微生物连大脑都没有，居然拥有“记忆”，而且能传递给后代？

原文标题:《它们连大脑都没有，居然拥有“记忆”，而且能传递给后代？》

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沈梦溪

在我们的印象里，微生物是结构简单、活动方式单一的生物，它们的日常就是吃、繁殖，然后死亡。但生物学家发现这种简单的生物居然也有强大的记忆能力。

与人类的记忆不同，微生物显然无法记住圆周率，也不会背唐诗三百首。不过它们可以记住之前发生了什么事，去过什么地方，甚至还会根据过去的经历对未来有可能发生的事情做出响应。

一些科学家用“历史依赖行为”来定义微生物依赖过去的经验做出反应的机制。有一种能让葡萄变成酒的微生物，就是存在历史依赖行为的最佳例证。

在酿造葡萄酒的过程中，酵母是一种非常关键的单细胞微生物，它们通过厌氧反应把糖类转化为乙醇和二氧化碳。我们经常发现葡萄皮上覆盖着浅浅的一层白霜，这些白霜里面就含有野生酵母菌群。

传统酿酒人可能更喜欢用这些野生酵母酿酒，也有人会选择更可控的人工培育酵母，酿酒酵母就是其中的代表。

三磷酸腺苷可以储存和传递能量。酵母获得 ATP 有两种途径:一是在没有氧气的条件下，通过底物的磷酸化来产生能量。在这种情况下，1 分子葡萄糖可以产生 2 分子乙醇和 2 分子 ATP。

二是在氧气存在的条件下的氧化磷酸化过程，这时 1 分子葡萄糖可以产生 32 分子 ATP，效率非常高，所以通常这时发酵乙醇会被抑制，细胞生长得到提高，这种现象被称作巴斯德效应。

不过葡萄糖是酿酒酵母代谢的首选碳源，它的存在会抑制酵母代谢其他碳源，比如麦芽糖或半乳糖的基因表达；另外在高浓度葡萄糖环境中，酵解糖大量产生的乙醇和 ATP 会抑制呼吸链的活性。

这就解释了在高浓度葡萄糖环境下，为什么即使有氧气的存在酵母细胞依然能酵解葡萄糖，这被称作反巴斯德效应，由于它首先被英国生化学家 H.G.克拉布特里发现，因此也可以称为“克拉布特里效应”。

如果把葡萄糖切换为其他非首选的替代碳源，酵母需要一段时间启动代谢替代碳源的基因，因此会存在很长一段滞后期。

不过让接触过这种碳源的细胞，甚至几代以内的子细胞再次切换碳源时，它们的滞后期会明显缩短很多，研究人员认为是一些关键蛋白质到了作用。这些蛋白质可以被保留下来，并且传递给下一代。

这本身就是酵母存在历史依赖行为的证明，不过除此以外，科学家还发现了更深层的有趣现象。

如果想代谢替代碳源，酵母首先要在这些碳源环境当中生长，因此需要呼吸作用来支撑。科学家发现在酵母的历史依赖行为中，恰恰是与呼吸和线粒体功能相关的基因起到了至关重要的作用。

在从葡糖糖转化为替代碳源的过程中，前面所说的“克拉布特里效应”受到抑制，呼吸相关途径中的基因会优先被诱导表达，这些基因的激活会比激活代谢其他碳源的基因更早。

同时还有试验发现，细胞的呼吸作用越强，切换碳源时需要的滞后期就越短。而经历过碳源切换的菌群，可以更快地通过呼吸作用有效生长，缩短滞后期。

看到这里是不是觉得有点熟悉，这跟注射疫苗预防流感差不多，接触到病原体后，身体内形成抗体，并且能在下一次遇到这种情况的时候快速反应。

没错，脊椎动物的适应性免疫系统是另一种形式的细胞“记忆”，微生物的“历史依赖行为”跟这种反应很类似。

不过微生物的“记忆”能力也可能给我们带来麻烦。

在治疗一些细菌引起的疾病时，抗生素是非常有效的手段。不过细菌会通过突变的方式产生耐药基因，逃过抗生素的围追堵截，于是“超级细菌”就出现了。

细菌具有抗药性的机制之一是形成生物被膜，从而降低抗生素的作用。一项研究发现细菌可以记住它们曾经去过哪里，因此更容易形成细菌菌落。

还有科学家发现，生物被膜中的细菌可以记住曾经接触到的光照刺激，并且可以保留膜电位的变化。他们认为这种记忆方式跟神经元传递信息的方式有点像。

有学者推测，如果可以反过来让细菌“遗忘”过去的行为模式，在初期阻止细菌的表面附着，就可以打断形成生物被膜，预防细菌感染。

有时还是忘记比较好……

参考资料:

• Yang C Y, Bialecka-Fornal M, Weatherwax C, et al. Encoding membrane-potential-based memory within a microbial community(J). Cell systems, 2020, 10(5): 417-423. e3.

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