我在计算，何时醒来
我在计算，何时醒来Måka 原理
2022-10-08 05:34
Posted on 浙江
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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。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPzS5AicGxGSOibXiadGCtjdZiaxhnJgB43L8QKPf4H1Zl8SJbdfn67kWdfDMWww6NYqiamZAJE6aCLYIQ/640?wx_fmt=jpeg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。
#创作团队：
编译：Måka#参考来源：
https://today.ucsd.edu/story/the-thinking-undead-how-dormant-bacteria-calculate-their-return-to-lifehttps://www.sciencenews.org/article/bacteria-spores-cells-life-signals-environment#图片来源：
封面图&首图：Anne Hashimoto, UCSD
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