细菌的正义行为揭示自然如何对抗“不劳而获者”

　　在2014年1月4日《Current Biology》杂志上发表的一项研究中，普林斯顿大学的研究人员发现，细菌具有一种系统来防止同类中的“不劳而获者”享受别人的劳动成果。

　　霍乱弧菌(Vibrio cholerae)群体，通过使群体中的生产性成员生产的食物，远离那些想靠其它人的剩余养分生活的霍乱弧菌，拒绝给“不劳而获者”非正义的食物。研究人员发现，单个细菌能够在自身周围产生厚厚的涂层，防止养分漂移到不值得去的地方。另外，在“不劳而获者”得到满足之前，细菌群落表层自然流动的液体，能够冲走多余的食物。

　　本文的资深作者是分子生物学教授和系主任Bonnie Bassler，本文的第一作者Knut Drescher是其实验室的博士后，他解释说，在细菌中可能很常见的这种微观的正义行为，不仅保证了团体中那些最勤劳的成员的生存，也可用于农业生产、燃料生产和治疗细菌感染例如霍乱。

　　Drescher指出，通过鼓励这种行为，科学家们能够提高任何依赖细菌分解有机材料的过程的效率，例如植物材料转化为生物燃料，或纤维制成纸产品。为治疗疾病，我们可以抵消这种机制，从而有效地饿死更多的生产性细菌和削弱感染。

　　Drescher说：“我们可以利用我们的结果来发展一种策略，对那些能够将死去的有机物质消化为有用产品的微生物，促进它们的增殖。这种方法，将对农业、生物降解、工业清理或工业和医药产品制造的营养物循环的优化非常有用。”

　　普林斯顿的这项研究成果，也使我们更加深入地了解到，微生物如何通过利用公正性来保护自己和解决“公共资源两难困境”(public goods dilemma)。本文的共同第一作者、Bassler实验室的博士后研究助理Carey Nadell指出，在公共品困境这种情况下，一个群体必须一起工作，同时也要避免“自私自利者”的剥削。

　　Nadell表示：“公共资源两难困境，是地球有史以来的一个中心问题，在此期间，单细胞以基因集体的形式出现，多细胞生物体以细胞集体的形式出现，社会以多细胞生物体的集体形式出现。”他说：“在每种复杂的转变中，一直都存在‘单个成员以总体的利益为代价追求其自身利益’的剥削威胁。因此，阐明剥削是如何被避免的，对于理解生命如何采取今天继续存在的各种形式，将非常的关键。”

　　像所有的细菌一样，霍乱弧菌——其菌株可引起霍乱——经常以浓密的生物被膜形式生存。也如同其它细菌一样，霍乱弧菌能够分泌一种酶，这种酶可以分解组成生物的固体有机碳和氮分子，因此细菌能够在部件内部大吃大喝。但是，并不是每一个细菌都能够产生酶——一些细菌只能靠其“邻居”消化产生的有机物生活。研究人员发现了两种不同的机制能够停止这种掠取行为：细胞产生厚的生物被膜，使公共品仅限于生产者享用;或者流体流动能够去除几丁质消化的可溶产物，从而拒绝“不劳而获者”接近。

　　霍乱弧菌和其它细菌的这种警惕性，也可以带来更大的益处。氮和碳构成了地球上大多数可呼吸的空气，它们就主要来自细菌进行的有机物质的消化作用。

　　研究人员研究了霍乱弧菌，因为它偏爱的食物是几丁质——一种以糖为基础的分子，是许多海洋细胞、外骨骼和其它船体附属体的中心元素。研究人员写道，每年仅海洋动物就会脱落大约1100亿吨的甲壳素——但几乎没有任何一点会到达海底。相反地，这些碎屑被霍乱弧菌和其它海洋细菌消耗掉，使其元素被回收到生物圈中。

　　Nadell说：“如果霍乱弧菌的胞外消化系统被剥削行为损害，世界上的碳和氮的供应将会在一个快速的地质时间尺度上隐退。”