作為一類簡單的生物，細菌在我們眼中往往與複雜的結構絕緣。畢竟，不要說高等的動植物，就連真菌界都有黏菌這樣具有集體意識的智慧生命。而細菌群落里，有的似乎只有結構簡單的微小個體。然而，最新一期《細胞》雜誌的一項新研究，或許會改變你對於細菌的看法。
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加州大學聖地亞哥分校Gürol Süel教授帶領的跨國研究團隊發現，由細菌構成的生物膜可以比我們想象得更加先進。這些細菌能夠聚集形成非常複雜的同心圓圖案，這是以往只有在動植物這樣的高等生物中才能觀察到的現象。
▲生物膜分節、形成同心圓的過程（圖片來源：Kwang-Tao Chou）
所謂生物膜，就是微生物聚集在一起，形成的群落。從廚房的角落，到你牙齒表面的牙菌斑，生物膜在現實世界中可以說是無處不在。之前的研究已經發現，細菌的生物膜可能比你想象得更加複雜、聰明——它們可以藉助複雜的系統相互交流；也可以擁有“記憶力”，能記住幾個小時前的光刺激……
而最新研究關注的，則是生物膜如何應對營養的缺失。研究團隊收集了常見於土壤中的枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），在培養皿中培養、檢驗由其構成的生物膜。
結果，研究者觀察到了有趣的現象。枯草芽孢桿菌的生長需要氮源，而當培養皿中缺少可利用的氮，生物膜就會長出類似於同心圓的圖案，這與動物胚胎髮育的分節以及樹木的年輪生長類似，但唯獨不是人們熟悉的生物膜的形態。
這種以往只在高等生物中觀察到的複雜圖案，是如何出現在細菌身上的？研究團隊藉助數學模型給出了解釋。
當生物膜向外擴張並消耗營養，在營養耗盡的地方，特定的細菌會被“凍結”，通過孢子形成的方式休眠，來應對營養缺乏的壓力。這時，營養缺乏的情況就如同一道波，在生物膜的細胞之間傳遞。由於並非所有細菌都擁有能減輕壓力的基因、能通過孢子形成的方式來適應，因此不同細菌表現出的差異，將產生了我們看見的同心圓圖案。
值得注意的是，這個過程與遺傳學家此前提出的“時鐘與波前”模型一致。這個模型原本是用於解釋動物胚胎髮育的過程：胚胎的“時鐘”指示了不同階段的產生。而在這項實驗中，相對低等的細菌也能用同樣的模型來解釋：原本聚作一團的細菌也因為狀態的不同而出現分節。
“我們看到，生物膜比我們認為的更加複雜，” Süel教授表示，“從生物學的角度，我們的結果表明，細胞在比預期更早的時間，就能在發育時形成特定的圖案。顯然，能夠在時間和空間上為自身分節的不僅有脊椎動物和植物，這樣的行為或許可以追溯到10億年前。”
這項發現不僅首次展示了細菌構成的複雜圖案，還將對多個研究領域產生影響。由於生物膜在我們的生活中非常常見，它們在醫學、食品工業甚至軍事領域都有着應用前景。此外，由於生物膜系統能夠驗證簡單的細胞系統如何自組織形成複雜圖案，這對於在發育生物學領域研究時鐘和波形機制對脊椎動物的影響，也將起到推動作用。
“我們可以看見，細菌群落並不是一團細菌這麼簡單，” Süel教授說，“對於那些在脊椎動物和植物系統中難以驗證的問題，我們可以利用更簡單的細菌來設計實驗，從而為發育的研究提供新視角。”