微生物的生存之道：合则生，分则死！
中国微生物菌种查询网 / 2019-04-26 09:37:13
在大自然中，资源争夺无处不在，不仅动物和植物需要合作，微生物也会为了生存而合作。物竞天择，适者生存。自然选择自带“自私”属性，而任何合作都需要参与合作的个体做出一定的“牺牲”。那么微生物们究竟如何达成合作共识，今天我们就来探个究竟。
相濡以沫
如同人类一样，许多细菌也过着群居生活，大量的细菌连成一片形成生物膜（更多生物膜精彩内容，猛戳微生物的AI）。生活在一起难免磕磕碰碰，生物膜里的细菌也得竞争利益和需求。一方面，位于生物膜边缘的微生物容易受到来自外部的攻击，如抗生素和其他细菌，而位于内部的细菌则受到保护；另一方面，这些外围的细菌却更容易获得食物，如若不加以控制，它们就会消耗完所有的营养，使得内部的细菌挨饿。
为了解决这一“社会冲突”，细菌们进化出了一套机制，从而使整个菌落受益。研究人员通过观测生物膜的生长过程发现：在长到一定大小的时候，生物膜的扩张速度变得忽快忽慢。周期性的减慢生长速度阻止了外围的细菌吃掉所有的食物。这一机制涉及一个生长必需的分子：铵。
细菌可以自己制造铵，但是生物膜外围的细菌在迅速扩张到新领域的时候，需要依靠内部的细菌为其提供按。因此，如果内部的细菌开始食物短缺，内部铵的生产也会随之变慢，从而抑制了外部细菌的生长。这样的一个过程，形成了一个典型的反馈回路。
通过这种调控机制，生物膜便可持续生长，并且使得整个细菌社区更具活力。当研究人员通过基因工程手段改造外围细菌使其能够大量生产铵后，它们不再依赖内部细菌。这一改造，使得反馈回路被打破，生物膜便会持续生长。随后内部细菌如预期一样，因食物匮乏而死亡，而生物膜也更容易被抗生素等物质破坏。
一根筷子轻松被折断，十根筷子牢牢抱成团。这一点在细菌的抗性上体现的尤为明显。研究表明，生物膜对抗生素的抗性是单个细菌的1000倍以上。生物膜能够形成一个物理屏障来阻止抗生素的渗透；抗生素很难渗透到生物膜内部，只能杀死外部细菌。另外，一些细菌可以通过休眠的方式度过难关，一旦抗生素浓度降低，便会重新开始生长。另一方面，外围细菌死亡，内部细菌便会获得更多的食物，接替死去的同胞继续扩张领地。
这项研究从另一个侧面也为我们提供了消灭微生物的新方法。例如，通过给细菌生物膜提供铵可以使抗生素更有效——外围细菌不再依赖内部细菌，使后者被饿死，我们便可以摧毁整个细菌群落。
合作在人类社会十分普遍，从个人到公司再到国家间，合作不分种族和年龄。但是细菌会有一些极端的合作模式：为了大部分细菌的利益，牺牲小我，成全大我。
这种自我毁灭式的合作方式的典型案例发生在沙门氏菌的感染过程中。沙门氏菌感染通常是由于吃了染有细菌的食物引起的。要引发感染，这一小撮细菌必须“占领”肠道。肠道内生长着大量的竞争性菌群，这对“初来乍到”的沙门氏菌是个挑战，即使它们竞争过了“地头蛇”，还有人类强大的免疫系统在等着它们。虽然刚刚进入人类肠道的一小撮沙门氏菌都是相同的，但是很快它们就会分成两个队伍：一组变身神风特工队，一组伺机而动。沙门氏菌在人类肠道里来了一次“公共物品博弈”。
在博弈场景中，参与者每人得到一些钱，他们可以将这些钱拿出一部分作为公共资金，不管有多少人往里面投了钱，这笔资金都会变成三倍，最后平均分给所有参与者。该博弈场景中的理性行为是采取自私做法，不向公共资金中投钱，收取分到的钱从中获利。幸运的是，在真实场景中，人们有时不会采取理性行为，而向公共金中投钱。
这种行为对沙门氏菌来说是危险的。在分成两组后，其中一组原地待命，另一组则开始入侵肠壁。入侵行动引发的免疫反应会使后者粉身碎骨，同时也消灭了大量肠道内其他的竞争性微生物。没有了竞争，原地待命的细菌开始繁殖进而引发感染。
整个过程最奇怪的就是：明明完全相同的细菌，为何一部分选择了自我牺牲？
这种差异并不是来自于基因上的不同，而是来自表型噪音（phenotypic noise）——在细胞分裂过程中随机分配蛋白质和其他分子。也就是说，所有的细菌都含 有指示自我牺牲行为的基因，但是并不是所有的细菌都会表达这些基因。如果这两组细菌的基因不同，自我牺牲的细菌便会很快死光。相反，如果这个过程只是随机发生，这个细菌群落作为一个整体便会存活。