細菌能儲存“記憶”并傳給“曾孫”？

劉霞

記憶通常與高等生物有關。不過，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的科學家日前開展的一項研究發現：盡管缺乏神經元、突觸和神經系統，但當數百萬只細菌聚集于同一表面時，它們能夠形成類似于記憶的東西，比如何時一起游動、何時形成生物膜等，而且細菌至少可以將這些“記憶”傳給自己的“曾孫”。進一步分析顯示，看似平淡無奇的鐵是細菌形成此種“記憶”的幕后功臣。相關論文刊載于《美國國家科學院院刊》。

那么，細菌真能形成“記憶”并傳給后代嗎？中國科學院微生物研究所微生物資源前期開發國家重點實驗室研究員付鈺告訴《科技日報》記者：“嚴格來說，得克薩斯大學奧斯汀分校科學家開展的這項研究所闡述的細菌‘記憶’并非生物學意義上的記憶，而是細菌基于鐵元素濃度變化而產生的對外界刺激的反應。這使細菌在復雜環境下更好地生存與繁殖。”

“最新研究對我們應對細菌耐藥性有啟發意義，比如我們可以人為調節鐵的濃度，從而減少細菌對感染部位的附著，降低細菌對抗生素的耐受，方便免疫系統清除病原細菌并加強抗生素的療效。”付鈺進一步強調。

包括人類在內的高等動物擁有記憶能力，這種能力能讓高等動物不斷適應環境的改變，快速作出正確的反應。研究顯示，這種記憶能力源于神經組織。神經組織在接受外界刺激后會形成神經沖動，神經沖動對于特定刺激形成條件反射，并能在今后遇到同樣刺激時作出相應的反應。

付鈺介紹：“細菌雖然沒有大腦，不能像高等動物那樣記憶信息，但在某種意義上，它們確實具有‘記憶’機制。這種機制主要體現在它們對環境變化的適應性，以及對遺傳信息和化學物質的傳遞上。”

細菌可以從環境中收集信息。如果它們經常遇到這種環境，它們能存儲信息，并在以后快速訪問這些信息，這對它們有利。

得克薩斯大學奧斯汀分校的科學家蘇維克·巴塔查里亞領導的團隊開展的這項最新研究發現，細菌不僅可以形成“記憶”，還可將“記憶”傳給自己的后代。

科學家此前觀察到，有過群聚運動（眾多細菌在鞭毛驅動下進行的快速運動）經驗的細菌會更愿意且更有能力成群結隊地運動。巴塔查里亞等人希望厘清這一現象的內在原因。為此，他們設計了一種實驗裝置，可監測由超過1萬個大腸桿菌細胞組成的群聚運動。一系列分析結果顯示，這些大腸桿菌可以將形成群聚運動的“記憶”保留至少四代，也就是傳給自己的“曾孫”，直到第七代才會完全消失。

那么，這種“記憶”是通過什么方式保留和傳遞的呢？答案指向了鐵。鐵是地球上最豐富的元素之一。在氧氣出現于早期地球的大氣中之前，鐵在早期生命的許多細胞過程中發揮了關鍵作用，對生命的進化至關重要。

巴塔查里亞解釋道，大腸桿菌的上述“記憶”機制源于大腸桿菌細胞內鐵元素含量的變化。他們的觀測結果顯示，不同細菌含有不同水平的鐵，這對于其細胞代謝非常重要。鐵元素含量較低的大腸桿菌更容易成群結隊運動。而那些細胞內鐵含量較高的細菌則往往傾向原地不動，形成生物膜。這些大腸桿菌的后代，會繼承其“父輩”細胞內的物質，從而繼承了群聚運動的“記憶”。

研究人員推測，當鐵含量較低時，細菌會快速集結，形成快速運動的群體，在環境中尋找鐵；當鐵含量高時，細菌可以原地附著并形成生物膜。

他們的最新研究還發現，人為升高或降低大腸桿菌細胞內鐵元素的含量，可以縮短或延長“記憶”保存的時間。

付鈺認為，鐵作為生命活動中重要的元素，在細菌各種生化反應中發揮著重要作用。因此，鐵濃度的變化可以調控細菌應對外界環境的方式，其實并不令人意外。

巴塔查里亞表示，細菌知道何時形成群聚運動、何時形成生物膜的“記憶”。這一特點或許也在其感染人類時起到了重要的作用。因此，這些發現對于細菌感染的治療和預防具有重要意義，有助于應對抗生素耐藥性。巴塔查里亞強調，鐵濃度絕對是治療細菌感染的靶標之一，因為鐵是決定細菌毒性的重要因素。

付鈺解釋說：“當鐵元素濃度較高時，大腸桿菌傾向于停止運動形成生物膜，生物膜的形成可以提高細菌的耐藥性。而當大腸桿菌體內的鐵濃度較低時，細菌對抗生素的耐受性較差。這些都對我們應對細菌耐藥有啟發意義，比如我們可以通過改變鐵的濃度使細菌難以形成生物膜，并降低其對抗生素的耐受性，從而高效地治療感染。”

“微生物所表現出的‘記憶’可能基于各種機制，但歸根結底，所有這些都是微生物在長期進化中形成的對外界環境變化的快速反應。小細菌擁有大智慧，無數有意思的現象等待科學家們一一解析。”付鈺總結道。