早在 20 世纪 70 年代，生物学家就开始观察到细菌中一种非凡的社会现象。他们早已知道单个细菌能够感知并寻找环境中的营养物质，这种现象被称为趋化性。
但他们尚未意识到的是，细菌可以通过信号分子进行相互交流。通过这种方式，细菌可以感知到其他同类的存在并据此调节自身行为，例如在密度达到某个临界水平时发光或形成生物膜。
这引发了一些关于这些复杂的社会交流方式已经发展到何种程度的有趣问题。例如，它们是否可以用来警告其他细菌潜在的威胁，就像受掠食者攻击时会分散的成群的鸟或鱼群一样？
危险信号
约翰霍普金斯大学的 Trung Phan、普林斯顿大学的 Shengkai Li 以及他们的同事，他们一直在用细菌界的“工作马”——大肠杆菌进行实验，现在他们发现了证据表明细菌沟通可以帮助生物体感知生存的危险，从而让其他生物体远离。
这组研究人员通过一个巧妙的实验观察到了这种现象，该实验中的“黑洞”等同于细菌界的“黑洞”，会将任何掉进去的生物体不可逆转地卷走。这个黑洞由一个装有营养物质的培养皿组成，但其中有一个中央的孔洞，下方有一股流动的液体，会将任何进入其中的细菌卷走。
培养皿还包含漏斗状的棘轮，允许细菌向黑洞移动，但不能移出，就像引力将物体拉入天体物理黑洞一样。这有效地将大肠杆菌逐渐驱赶到黑洞附近。
然而，流体进入黑洞的速度相对较慢，允许化学信号从黑洞扩散开来。直到细菌越过相当于事件视界的区域，此时流速变得足够快，可以将通信信号也卷走。此时，信号停止，细菌也无法再与种群进行交流。
人们很容易想象这样的黑洞最终会卷走整个种群。但 Phan、Li 和同事们发现，实际上发生的情况恰恰相反——细菌不知何故学会了避开。研究人员说：“黑洞周围出现了一个非常清晰的空旷区域，细菌不会进入。”
通过对细菌沟通过程进行建模，Phan、Li 和同事们认为他们已经找到了原因。“显然，真正的细菌既能感知营养物质（它们必须找到食物才能生存），又能感知其他细菌的存在并对它们的存在做出反应，”他们说。
生存技能
当来自其他细菌的信号很强时，它们会聚集在一起。但“随着细菌消失在出口孔中，信号分子的浓度会降低，这实际上是在警告其他细菌远离，”Phan、Li 和同事们说。因此，细菌会聚集在远离黑洞的另一个区域。
这是出乎意料的，特别是考虑到该区域的营养物质浓度并没有下降。研究人员总结道：“令人惊讶的实验结果是，在高种群密度下，增加的交流很容易压倒该区域的食物匮乏。”
显然，大肠杆菌已经进化出相互警告即将到来的厄运的能力。“细菌可以通过信息交换集体执行对种群生存至关重要的复杂任务，”该团队表示。
现在，看看这种行为的普遍性如何，以及其他细菌种类是否会以类似的方式行事，或者是否进化出了更复杂的反应，这将很有趣。
参考：细菌的社会物理学：避开信息黑洞：arxiv.org/abs/2401.16691
