#单细胞生物如何实现趋利避害#
这个问题问的是单细胞生物如何趋利避害，本身趋利避害是一个很宽泛的概念，我觉得可以拆分成两个环节：发现环境中的利/害和做出响应，比如发现某个地方的养分浓度高，然后向养分游动；等过了一会发现养分吃光了，而这个地方挤满了同类的个体，就向同类稀疏的地方游动。这两句话里面其实包含着相当复杂的生物机制。
单细胞生物的运动方式，以及要如何判断周围个体多少的问题。事实上单细胞生物之间并不是只能以个体做出行为的，它们互相之间也能通过一个系统“交流”来知道环境中有多少个其他个体，而这个系统使得单细胞生物能够更好的趋利避害。
当你阅读这段话的时候，你通过阅读汉字获取信息，或许正同时默念着这句话。这一套文字语言系统是人类作为智慧生命的基本前提。低等一些的动物虽然无法说出复杂的语言，但它们仍然能依靠各种载体来传播信息，比如保护色，信息素，叫声等等。然而更为低等的微生物是如何互相传递信息的呢？它们没有获取信息需要的视觉嗅觉等各种感官，身为单细胞生命，它们也没有神经系统可以处理信息。
正如每篇科普文章里“曾经”的结论都是为了引出后来的新发现一样，在上世纪60-70年代科学家发现并逐渐了解了微生物上存在分泌信号分子---监测环境信号分子浓度---根据浓度水平响应来抑制/启动特定基因表达---最终使微生物在群体层面上行为达到同步化的一套系统。这个系统被命名为Quorum Sensing System，简称QS。Quorum本来指的是法律上法定人数的意思，在这里用来形容和细菌群体密度以及数量相关的QS系统非常巧妙。
Quorum sensing的机理简单言之，就是每个细菌个体，都持续地以低浓度释放一定的信号分子，当细菌的数量达到一定值的时候，信号分子的浓度也就达到一定阈值，其与对应的受体或者激酶结合，激活对应的启动子下游基因的表达，在其中同样包括该信号分子的合成酶（这是尤其关键的），故形成一个简单的正反馈网络。通过正反馈网络，环境中的信号分子浓度迅速提高，由此迅速对整个微环境中的微生物行为进行同步。
一个对QS系统机理的简单示意图，AHL是一种信号分子，在不断分泌到达阈值后启动下游基因
群体感应最初是在夏威夷短尾鱿鱼身体中的腔室中发现并且研究的。与夏威夷短尾鱿鱼共生的费氏弧菌被储藏在鱿鱼特定的器官里面，每到夜晚来临的时候，细菌生长到一定的细胞密度，就会通过群体感应系统激活下游的荧光素酶的合成。接着由荧光素酶催化发出荧光。鱿鱼通过这种荧光求偶或者隐藏自己的影子。在鱿鱼的腔室背部和四周有类似反射镜的表面，而腹侧有棱镜状的肌肉，调节光强弱。鱿鱼为费氏弧菌提供富营养的培养环境，通过细胞表面受体的选择性作用捕获特定的细菌，而菌通过周期性的发光为鱿鱼提供某种生存优势。要实现群体层面上的同步发光，就只能通过QS系统。
费氏弧菌
QS系统允许了微生物能够在群体层面上有感知和响应做出决策的能力，使微生物某种意义上具备一些“智能”。比如形成生物膜（biofilm）和致病菌分泌毒素，都需要在短时间内大量微生物的协同工作，而细菌间彼此交流的“语言”QS系统就显得尤为关键。我们以致病菌为例，如果没有QS系统，每个致病菌只能自行“决定”致病基因表达的时机，分泌毒素，最终很可能被免疫系统逐个击破，从群体层面上致病菌也无法繁衍下去。分泌生物膜同理，必须要一地的细菌同时分泌才能有效。
而有了QS系统后，只要环境中致病菌的数量达到阈值，致病菌就选择同步启动致病基因表达，分泌毒素，更高效的搞起破坏来。这里分泌毒素的场景也可以替换成生成生物膜，增快/降低繁殖速度等各种程序--而在细菌在不同浓度下会执行不同的写在DNA里的程序：金黄色葡萄球菌在低细胞浓度的情况下开启生物膜的形成，表达粘连蛋白；在高细胞浓度的情况下，抑制生物膜的形成，并表达外毒素与蛋白酶还有其他一些感染因子，就是通过QS系统实现的。QS系统的机制其实并不复杂，但就是这样一个信号浓度达到阈值——启动相关基因表达——实现群体行为的系统，使得微生物能涌现出群体行为，通过菌多力量大来增加对环境的适应性，也就是题目中问的“趋利避害”。
大家或许都听说过巴别塔的故事，上帝为了不让人类能够建成通天的巴别塔，使不同的人使用不同的语言，这样人类之间就产生了隔阂和不同的文化，再也无法合作建设巴别塔了。而QS系统作为细菌的语言，在演化过程中也产生了不同的“语种”和“语系”，它们分别是介导革兰氏阳性菌群体感应的寡肽、介导革兰氏阴性菌群体感应的酰基高丝氨酸内酯（AHL）和能同时介导革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌群体感应的自诱导物-2。
如果说上面三种是不同语系的话，AHL的QS系统也有几种不同的信号分子和对应的感受器，这就是不同的语种。有的细菌甚至还是天生的“多语言者”，具备生存上的某种优势。信号分子和感受器的特异性也是QS系统的一个特点。以AHL信号分子为例，它们拥有相似的化学结构，只是碳链长度上有区别，但这一差异就导致了信号分子之间不能互相被对应感受器识别（当然，有的时候还是会出现串扰，自然界的东西哪有严格正交的）。无论是深究不同QS系统间的串扰现象及其作用，改造QS系统的正交性，还是利用QS系统特异性来实现一些工程上的目标，都是很有意思的研究。
Las,Rhl,Lux3种不同的QS系统的信号分子结构是比较类似的，因此互相之间会有串扰
给一个更直观的例子，QS系统在合成生物学中经常被用到，这个文章中研究者就利用了QS系统中的lux系统，让改造后的细菌实现同步裂解，原理就是群体规模到达一定的时候（即环境中AHL分子打到一定浓度）就启动QS系统引导的裂解程序。
A图是环路设计，这个环路的工作效果是细菌会在繁殖到一定数目后同步裂解，设计好的工程菌自带荧光，所以可以看到下面视频中荧光的闪烁
荧光消失=细菌裂解
在我一个微生物学门外汉看来，QS系统是微生物最有趣的一个特性。它让微生物能够表现出群体性质和涌现出一些群体行为，而这个演化而来的系统虽然并不完美（不同QS系统的信号分子-感受器之间的串扰其实挺严重的），但在合成生物学领域能做很多事情，包括但不限于：搭设生物中的“电路和逻辑门”，检测微生物密度，实现细胞之间的通讯，etc。最酷炫的就是搭设生物电路，想象一下，我们有不同的QS系统（信号分子和感受器），信号分子和感受器之间有特异性，那么就可以搞出与门，或门，NOR gate等各种元件来。有关这个话题就在此不多赘述了，感兴趣的读者可以去搜索Quorum Sensing+ Gene Circuits，这也并不是什么很新的东西。
这个问题问的是单细胞生物如何趋利避害，本身趋利避害是一个很宽泛的概念，我觉得可以拆分成两个环节：发现环境中的利/害和做出响应，比如发现某个地方的养分浓度高，然后向养分游动；等过了一会发现养分吃光了，而这个地方挤满了同类的个体，就向同类稀疏的地方游动。这两句话里面其实包含着相当复杂的生物机制。
单细胞生物的运动方式，以及要如何判断周围个体多少的问题。事实上单细胞生物之间并不是只能以个体做出行为的，它们互相之间也能通过一个系统“交流”来知道环境中有多少个其他个体，而这个系统使得单细胞生物能够更好的趋利避害。
当你阅读这段话的时候，你通过阅读汉字获取信息，或许正同时默念着这句话。这一套文字语言系统是人类作为智慧生命的基本前提。低等一些的动物虽然无法说出复杂的语言，但它们仍然能依靠各种载体来传播信息，比如保护色，信息素，叫声等等。然而更为低等的微生物是如何互相传递信息的呢？它们没有获取信息需要的视觉嗅觉等各种感官，身为单细胞生命，它们也没有神经系统可以处理信息。
正如每篇科普文章里“曾经”的结论都是为了引出后来的新发现一样，在上世纪60-70年代科学家发现并逐渐了解了微生物上存在分泌信号分子---监测环境信号分子浓度---根据浓度水平响应来抑制/启动特定基因表达---最终使微生物在群体层面上行为达到同步化的一套系统。这个系统被命名为Quorum Sensing System，简称QS。Quorum本来指的是法律上法定人数的意思，在这里用来形容和细菌群体密度以及数量相关的QS系统非常巧妙。
Quorum sensing的机理简单言之，就是每个细菌个体，都持续地以低浓度释放一定的信号分子，当细菌的数量达到一定值的时候，信号分子的浓度也就达到一定阈值，其与对应的受体或者激酶结合，激活对应的启动子下游基因的表达，在其中同样包括该信号分子的合成酶（这是尤其关键的），故形成一个简单的正反馈网络。通过正反馈网络，环境中的信号分子浓度迅速提高，由此迅速对整个微环境中的微生物行为进行同步。
一个对QS系统机理的简单示意图，AHL是一种信号分子，在不断分泌到达阈值后启动下游基因
群体感应最初是在夏威夷短尾鱿鱼身体中的腔室中发现并且研究的。与夏威夷短尾鱿鱼共生的费氏弧菌被储藏在鱿鱼特定的器官里面，每到夜晚来临的时候，细菌生长到一定的细胞密度，就会通过群体感应系统激活下游的荧光素酶的合成。接着由荧光素酶催化发出荧光。鱿鱼通过这种荧光求偶或者隐藏自己的影子。在鱿鱼的腔室背部和四周有类似反射镜的表面，而腹侧有棱镜状的肌肉，调节光强弱。鱿鱼为费氏弧菌提供富营养的培养环境，通过细胞表面受体的选择性作用捕获特定的细菌，而菌通过周期性的发光为鱿鱼提供某种生存优势。要实现群体层面上的同步发光，就只能通过QS系统。
费氏弧菌
QS系统允许了微生物能够在群体层面上有感知和响应做出决策的能力，使微生物某种意义上具备一些“智能”。比如形成生物膜（biofilm）和致病菌分泌毒素，都需要在短时间内大量微生物的协同工作，而细菌间彼此交流的“语言”QS系统就显得尤为关键。我们以致病菌为例，如果没有QS系统，每个致病菌只能自行“决定”致病基因表达的时机，分泌毒素，最终很可能被免疫系统逐个击破，从群体层面上致病菌也无法繁衍下去。分泌生物膜同理，必须要一地的细菌同时分泌才能有效。
而有了QS系统后，只要环境中致病菌的数量达到阈值，致病菌就选择同步启动致病基因表达，分泌毒素，更高效的搞起破坏来。这里分泌毒素的场景也可以替换成生成生物膜，增快/降低繁殖速度等各种程序--而在细菌在不同浓度下会执行不同的写在DNA里的程序：金黄色葡萄球菌在低细胞浓度的情况下开启生物膜的形成，表达粘连蛋白；在高细胞浓度的情况下，抑制生物膜的形成，并表达外毒素与蛋白酶还有其他一些感染因子，就是通过QS系统实现的。QS系统的机制其实并不复杂，但就是这样一个信号浓度达到阈值——启动相关基因表达——实现群体行为的系统，使得微生物能涌现出群体行为，通过菌多力量大来增加对环境的适应性，也就是题目中问的“趋利避害”。
大家或许都听说过巴别塔的故事，上帝为了不让人类能够建成通天的巴别塔，使不同的人使用不同的语言，这样人类之间就产生了隔阂和不同的文化，再也无法合作建设巴别塔了。而QS系统作为细菌的语言，在演化过程中也产生了不同的“语种”和“语系”，它们分别是介导革兰氏阳性菌群体感应的寡肽、介导革兰氏阴性菌群体感应的酰基高丝氨酸内酯（AHL）和能同时介导革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌群体感应的自诱导物-2。
如果说上面三种是不同语系的话，AHL的QS系统也有几种不同的信号分子和对应的感受器，这就是不同的语种。有的细菌甚至还是天生的“多语言者”，具备生存上的某种优势。信号分子和感受器的特异性也是QS系统的一个特点。以AHL信号分子为例，它们拥有相似的化学结构，只是碳链长度上有区别，但这一差异就导致了信号分子之间不能互相被对应感受器识别（当然，有的时候还是会出现串扰，自然界的东西哪有严格正交的）。无论是深究不同QS系统间的串扰现象及其作用，改造QS系统的正交性，还是利用QS系统特异性来实现一些工程上的目标，都是很有意思的研究。
Las,Rhl,Lux3种不同的QS系统的信号分子结构是比较类似的，因此互相之间会有串扰
给一个更直观的例子，QS系统在合成生物学中经常被用到，这个文章中研究者就利用了QS系统中的lux系统，让改造后的细菌实现同步裂解，原理就是群体规模到达一定的时候（即环境中AHL分子打到一定浓度）就启动QS系统引导的裂解程序。
A图是环路设计，这个环路的工作效果是细菌会在繁殖到一定数目后同步裂解，设计好的工程菌自带荧光，所以可以看到下面视频中荧光的闪烁
荧光消失=细菌裂解
在我一个微生物学门外汉看来，QS系统是微生物最有趣的一个特性。它让微生物能够表现出群体性质和涌现出一些群体行为，而这个演化而来的系统虽然并不完美（不同QS系统的信号分子-感受器之间的串扰其实挺严重的），但在合成生物学领域能做很多事情，包括但不限于：搭设生物中的“电路和逻辑门”，检测微生物密度，实现细胞之间的通讯，etc。最酷炫的就是搭设生物电路，想象一下，我们有不同的QS系统（信号分子和感受器），信号分子和感受器之间有特异性，那么就可以搞出与门，或门，NOR gate等各种元件来。有关这个话题就在此不多赘述了，感兴趣的读者可以去搜索Quorum Sensing+ Gene Circuits，这也并不是什么很新的东西。
看到这里的时候，我突然回忆起很久之前一次被塞传单的经历。
当时是和朋友约了在某商场见面，朋友先我一步到达，我赶到门口正在停车时，旁边有两男一女在发传单，就快发到我了，我寻思我人在这边呢应该不会往我车上塞传单了吧。果然，是我多想了。其中一男的还是把传单一卷塞在了我车后座的缝隙中。
其实在他站在我车边准备塞传单之前，我说了一句不用了，谢谢，也不知道是我戴着口罩声音太小了还是那天的风太大了，或许他没有听见吧，就还是塞了。我当时可能也是突然上头了，立马就把传单抽出来扔在了地上，掉头就准备走了，对方可能也因为我当下的动作感到了不被尊重，就开始站在旁边骂骂咧咧了，旁边的同伴在拉扯他，让他不要激动之类的，我也不想过多的纠缠，随他骂了两句。
事后冷静下来想想，其实有更好的处理方式的，只是我太多时候太容易冲动，肢体总是比大脑先做出反应。
当时是和朋友约了在某商场见面，朋友先我一步到达，我赶到门口正在停车时，旁边有两男一女在发传单，就快发到我了，我寻思我人在这边呢应该不会往我车上塞传单了吧。果然，是我多想了。其中一男的还是把传单一卷塞在了我车后座的缝隙中。
其实在他站在我车边准备塞传单之前，我说了一句不用了，谢谢，也不知道是我戴着口罩声音太小了还是那天的风太大了，或许他没有听见吧，就还是塞了。我当时可能也是突然上头了，立马就把传单抽出来扔在了地上，掉头就准备走了，对方可能也因为我当下的动作感到了不被尊重，就开始站在旁边骂骂咧咧了，旁边的同伴在拉扯他，让他不要激动之类的，我也不想过多的纠缠，随他骂了两句。
事后冷静下来想想，其实有更好的处理方式的，只是我太多时候太容易冲动，肢体总是比大脑先做出反应。
做了一个梦中梦。
梦见我上课迟到没地方坐，空位子桌子上面摆的全部是考研书。有人起哄让我表演节目。
然后和两个还是三个小姐姐一起溜出去。本来是两两结对，搞狎昵之事。后来我和bjt一起搞wxh（存疑[吃瓜]），梦中看到了wxh的粉红缝缝，在我各种侍弄不得要领之下，bjt成功用粗暴的手法让wxh到达cc，先是乳白偏透明色，之后是透明的一片，全喷到了我的黑色泳衣上。
之后和wjt说起我的梦，结果泳裤上全是不明水渍干掉的痕迹。
再之后和舅舅看到浅水池之下的下水道，几个老人打架斗殴，其中有我姥爷。当下怀疑我姥爷赌博欠钱不还[doge]
之后报警，报警之后的事情记不得了，估计就是醒了吧……
梦见我上课迟到没地方坐，空位子桌子上面摆的全部是考研书。有人起哄让我表演节目。
然后和两个还是三个小姐姐一起溜出去。本来是两两结对，搞狎昵之事。后来我和bjt一起搞wxh（存疑[吃瓜]），梦中看到了wxh的粉红缝缝，在我各种侍弄不得要领之下，bjt成功用粗暴的手法让wxh到达cc，先是乳白偏透明色，之后是透明的一片，全喷到了我的黑色泳衣上。
之后和wjt说起我的梦，结果泳裤上全是不明水渍干掉的痕迹。
再之后和舅舅看到浅水池之下的下水道，几个老人打架斗殴，其中有我姥爷。当下怀疑我姥爷赌博欠钱不还[doge]
之后报警，报警之后的事情记不得了，估计就是醒了吧……
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