許多細(xì)菌物種都有一種神奇的生存策略。在面對(duì)饑餓和脅迫條件時(shí)，一些細(xì)菌會(huì)進(jìn)入一種休眠狀態(tài)，生命過程隨即暫停。

這種 " 關(guān)機(jī) " 進(jìn)入深度休眠的細(xì)胞就像 " 僵尸 " 一般，它們也被稱為孢子。這是一些部分脫水的細(xì)胞，它們的外部被包圍著一層具有抵抗力的保護(hù)層。它們能經(jīng)受住高溫、高壓甚至外太空的惡劣條件，維持可長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年的休眠狀態(tài)。

等到周圍環(huán)境再度變得有利于生存時(shí)，休眠多年的孢子可以在幾分鐘內(nèi)蘇醒，它們重新水合，恢復(fù)新陳代謝和生理機(jī)能，再次煥發(fā)生機(jī)。

但是直到現(xiàn)在，科學(xué)家仍不清楚孢子究竟如何 " 決定 " 再次醒來的時(shí)機(jī)。孢子是否能在不被喚醒的情況下，在 " 睡眠 " 中監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境？特別是，人們還不知道，孢子如何處理那些并沒有明確顯示有利條件的模糊環(huán)境信號(hào)。它們是無視這種不明確的條件，還是也能留意到？

近日，一組生物學(xué)家在《科學(xué)》上發(fā)表的新研究解開了這個(gè)謎團(tuán)。研究人員發(fā)現(xiàn)，孢子在保持生理上的休眠狀態(tài)時(shí)，仍然具備一種評(píng)估周圍環(huán)境的非凡能力。它們利用儲(chǔ)存的電化學(xué)能量，就像一個(gè)電容器一樣，來確定周圍條件是否適合恢復(fù)正常機(jī)能的生活。

" 整合放電 " 機(jī)制

在新研究中，團(tuán)隊(duì)測(cè)試了枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的休眠孢子是否能感知短暫的環(huán)境信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中的這些信號(hào)并不強(qiáng)烈，還不足以讓它們恢復(fù)正常的生命活動(dòng)。

他們將枯草芽孢桿菌的孢子暴露在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中，并用染料來追蹤鉀離開核的移動(dòng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，孢子能夠計(jì)算這種小的輸入。隨著每次暴露，更多鉀離開核心部位，它的負(fù)電荷便越來越大。如果總和達(dá)到一定臨界閾值，也就是孢子的核心部位累積了足夠的負(fù)電荷，孢子就會(huì) " 決定 " 退出休眠狀態(tài)，恢復(fù)生物活動(dòng)，也就是所謂的萌發(fā)。

實(shí)驗(yàn)還表明，如果孢子的鉀的移動(dòng)受到了阻礙，它們則顯示出了有限的電荷變化，無論它們接觸到多少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，似乎都不太可能回到正常的生命狀態(tài)。

研究人員還開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來幫助解釋這個(gè)過程：孢子使用一種被稱為 "整合放電"（integrate-and-fire）的機(jī)制，基于鉀離子通量來評(píng)估周圍環(huán)境。即使是一些短暫的，但本身并不足以觸發(fā)脫離休眠狀態(tài)的有利信號(hào)，孢子也能做出反應(yīng)。

顯微圖像顯示了數(shù)個(gè)孢子的電化學(xué)勢(shì)，顏色的不同代表了信號(hào)強(qiáng)度的差異。（圖／Süel Lab, Kaito Kikuchi and Leticia Galera）

它們不會(huì)被喚醒，而是對(duì)每個(gè)微小的輸入作出反應(yīng)，釋放一些儲(chǔ)存的鉀，然后對(duì)連續(xù)的有利信號(hào)進(jìn)行匯總，確定條件是否適合。這種累積信號(hào)處理策略能揭示外部條件是否確實(shí)有利，并防止孢子操之過急而進(jìn)入一個(gè)條件艱難的世界。

有趣的是，這種細(xì)胞中的電荷變化在各類生命中都很重要。比如，孢子處理信息的方式，和我們大腦中神經(jīng)元的運(yùn)作方式就頗具相似之處。

在細(xì)菌和神經(jīng)元中，微小而短促的輸入隨著時(shí)間的推移而累加。一旦達(dá)到閾值，孢子就會(huì)啟動(dòng)回歸，而神經(jīng)元?jiǎng)t會(huì)發(fā)射一個(gè)動(dòng)作電位，與其他神經(jīng)元進(jìn)行交流。

但兩者也有所不同。孢子可以在不需要任何代謝能量的情況下進(jìn)行這種信號(hào)整合，但神經(jīng)元?jiǎng)t是我們身體中最依賴能量的細(xì)胞之一。

在休眠中處理信息

科學(xué)家認(rèn)為，這項(xiàng)研究改變了我們對(duì)孢子的理解。孢子曾被認(rèn)為是惰性物體。而新研究卻告訴我們，處于深度休眠狀態(tài)的細(xì)胞仍然有能力處理信息。孢子可以釋放它們儲(chǔ)存的電化學(xué)勢(shì)能進(jìn)行有關(guān)環(huán)境的計(jì)算，而不需要新陳代謝活動(dòng)的參與。

他們同時(shí)表示，這些與孢子有關(guān)的新見解，重新構(gòu)建了關(guān)于休眠狀態(tài)的細(xì)胞的流行觀點(diǎn)。了解這種萌發(fā)的過程具有更實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。孢子對(duì)大多數(shù)抗生素具有抗藥性，一些病原體孢子甚至?xí)饑?yán)重的后果。這類研究也能幫助我們更好地殺死它們。

此外，這對(duì)于評(píng)估諸如流星等物體上的生命，以及尋求生命證據(jù)的太空任務(wù)具有重要意義。如果科學(xué)家未來在火星或金星上真的發(fā)現(xiàn)了生命，它們很有可能處于休眠狀態(tài)。

我們現(xiàn)在知道，即使是一種看似完全惰性的生命形式，或許仍有能力 " 思考 " 它的下一步行動(dòng)。