原文標(biāo)題：《它們連大腦都沒有，居然擁有“記憶”，而且能傳遞給后代？》

撰文 | Ziv

審校 | 沈夢溪

在我們的印象里，微生物是結(jié)構(gòu)簡單、活動方式單一的生物，它們的日常就是吃、繁殖，然后死亡。但生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種簡單的生物居然也有強大的記憶能力。

與人類的記憶不同，微生物顯然無法記住圓周率，也不會背唐詩三百首。不過它們可以記住之前發(fā)生了什么事，去過什么地方，甚至還會根據(jù)過去的經(jīng)歷對未來有可能發(fā)生的事情做出響應(yīng)。

一些科學(xué)家用“歷史依賴行為（History Dependent Behavior，HDB）”來定義微生物依賴過去的經(jīng)驗做出反應(yīng)的機制。有一種能讓葡萄變成酒的微生物，就是存在歷史依賴行為的最佳例證。

在釀造葡萄酒的過程中，酵母是一種非常關(guān)鍵的單細(xì)胞微生物，它們通過厭氧反應(yīng)把糖類轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳。我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)葡萄皮上覆蓋著淺淺的一層白霜，這些白霜里面就含有野生酵母菌群。

傳統(tǒng)釀酒人可能更喜歡用這些野生酵母釀酒，也有人會選擇更可控的人工培育酵母，釀酒酵母就是其中的代表。

三磷酸腺苷（ATP）可以儲存和傳遞能量。酵母獲得 ATP 有兩種途徑：一是在沒有氧氣的條件下，通過底物的磷酸化來產(chǎn)生能量。在這種情況下，1 分子葡萄糖可以產(chǎn)生 2 分子乙醇和 2 分子 ATP。

二是在氧氣存在的條件下的氧化磷酸化過程，這時 1 分子葡萄糖可以產(chǎn)生 32 分子 ATP，效率非常高，所以通常這時發(fā)酵乙醇會被抑制，細(xì)胞生長得到提高，這種現(xiàn)象被稱作巴斯德效應(yīng)。

不過葡萄糖是釀酒酵母代謝的首選碳源，它的存在會抑制酵母代謝其他碳源，比如麥芽糖或半乳糖的基因表達；另外在高濃度葡萄糖環(huán)境中，酵解糖大量產(chǎn)生的乙醇和 ATP 會抑制呼吸鏈的活性。

這就解釋了在高濃度葡萄糖環(huán)境下，為什么即使有氧氣的存在酵母細(xì)胞依然能酵解葡萄糖，這被稱作反巴斯德效應(yīng)，由于它首先被英國生化學(xué)家 H.G.克拉布特里發(fā)現(xiàn)，因此也可以稱為“克拉布特里效應(yīng)”。

如果把葡萄糖切換為其他非首選的替代碳源，酵母需要一段時間啟動代謝替代碳源的基因，因此會存在很長一段滯后期。

不過讓接觸過這種碳源的細(xì)胞，甚至幾代以內(nèi)的子細(xì)胞再次切換碳源時，它們的滯后期會明顯縮短很多，研究人員認(rèn)為是一些關(guān)鍵蛋白質(zhì)到了作用。這些蛋白質(zhì)可以被保留下來，并且傳遞給下一代。

這本身就是酵母存在歷史依賴行為的證明，不過除此以外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了更深層的有趣現(xiàn)象。

如果想代謝替代碳源，酵母首先要在這些碳源環(huán)境當(dāng)中生長，因此需要呼吸作用來支撐?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)在酵母的歷史依賴行為中，恰恰是與呼吸和線粒體功能相關(guān)的基因起到了至關(guān)重要的作用。

在從葡糖糖轉(zhuǎn)化為替代碳源的過程中，前面所說的“克拉布特里效應(yīng)”受到抑制，呼吸相關(guān)途徑中的基因會優(yōu)先被誘導(dǎo)表達，這些基因的激活會比激活代謝其他碳源的基因更早。

同時還有試驗發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的呼吸作用越強，切換碳源時需要的滯后期就越短。而經(jīng)歷過碳源切換的菌群，可以更快地通過呼吸作用有效生長，縮短滯后期。

看到這里是不是覺得有點熟悉，這跟注射疫苗預(yù)防流感差不多，接觸到病原體后，身體內(nèi)形成抗體，并且能在下一次遇到這種情況的時候快速反應(yīng)。

沒錯，脊椎動物的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)是另一種形式的細(xì)胞“記憶”，微生物的“歷史依賴行為”跟這種反應(yīng)很類似。

不過微生物的“記憶”能力也可能給我們帶來麻煩。

在治療一些細(xì)菌引起的疾病時，抗生素是非常有效的手段。不過細(xì)菌會通過突變的方式產(chǎn)生耐藥基因，逃過抗生素的圍追堵截，于是“超級細(xì)菌”就出現(xiàn)了。

細(xì)菌具有抗藥性的機制之一是形成生物被膜，從而降低抗生素的作用。一項研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以記住它們曾經(jīng)去過哪里，因此更容易形成細(xì)菌菌落。

還有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，生物被膜中的細(xì)菌可以記住曾經(jīng)接觸到的光照刺激，并且可以保留膜電位的變化。他們認(rèn)為這種記憶方式跟神經(jīng)元傳遞信息的方式有點像。

有學(xué)者推測，如果可以反過來讓細(xì)菌“遺忘”過去的行為模式，在初期阻止細(xì)菌的表面附著，就可以打斷形成生物被膜，預(yù)防細(xì)菌感染。

有時還是忘記比較好……

參考資料：

• [1]https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2022.1004488/full?utm_source=fweb&utm_medium=nblog&utm_campaign=ba-sci-fmicb-microbe-memory-epigenetics

• [2]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E7%A3%B7%E9%85%B8%E8%85%BA%E8%8B%B7

• [3]https://zh.wikipedia.org/zh-sg/%E7%99%BC%E9%85%B5_(%E8%91%A1%E8%90%84%E9%85%92

• [4]https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=242730&SubID=153362

• [5]http://tech.sina.com.cn/d/i/2018-04-17/doc-ifzfkmth4991548.shtml

• [6]https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.1720071115

• [7] 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.

本文來自微信公眾號：把科學(xué)帶回家 （ID：steamforkids），作者：萬物

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