细菌也有“智力”!研究表明他们可以合作解决迷宫

细菌也有“智力”!研究表明他们可以合作解决迷宫

范董的科学实验始于挑战。普林斯顿大学物理学家的老板罗伯特·奥斯汀(Robert Austin)要求他制造奥斯汀无法创造的迷宫。

当然,这一挑战只是一个思想实验。粉丝们并没有真正种植凡尔赛宫花园的大迷宫,而是将奥斯丁扔进了迷宫。尽管如此,奥斯丁的毕业生狂热者还是认真对待这一挑战。他首先要求奥斯丁解决一个简单的迷宫。找出奥斯丁如何穿越迷宫。范说:“当老师走到尽头时,他又回到了原来的道路上。这就是任何人都可以通过迷宫走过的路。” “我以为在那里。如果有一个死胡同的迷宫,会发生什么?”在风扇吸引的图像中,多条错误的道路合并为一条错误的道路。因此,无论挑战者多么耐心,他都会陷入绝望的无尽循环中。奥斯丁说:“当您在这样的迷宫中时,您不知道自己在哪里。” “我不知道穿过迷宫需要多长时间。很可能你会陷入一个庄严的循环中。”

细菌沟通

实际上,奥斯丁并不是这个游戏真正设想的玩家。相反,迷宫设计只是寻找更大的问题“生物如何解决问题”答案的一步。实验室迷宫的真正“运动员”是细菌。奥斯丁和他的粉丝正在研究微生物,细菌合作的能力。奥斯汀解释说,粉丝们的想法是用迷宫进行测试,以“发现细菌到底是多么的“明智”。有趣的是,已知最简单的生物之一,单细胞生物的细菌,不仅通过添加各个部分,而且通过共同创造具有解决问题能力的单元而聚集在一起。例如,为了保护自己免受人类免疫系统的侵害,我们口腔中的细菌会成膜。这是牙菌斑。粘球菌(Myxococcus)是一种生活在土壤中的粘菌,它形成一个线状的细菌网络,成群地“狩猎”。许多细菌(包括大肠杆菌)可以相互交流,以找出附近的细菌是它们的朋友还是敌人。它使用一种交换特定化学物质的过程,称为群体感应,该感应可以感应相似细菌的密度。

成功摆脱迷宫

粉丝们想知道细菌是否能够穿过他们创造的迷宫。因此,下一步,一位同事将风扇设计的曲折路径蚀刻到一个小的硅芯片上。然后,大约10个大肠杆菌被限制在中心,然后倒入大量喜欢的大肠杆菌食物。粉丝们说,这是一种浓汤,“闻起来像鸡肉汤”。在显微镜下观察。在学术刊物《 Physical Review X》上接受的一篇论文中,一群粉丝和同事表明,大肠杆菌可以通过迷宫喂养和繁殖。在实验结束时,最初的细菌数为10,超过了一百万。在实验过程中,大肠杆菌倾向于沿着一条带食物的“路”走,但是一条从未有过的路,那里有很多汤。最终帮助摆脱了迷宫。百分之一的多代细菌成功逃脱了迷宫,耗时约10个小时。听起来可能不会太快,但粉丝们指出这比细菌游动要快五倍。

大肠杆菌的惊人“运动”

迷们不仅让大肠杆菌通过迷宫,而且下次将它们锁在另一个谜团的中间。它是一个树形的,没有出口的陷阱,类似于人肺内部的分形结构。该实验的目的是找出细菌死胡同时的行为。当我观察到它时,发生了一些惊人的事情。大肠埃希氏菌很快被困在分形结构的最小分支中,但它们成群结队,像波浪一样自燃,并从死角中逃脱。这种波状运动似乎发生在交流过程中,这种交流是细菌对同伴释放的化学物质起反应时发生的。范斯说:“细菌在集体行动。” 加州圣玛丽学院的微生物学家在一项实验中说,鉴于大肠杆菌在复杂的自然环境中,壮成长,在风扇产生的谜题中前进并不奇怪。没有参加的詹姆斯·伯曼指出。“应该指出的是,我们大肠杆菌所在的小肠内部环境更为复杂。”

迷宫作为一生的隐喻

尽管如此,迷宫迷宫肯定是细菌制造过的最先进的人类迷宫。伯尔曼说:“我以前从未见过这样的事情。” “它们使用的分形结构和迷宫结构非常复杂。”研究人员经常使用迷宫来研究动物行为,并在以色列特拉维夫大学研究昆虫行为。生态学家伊诺·沙夫(Inon Scharf)说。迷宫可以模仿自然的复杂性,并且在实验室中易于管理。可以说,迷宫被用作生物的终生隐喻。从根本上讲,任何生物都会在此过程中遇到一些分叉。这是导致生存或死亡的转折点。迷宫实际上是用来处理这些叉子的。奥斯汀说,普林斯顿大学的实验的更大目标是更好地了解细菌在不同环境中的运动方式。同样,有可能阐明微生物将如何突变并获得对抗生素的抗性。

充分利用“ Hansel and Gretel方法”?

迷宫为研究细菌运动提供了框架。奥斯汀和范斯惊讶地发现细菌如何如此迅速地从迷宫和分形中“逃脱”,同时,他们的实验还可能揭示细菌之间以前未知的交流。 ing。例如,奥斯丁和范(Austin and Fan)注意到细菌在迷宫的表面上留下了神秘的残留物。“我不知道那是什么,”奥斯丁解释说。“我们知道很难去除。”残留物只能在强酸和高温下从迷宫的表面去除。这两个假说是细菌将离开它们的残余物,以提示随后的伴侣。在数学学者中,这是一种称为“ Hansel and Gretel method”的迷宫逃逸方法。巴尔曼对此持怀疑态度。奥斯汀和胡安通过比较两种大肠杆菌的行为来结束实验。一种菌株可以进行化学通讯,而另一种则不能。布尔曼说,但这两种大肠杆菌之间还存在其他差异,因此很难说出大肠杆菌是如何逃脱迷宫的。沟通压力相对于其他因素的优越性可能是由于未知沟通能力之外的另一个因素造成的。例如,可能存在诸如改变方向的能力的因素。

细菌有“智能”吗?

无论细菌逃离迷宫的机制是什么,该实验都提出了细菌“更高”的问题。范斯说:“细菌确实具有很好的解决问题的能力,例如寻找食物和摆脱迷宫式结构。” “我不知道它是否应该被称为“智能”。”生物学家避免将“智能”一词用于细菌,对于该词的含义没有达成共识。 Scharf从身体指出。沙夫说,这个术语经常被误解为类似于人类的能力。科学实验中的“智力”是相对的,取决于所测试的技能。“因为鸽子比人类表现更好,”沙夫经常用来描述他的研究,而不是抽象的表达,例如“智力”,而是可测量的数量,例如逃离迷宫所花费的时间。喜欢表演。他说:“最好使用更具体的词。” “我试图澄清自己所做的事情和衡量的事情。”

比人类复杂得多

没有人声称“聪明”是因为细菌正在像人类一样穿过迷宫。人类和细菌是太不同的物种。Burrman指出:“从代谢的角度来看,大肠杆菌比人类复杂得多。” “大肠杆菌可以产生全部20种氨基酸,但人类却不能。氨基酸的复杂性不同于人类的复杂性。”与细菌不同,细菌在解决难题时会继续繁殖。并且以数百万人无法做到的方式进行“协作”。但是,细菌……“如果我能用那些话的话,我很“聪明”,”粉丝们说。