科普|“好斗”细菌的十八般武器

2023年11月30日，Kevin R. Foster在Nature Ecology & Evolution发表了题为“The evolution of short- and long-range weapons for bacterial competition”的研究论文,探讨了细菌进化出来抑制竞争对手的不同机制。文章比较了需要细胞间接触的短程武器和依赖扩散的长距程武器。研究采用仿真模型预测这些武器在不同情景下的效力，并对自然携带两种武器类型的假单胞菌进行了实验。研究总结认为这两种武器类型在细菌竞争中发挥着不同的功能，突出了拥有多样化武器系统的进化优势。

查尔斯·达尔文的进化理论中，生物武器的进化确实是一个引人注目的方面。在自然界中，许多物种都进化出了为了伤害或击败竞争对手而具有的特征，这些特征被称为生物武器。细菌是这一现象的典型代表。它们拥有多种类型的武器，如化学毒素、噬菌体尾部产生的尾芽素等，能够破坏竞争对手的细胞。

与动物相比，细菌的武器具有更高的多样性。动物通常只携带一种类型的武器，主要用于进食，如牙齿、爪子、角、鹿角或獠牙。尽管某些恐龙拥有多种武器（如角和重锤尾巴），但这并不常见。相比之下，细菌通常携带多种类型的武器，如Bacteroides fragilis、Pectobacterium carotovorum、Burkholderia cepacia、Chromobacterium violaceum 和 Myxococcus xanthus。

实验数据支持细菌比动物更频繁地进行战斗的观点，这表明细菌相对于其他物种具有更高的侵略性。然而，这并不能完全解释为什么细菌要携带多种类型的武器。我们推测，这可能是因为不同类型的武器在竞争中发挥不同的作用。特别是，近程与远程武器可能对细菌竞争的结果产生重要影响。因此，这项研究试图通过比较这两种武器的竞争优势来验证这一假设。

这些研究结果强调了接触式武器和远程武器在细菌竞争中的作用，以及它们如何协同工作以增强细菌的竞争力。接触式武器，如细菌的六型分泌系统（T6SSs）和依赖接触的抑制（CDI）系统，具有直接穿透竞争细胞的能力。这种武器具有很大的杀伤力，即使在攻击者数量上处于劣势，也能成功入侵并建立族群。这可能是因为接触式武器能够直接对竞争对手造成伤害，而不需要依赖于其他因素。相比之下，远程武器如化学毒素和噬菌体尾部产生的尾芽素，通常在攻击者数量众多且种群密度较高时才会发挥作用。这些武器通过释放化学物质或尾芽来攻击竞争对手，但它们的作用范围有限，通常无法入侵其他种群。这可能是因为远程武器需要一定的数量和密度才能确保有效的攻击效果。当一个菌株同时使用这两种武器时，两种武器能够很好地协同工作。短程和远程武器具有不同的功能，使细菌既能作为个体作战，也能作为群体作战。这种协同作用可能增强了细菌的竞争力，使其能够更好地适应不同的环境并应对不同的竞争对手。

这些研究结果对于理解细菌的进化策略和竞争行为具有重要意义。它们揭示了细菌如何通过不同的武器协同工作来增强其竞争力，并提供了对细菌生态学和进化生物学的新认识。

参考文献：https://www.nature.com/articles/s41559-023-02234-2