不要小看單細胞的細菌，它們可能真的擁有「智慧」

多頭絨泡菌（Physarum polycephalum）形成一個細胞質管狀網路，遍布了整個平面

撰文 John Rennie

圖片 Lucy Reading-Ikkanda

翻譯 何偉雄

審校 魏瀟

我們通常並不會將智力與微生物聯繫在一起。因為人們沒有理由認為細菌，黏菌和類似的單細胞生命形式具有真正的智力所必須的意識，知性或其他能力。然而當這些細胞大量地聚集在一起時，它們解決問題和操控周邊環境的驚人才能便開始顯現。

這些行為可能通過幾十億年的進化而被編碼到這些微生物的遺傳密碼中，從某種意義上來講，細胞，與通過編程從而可以用複雜方式應對環境的機器人，也並沒有太大區別。如果我們可以談論機器人的人工智慧，那麼我們也不該低估微生物所具有的智慧。

在顯微鏡下，細胞的集體智慧所驅使的令人難以置信的運動顯示出了驚人的美麗。自 1983 年以來，哈佛大學醫學院微生物學和免疫生物學教授，微生物科學計劃聯合主任羅伯托?考爾特（Roberto Kolter）建立了一個研究這些現象的實驗室。最近，他們研發了一種技術，能夠可視化這些進程。在九月出版的攝影集《生活在視線邊緣：微生物世界的攝影探索》（哈佛大學出版社）（Edge of Sight: A Photographic Exploration of the Microbial World (Harvard University Press)）中，考爾特和他的合著者，實驗室的研究員和成像專家斯科特?奇米列斯基（Scott Chimileski）為我們提供了科學和藝術兩個角度，來欣賞這些美麗的微生物，並且帶領讀者窺見真正存在於我們腳下的細胞世界的奇觀。

延伸、再延伸

黏菌中的多頭絨泡菌（Physarum polycephalum）很多時候並不具有微生物的特徵：在其生命周期中的活動、變形階段，它會滲透到森林地上的落葉腐物中，像一灘巨大的網狀黃色凝膠。儘管它很巨大，多頭絨泡菌依然是一個單細胞生物，它擁有成千上萬的細胞核，漂浮在連續的細胞質中。在這種形態下。多頭絨泡菌是一個十分高效的獵手。當細胞膜上的感測器檢測到優質的營養源時，蛋白質構成的收縮網路（與人類肌肉中發現的蛋白質存在密切聯繫）開始向該方向泵送細胞質流，促使菌體向其所需的方向延伸。

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高倍率下的多頭絨泡菌通過巨大的單一細胞猛烈地泵送細胞質流

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這種細胞質的流動可以讓粘菌向營養物質方向前進，並有可能鋪滿平面。

但是，多頭絨泡菌不僅僅是條件反射性地向食物延伸。當它向一個方向延伸時，細胞內傳輸的信號能夠阻止它沿著錯誤的路線做無用功地推動。此外，多頭絨泡菌已經發展出一種可以探測地形的系統，並記住不要去哪裡：當它們移動時，它們會留下一個半透明的化學痕迹，告訴它們哪些區域不值得再去探索。

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當絨泡菌探索一個地區並發現該區域缺乏營養物質後，它留下一個化學痕迹作為一種外部記憶，告訴粘菌不要再去那裡。

當我們通過顯微鏡，觀察懸浮在載玻片液體中的細菌時，簡單來說它們看上去像是一群簡單獨立的細胞。然而事實是，在野外，大多數細菌是高度群居的。一些細菌個體會獨自在環境中遊動，但是大多數細菌喜歡生活在地表上的被稱為生物膜（biofilm）的緊湊型群落中（那些單獨的個體往往是生物膜的分支，試圖擴張到新的地方）。

在綠濃桿菌生物膜的高倍放大掃描電子顯微照片中，單個桿狀細菌通過稱為纖毛的毛狀結構相互連接。芽孢桿菌屬細菌分泌細胞外基質，包裹細胞並幫助它們形成更結構化的群落。

生物膜不僅僅是微生物的密集堆積。從綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）的圖像中可以看出，它們還具有細緻的內外功能結構，為細胞的集體命運負責。生物膜被剛果紅染料（Congo red dye）染色，與細胞分泌的作為菌落支架的細胞外基質蛋白結合。生物膜布滿深深褶皺的表面使細菌吸收氧氣的區域最大化; 也可能有助於它們汲取營養，有效地排出廢物。

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當生物膜擴大時，它發展出更複雜的內部結構。大量不同位置的細菌也可能發揮更多的特異化功能。

在生物膜內，細菌會分工去將維持菌落的生存，並分化為具有不同功能的「角色」。 例如，在常見的土壤細菌——枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的生物膜中，一些細胞分泌細胞外基質並固著在原位，另一些細胞則保持能動性; 生物膜邊緣的細胞可能會分裂生長，而另一些細胞則釋放孢子，幫助群落在艱苦的生存條件下生存下去，並佔據新的地方。

這種枯草芽孢桿菌生物膜的褶皺結構有助於確保其中的所有細菌的氧氣供給（左）。 生物膜的三維數字掃描模型有助於說明細菌群落如何改變其結構（右）。

有人可能會問，為什麼自然選擇會傾向於細胞間的這種集體行為，而不是更為猖獗的個人主義。部分答案可能是進化理論家所說的包容適應性：就生物膜內的細菌而言，個體的犧牲，能被每個細胞的數百萬「親屬」的增加的適應性所抵消。但也可能是生物膜內的每一個角色都有其進化優勢：邊緣的細胞最容易受到傷害，必須大力繁殖才能擴大生物膜，但也能獲得最多的營養和氧氣。內部的細胞依賴於其他細菌的提供重要給養，但它們可能會生存更長的時間。

菌群的移動

生物膜並不總是生長在固體上。下圖這些枯草芽孢桿菌正在形成一個菌醭——在水和空氣的交界面的一種浮動生物膜。參與菌醭形成的遺傳途徑基本上與生長在岩石上的途徑相同，它們可以根據需要、通過改變細胞外基質中蛋白質的精確混合配比來適應不同棲息地的環境。

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細菌也可以在非固體表面生長，這種枯草芽孢桿菌培養物通過在燒杯中的氣 - 液界面上形成菌醭

擴張式的生長並不是微生物群落移動的唯一途徑。下圖中枯草芽孢桿菌正在進行一種叫做樹枝狀群游（dendritic swarming）的行為，在這種行為中，細胞群迅速向外分枝擴展，可以有效地鋪滿一個平面。當生物膜檢測到自身處於營養富足的環境中時，會進行群游：群游有助於生物膜在任何處於競爭關係的群落到達之前，充分利用這個寶貴的區域。

生物膜中的細胞至少要發生兩個重要分化才能使得群游成為可能。首先，膜外圍的能動細胞會長出額外的鞭毛，使他們能夠更有力地遊動。其次，一些邊緣細胞也會開始分泌表面活性劑，這種光滑的物質可以使能動細胞在光滑平面上更快速地滑動。

當生物膜在扁平的培養皿中生長時，群游的生物膜的樹狀結構整齊分明：它們彼此延伸並捲曲在一起，但是它們不會交叉。這似乎部分是由於表面活性劑堆積在生物膜的枝幹周圍作為屏障。同樣，在實驗室中，一些細菌更傾向於在階梯狀的結構中群游。這種群游模式的選擇對自然界中細菌的影響仍然是一個謎。

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這些細菌進行了樹狀群游的行為，使得微生物群落迅速擴展到理想的資源豐富的環境中

在下面的延時攝影中展示了蕈狀芽胞桿菌（Bacillus mycoides）在實驗室條件下生長出的生物膜的另一種行為——螺旋遷移。這些細菌細胞按照順時針或逆時針捲曲的方式生長成長鏈或長絲。根據奇米列斯基的說法，這種螺旋運動的具體優點仍在研究之中，但它們一定是很重要的，因為芽孢桿菌很擅長接管可利用的環境。他解釋說：「蕈狀芽胞桿菌是土壤中最容易培養的細菌之一。當科學家們從土壤中分離出微生物並在瓊脂培養皿上生長時，特別是在室溫下，「蕈狀芽胞桿菌通常會布滿整個培養皿並壓倒所有其他微生物。出於這個原因，對於許多微生物學家來說，這是一種「令人討厭的物種」。

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螺旋遷移是土壤細菌蕈狀芽胞桿菌所青睞的行為。這些細胞的群落通過形成細長的絲狀體擴張，進行細絲順時針或逆時針盤繞。生長方向是菌株特異的，由遺傳因素決定。

令人好奇的是，順時針或逆時針的生長方向似乎是一種遺傳特徵：即使在相同的物種中，不同的菌株也是在不同的方向上生長的。這是細菌遵循個體 DNA 指令的另一個例子，它可以證實解決問題的行為在生物膜的集體層面上是非常複雜的，並且具有適應性。

生物膜在培養基中產生的這些幾何形狀及其可能的功能模式是非常迷人的。然而，奇米列斯基指出，將實驗室中的行為適用到自然微生物群落上還有許多工作要做。

奇米列斯基指出，「大多數天然生物膜是多物種的生態系統，而天然生物膜內部的細胞通常生長得更慢。」他繼續說道，「我喜歡思考我們在培養皿中培養細菌的方式：一個單一物種獨自存在，處於生長的最佳溫度下，並擁有生長所需的一切條件，就好像直接把物種的存活能力調高了。在實驗室條件下，研究人員可以研究哪些基因參與複雜的多細胞行為，他們可以測量該菌種的適應性。但在自然環境中，由於營養物質有限或與其他物種競爭，生物膜通常不會按照完全與實驗室相同的模式形成。他說：「因此，同樣的生物學規律可能會出現在你的後院的土壤顆粒中，在更小的尺度上，而且在更長的時間周期內，」當然，這肯定沒那麼容易被拍攝下來。

隔絕與操控

生物膜的行為證明了細菌的能力和開放性，但這種開放性是有限度的，正如這種環境中有幾個共存的生物膜一樣。在這裡，由相同的細菌或高親緣性的菌株組成的相鄰生物膜自由地融合在一起。但是由不同的細菌組成的相鄰生物膜保持了自己的獨特性，甚至可能試圖消滅或控制彼此。

在這個培養皿中，幾種不同的枯草芽孢桿菌菌株並列生長。生物膜可以區分不同的細菌菌株，它們可以與近親相融合，但與其他菌株形成邊界。

生物膜對其他種類的菌株非常不寬容，它們投入了大量「資源」生產表面活性物質，細胞外基質和其他分子——細菌學家將這些歸類為生物膜的公共財產，因為負責生產的細菌是為其群落中的其他成員分泌的。這些細菌小心翼翼地保護著這些公共財產，防止膜外的遊離細胞首先利用它們、獲得大量的好處。

生物膜以不同的方式阻擋這樣的遊離細胞。例如，這幅圖像中的枯草芽孢桿菌落採用「親緣識別」的策略，菌落分泌的一種抗生素對其他物種有毒，但對其本身不具有毒性。奇異變形桿菌（Proteus mirabilis）採用以「自身識別」為基礎的方式捍衛自己的利益：奇異變形桿菌的生物膜檢查侵入細胞，用類似矛狀的結構刺入任何入侵者，並注入毒物，殺死幾乎所有與之密切相關的物種。

在以下圖片中，天藍色鏈黴菌（Streptomyces coelicolor）生物膜中的顏色表現了細菌產生的天然色素。生物膜色素的價值並不十分清楚，但可能與其顏色無關。確切地說，這些色素分子通常在不同方面具有生物活性。奇米列斯基說：「這段視頻中所看到的藍色顏料是放線菌紫紅素 （actinorhodin），這是一種抗生素，」但他補充說，在這個時候這個術語是個誤導。「相對於自然界的情況而言，殺死或生長抑制通常只發生在濃度非常高的放線菌紫紅素的環境中。」因此，他說，「有一種新興的觀點認為大多數抗生素的生態功能可能不是殺死細胞。相反，這些生物活性分子可能是對其他細胞的信號或發育線索。

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生物膜可以使用生物活性色素作為操縱其共享環境中其他微生物行為的信號。

考爾特實驗室的另一位研究人員格萊布·皮什坎尼（Gleb Pishchany）在一份研究報告中回應了這種觀點，他研究了不同類型的細菌如何共存。他寫道：「一個有趣的可能是，在自然生態系統中，鏈黴菌使用較低濃度的色素和其他生物活性分子，作為在多物種微生物群落之間交換的信號。色素可能有助於同居的不同種類的細菌抑制彼此的排外本能，從而維持一種更加具有合作精神、富有成效的集體生活。

單反相機捕捉了這些令人震驚的微生物群落照片。奇米列斯基在工作台上工作時，用微鏡頭拍攝了它的靜態圖像，而視頻則是在一個專門用於延時攝影的顯微鏡培養器中製作的。他設置相機每隔 10 分鐘拍攝一張照片，每隔一兩分鐘便增加拍攝的頻率，以便捕捉更快地動作，比如黏菌的運動。最後，這些視頻中的微生物的運動速度通常是它們實際速度的 5 千到 5 萬倍。奇米列斯基不使用後期染色來美化圖像:除了對某些環境中的細胞外基質使用染料，他的大多數作品都展示了微生物的天然色彩。

奇米列斯基通常在 30°C 下培育細菌菌落，在這個溫度下，他可以用幾周時間來收集生長緩慢的物種的圖像。少數照像機會出現機械故障：因為記錄微生物行為所需的拍攝數量非常之大，以至於快門最終在數十萬次點擊之後壞掉了。

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