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孢子的“休眠能力”从何而来？
用ThT染色的WT孢子的延时电影(上行)，按照它们发芽的顺序从左到右排列 孢子（spore）是脱离亲本后能直接或间接发育成新个体的生殖细胞。生物（如植物）通过无性生殖产生的孢子叫“无性孢子”，如分生孢子、孢囊孢子、游动孢子等；通过有性生殖产生的孢子叫“有性孢子”，如接合孢子、卵孢子、子囊孢子、担孢子等；直接由营养细胞通过细胞壁加厚和积贮养料而能抵抗不良环境条件的孢子叫“厚垣孢子”、“休眠孢子”等。其中，一些细菌面对饥饿或恶劣环境就会进入休眠状态，停止生命过程，进入深度休眠状态后，能够承受极端的高温、压力，甚至外太空恶劣的环境。 最终，当条件变得有利时，这些休眠孢子可以在几分钟内醒来，重新焕发生机，即使它们已经休眠了数千年(或数百万年)。这种非凡的能力使它们以炭疽等细菌的形式构成威胁，并在医药和食品工业中造成污染。直到现在，科学家们还不知道孢子是否可以“在睡眠中”监测它们的环境而不醒来。特别是，人们不知道孢子如何处理不明确表明有利条件的模糊环境信号。孢子会忽略这种混合条件吗? 庞贝法布拉大学和加州大学圣地亚哥分校的研究人员在发表在《Science》杂志上的一项新研究中解开了这个谜团。科学家们发现，孢子具有一种非凡的能力，可以在保持生理死亡状态的情况下评估周围的环境。他们发现孢子使用储存的电化学能量，就像一个电容，来确定条件是否适合恢复正常的功能生活。 “这项工作改变了我们对孢子的看法，孢子被认为是惰性物体，”Gürol Süel说，他是加州大学圣地亚哥分校分子生物学系的教授。“我们发现，处于深度休眠状态的细胞具有处理信息的能力。我们发现孢子可以释放它们储存的电化学势能来对它们的环境进行计算，而不需要代谢活动。”这组研究人员测试了休眠的枯草芽孢杆菌孢子是否能感知到短暂的环境信号，这些环境信号还不够强烈，不足以触发其复活。他们发现孢子能够计数如此小的输入，如果总数达到一定的阈值，它们就会决定退出休眠状态，恢复生物活动。 研究人员建立了一个数学模型来帮助解释这一过程，他们发现孢子利用一种被称为“整合-燃烧”的机制，这种机制基于钾离子的通量来评估周围环境。他们发现，孢子对甚至是短暂的有利信号都有反应，这些信号还不足以触发它们从休眠中退出。孢子不会醒来，而是对每一个微小的输入做出反应，释放一些它们储存的钾，然后总结连续的有利信号，以确定条件是否适合退出。这种累积信号处理策略可以揭示外部条件是否确实有利，并防止孢子“过早行动”进入不利条件的世界。 庞贝法布拉大学系统生物学教授Jordi García Ojalvo说:“孢子处理信息的方式类似于我们大脑中神经元的运作方式。在细菌和神经元中，随着时间的推移，小输入和短输入相加，以确定是否达到阈值。一旦达到阈值，孢子就会开始复活，而神经元则会触发动作电位与其他神经元进行通信。”有趣的是，孢子可以在不需要任何代谢能量的情况下完成这种信号整合，而神经元是我们身体中最依赖能量的细胞之一。 研究人员认为，关于孢子的新信息重新定义了关于处于极度休眠状态的细胞似乎死亡的流行观点。这些发现对于评估流星等天体的生命以及寻找生命证据的太空任务都有一定的意义。 Süel说:“这项工作提出了应对致病性孢子构成的潜在威胁的替代方法，并对外星生命的预期有影响。”Süel是圣地亚哥系统生物学中心、生物电路研究所和微生物组创新中心的成员。“如果科学家在火星或金星上发现了生命，它们很可能处于休眠状态。我们现在知道，一种看起来完全不活跃的生命形式可能仍然能够思考它的下一步行动。” 原文：Electrochemical potential enables dormant spores to integrate environmental signals |
