能找到一个微生物学的“罗塞塔石碑”。他们开发了一个基于另一种信号分子——乙酸盐的人工网络。结果显示,乙酸盐确实类似于一个词或短语,例如“生长”,能引起群体的反应。当乙酸盐被“发出”时,其他细菌就开始茁壮成长。当乙酸盐水平下降时,细菌数量也随之减少。

这些结果表明,信号作为词语的理论是有效的。到2009年,已经发现了其他几个信息,包括增加毒力(“攻击”)、形成分子外壳(“掩盖”)、成群移动(“移动”)、产生生物发光分子(“发光”)和聚集在一起(“聚集”)的指令。尽管词汇量在不断增加,但一条信息却不断出现,令研究人员感到沮丧,令公共卫生官员感到担忧:抵抗抗生素

抗生素耐药性是一个复杂的过程,利用多种不同的信号。然而,对这种沟通的研究比答案提出的问题更多。主要问题在于组合信息的发现。与人工网络的简单设计不同,在现实世界中,多个信号可以协同工作,导致多种可能的反应。细菌不仅限于单词对话,还可以将几个词串联起来形成短语。更有趣的是,它们甚至可能拥有像高等生物那样沟通的能力。

为了证明这一点,必须开发一个合适的模型。上周,英国的一组研究人员提供了一个这样的微生物语言学例子。他们选择了两种不同的信号:3-氧代-C12-HSL(“聚集”)和C4-HSL(“掩盖”),并试图找出这两种信号在使用叠加或组合时,是否会对铜绿假单胞菌产生不同的反应。结果令他们非常惊讶,同时添加这两种信号与按顺序添加它们产生了显著的差异。与个体刺激下看到的群体朝着一个方向响应的普遍共识不同,细菌对组合信息显示出多种不同的反应。

作者认为,他们的观察可能是由两种语言机制之一引起的。第一种是“喇叭和铃铛”的方法,在这种方法中,这两个短语的含义,尽管截然不同(“聚集”和“掩盖”),会导致一种混合反应。第二种,他们认为是正确的,是混合这两个短语创造了一个完全独特——可能未知——的复合信息。这表明细菌,或者至少是铜绿假单胞菌,具有辨别混合信息的能力。

尽管数据尚处于初步阶段,但为细菌的更多认知研究和组合通信的解码打开了大门。随着对微生物语言学的持续研究,我们或许有一天能够理解这些细菌的语言,并学会与它们沟通。对公共卫生官员而言,这是一个绝佳的机会,可以找到新的方法,通过指令而不是武器来预防感染和控制威胁。对我们其他人来说,这些知识最终可能让我们有机会接触到这些细菌,并通过沟通,实现那个遥不可及的和平共存的目标。

 

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自青少年时期起,Jason Tetro就把实验室视为他的第二个家。他在微生物学和免疫学方面的经验使他涉足多个领域,包括血液传播、食品和水病原体;环境微生物学;消毒和防腐;以及SARS、禽流感和寨卡病毒等新兴病原体。他目前是圭尔夫大学的访问科学家。在公众中,Jason更广为人知的名字是“The Germ Guy”(细菌 guy),他经常在媒体上以其有时非传统的视角解读科学。Jason著有两本书:《The Germ Code》(2014年入围年度科学图书奖)和《The Germ Files》(曾连续几周登上全国畅销书榜)。他还合编了《The Human Microbiome Handbook》(人类微生物组手册),该书从学术角度探讨了微生物对人类健康的影响。他住在多伦多。

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