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美发现细菌能利用环境线索预测未来

2008/5/19/10:56 来源:科学时报

    我们都知道巴甫洛夫狗,这是一只由俄国生理学家伊凡·巴甫洛夫训练的狗,它能够将食物与铃声联系在一起。如今,美国科学家发现,细菌可能也能够完成类似的行为——之前从未在简单的生物体中发现这种能力。

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    研究人员已经知道,细菌能够对环境的变化作出简单的响应,例如因改变内部运作机制而产生的酸度波动。如果这种变化具有足够的规律,细菌便能够提前作出响应。然而美国普林斯顿大学的系统生物学家SaeedTavazoie想搞清的是,微生物的这种能力是否具有更加复杂的理由。例如,它们是否能够将一个没有规律的信号与未来可能出现的情况联系在一起。如果真是这样,那么细菌将能够通过提前对未来事件作出响应,从而增加其存活的几率。

    Tavazoie和同事首先利用一套计算机模型确定了一个简单系统是否能够进化出这种行为。研究人员创造了一个环境,其中繁殖了进化中的虚拟细菌。如果生物体能够“学习”某些比食物提前到达的信号并及时作出新陈代谢响应,它们便能够储存更多的能量。随着这些信号变得越来越复杂,生物体也进化出了相应的正确响应机制。研究小组在本周的美国《科学》杂志网络版上报告了这一研究成果。

    研究人员随后在大肠杆菌(Escherichiacoli)中寻找这种能力的证据。由于大肠杆菌进入人嘴——可能是通过某些不卫生的肉类食物——后会使自身的温度升高,并且这种细菌在进入人体肠道后必须马上与低氧环境进行斗争,因此研究人员推论,大肠杆菌可能将温度作为一种指标,用来准备应对即将到来的缺氧环境。实际上,当研究人员在计算机模型中升高大肠杆菌所处环境的温度后,这些细菌便会减缓一些基因的活性,而这些基因通常是用来应对高氧环境的。最终的结论来自于一项真正的实验,在研究中,科学家逆转了细菌的这种常规联系——他们在高氧同时伴随高温的环境中培育细菌。最终,用了不到100代,这些大肠杆菌即便暴露在高温环境下,也不会激活它们的低氧响应,这意味着这种细菌的进化阻断了这种联系。

    双子城明尼苏达大学的进化生物学家MichaelTravisano指出,这项研究是“第一个令人信服的证据”,表明细菌能够利用环境线索预测未来事件。这一研究成果将为解释微生物病原体谜一样的行为模式(它们或许利用前兆信号来改变自己的细胞表面,从而避免来自宿主的且即将发生的免疫攻击)开辟一条新的道路。Travisano表示:“一旦某些情况让你无法解释,它们或许便正预示着环境的变化。”

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