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單細胞生物的聰明之舉:突變讓自己變更強
2009-07-15 07:00:08
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  地球上絕大多數物種是單細胞生物。它們大多隱居在這個星球不為人知的角落里,籍籍無名。但生命是如此的奇妙,總會有一些看似簡單的生物,向我們展示著它們無與倫比的能力,一種生命的力量。有的微生物十分強壯;有的微生物能夠一睡萬年;有的微生物則可在極端環境中茁壯成長,盡管其他大多數生命在這種環境下會剎那間凋零。

  生命的奇妙之處不僅如此,很多細菌和原生物的行為表明,它們很“聰明”,盡管它們的聰明行為不是有意識思考的結果,因為不像人類或者其他複雜生物,它們沒有神經系統,更不用說大腦了。但就是這樣的簡單生物一樣令人著迷。英國《新科學家》雜志網站6月30日就介紹了這些簡單生命令人印象深刻的聰明事。

  溝通:告訴你我的想法

  細菌可通過化學物質進行相互交流。交流的原因多種多樣,有的難以理解,除非你是另一個細菌(或專門的細菌學家)。其中最顯著的例子是枯草芽孢桿菌。如果這種細菌生長在食物貧瘠的地方,它就會向周圍釋放一種化學物質,告訴鄰居:“這里沒有太多的食物,請你們離開,否則我們就都會餓死。”在得到這些化學訊息後,其他細菌會遠遠躲開,從而完全改變菌群的形狀。

  決策:讓我們共進退

  許多單細胞生物體能夠算出自己附近有多少同類,這種能力被稱為“數量感應”能力。芝加哥大學研究人員進行的實驗表明,細菌會向周圍環境中釋放少量的化學物質──一種它們可通過外壁的感受器官感知的化學物質,如果周圍還有很多細菌釋放相同的化學物質,當該物質水平達到一個臨界點時,細菌會改變自己的行為模式。如病原菌經常使用數量感應能力來決定何時向它們的宿主發動攻擊。一旦它們積累了足夠的數量,足以壓倒宿主的免疫系統,它們就會共同發起進攻。

  協作:我們也有自己的城市生活

  細菌不僅很健談,也很會合作,會形成自己的社區。它們這樣做的結果就是形成一個生物膜,這在水管內壁或者廚房里很常見。在如人體消化系統這樣的“生物避難所”里也會有這樣的黏菌薄層。事實上,哪里有大量的水,哪里就可能找到這樣的“細菌城市”。在這些“細菌城市”中,許多不同種類的細菌會並肩生存,彼此咀嚼著其他細菌的廢棄物,共同開發食物資源,共同防御外來的威脅,如抗生素。

  突變:讓自己變得更強

  許多微生物具有加快基因突變速率的能力,這使得它們在面對惡化的生存環境時能獲得新技能來幫助自己渡過難關。這是一個危險的策略,因為許多新的突變會是有害的,有時甚至是致命的。實際上,這也是它們瀕臨絕境時的無奈選擇,是最後的抗爭戰術。這樣的例子很多,如大腸桿菌在面臨壓力時會加速變異,酵母菌也會玩同樣的把戲。

  在上世紀90年代早期,有研究者認為細菌可能會有某種方法來“選擇”特別有用的突變。這種指向性變異的觀點非常有爭議,遭到許多人的反對。

  旅行:看看周遭的世界

  眾所周知,許多動物可以穿越遙遠的距離周游世界,如遷徙的鳥類和蜜蜂。但你可能想不到,微生物在這方面做得也不錯,衣藻就會為了光合作用而追逐陽光。有些細菌會根據環境中存在的化學物質狀況進行移動,這種細菌適應外界化學環境變化而作出的行為反應稱為趨化性。例如大腸桿菌,在有少量食物落在周圍環境中時,它們會像鯊魚聞到鮮血的味道一樣撲上去。有些細菌則會根據地球磁場來決定是向南還是向北排列自己,這種趨磁細菌的特殊能力來自于它們裝滿了磁性晶體的專門細胞器官。

  但也許所有微生物辨別方向的壯舉中最令人驚異的要數多頭絨泡菌,這種變形蟲樣的生物總是能夠找到闖過迷宮的最短路線。

  學習和記憶:也可以天天向上

  研究人員發現,當阿米巴盤基網柄菌搜索細菌培養皿表面來獲取食物時,它的行為不是完全隨機的。它右轉一次之後,就會向左轉兩次,反之亦然。顯然它能夠記住上次轉動的方向。人類精子也具有相同的能力。

  大腸桿菌則是更聰明的學生。這種細菌的大部分生命都在宿主的消化系統中進行旅行,遭遇著各種各樣不同的環境。旅途中,在找到麥芽糖之前,它或許會遇到乳糖。在第一次品嘗乳糖後,它會開啟自己的生化機制開關來進行消化。與此同時,它也會部分激活針對麥芽糖的機制,以便為即將到來的大餐做准備。以色列特拉維夫大學的研究人員曾用乳糖而非麥芽糖培養大腸桿菌,幾個月後他們發現,細菌逐漸改變了自己的行為,不再打開針對麥芽糖的消化系統開關。

  雖然以上這些簡單生命的聰明行為令人印象深刻,但人類目前對此也僅僅是以管窺豹,僅見九牛之一毛。科學家尚未就這些生命的奇跡行為給出一致的科學解釋。它們是“生物計算機”,具有可處理信息的內部機制,這樣的解釋聽起來不錯,但遠不能令所有人信服。單細胞生物體的所作所為仍有那麼多的未知、那麼多的驚奇,等待著人類去探索發現。


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