科学家发现隐藏在山洞深处的独特新细菌物种HS-3
2022-11-28 16:46:39来源：cnBeta
日本的科学家们在一个洞穴中发现了一种细菌，它表现出多细胞的行为和独特的两阶段的生命周期。这种名为HS-3的细菌是从一个石灰岩洞壁中分离出来的，该洞壁定期被一条地下河淹没。HS-3有两个不同的生命阶段;在固体表面，它自我组织成一个具有类似液晶品质的层状结构菌落。
HS-3菌落成熟为一个半封闭的球体，其中包含"子代"球菌细胞群，或短棒状细胞，这些细胞在与水接触时被释放。
"多细胞性的出现是地球上生命的最大谜团之一，"通讯作者、日本东京国立技术研究所(KOSEN)的教授水野光平指出。"问题是，我们已经知道多细胞的卓越功能和适应性，但我们对其起源几乎一无所知。既定的功能和适应性不一定是其自身形成的动力。多细胞性的一个奇特之处在于"个体的利益"与"群体的利益"之间的冲突，这种冲突在进化过渡的早期阶段肯定是存在的。除了理论模型，至今我们没有一个好的现有模型来研究多细胞性。"
其中一个被称为"生态支架"的模型认为，环境对正在发育的群体施加了选择压力，认为达尔文的自然选择仍然适用于单细胞生物。
水野和他的实验室学生Ohta在2008年从日本北部九州岛的石灰岩洞壁上的滴水中发现了HS-3。他们最初在寻找积累脂质的细菌，但是Ohta在检查旧琼脂板上的细菌后发现了一个颜色和质地都特别漂亮的小菌落。由于它们的结构混乱，琼脂上的大多数细菌都有不透明的质地，然而，这个菌落是透明的，并且有一种彩虹色的色调。与密切相关的物种的表型比较证实了这个菌落是一个新物种，HS-3，科学家们将其命名为Jeongeupia sacculi(意思是"摇篮")。
研究小组使用显微镜来分析菌落的生长。细胞开始时只是简单地作为球菌进行繁殖，但细胞伸长的发生导致菌落形成单层结构，排列方向像极了我们熟悉的液晶。特别是在菌落边缘形成凸起，缓解了内部压力，并赋予HS-3长期保持这种二维液体排列的独特能力，这可能是HS-3建立多细胞行为的前提条件。
然后，菌落再扩大，形成更多的层。内部的丝状细胞弯曲，产生了涡旋结构的域。这些域和类似液晶的排列解释了在琼脂上观察到的HS-3菌落的透明度。两天后，内部发生了快速的细胞繁殖，菌落开始三维膨胀，形成一个半封闭的球体，容纳了球菌细胞。第五天后，内部细胞被挤出了菌落，在相邻的菌落中引发了这一事件的连锁反应，从而表明了某种多细胞控制。
由于HS-3的洞壁采样点经常受到洞内流水的影响，研究小组将成熟的半球形菌落浸没在水中。内部的球菌被释放到水中，留下了丝状的细胞结构。通过在新鲜琼脂上用电刺激这些子细胞，他们发现这些细胞能够重现原来的丝状结构，这表明HS-3生命周期的两个不同阶段是可逆的，并且可能是由于洞内条件的变化而产生的。
"我们需要10年的时间来确定这不是两个不同物种的污染，而且这不仅仅是一个突变，"水野说。"首先，我们用一系列的显微镜观察来拍摄从单细胞到菌落的整个过程，为此我们开发了自己的方法。然后，我们发现细胞和菌落的形态变化是可控和可逆的。这些数据使我们相信，这是HS-3的'多细胞性'。"
"HS-3的第一个生命周期阶段表明，类似液晶有序排列的组织参与了多细胞性的出现，这在以前没有报道过。共同通讯作者、日本筑波大学生物医学系教授森川和也说："第二个生命阶段的存在意味着动态水环境参与了HS-3的多细胞性的出现。"
"我们对HS-3所包含的各种奇怪的特性感到惊讶，其中之一就是这个新物种的多细胞行为与最近提出的'生态支架'假说非常吻合。我们现在认为，向多细胞性的飞跃将是一个比我们迄今为止所想象的更精细和美丽的过程。"水野和森川评论道。
