草原等自然系統(tǒng)形成了集群或補丁，可以在壓力下增強抵御能力。實驗表明，這種相同的行為可以在細菌中建模，對于為受威脅或瀕危物種創(chuàng)造生存環(huán)境具有幾個重要意義，麻省理工學(xué)院的研究人員在“ 自然微生物學(xué)”網(wǎng)絡(luò)版上報道。

Latham家庭事業(yè)發(fā)展副物理學(xué)教授杰夫戈爾說，常見的土壤細菌枯草芽孢桿菌的種群在形成斑塊時的細胞密度要低得多，而在它們的環(huán)境中分布更均勻。這種不完整的增長本身足以提高生存前景，但也減少了擴張。

戈爾解釋說，在資源豐富的環(huán)境中，人口的流動性很重要，因為它會帶來更大的擴張，但在資源匱乏的環(huán)境中，保持人口密切相關(guān)，使合作行為能夠在稀缺資源上生存。這些研究結(jié)果與更復(fù)雜社區(qū)的保護有關(guān)，因為它們確定了實現(xiàn)人口生存的方法，特別是針對環(huán)境的干預(yù)措施。

糖狩獵

枯草芽孢桿菌(一種革蘭氏陽性細菌)需要葡萄糖形式的糖才能存活。他們可以直接從他們的環(huán)境中獲得這種糖，也可以通過共同生產(chǎn)淀粉酶來實現(xiàn)，這種酶將環(huán)境中的淀粉分解成細菌可以消耗的糖。麻省理工學(xué)院生命系統(tǒng)物理學(xué)組的博士后Christoph Ratzke和論文的主要作者“自組織斑塊促進了合作生長的枯草芽孢桿菌種群的存活”，研究了兩種條件下的細菌。

“他從一個三維瓊脂基質(zhì)中開始，細胞均勻分布。他發(fā)現(xiàn)，如果細胞群體正在像葡萄糖一樣生長，可以直接進口，那么他就會看到?jīng)]有斑塊。在這個三維體積中均勻增長，“戈爾解釋道。“當(dāng)他在淀粉中種植這些細菌種群時，他們正在共同成長，然后他看到的是自發(fā)組織的自發(fā)組織的增長，在某些地區(qū)，你會在某些地區(qū)獲得成長，而你卻不會。 “

游泳無所謂

為了排除這些斑塊形成的其他重要貢獻者，研究人員對遺傳缺陷的細菌進行了相同的測試，這些細菌缺乏感知更豐富的食物來源或無法游泳的能力。實驗表明，在缺乏游泳能力和感知能力的情況下，補片仍然形成。

研究人員還比較了混合良好的環(huán)境，在這種環(huán)境中食物和細菌均勻分布，通過搖動到“空間環(huán)境”，細菌被允許在空間自我組織。低于臨界濃度，細菌死亡。發(fā)現(xiàn)在混合環(huán)境中低于生存臨界閾值的細胞計數(shù)通過空間環(huán)境中的聚類而存活。“生存所需的細胞密度存在很大差異。在良好混合條件下，細胞密度要比空間環(huán)境高得多，”戈爾解釋說。

生存與擴張

在實驗中，研究人員能夠通過控制瓊脂的密度來控制瓊脂生長培養(yǎng)基中的細菌運動。結(jié)果顯示了生存率與人口增長率之間的權(quán)衡。“如果人口從高細胞密度開始，那么最適合人群的是高流動性體系，即低瓊脂濃度，因為那時人口可以迅速擴張。但是，如果人口處于低細胞密度，實際上更好的是在高瓊脂濃度和低流動性。這實際上促進了斑塊的形成，“戈爾說。

“因為在更高的瓊脂濃度下，細菌不能游泳，它們可以形成非常緊湊的斑塊，它們可以非常好地協(xié)同生長，并且它們可以從非常低的細胞密度開始存活，但是一旦它們具有長大后，補丁無法擴展得非常好，因為它們不能很好地游泳，“他說。

“這項工作最有趣的方面是合作細胞之間的自組織斑塊形成，這是出乎意料的，”未參與該研究的Wenying Shou說。“這些斑塊的形成是由細胞異質(zhì)性，局部合作和全局抑制驅(qū)動的，從而使這些模式形成圖靈模式。” 研究西雅圖Fred Hutchinson癌癥研究中心合作和微生物群落演變的Shou指出，已知參與合作的致病細菌也可以通過使用自發(fā)貼片形成來提高其存活率。

騙子與合作者

戈爾先前的工作研究了芽殖酵母中作弊者和合作者之間的競爭，這種酵母分泌一種分解蔗糖的酶，這種分子比淀粉更小，更簡單。合作者通過分泌酶來促進公共利益，而作弊者不利于公共利益，而只是消費合作者產(chǎn)生的葡萄糖。

“我們發(fā)現(xiàn)，作弊者可以在人群中傳播，但我們在生產(chǎn)者和非生產(chǎn)者之間，合作者和作弊者之間共存，”戈爾解釋說。

Ratzke接下來將重點關(guān)注枯草芽孢桿菌細菌生產(chǎn)者和非生產(chǎn)者的類似研究。“即使在物種之間也可能發(fā)生類似的動態(tài)，”戈爾說。“你可能會讓這種枯草芽孢桿菌物種與另一種不產(chǎn)生淀粉酶的物種相互作用，它們可能具有相似的動力學(xué)。這表明我認為，進化和生態(tài)學(xué)之間存在著一些潛在的相似性。你可以進化在一個物種中，或者你可以在物種之間擁有生態(tài)動態(tài)，你可以得到相當(dāng)類似的現(xiàn)象。“