人类和细菌是什么关系，细菌与人类
chanong
|陈伟
感知温度：真菌预言家温暖了春河水域
检测气体：细菌臭味、乙烯
主题：中国科学院科学文化论坛第77期
嘉宾：钱伟（中国科学院微生物研究所研究员）
协办单位：中国科学院计算机网络信息中心、中国科学院科学传播部
你可能会问：“人类是万物之灵，是真核甚至细胞生命进化程度最高的形式。”细菌这种原始的单细胞生物，如何能与人类比智商呢？
首先，这违背了少数服从多数的原则。例如，人体细胞总数约为10的13次方，但人体内生活的微生物细胞总数为10的14次方。换句话说，考虑到人体细胞总数，微生物的数量是人体的10倍。我想知道如果每个细胞都可以投票的话，你认为最后投票的是人类还是其他什么？
其次，这违背了中华民族尊�**椎拇趁赖隆Ｎ裁凑饷此担课颐巧畹牡厍蛞延�46亿年的历史，细菌在38亿年前首次出现。人类历史约有300万年。亨利一世曾将脚的长度定义为从鼻子到指尖的距离，约为94厘米。如果一只脚代表了整个生命的历史，那么有了指甲刀，就不用剪指甲了，只要锉指甲尖，人类的历史就会消失，其余的历史也会消失。都属于细菌。因此，我们应该对这些在地球上生活了38亿年的生物感到敬畏。
理解“自我”和“非自我”的感知过程是传染病和免疫学的核心科学问题
智商最重要的方面是对外部环境的感知和对自我的认识，这是一切生物生存的首要前提。大家知道，人类和植物在应对病原微生物感染和免疫的过程中，一旦人类和植物的免疫系统正确识别病原微生物，就能够非常有效地抵抗病原微生物的感染。但在这个过程中，免疫反应太弱或太强都不好。
当我们的免疫系统太弱时，就像艾滋病（也称为免疫缺陷疾病）一样，患者无法抵抗微生物感染，但当我们的免疫系统太敏感时，那就不好了。北京很多朋友都因为过敏而苦不堪言。过敏是免疫系统在没有病原微生物或外界刺激的情况下发生的反应。根据植物的不同，可能会出现过敏，例如即使在没有病原微生物的情况下，叶子上也会出现病变。好消息是这种植物具有抗病性，但坏消息是产量会降低。因此，理解“自我”和“非自我”的感知过程是传染病和免疫学的核心科学问题。
对于真核生物和多细胞生物来说，信号感知的研究值得获得诺贝尔奖。事实上，第一个免疫识别受体是在植物中发现的，而不是在动物中。 1995年，加州大学戴维斯分校的植物学家Pamela Ronald在水稻中发现了一种名为XA21的免疫受体。这些受体可以感知病原体，使水稻能够抵抗疾病。一年后，法国科学家朱尔斯·霍夫曼和美国科学家布鲁斯·博伊特勒以果蝇和小鼠为实验材料，发现了一种能让动物感知细菌内毒素的受体，获得了诺贝尔奖。有趣的是，博伊特勒和前面提到的罗纳德是表兄弟。
我们也看到，近年来，诺贝尔奖连续颁发给真核感觉现象。 2019 年，该奖项授予了三位发现氧气和缺氧传感机制的科学家，2021 年，该奖项又授予了三位科学家。温度和触摸传感机制的发现者。
细菌智能：细菌越笨，就越难对付它们。
人类（真核生物）如何识别信号刺激？利用我们细胞上的受体。大家都喜欢川菜，吃辣椒就觉得很安心。为什么？这是一个真核生物的故事，因为我们的受体能够检测到辛辣食物的刺激。细菌这种单细胞原核生物是如何感知外部环境的刺激的呢？答案是一样的，实际上是通过受体。
事实上，大多数病原微生物（包括细菌）对我们来说是无害的。金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生长在每个人的皮肤上，但对我们来说它们是和平的生物。即使是存在于胃中的幽门螺杆菌，在大多数情况下也不会造成任何伤害，但它确实给人们带来了一些好处。然而，如果有伤口，它就可以进入植物或动物的体内。
如您所知，人类是细菌的完美滋生地，唯一的缺点是人类具有攻击细菌的免疫系统。当人类试图攻击细菌时，细菌总是会产生免疫反应并攻击人类和植物以求生存。这就是细菌“由好变坏”的过程，而这个过程的核心就是对外界信号有害刺激的识别。
是什么决定细菌受体或细菌智力？大多数人类受体是丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸激酶，而大多数细菌智商是由一种称为“双成分信号转导系统”的系统控制的。该系统由两种蛋白质组成，因此是世界上最简单的信号系统。第一种蛋白质称为组氨酸激酶，这种激酶是一种跨膜蛋白，因为它经常悬挂在细胞膜上。像辣椒素受体一样，它们感知来自外部环境的刺激。在感受到刺激后，它会发送一个磷酸基团来响应细胞内的控制蛋白。第二种蛋白质控制细菌的行为，细菌会做出适应性反应。
为什么这样的系统被称为细菌智能呢？细菌的所有生理和代谢行为几乎都是由二元信号转导系统控制的，所以它是真正的细菌智能。细菌智商可以通过以二元信号转导系统蛋白的数量为指标评价智商来进行评分。
所有细菌中最聪明、最天才的是黄色粘球菌。这种细菌极其强大，捕食其他细菌，智商大概接近300。我实验室研究的大名鼎鼎的大肠杆菌和后面介绍的野油菜黄单胞菌，智商都在60左右甚至更高，基本上都是极其聪明的生物。
难道也有智商低的细菌吗？一些。我的意思是，对人类造成伤害最大的是那些不太聪明的细菌，而且它们往往是病原微生物。以支原体为例。支原体是最简单的细胞生物。它的IQ 是多少？它的IQ 为0，因为它不编码二分量信号系统。当感染这些病原体时总会出现症状。
我们实验室主要研究植物病原菌，其名称为野油菜黄单胞菌。这可能是您第一次听说这种细菌，但它实际上是每个人都熟悉的细菌。作为植物病原菌，主要引起十字花科植物黑腐病。以卷心菜为例，如果卷心菜叶子上出现干燥的黑点，这种细菌就是罪魁祸首。
黄原胶是一种流行的工业产品，也是由野油菜黄单胞菌发酵的，野油菜黄单胞菌是工业发酵中使用的微生物之一。黄原胶的形象可能比较陌生，但我们每天在脸上涂抹化妆品、面膜、喝酸奶、吃冰淇淋时都会接触到它。如果您不相信我们，请查看食品配方清单。这是一种非常好的稳定剂和增稠剂。
细菌生活在环境中，与世界无关。它们生活在宿主体内，必须与宿主打交道。
大家知道，要研究组氨酸激酶的功能，需要在体外表达该蛋白，并在体外研究其酶活性，而这个过程是一个生化研究。然而，研究组氨酸激酶存在两个困难。一是组氨酸激酶是一种具有跨膜结构域的跨膜蛋白。如果你是一名博士生，你的导师说“我要给你分配一种具有跨膜结构域的蛋白质来研究”，我建议你立即逃跑（笑）。为什么？太难了。在大多数情况下，表达蛋白质时必须去除跨膜区域。然而，就受体而言，去除跨膜区域意味着去除感知信号的区域。我们经常开玩笑。这就像《王子复仇记》的排练。哈姆雷特还在，但奥菲莉亚被你带走了。所以这是非常困难的。
其次，受体组氨酸激酶磷酸化后的磷酸化半衰期很短。我的实验室曾经研究过一种蛋白质，它的半衰期是多少？10 秒。换句话说，如果你想检测到一个信号，你可能在第5秒时看不到它，并且可能在第10秒时消失。因此，能够看到激酶信号的唯一方法是使用分子生物学中最灵敏的标记磷酸基团的方法：同位素标记。因此，我们实验室的同位素用量占微生物实验室同位素用量的三分之二以上。每天，当我的实验室同学从同位素实验室出来时，我开玩笑说他们疲惫的身体被同位素“照亮”了。当然，我们使用的同位素实际上是非常安全的。
细菌，尤其是致病菌，在感染人类时并不是单独行动，而是通过群体传播。因此，细菌需要感知它们是单独作战还是成群攻击宿主。我们的实验室发现了一种名为RpfC的组氨酸激酶，它可以感知细菌本身分泌的特定脂肪酸信号。通过这种方式，细菌了解到，“现在有很多人在攻击人类，没有必要害怕，就去攻击吧！”这是一个非常可怕的现象。
大家都知道改变生活方式非常重要。你必须适应食物的变化，比如你在南方吃什么和在北方吃什么。因此，病原微生物生活在环境中和生活在宿主体内是完全不同的。当我们生活在我们的环境中时，我们常常能够畅游并与世界和平相处。此类细菌不分泌独立因子，也不伤害宿主细胞。不过，一旦进入宿主体内，它就必须与宿主打交道。我们发现一种名为RavS 的受体组氨酸激酶在控制细菌生存模式转变中发挥着重要作用。 RavS 感知细菌细胞内的第二信使信号，导致细菌迅速从和平状态过渡到战争状态。这是一个很棒的过程。
细菌极其强大，比人类聪明得多，并且具有“束缚力”。
为了研究铁浓度有多高，研究生必须使用原子吸收光谱等现代设备。细菌也依赖受体，而且它们比人类聪明得多。为什么这么说？ “所有人类都起源于非洲，在古代，吃一个水果就足以填饱肚子。因此，现代人类的肠胃和代谢系统无法适应大鱼大肉的现代生活方式。很多人.吃得越多，肥胖就越严重。
例如，如果我们吃铁，那么没有铁我们就无法生存。人类缺铁就会贫血，细菌也是如此，没有铁就无法生存。然而，过多的铁也会对细胞产生毒性。所以，吃多了就不能多吃，缺了就需要找铁。我们的研究表明，细菌细胞膜含有一种称为VgrS 的受体组氨酸激酶，当细菌生活在植物中并暴露于缺铁环境时，该受体就会被激活。然而，如果摄入过多的铁并且细胞内积聚过多，其他受体就会感觉到铁浓度过高，细菌就会停止吃铁。从这一点来看，细菌比人类受到更多的抑制。
那么，细菌能感知宿主的存在吗？当然，我们实验室的研究发现了一个有趣的现象。我们都吃草莓，其中一些草莓非常大，但它们在一种叫做细胞分裂素的植物激素的刺激下可以生长。植物激素控制植物的生长发育，我们发现了一种受体，组氨酸激酶PcrK，它可以直接感知植物激素和细胞分裂素的存在。感应后，它识别出：我现在生活在植物宿主中，植物很快就会利用氧化应激来对付我并杀死我。因此，它立即启动一系列生理代谢来抵抗氧化应激。寄主植物对“疼痛”的反应。因此，我们戏称这个过程为“细菌也有联想能力”，只不过细菌在感受到植物激素的时候就可以联想。这就是细菌我们平时看不到的聪明之处。
我之前提到了一些化合物，但是细菌也能像人类一样感知气体的存在吗？答案显然是一样的。我想每个人都吃过香蕉，但大多数香蕉买来时都是绿色的，但如果你把它们盖上一段时间，它们就会成熟为黄色。既然植物激素乙烯可以加速植物的成熟和衰老，那么细菌能感知乙烯吗？我们的研究表明，一种叫做BerK的受体组氨酸激酶实际上能够感知乙烯的存在。他们发现，细菌在感知到乙烯的存在后，也知道它生活在植物体内并开始表达独立因子来抵消消化植物细胞壁的宿主的损害。
细菌能感知温度吗？知道了。我们发现了受体组氨酸激酶下游的一种蛋白质，当温度变化时，其酶活性会降解各种底物。显然，这种蛋白质是细菌的温度计，可以让我们快速判断细菌是在28C还是37C下生存。事实上，许多哺乳动物病原体可以感知37C 的生命，而这恰好存在于人类和动物体内。
还有咖啡。咖啡因是植物在进化过程中产生的一种生物碱，主要用于对抗昆虫，许多昆虫在摄入咖啡中的咖啡因后就会死亡。然而，人类已经进化出了代谢系统和受体来代谢咖啡因，所以我们喝完咖啡后感觉很舒服。然而，细菌也可以感知咖啡因的存在，我们研究的受体可以直接结合咖啡因。因此，当我们喝咖啡时，在我们兴奋之前，肠道中的细菌就意识到：“我的主人今天刚喝了一杯卡布奇诺。”
还有什么是细菌无法感知的吗？除了我的实验室之外，世界各地许多研究细菌感知的实验室都在揭示一个非常普遍的事实。也就是说，人类能感知到的所有信号，细菌都能感知到，人类感知不到的信号，细菌依然能感知到，包括各种信号。元素、化合物、生物聚合物、水、湿度、温度、压力、接触等。细菌的威力非常强大。
地球是一个“微生物之地”，我们对细菌的了解才刚刚开始。
您可能想知道，今天进行这项研究的意义何在？这项研究非常重要。我们都知道病原体是导致人类疾病和死亡的极其重要的病原微生物，但1928年青霉素的诞生改变了一切。 1949年之前，中国人的平均寿命约为35岁。青霉素和抗生素的发现使我们的预期寿命平均延长了24 年。这是微生物学领域对人类的重大贡献。
但现在，寻找抗生素变得越来越困难，产生了更加严重的耐药性问题。近两年来，新型冠状病毒病（COVID-19）在全球肆虐，全球死亡人数已达600万人。然而，每年有超过1000万人因耐药性而死在医院。抗生素的发现变得越来越困难。为什么呢？因为目前的抗生素主要针对的是“杀死和伤害”细菌，在如此强大的自然选择压力下，细菌会迅速产生耐药性。
我们已经知道环境微生物可以通过感知侵入人体并成为病原微生物。那么我们能否开发出新的化合物来控制、迷惑和干扰细菌的智力，并让它们知道自己还活着？不要伤害人或植物。毫无疑问，此类化合物将成为创新抗生素。因此，除了研究细菌与植物的相互作用之外，我的实验室还研究细菌如何与其他细菌相互作用。
嗜麦芽寡养单胞菌几乎可以称为“贪食者”。什么都吃。它们以革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌和真菌为食。最终，细菌细胞可以被“完全破坏”。它会爆炸。我们可以利用此类细菌来专门获取或研究它们使用何种化合物来杀死其他细菌。这些化合物是未来的抗生素。
地球实际上是一个“微生物之地”，地球上植物总数不超过40万种，动物和昆虫总数不超过800万种。微生物包括病毒、细菌、真菌、古细菌和一些单细胞藻类，其数量是无法估量的。保守估计，有1万亿个物种，是动植物总和的500万倍。尽管我们对细菌和微生物的了解还处于起步阶段，但我们鼓励每个人都参与微生物研究。
我从2000年成为中国科学院微生物学博士生后开始研究细菌。最后，重复一下演讲的主题。人类的智商和细菌的智商哪个更高或更低？客观地说，我认为他们是势均力敌的。如果你想听听我的真心话，我想用一些富有哲理的话来结束今天的谈话。这句话是： “我说服了你。”
作文/本报记者李哲