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從細菌無序的個體運動到有序的群體遷移獲揭示

[所屬分類:行業動態] [發布時間:2021-11-5] [發布人:網站管理員2] [閱讀次數:] [返回]

排(pai)好(hao)隊，一起走
從細菌無序(xu)的個體運動到有序(xu)的群體遷移獲揭(jie)示
作者：刁雯蕙來源：中國科學報
山東拓普生物(wu)工程(cheng)有(you)限公司 //ljxinglong.com
自然(ran)界中生活著大量的(de)(de)(de)群居生物(wu)，為了找到更(geng)(geng)豐(feng)富(fu)食物(wu)與(yu)更(geng)(geng)適(shi)宜的(de)(de)(de)環境(jing)，他們往往需要(yao)(yao)進(jin)行(xing)群體遷移(yi)(yi)(yi)。這(zhe)就要(yao)(yao)求群體中無論男女(nv)老少、體質好壞都要(yao)(yao)保(bao)持同樣的(de)(de)(de)速(su)(su)度遷移(yi)(yi)(yi)，以(yi)(yi)防(fang)落單致(zhi)險(xian)。然(ran)而不同的(de)(de)(de)個(ge)體總會(hui)在行(xing)動能力、導航能力等(deng)方(fang)面存在差異，因此一種穩健的(de)(de)(de)速(su)(su)度協調(diao)機制對(dui)于(yu)一個(ge)群體而言(yan)至關重要(yao)(yao)。具有(you)智慧(hui)的(de)(de)(de)生物(wu)尚且(qie)可(ke)以(yi)(yi)利用語(yu)言(yan)命令(ling)等(deng)方(fang)式在個(ge)體之(zhi)間傳遞信息。但對(dui)于(yu)細(xi)菌(jun)這(zhe)種單細(xi)胞(bao)生物(wu)來說，他們可(ke)用的(de)(de)(de)信息傳遞方(fang)式極為有(you)限，是什么樣的(de)(de)(de)機制可(ke)以(yi)(yi)保(bao)證不同行(xing)動能力的(de)(de)(de)細(xi)菌(jun)集體遷移(yi)(yi)(yi)呢？
11月(yue)2日(ri)，來自中(zhong)國科(ke)學(xue)院(yuan)深圳先進院(yuan)合成生(sheng)物學(xue)研究(jiu)(jiu)(jiu)所傅雄飛(fei)課題組的(de)研究(jiu)(jiu)(jiu)人(ren)員發表在eLife雜志的(de)文章，揭(jie)示了(le)細菌(jun)通過(guo)有(you)序(xu)隊列實現集群遷移(yi)的(de)協調機制。同時，該論(lun)(lun)(lun)文被遴選為“eLife digest”科(ke)學(xue)文摘評述報道。中(zhong)國科(ke)學(xue)院(yuan)深圳先進技術研究(jiu)(jiu)(jiu)院(yuan)合成生(sheng)物學(xue)研究(jiu)(jiu)(jiu)所的(de)助理研究(jiu)(jiu)(jiu)員白陽與博士(shi)生(sheng)何彩云為論(lun)(lun)(lun)文共同第(di)一作者，傅雄飛(fei)研究(jiu)(jiu)(jiu)員為論(lun)(lun)(lun)文通訊(xun)作者。
細菌作(zuo)為最小的(de)(de)(de)(de)(de)可以(yi)獨立活(huo)動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)生命體(ti)，可以(yi)轉動(dong)身上的(de)(de)(de)(de)(de)鞭毛，在液體(ti)中游(you)動(dong)。同(tong)時(shi)他們還能通(tong)(tong)過不定時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)身體(ti)翻滾，隨機(ji)改變游(you)動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)。在一些化(hua)(hua)學物(wu)(wu)質的(de)(de)(de)(de)(de)吸引下（我們通(tong)(tong)常把具有吸引能力的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)(hua)學物(wu)(wu)質叫(jiao)做(zuo)趨化(hua)(hua)物(wu)(wu)），細菌可以(yi)通(tong)(tong)過調(diao)節身體(ti)翻滾的(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)率讓(rang)自己(ji)在各個(ge)方(fang)向(xiang)隨機(ji)游(you)動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)時(shi)慢(man)慢(man)靠近趨化(hua)(hua)物(wu)(wu)濃度較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)。然(ran)而(er)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)細菌個(ge)體(ti)對于趨化(hua)(hua)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)敏感度各不相同(tong)，有的(de)(de)(de)(de)(de)可以(yi)更快地聚集到高(gao)濃度區(qu)，而(er)有的(de)(de)(de)(de)(de)則要慢(man)一些。
當細菌組成一(yi)個(ge)群(qun)(qun)體(ti)聚集(ji)在一(yi)起的(de)(de)(de)時候，他們會一(yi)起消(xiao)耗(hao)環(huan)境中的(de)(de)(de)趨(qu)化(hua)(hua)物(wu)。隨著本地趨(qu)化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)逐漸消(xiao)耗(hao)，他們便會依靠趨(qu)化(hua)(hua)運動能力朝著還沒(mei)有去過的(de)(de)(de)領地游(you)動，享受那里更(geng)高濃度的(de)(de)(de)趨(qu)化(hua)(hua)物(wu)。有趣的(de)(de)(de)是，在這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)遷移群(qun)(qun)體(ti)中，對(dui)趨(qu)化(hua)(hua)物(wu)濃度不敏(min)感(gan)的(de)(de)(de)細菌雖(sui)然處(chu)在群(qun)(qun)體(ti)的(de)(de)(de)尾(wei)端，但是卻沒(mei)有被落下，而(er)是緊(jin)(jin)緊(jin)(jin)地跟(gen)隨著敏(min)感(gan)的(de)(de)(de)細菌，形成了一(yi)個(ge)緊(jin)(jin)湊(cou)的(de)(de)(de)有序(xu)隊(dui)列，以同樣的(de)(de)(de)速度共同運動。之前，傅雄(xiong)飛實(shi)驗(yan)室與耶魯大學Thierry Emonet實(shi)驗(yan)室合作研究發現了這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)有序(xu)隊(dui)列對(dui)于細菌的(de)(de)(de)集(ji)群(qun)(qun)遷移來說至關重要。可是，細菌個(ge)體(ti)運動總(zong)是在不斷(duan)改變游(you)動方向，這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)有序(xu)群(qun)(qun)體(ti)行(xing)進隊(dui)列是如何從無(wu)序(xu)的(de)(de)(de)個(ge)體(ti)隨機運動中涌現出(chu)來的(de)(de)(de)呢？
為(wei)(wei)了回答這個(ge)(ge)問題，研究人員對每一(yi)(yi)個(ge)(ge)細菌(jun)的(de)運動軌跡進行了追蹤與觀測。他們發(fa)現每一(yi)(yi)個(ge)(ge)細菌(jun)都在群(qun)體中做往(wang)復運動：當細菌(jun)落在群(qun)體后(hou)(hou)面時(shi)，他們就會(hui)更努力(li)地向(xiang)前(qian)(qian)游動；一(yi)(yi)旦(dan)他們游在了群(qun)體的(de)前(qian)(qian)端(duan)，則像失去了導航(hang)一(yi)(yi)樣四處亂游，直到落在群(qun)體后(hou)(hou)端(duan)，又再一(yi)(yi)次(ci)奮力(li)向(xiang)前(qian)(qian)。這樣的(de)運動行為(wei)(wei)，就好像有一(yi)(yi)種力(li)量(liang)在后(hou)(hou)面推著(zhu)他們往(wang)前(qian)(qian)走(zou)似的(de)，落在后(hou)(hou)面就推一(yi)(yi)把，跑到前(qian)(qian)面就不管了。
經(jing)過一系列的(de)模型推(tui)演，研究人員發現這種后面(mian)強前(qian)(qian)面(mian)弱的(de)‘力(li)(li)量’的(de)確存在，而它(ta)恰恰就來(lai)源于細菌(jun)群體(ti)(ti)消(xiao)耗(hao)趨(qu)化物所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)濃度梯度總是后面(mian)高前(qian)(qian)面(mian)低。因(yin)此當細菌(jun)落在群體(ti)(ti)后端時會(hui)受到(dao)趨(qu)化物更大(da)的(de)吸引力(li)(li)，使(shi)得細菌(jun)更加努力(li)(li)地向前(qian)(qian)游動。而當他們游到(dao)群體(ti)(ti)前(qian)(qian)端時，因(yin)為各處的(de)趨(qu)化物濃度都差不多，反而失(shi)去(qu)了繼(ji)續(xu)前(qian)(qian)進的(de)動力(li)(li)。
細(xi)菌群體(ti)遷(qian)移時存(cun)在(zai)(zai)這樣后面(mian)(mian)(mian)強前面(mian)(mian)(mian)弱的(de)(de)(de)‘推動(dong)(dong)力(li)’，對那(nei)些(xie)不太(tai)敏(min)感(gan)(gan)的(de)(de)(de)細(xi)菌來(lai)說是(shi)一(yi)(yi)個(ge)巨大的(de)(de)(de)利(li)好。因為每當他(ta)(ta)們被那(nei)些(xie)對趨(qu)化物敏(min)感(gan)(gan)的(de)(de)(de)同(tong)伴落在(zai)(zai)后面(mian)(mian)(mian)時，他(ta)(ta)們就會受(shou)到更大的(de)(de)(de)推動(dong)(dong)力(li)，驅使(shi)他(ta)(ta)們向(xiang)前趕。而那(nei)些(xie)游(you)在(zai)(zai)前面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)個(ge)體(ti)反而在(zai)(zai)高濃度的(de)(de)(de)趨(qu)化物‘舒適(shi)’環境中(zhong)迷(mi)失(shi)了(le)繼續游(you)動(dong)(dong)的(de)(de)(de)方向(xiang)。當然，也(ye)正是(shi)因為這個(ge)機制，不同(tong)行動(dong)(dong)能力(li)的(de)(de)(de)個(ge)體(ti)才能在(zai)(zai)同(tong)一(yi)(yi)個(ge)群體(ti)中(zhong)協(xie)(xie)調地(di)共存(cun)，以同(tong)樣的(de)(de)(de)平均速率向(xiang)前遷(qian)移。進一(yi)(yi)步地(di)，研究(jiu)人員(yuan)利(li)用(yong)合成(cheng)生物學手段對細(xi)菌的(de)(de)(de)敏(min)感(gan)(gan)度進行了(le)人工調控(kong)，成(cheng)功(gong)地(di)驗證了(le)這個(ge)協(xie)(xie)調機制的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。
這(zhe)個(ge)研究為我們展示了(le)一(yi)(yi)種(zhong)簡單而穩健的群體(ti)協調(diao)機制：只要在群體(ti)中建立一(yi)(yi)個(ge)后面(mian)強前面(mian)弱的推動作(zuo)用，就可(ke)(ke)以(yi)保證(zheng)不(bu)同行動能力的個(ge)體(ti)以(yi)同樣的速率前進。它不(bu)僅可(ke)(ke)以(yi)解釋許(xu)多生(sheng)命體(ti)的群體(ti)遷移行為，還(huan)對人類社會更復雜的群體(ti)協作(zuo)提供了(le)參考。
相關(guan)論(lun)文信息：//doi.org/10.7554/elife.67316

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