博妮 柏索：细菌是怎样交流的？

细菌是地球上最古老的生物. 它们已经存在数十亿年了 它们是单细胞微生物 它们特征是只有一个细胞 还有就是它们只有一份DNA 它们只有少量基因, 和遗传信息来编码它们表达的特性。 细菌生存的方法 是不断从环境中吸取养分© 在成长到两倍的体积后，它们从中一分为二 分裂为两个细胞，如此循环 它们不停得生长、分裂，然后再生长、再分裂—过着有点乏味的生活。 但是，今天我想告诉你 你与这些细菌有着惊人的互动关系

我知道你认为你自己是人类，而这可能也是我如何看你们的 在这里的是 一个一般人类的代表 在他身上所有的圆圈代表着各个组成人体的细胞 每个人体大约是由一兆个人体细胞所组成 它们让我们能完成各种各样我们想做的事情 但是，你一生中的每时每刻， 有大约十兆个细菌细胞生活在你的体内体表。 所以，有十倍于人体细胞的细菌细胞 生活在一个人身上 同理, 我们要算一下DNA 这是所有的 A, T, G 和 C (腺嘌呤, 胸腺嘧啶, 鸟嘌呤, 胞嘧啶) 组成你的基因密码, 赋予你所有的魅力特征. 你有3万左右的遗传基因, 而围绕你的细菌的遗传基因数量是你自己的100倍 它们在你的身体内部和表面上中始终扮演着重要的角色。 最乐观的看法是: 你只是"10分之1人", 事实上"100分之一人"更准确， 取决于你更喜欢用哪个尺度来衡量. 我知道你自认为是一个"人类", 但在我眼里你是90%~99%的细菌.

(笑)

这些细菌不是顺从的乘客, 他们难以置信得重要, 他们让我们活着. 它们是我们身上的无形盔甲 阻断来之环境的伤害 保持我们的健康. 它们消化食物, 制造维他命, 它们还指导你的免疫系统 将有害微生物阻挡在体外。 它们尽心尽职干活 帮助我们，维护我们的生命。 却从没有因此得到过报道. 反而却因为它们同时做的许多 坏事而时常见报。 地球上有无数种细菌 它们有些在任何时候都绝对不应该出现在你的体内体表， 然而假如你不幸遇到了, 那你一定会病得很厉害。

所以, 我们实验室研究的问题是, 正是你想知道的 细菌做的所有好事或者细菌做的所有坏事。 我们曾经提出一个疑问: 它们究竟是怎么做到的? 我指的是, 它们是那么细微, 用显微镜才能看到一个。 它们的生活好像只是单调乏味的成长与分裂， 而且长久以来被认为是不善社交的隐居生命体。 所以在我们看来, 它们实在是太渺小， 如果单枪匹马 根本到无法对环境产生任何影响。 所以我们正在探讨 细菌是不是有着特殊的生存方式。

解答这个问题的线索 来自一种叫做费氏弧菌的海洋细菌。 你们在这张幻灯看到的，是我实验室的一个工作人员 握着一瓶装满这种细菌的培养液， 这是一种来自海洋的，美丽而且无害的细菌： "费氏弧菌". 这种细菌的特性是会发光， 产生生物荧光, 像萤火虫一样。 我们没有对这些细胞做任何处理。 我们只是把房间灯关了，然后照了这张照片， 这是我们所见到的情形。

事实上, 我们感兴趣的部分 并不是细菌会不会发光， 而是细菌何时发光。 我们发现, 当细菌独立存在, 经稀释后进行悬浮培养时, 它们不发光。 但一旦它们增长到一个特定数量之后 所有的细菌同时发光。 于是我们想, 这些原始生物, 到底如何得知自己是处于孤立的状态, 还是处在一个群体里， 并且同时一起做同一件事情。 然后我们发现了这是因为细菌能够彼此交谈， 它们用的是化学语言。

假设这是我的细菌。 当它独处时, 丝毫不会发光。 但是它们会制造分泌小化学分子 你可以把他想象成荷尔蒙, 这里的红色三角形代表这些小分子, 当细菌独处时， 分泌的小分子游离开来,所以不发光。 随着这些细菌成倍增长, 且全部一起制造这些分子, 这些细胞外分子的含量 随着细胞数量的增加而增加， 当这些个分子累积到一定的量之后， 它们会告诉了细菌，它们周围有多少邻居， 细菌接受到这些信息后， 所有的细菌，同时开始发光。 生物光就是这样运作的 -- 它们籍由上述的化学语言交流。

费氏弧菌的发光现象来自生物学上的原因。 接下来,我们再来看一个海洋生物： 费式弧菌寄生在这种乌贼的体内。 你们现在看到的是夏威夷截尾乌贼, 这是它的腹侧, 我希望你们看得到，那两个发着光的叶状突起， 这里是费式弧菌的寄生之处， 他们居住在这里面。 他们分泌的小分子也在这里面,所以它们能够发光。 这种乌贼之所以愿意接受它们在里面胡作非为 是因为它需要这些亮光。 这种共存行为的建立基础 是因为这种小乌贼生活在夏威夷的海岸， 大概只有膝盖一般深的水里。 这种乌贼是夜行性的， 因此在白天它们藏在沙子里睡觉， 但是到了晚上，它们必须出来猎食。 在有着许多星光与月光的明亮夜晚， 这些光线可以照透乌贼所生活的地方 因为这里的海水只有数尺深而已 这种乌贼演化出了一种活叶瓣， 可以打开或关闭细菌所寄生的发光器官。 这种乌贼背上有一些感光装置， 可以测量有多少月光或星光照在它背上， 然后调节它的活叶瓣。 使从它腹部所放出的光 细菌产生的光 完全符合照射在乌贼背上的光强度 因此这乌贼就不会产生任何影子。 它们使用来自细菌的光， 不断调节光线，就像穿上隐身衣， 使猎食者无法看见它的阴影， 计算它的动向，然后吃了它。 就像是大海中的隐形轰炸机一般。

（笑声）

但是如果你再深入地想一下，这乌贼会有一个可怕的问题 因为在它的体内，这些黏稠的细菌会不断的增长，死亡， 乌贼无法无限地维持这种状态。 因此每天早上太阳升起后， 它将自己埋藏在沙子里睡觉， 它有一个与日夜周期同步的活泵 当太阳升起时，它将大约95%的细菌排出体外。 当细菌被稀释了，这些小荷尔蒙分子也随之消失， 因此它们就不发光了， 但这时乌贼完全不在乎，因为它正在沙子里睡觉呢。 当白天过去，这些细菌持续分裂增长， 它们释放出足够的这些小分子，然后又开始在晚上发光， 这时正好又是乌贼需要光线的时候。

我们首先了解了这些细菌为什么会有这种现象， 然后我们使用分子生物学的方法 来研究这种现象的真正的机理。 我们发现了：比如这是我的费氏弧菌 它有一种蛋白质－ 就是这个红色的方块—它是一种催化剂， 是它制造的这种小荷尔蒙分子，就是这红色三角形。 当细胞生长时，他们全都释放这个种分子到环境中， 因此周围环境中有大量的这种分子。 这些细菌的细胞表面，存在一种受体， 它与小分子的构造就如同锁与钥匙一般的吻合。 它们就如同你我身体细胞表面上的受体一般。 当这些分子增加到一定的量时— 这也意味着这些细胞的数量增加到一定的量 荷尔蒙小分子与受器相结合， 讯息开始向细胞内部传递， 这个讯息会告诉这些细胞 开始集体发光的行为。

这个发现之所以有趣，是因为在过去十年间 我们发现这种现象， 不只局限在这种住在大海中，古怪的、会在黑暗中发光的细菌， 而是所有的细菌都有类似的系统。 由此，我们发现所有细菌都是可以彼此交谈的。 它们制造化学文字，同时也能够辨认这些文字， 然后表现 只有当所有细胞齐心协力才能成功的集体行为。 我们为这种行为取了一个新潮的名字，称作：聚量感应。 就象用化学物质投票， 再对票量加以统计，然后 所有细胞都要服从最后的投票结果。

今天演讲最重要的一点是， 我们已经知道细菌有数百种以上的这种 集体行为。 其中对大家来说，最关心的应该还是细菌的致病性。 并不是说少量细菌进入你体内后 就马上开始分泌毒素。 相对它们来说，你是个庞然大物，少量细菌对你不会有任何的影响。 我们发现， 它们是先进入你的体内，然后等待，开始不断复制增长， 它们由统计小分子的数目来估计自身的实力， 当确定有足够的细胞数后， 所有细菌一起发动致病攻击， 这样它们就能成功攻陷巨大的宿主。 细菌总是以「聚量感应」来控制其致病性 这就是它们运作的原理。

我们同时也研究了这些小分子， 这些就是我刚才幻灯上的小红三角形。 这个是费氏弧菌的小分子。 也就是它们用以交谈的文字。 我们开始研究其他细菌， 这些是部份我们已发现小分子 我希望你们看得出来 这些分子之间是有关联性的。 每种细菌， 它们的小分子的左半部都是完全相同的。 只是在右半部则因菌种的不同而有少许的不同。 这个发现证实 细菌的语言有高度的专一性。 每一种分子只能与其相对受器结合，非常专一。 所以这些交谈是私下的、秘密的。 这种交流是只限于同种族内部的沟通。 每一种细菌使用其特殊分子代表它的语言， 让它能够计算同类的数量。

一旦我们了解这些， 我们也开始了解细菌有所谓的社交行为。 但我们真正思考的问题是， 在多数情况下，细菌并不是单独生活的，它们居住的地方是鱼龙混杂的， 它们跟其它成百上千种的细菌同居一处。 这张幻灯可以说明这个情形：这是你的皮肤。 这是一张照片，是你皮肤的显微照片。 在你身体的任何地方，看上去都会和这差不多。 我希望你能看出，这里有各种不同的细菌。 因此我们开始思考，如果这真的是细菌间的交流 计算与之相邻的同种细菌的数量， 只跟同种细菌沟通是不够的， 它们一定有某种 跟周围其他种细菌和平共处的方法。

所以我们回到分子生物学的方法， 开始研究不同的细菌。 我们现在已经发现， 事实上，细菌可以讲多国种语言。 它们都有一个菌种特别识别系统， 用特别分子来辨别同类。 但是，我们发现， 它们同时还有另一种系统，那是一个通用的系统。 因此，它们有另一种催化剂，能产生第二种信号， 这种信号也有自己的受体， 这种分子是细菌们的公共语言。 它被所有不同的细菌所公共使用， 是一种菌种间沟通的语言。 细菌能够计算 并区分自己周围同种与异种细菌的数量。 它们传递这些讯息到细胞内， 然后决定该怎么做， 它们的行动取决于在整个群体中 谁占多数，谁占少数。

我们又使用化学方法 搞清了这个通用分子的构造－ 通用分子就是我上一张幻灯的粉红色椭圆形。 它是一个非常小的五碳分子。 重要的是，我们发现 每种细菌都有完全一样的催化剂， 可以制造一模一样的分子。 它们都使用这个分子 作为菌种间交流的语言。 这是细菌的世界语。

笑声

一旦我们了解这个后， 我们知道细菌可以用这个分子来相互交流。 但是我们又开始思考， 也许我们可以使用这个发现来做一些实质上的应用。 我已经告诉过你们，细菌间是有社交行为的， 它们是使用这些分子进行交流的。 当然，我也告诉过你， 其中一件主要的事情就是它们使用聚量感应来启动致病性。 我们不禁想，我们是不是 可以让这些细菌哑了或聋了？ 这岂不是可以成为一种新的抗生素？

当然，你一定听说过，而且你早就知道了 我们快要没有有效的抗生素了。 现在的细菌都拥有，不可思议的多重耐药性 而这都是因为，这些抗生素的工作原理都是杀死细菌。 它们要么是使细菌的细胞膜破裂， 就是不让细菌复制自己的DNA。 当我们用传统抗生素来杀菌时， 会同时培养筛选出有耐药性的突变菌株。 所以，我们有了全球性的 感染病问题。 我们想，如果我们可以稍微更改这些细菌的行为， 只是让这些细菌无法交谈，无法计数， 它们就不知何时发起毒性攻击。

这就是我们已经完成的实验，我们使用了两种不同策略： 第一个， 我们锁定菌种内通讯系统。 我们制造了一些看起来跟真的分子很像的分子， 你们可以看到，它们间只有一点点的不同。 因此，它们会锁住这些受体， 并且干扰受体辨识真正的分子。 既然锁定红色的系统， 我们就可以制造 针对菌种，或是针对疾病的「反聚量感应」分子。 我们也对粉红色系统做了同样的事情。 我们使用那种通用分子，将之做了一些更改 我们做了一些拮抗剂， 它们都是针对菌种间的通讯系统。 我们希望这些分子可以用来作广谱抗生素， 对所有细菌都有效。

最后，我只跟你们说一下战略。 在这个里，我们只是使用跨菌种分子， 但是思维逻辑是一模一样的。 你们都知道，当细菌进入动物体内， 以此为例，对这只老鼠， 它并不会马上启动致病机制。 它进入，开始增殖， 开始分泌它的聚量感应分子。 当累积到足够数量时，细菌能识别， 并开始发起攻击， 然后老鼠就死了。 我们所做的是在致病感染的同时， 加入我们的「反聚量感应分子」， 也就是看起来很像真的「聚量感应分子」的物质， 但是，正如同我在幻灯上指出的，它们之间有一点点不同。 我们现在发现， 如果让实验动物感染一种具有多重耐药性的致病细菌， 但是同时， 我们施予「反聚量感应分子」治疗， 动物就能够存活。

我们认为这应该是下一代的抗生素， 它将能够让我们，至少在开始阶段， 解决耐药性细菌的问题。 我希望你们也能认为，细菌可以彼此交谈， 它们使用化学物质当作语言， 它们拥有极端复杂的化学语汇， 我们现在才刚刚要开始学习这些语汇。 当然，也因为这些语汇 使细菌得以变得像多细胞生物。 所以，就像TED的精神一样，它们彼此合作， 因为这样才能有一番作为。 细菌因为有这些集体行为， 所以可以执行 一些如果是单枪匹马 是永远无法完成的任务。

我希望能进一步地说服你们的是 这就是多细胞生物的起源。 细菌已经生存在地球上数十亿年了。 人类只有数十万年而已。 我们认为细菌制定了 多细胞的组织运作规则。 我们认为，由研究细菌， 我们将能够对，人体内的多细胞系统，有更进一步的认识。 我们现在已经知道基本规则了， 如果我们可以从这些原始生命体上进一步弄懂它们， 这些规则也有希望能够应用 到人类其它疾病与行为上。 我希望你们已经学到 细菌是可以区分你我， 使用这两种分子，它们可以表达「我」和「你」。 当然，这就是我们所做的 不仅只在分子层面上， 同样也在行为上， 只是我在分子层次上想的多一点。

这完全就是你们体内正在发生的事情。 你们的心脏和肾脏细胞不会每天混杂在一起， 这是因为你体内有一大堆化学反应不断地进行着， 这些分子能够区分不同的细胞群组， 还有它们所应该执行的任务。 再一次，我们认为细菌发明了这个机制， 你只不过是多演化出了一些铃铛与哨子而已， 但是所有的概念都包含在这个我们所研究的简单系统中。

最后，只是再一次重申，这个研究的实际应用方面， 是我们已经制造出了这些「反聚量感应分子」， 它们正作为新一代的疗法被开发研究中。 为了鼓励地球上生存的 所有对人有益的细菌， 我们也制造了「强化聚量感应分子」。 因此，我们已经锁定了这些系统，让这些分子运作得更好。 请记得在你体内体表，有超过你自身细胞十倍的细菌， 它们使你保持健康。 我们也努力加强 你和你的共生的细菌之间交流， 让你更健康， 让这种互动更有益。 让细菌只做我们希望它们做的事情。 防止细菌做我们不希望它们做的事情。

最后，我希望让你们看看 我在新泽西，普林斯顿大学实验室的成员。 我今天所告诉你们的每一个发现，都是由照片中的某人所完成的。 我希望当你们学到东西的同时 比如：自然世界是怎样运作的， 我只是想说，任何时候，当你们在报纸上看到某事， 或是你们听到某些有关自然的，好玩事情的演讲， 都是由年轻人完成的。 科学是由这种年龄层的人所造就的。 这些二、三十岁的年轻人 他们是推动这个国家科学发现的引擎。 我真的是非常幸运能与这群年轻人一起共事。 我自己在不断地变老，但他们却是始终不变， 这真是一个美好得不能再好的工作。 我要谢谢你们的邀请。 非常荣幸能参加这个大会。

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