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早在20世纪中叶，科学家们就注意到，随着环境条件的某些变化，细菌细胞往往会自我组织，并且它们的群体开始表现得像一个整体。然而，经过几十年的研究才出现了一门新的科学学科——社会微生物学，它研究微生物之间的通讯联系。

1994年，美国生物学家埃弗里特·彼得·格林伯格证明，微生物行为的基础是基因表达，它的变化取决于菌落中细胞的数量。格林伯格将这种整合机制称为群体意识。它允许细菌在两种不同的基因表达程序之间切换。第一个是低细胞密度 LCD（低细胞密度）的特征，表现出个体、非社会行为，第二个表现为高人口密度 HCD（高细胞密度），并在集体、社会互动模型中实现。

随着生态系统的某些变化，细菌会释放特殊物质——自诱导剂。它们主要是寡肽，但一些微生物使用γ-氨基丁酸（GABA）或细菌短链脂肪酸来达到这些目的。随着群体中细菌密度的增加，自诱导剂的产生增加，当达到阈值浓度时，某些基因的转录在菌落的所有细胞中开始。自诱导剂的释放和触发反馈机制恰恰保证了微生物从个体存在向群体组织和集体行为的转变。

科学家发现大量细菌细胞聚集时形成生物膜的现象。生物膜可以在无机表面和体内——粘膜、皮肤、牙齿和内脏器官上形成。

与化学控制过程并行，还观察到细菌行为的电调节。2023 年，科隆大学的一个研究小组发现，臭名昭著的致病菌淋病奈瑟氏菌形成的菌落内出现了从不相关到集体动态的转变。在这些生物体新形成的菌落中，极化（细胞膜相对两侧存在相反的电荷）是异质的，并且偶尔会观察到单个细菌细胞的暂时且不相关的超极化或去极化。然而，当菌落达到一定的临界尺寸时，极化行为就会转变为集体动力学：在中心形成超极化壳，

马克·亨尼斯博士指出：“在年轻的细菌菌落中，潜力并不相关。当集落达到临界大小时，我们观察到完全出乎意料的事情：中心的所有细胞的电势突然增加。他们变得极度极化。” 在集落的中心，出现超极化细胞的外壳，其遍布整个集落。研究人员将这种时空相关极化模式的现象解释为指示生物膜形成的集体行为的转变。

因此，有可能证明生活在生物膜群落中的细菌可以通过在细胞之间传递信号来协调其行为。然而，目前尚不清楚这些信号是否也会影响群落外远处细菌的行为。加州大学圣地亚哥分校的一组科学家发现，枯草芽孢杆菌生物膜产生的钾离子介导的电脉冲传输也可以吸引远处的细胞。通过比较实验和数学模型的结果，研究人员得出结论：生物膜释放的细胞外钾改变了远处细胞的膜电位，从而引导它们的运动。这种电介导的吸引力似乎是一种通用机制 这确保了种间相互作用，因为铜绿假单胞菌细胞也会对枯草芽孢杆菌生物膜产生的电信号做出反应。因此，生物膜群落内的细胞不仅可以协调自己的行为，还可以通过长距离传输电信号来影响远处各种细菌，甚至另一个物种的行为。

苏黎世联邦理工学院环境系统科学系的罗兰·马西斯和马丁·阿克曼发现，之前接触过中等浓度盐溶液的细菌随后比没有接触过这种经验的细菌在更高浓度的盐中生存得更好。特别是，据记录，在两小时后再次暴露于更饱和的盐溶液时，经历过警告事件的微生物群体的存活率高于之前未经历过此类实验的微生物群体。

目前，微生物是独立生活的单细胞生物的范式正在崩溃。“事实上，细菌通常通过协同工作而生存。就像蜜蜂移动蜂巢一样，细菌菌落经常以称为“群”的集体单位移动，寻找永久的家园，”达特茅斯学院研究细菌生物膜的微生物学家乔治·奥图尔说。

德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员发现，大肠杆菌利用铁水平来存储有关各种行为的信息，然后这些信息可以响应某些刺激而被激活。Souvik Bhattacharya 在研究大肠杆菌的行为时，注意到了他以前从未见过的“奇怪的菌落模式”现象。通过分离单个细菌，他的团队发现细胞根据过去的经历表现出不同的行为。先前聚集的菌落中的细菌细胞比那些没有聚集的菌落更有可能再次聚集（细菌聚集是由鞭毛旋转引起的快速运动），并且它们的后代在至少四代（大约两个小时）内表现相似。

通过对大肠杆菌基因组进行实验，科学家发现这种能力是基于两个基因，这两个基因共同控制铁的吸收和调节。Bhattacharya 表示，这种对细菌重要的营养物质含量较低的细胞容易形成移动群，并寻找铁含量理想的新位置。

奥图尔说，之前的研究表明，一些细菌可以记住外部物理环境的细节并将其传递给后代，特别是稳定表面的存在。但这项研究表明，细菌也能记住营养物质的存在。微生物利用这些数据来确定某个地点的长期适宜性并启动生物膜形成。研究人员推测，当铁含量较低时，根据记忆，细菌会形成快速移动的迁移群，在环境中寻找铁。在铁含量高的情况下，记忆表明该环境是生物膜形成的好地方。

由于细菌在形成较大结构时更难被杀死，了解它们为什么会这样做最终可能会带来对抗顽固感染的新方法。奥图尔表示，这项研究为开发抗击疾病的新方法提供了机会，随着抗生素杀死这些细菌的效果越来越差，这一点尤其重要。

加州大学圣地亚哥分校的科学家进行了一项有趣的研究，其中发现在蓝光照射后，细菌阳离子通道打开，膜电位发生变化。即使生物膜上其他细菌的电荷或环境中的离子浓度周期性变化，这种效应也是稳定的并持续数小时。作者得出的结论是，细菌记忆类似于神经元的特性，可用于使用生命系统进行计算。

“细菌没有大脑，但它们可以从环境中收集信息，如果微生物经常暴露在该环境中，它们就能够存储数据，然后快速访问它，”Souvik Bhattacharya 说。细菌没有神经元、突触或神经系统，但它们具有存储和处理信息的能力。

事实上，要处理它，您只需要可以接受和存储两种不同状态的元素，类似于以位代码运行的计算机的二进制元素。今天，基于对细菌菌落组织类似于神经网络的观察，科学家们假设未来会出现生物计算机，其中数据将以电信号的形式传输并记录在细菌的细胞膜上。