細菌的正義行為揭示自然如何對抗“不勞而獲者”

　　在2014年1月4日《Current Biology》雜志上發表的一項研究中，普林斯頓大學的研究人員發現，細菌具有一種系統來防止同類中的“不勞而獲者”享受別人的勞動成果。

　　霍亂弧菌(Vibrio cholerae)群體，通過使群體中的生產性成員生產的食物，遠離那些想靠其它人的剩余養分生活的霍亂弧菌，拒絕給“不勞而獲者”非正義的食物。研究人員發現，單個細菌能夠在自身周圍產生厚厚的涂層，防止養分漂移到不值得去的地方。另外，在“不勞而獲者”得到滿足之前，細菌群落表層自然流動的液體，能夠沖走多余的食物。

　　本文的資深作者是分子生物學教授和系主任Bonnie Bassler，本文的第一作者Knut Drescher是其實驗室的博士后，他解釋說，在細菌中可能很常見的這種微觀的正義行為，不僅保證了團體中那些最勤勞的成員的生存，也可用于農業生產、燃料生產和治療細菌感染例如霍亂。

　　Drescher指出，通過鼓勵這種行為，科學家們能夠提高任何依賴細菌分解有機材料的過程的效率，例如植物材料轉化為生物燃料，或纖維制成紙產品。為治療疾病，我們可以抵消這種機制，從而有效地餓死更多的生產性細菌和削弱感染。

　　Drescher說：“我們可以利用我們的結果來發展一種策略，對那些能夠將死去的有機物質消化為有用產品的微生物，促進它們的增殖。這種方法，將對農業、生物降解、工業清理或工業和醫藥產品制造的營養物循環的優化非常有用。”

　　普林斯頓的這項研究成果，也使我們更加深入地了解到，微生物如何通過利用公正性來保護自己和解決“公共資源兩難困境”(public goods dilemma)。本文的共同第一作者、Bassler實驗室的博士后研究助理Carey Nadell指出，在公共品困境這種情況下，一個群體必須一起工作，同時也要避免“自私自利者”的剝削。

　　Nadell表示：“公共資源兩難困境，是地球有史以來的一個中心問題，在此期間，單細胞以基因集體的形式出現，多細胞生物體以細胞集體的形式出現，社會以多細胞生物體的集體形式出現。”他說：“在每種復雜的轉變中，一直都存在‘單個成員以總體的利益為代價追求其自身利益’的剝削威脅。因此，闡明剝削是如何被避免的，對于理解生命如何采取今天繼續存在的各種形式，將非常的關鍵。”

　　像所有的細菌一樣，霍亂弧菌——其菌株可引起霍亂——經常以濃密的生物被膜形式生存。也如同其它細菌一樣，霍亂弧菌能夠分泌一種酶，這種酶可以分解組成生物的固體有機碳和氮分子，因此細菌能夠在部件內部大吃大喝。但是，并不是每一個細菌都能夠產生酶——一些細菌只能靠其“鄰居”消化產生的有機物生活。研究人員發現了兩種不同的機制能夠停止這種掠取行為：細胞產生厚的生物被膜，使公共品僅限于生產者享用;或者流體流動能夠去除幾丁質消化的可溶產物，從而拒絕“不勞而獲者”接近。

　　霍亂弧菌和其它細菌的這種警惕性，也可以帶來更大的益處。氮和碳構成了地球上大多數可呼吸的空氣，它們就主要來自細菌進行的有機物質的消化作用。

　　研究人員研究了霍亂弧菌，因為它偏愛的食物是幾丁質——一種以糖為基礎的分子，是許多海洋細胞、外骨骼和其它船體附屬體的中心元素。研究人員寫道，每年僅海洋動物就會脫落大約1100億噸的甲殼素——但幾乎沒有任何一點會到達海底。相反地，這些碎屑被霍亂弧菌和其它海洋細菌消耗掉，使其元素被回收到生物圈中。

　　Nadell說：“如果霍亂弧菌的胞外消化系統被剝削行為損害，世界上的碳和氮的供應將會在一個快速的地質時間尺度上隱退。”