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為了合作，個(gè)體必須生活在同一個(gè)“社區(qū)”。對(duì)于細(xì)菌來(lái)說(shuō)，這個(gè)“社區(qū)”可以小到幾十微米。然而，在像海洋這樣的環(huán)境中，具有相同基因構(gòu)成的細(xì)胞很少能獨(dú)立地共同出現(xiàn)在同一鄰域。而這種必要性給科學(xué)家?guī)?lái)了一個(gè)有趣的難題。在生存取決于合作的環(huán)境中，細(xì)菌是如何建立它們的“社區(qū)”的？

麻省理工學(xué)院教授Otto X. Cordero及其同事從大自然中獲得靈感來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題：他們圍繞一種常見(jiàn)的沿海海水細(xì)菌開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型系統(tǒng)，這種細(xì)菌需要合作才能從褐藻中攝取糖分。在該系統(tǒng)中，單細(xì)胞最初被懸浮在海水中，與其他細(xì)胞距離太遠(yuǎn)，無(wú)法合作。為了分享資源和成長(zhǎng)，細(xì)胞必須找到一種建立“社區(qū)”的機(jī)制。土木與環(huán)境工程系副教授Cordero說(shuō)：“令人驚訝的是，每個(gè)細(xì)胞都能夠通過(guò)形成緊密的集群來(lái)分裂并創(chuàng)建自己的克隆‘社區(qū)’?！?/p>

最近發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》雜志上的一篇新論文，展示了一種食藻細(xì)菌如何解決從單細(xì)胞狀態(tài)開(kāi)始創(chuàng)建局部細(xì)胞密度的工程挑戰(zhàn)。

新論文的主要作者Cordero說(shuō)：“一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是表型異質(zhì)性在支持這種令人驚訝的克隆合作機(jī)制中的重要性?！?/p>

研究人員使用顯微鏡、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和標(biāo)記實(shí)驗(yàn)的組合來(lái)描述細(xì)胞的代謝狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在表型上分化為一個(gè)粘性的"殼"群和一個(gè)運(yùn)動(dòng)的、儲(chǔ)存碳的"核心"。研究人員提出，殼細(xì)胞創(chuàng)造了維持合作所需的細(xì)胞鄰域，而核心細(xì)胞則積累了碳儲(chǔ)存，當(dāng)多細(xì)胞結(jié)構(gòu)破裂時(shí)支持進(jìn)一步的克隆繁殖。

這項(xiàng)工作解決了理解塑造我們地球的細(xì)菌過(guò)程這一更大挑戰(zhàn)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，例如碳從死亡的有機(jī)物回到食物網(wǎng)和大氣中的循環(huán)。“細(xì)菌從根本上說(shuō)是單細(xì)胞，但它們?cè)谧匀唤缰型瓿傻氖虑橥峭ㄟ^(guò)合作完成的。我們有很多關(guān)于細(xì)菌能夠共同完成的事情，以及這與它們作為個(gè)體的能力有什么不同，”Cordero補(bǔ)充說(shuō)。