会思考的亡灵：休眠的细菌孢子如何重获新生

出乎意料的细菌细胞活动提供了关于地球上以及可能在其他世界上的极端状态下的生命的见解。一些细菌会选择进入休眠状态，当它们面临饥饿和紧张的条件时，它们的生命过程就会停止。这些被称为孢子的细胞可以通过进入深度休眠状态来抵御高温、高压甚至太空的恶劣环境的惩罚。

当合适的环境出现时，可能已经休眠多年的孢子最终可能会在几分钟内苏醒并重新焕发活力。

孢子通过补水和重新启动其新陈代谢和生理功能而苏醒。但是直到现在，科学家们还不确定孢子是否能在"沉睡"中监测其周围环境而不被唤醒。特别是不知道孢子如何对并不明确表示有利条件的模糊环境信号作出反应。孢子是无视这种混合条件还是注意到了？

一张显微镜图像展示了几个孢子，它们的电化学电位根据信号的强度用颜色编码。资料来源：Süel实验室-Kaito Kikuchi 和 Leticia Galera

加州大学圣地亚哥分校的生物学家在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中解开了这个谜团。来自生物科学学院的研究人员发现，尽管保持生理上的死亡，但孢子有一种评估其周围环境的非凡能力。他们发现，孢子采用储存的电化学能量来检测条件是否适合恢复正常功能的生活，很像一个电容器。

分子生物学系教授Gürol Süel说："这项工作改变了我们对孢子的思考方式，孢子被认为是惰性物体。我们的研究表明，处于深度休眠状态的细胞有能力处理信息。我们发现，孢子可以释放它们储存的电化学势能来进行有关其环境的计算，而不需要新陈代谢活动"。

许多细菌物种形成了孢子--部分脱水的细胞，周围有弹性的保护层--作为一种生存策略，使它们能够保持数千年的休眠状态。这种非凡的能力使它们成为细菌性炭疽病的威胁，也是医药和食品工业的污染危险。

Süel和他的同事们测试了休眠的枯草杆菌孢子是否能够感知短暂的环境信号，这些信号并不强烈，不足以引发生命的恢复。他们发现，孢子能够计算这种小的输入，如果总和达到一定的阈值，它们将决定退出休眠状态并恢复生物活动。

研究人员开发了一个数学模型来帮助解释这个过程，他们发现孢子使用一种被称为"整合-发射"的机制，基于钾离子的通量来评估周围环境。他们发现，即使是短暂的有利信号，孢子也会做出反应，而这些信号不足以触发脱离休眠状态。孢子不是被唤醒，而是对每个小的输入作出反应，释放它们储存的一些钾，然后对连续的有利信号进行汇总，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"跳枪"进入一个不利条件的世界。

定制艺术图展示了一个由称为孢子的细菌细胞制成的算盘，用于计算刺激

孢子处理信息的方式与我们大脑中神经元的运作方式相似。在细菌和神经元中，小而短的输入随着时间的推移被加起来，以确定是否达到了一个阈值。在达到阈值后，孢子启动它们的生命回归，而神经元则发射一个动作电位，与其他神经元沟通。有趣的是，孢子可以在不需要任何代谢能量的情况下进行这种信号整合，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构建了关于细胞处于看上去似乎已经死亡的极端的休眠状态的流行观点。这样的发现对于评估诸如流星等物体上的生命以及寻求生命证据的太空任务具有意义。

Süel说："这项工作提出了应对病原体孢子构成的潜在威胁的替代方法，并对期望从地外生命中获得什么有影响，"他与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有联系。"如果科学家在火星或金星上发现了生命，它很可能处于休眠状态，我们现在知道，一个看似完全惰性的生命形式可能仍然有能力思考其下一步。"

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