Science：深度休眠的孢子可利用储存的电化学能量来评估它们的周围环境

面对饥饿和应激条件，一些细菌进入一种生命过程停止的休眠状态。这些称为孢子的细菌细胞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，可能已经休眠多年的孢子可以在几分钟内醒来，重新焕发生命。

孢子通过重新水化和重新启动它们的代谢和生理机能而醒来。但是直到现在，科学家们还不知道孢子是否能够“在休眠中”监测它们的环境而不被唤醒。特别是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。孢子是无视这样的混合条件还是会注意到呢？

在一项新的研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员解开了这个谜团。他们发现，孢子在保持生理上的死亡状态时，有一种评估它们的周围环境的非凡能力。他们发现，孢子利用储存的电化学能量，就像一个电容器一样，来确定条件是否适合恢复正常的功能生活。相关研究结果发表在2022年10月7日的Science期刊上，论文标题为“Electrochemical potential enables dormant spores to integrate environmental signals”。

论文通讯作者、加州大学圣地亚哥分校分子生物学系教授Gürol Süel说，“这项新的研究改变了我们对孢子的思考方式，孢子曾被认为是惰性物体。我们发现处于深度休眠状态的细菌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，而不需要进行代谢活动。”

许多细菌物种形成了孢子---部分脱水的细菌细胞，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。这种非凡的能力使得细菌性炭疽病成为一种威胁，也让医学和食品工业面临污染危险。

Süel和他的同事们测试了休眠的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）孢子是否能够感知短暂的环境信号，这些信号并不强烈，不足以触发生命的恢复。他们发现，孢子能够计算这类小的信号输入，如果输入的信号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。

这些作者开发出一种数学模型来帮助解释这个过程，发现孢子使用一种称为“整合-发射”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，即使是短暂的不足以触发脱离休眠状态的有利信号，孢子也会做出反应。孢子不是被唤醒，而是对每个小的输入信号作出反应，释放它们储存的一些钾，然后对连续的有利信号进行相加，以确定条件是否适合退出休眠状态。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”而进入不利条件的世界。

Süel说，“孢子处理信息的方式类似于我们大脑中的神经元的运作方式。在细菌和神经元中，小而短的输入信号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，孢子开始恢复生命，而神经元则发出一个动作电位，与其他神经元进行交流。”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。

这些作者认为，关于孢子的新信息重新构建了关于细菌细胞处于似乎已经死亡的极度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，“这项新的研究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。如果科学家们在火星或金星上发现了生命，它很可能处于休眠状态，我们如今知道，一个看似完全惰性的生命形式可能仍然有能力思考它的下一步。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Kaito Kikuchi et al. Electrochemical potential enables dormant spores to integrate environmental signals. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl7484.

2. The thinking undead: How dormant bacteria calculate their return to life
https://phys.org/news/2022-10-undead-dormant-bacteria-life.html