细菌在密谋，病毒在窃听：微生物的群体感应
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一个月前，我们曾报道2022 年沃尔夫化学奖颁发给了细胞通讯研究领域的研究者 Bonnie Bassler。Bassler 教授所研究的，是微生物之间沟通的独特语言系统。这套系统是怎么被发现、怎么被破解的？它对临床医药应用有什么现实意义？今天的文章向我们展示了这项基础研究的迷人魅力。
撰文 | 洪纬（科学技术史博士）
知名法国社会心理学家勒庞在《乌合之众》中说：
一个种族的所有个体因为遗传而得到的共同特征的总和，构成了该种族的灵魂。但是，当其中一定数量的个体聚集成群体，来进行某种行动，那么，观察显示，由于他们聚集在了一起，就出现了一些新的心理特征，与种族的特征重叠在一起，有时候与种族特征会有深深的不同。
人类群体行为的产生是社会学家一直关注的话题。然而，群体行为并不是人类或是高等动物独有的行为。
近些年来，微生物学家发现细菌也有它们独有的群体行为。通过独特的化学语言系统，细菌之间能够互相交流，感知彼此，并集体投票做出决定。具体说来，细菌的生理和生化特性会随着群体的密度而变化，展现出少量菌体或单个菌体所不具备的特征和群体行为，以此应对环境的变化。这种现象就是微生物学家所津津乐道的 "群体感应（quorum sensing）"。
细菌小至肉眼无法观察，也不会发出声音。倘若不借助现代科技，我们无法直接观察到它们的个体行为，更遑论监测它们的交流过程，解析它们的群体行为。对人类来讲，它们的一切行动在被发现之前，仿佛就是一场场密谋，而科学实验就是研究人员的一场场探秘行为。接下来，我们就将对群体感应的发现和微生物语言系统的破解过程做一个简要回顾。
一
发光细菌泄了密
1913 年，自幼酷爱远足和收集生物标本的普林斯顿大学青年教师哈维（E. Newton Harvey）与水生生物学家迈耶（Alfred G. Mayer）结伴环游南太平洋，在澳大利亚的默里岛（Murray Island）一呆就是三个月。正是在这三个月里，哈维逐渐迷上了生物发光现象。
三年后，哈维与从事水生生物学研究的新婚妻子远赴日本蜜月旅行。在日本的西海岸，他被海面上的蓝光魅影吸引了。更令他着迷的是，光源海萤（Vargula hilgendorfii）是一种海洋无脊椎动物，也是一种完美的研究材料。在干燥并储存多年后，只要经水湿润，它的发光系统就能重新焕发活力。没人知道哈维那次到底运送了多少干海萤回美国，但在这之后的四十年里，他一直在用这些材料做研究。
哈维涉猎的研究领域十分广泛，生物发光不过是其中的一个。一次偶然的机会让他发现，微生物居然也会发光。1953 年，斯特雷勒（Bernard L. Strehler）首次从发光细菌（Achromobacter fischeri，又被称为 Vibrio fischeri，费氏弧菌）中找到了影响发光的化学分子 DPN（Disphosphopyridine nucleotide，二磷酸吡啶核苷酸），并完整地从细菌中提取了发光系统，实现了细胞外发光。听闻喜讯，哈维发觉斯特雷勒的导师正是自己的得意门生麦克尔罗伊（William D. McElroy）时，他无不自豪地说道：" 现在，我有一种自己就是生物发光领域研究祖父的感觉！"
有趣的是，在哈维的众多学生当中，黑斯廷斯（J. Woodland Hatstings）既是他的弟子，又是他弟子的弟子。1948 年，黑斯廷斯随哈维攻读博士，1951 年又追随麦克尔罗伊做博士后研究。在哈维实验室，黑斯廷斯开发了一种新技术，以测量不同物种的发光反应对氧气的定量要求。在麦克尔罗伊实验室，黑斯廷斯在萤火虫发光系统的传统领域奋斗一段时间之后，便转向了发光细菌。
当时学界普遍认为细菌的行为是独立、不依赖于其他个体的。按照这条思路，如果菌体数量增加一倍，同时间里，光亮强度也应该增加一倍。可是在 1970 年，黑斯廷斯注意到费氏弧菌和哈维氏弧菌（Vibrio harveyi，1936 年以哈维命名）存在一种奇特的现象。在新接种的培养基里，菌体的数量每 30 分钟就能够增加一倍，但发光却需要 2 个小时以上才开始增强，继而亮度每 5 分钟增强一倍。
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