排好队，一起走！科学家揭示细菌群体迁移秘密

“排好队，一起走！”细菌这类没有语言交流的生物，如何传递集体行动的命令？11月2日，中国科学院深圳先进院合成生物学研究所傅雄飞课题组在学术期刊eLife发表文章，揭示了细菌通过有序队列实现集群迁移的机制。

细菌形成有序队列示意图。 （科研人员陈茜、蔡卓苒、吴蔚供图）

自然界中有大量群居生物，为了找到更丰富的食物与更适宜的环境，他们往往需要进行群体迁移。这就要求群体中无论男女老少、体质好坏，都要保持同样的速度迁移，以防落单致险。

然而，不同的个体总会在行动能力、导航能力等方面存在差异，如何保证他们步调一致？一种速度协调机制这时就显得至关重要。具有智慧的生物，大多使用语言命令等方式，在个体间传递信息。但对于细菌这种单细胞生物来说，可用的信息传递方式极为有限。

“要探索细菌的集体迁移机制，首先要研究细菌如何移动。”傅雄飞说。

他告诉记者，作为最小的能独立活动的生命体，细菌可以转动身上的鞭毛，在液体中游动。同时，它们还能通过不定时的身体翻滚，随机改变游动的方向。在一些化学物质的吸引下，细菌可以通过调节身体翻滚的频率，让自己在各个方向随机游动的同时，慢慢靠近趋化物浓度较高的方向。只是细菌个体对于趋化物的敏感度各不相同，导致靠近速度也不同。

细菌的随机游动与趋化运动能力差异示意图。（ 科研人员蔡卓苒、吴蔚供图）

当细菌组成一个群体聚集在一起的时候，它们会一起消耗环境中的趋化物。随着本地趋化物的逐渐消耗，它们便会依靠趋化运动能力，朝着还没有去过的领地游动，享受那里更高浓度的趋化物。

有趣的是，在这样的迁移群体中，对趋化物浓度不敏感的细菌虽处在群体的尾端，但是却没有被落下，而是紧紧地跟随着敏感的细菌，形成了一个紧凑的有序队列，以同样的速度共同运动。

此前，傅雄飞团队与耶鲁大学合作，发现了这样的有序队列对于细菌的集群迁移来说至关重要。可是，细菌个体运动总是在不断改变游动方向，这样的有序群体行进队列是如何从无序的个体随机运动中涌现出来的呢？

为了回答这个问题，团队对每一个细菌的运动轨迹进行了追踪与观测。他们发现每一个细菌都在群体中做往复运动：当细菌落在群体后面时，它们就会更努力地向前游动；一旦它们游在了群体的前端，则像失去了导航一样四处乱游，直到落在群体后端，又再一次奋力向前。这样的运动行为，就好像有一种力量在后面推着它们前走，落在后面就推一把，跑到前面就不管了。

群体中不同空间位置的细菌运动行为特征示意图。 （科研人员蔡卓苒、吴蔚供图）

经过一系列的模型推演，研究人员发现这种后面强前面弱的“力量”的确存在，而它恰恰就源于细菌群体消耗趋化物所产生的浓度梯度，总是后面高前面低。因此当细菌落在群体后端时，会受到趋化物更大的吸引力，使得细菌更加努力地向前游动。而当它们游到群体前端时，因为各处的趋化物浓度都差不多，反而失去了继续前进的动力。

进一步地，研究人员利用合成生物学手段，对细菌的敏感度进行了人工调控，成功验证了这个协调机制的作用。

傅雄飞说，这个研究展示了一种简单而稳健的群体协调机制：只要在群体中建立一个后面强前面弱的推动作用，就可以保证不同行动能力的个体以同样的速率前进。它不仅可以解释许多生命体的群体迁移行为，也为人类社会更复杂的群体协作提供了参考。