#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。

[ 中准网专栏 ] 来自宇宙的我
我,不追求真理,我讲道理。
我,不憧憬未来,我谈未来的未来。
一、从边界开始
"星云是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体,密度很低,拿地球上的标准来衡量,接近真空。可是星云体积十分庞大,方圆达几十光年,是恒星的摇篮。",接近真空的一块宇宙空间,能够被命名为星云,原因在于人类认知了它的边界。
"人们按夜空中星星的自然分布划成若干区域,大小不一,每个区域叫做一个星座,分别以近似的动物、器物命名。",划出夜空区域,便有了星座,星座源于人类划定了它的边界。
"天文学家把人类已经观测到的宇宙叫作可见宇宙,可见宇宙半径约为466亿光年。",之所以给出可见宇宙的半径,而非边长,是因为人类假定宇宙各向同性,所以推理出可见宇宙是球形。
人类依据认知、划定和推理等方式,构造出边界,有了边界,便有了定义,有了定义,便有了万事万物。而这一切的前提,是非混沌状态,所以,非混沌状态,便是宇宙、社会和我的起源。
二、理解无限
物质每一次细分后更小物质间的空隙都是空的,这么无限进行下去,组成物质的小物质趋近于零,即物质是不存在的。不存在的物质如何组成万物呢?这就需要引入迭代,一个小的粒子,可以在一定范围内随机运动,时间拉到足够长,就等于有个运动范围这么大的大粒子存在,无限迭代下去,无限小的物质也可以组成无限大的物体。这种迭代成立的基础,是非混沌状态。如果小物质无范围的随机运动,那么整体处于混沌状态,等于啥都没有。
具体到我们社会,人类社会能够存在的前提在于绝大多数人不会无缘无故发疯,总有一种力量,在促使人群走在一起。"门前大桥下游过一群鸭,快来快来数一数,二四六七八",鸭子是一种喜好群居的动物,一群鸭子,少则几百,多则上千,一个赶鸭子的人就能操控。作为一只身处在鸭群中的鸭子,当不成赶鸭子的人,也不会发疯淹死自己,它能做的其实有限,但是恰好是这种能力有限,是赶鸭子的人需要的。有时候,跟随群体,观察周围,尽量做到随波逐流,是一种更好的选择。
二、开始追求
"树欲静而风不止"。树想静,风不让,人生亦如此,你不追求,你做不到。
"沉舟侧畔千舟过"。舟停了,千舟越过,社会亦如此,你不追求,你必然落后。
"非牛顿流体,是指不满足牛顿黏性实验定律的流体,即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体,它是一个十分神奇的东西。如果我们在上面快速的奔跑,非牛顿流体可能不会有什么反应,可如果我们站在上面不动,时间长了反而整个人都会陷进去。"我认为,生存环境和非牛顿流体非常类似,你停你陷进去你死,你停你陷进去拼命挣扎死更快,你跑太快倒是不死,可你累了停一会你就陷进去还是死,你必须不停的慢慢跑,你才不会陷进去死掉了。人生必须如心脏,你一直动,你才能活着。你停着思考人生,便如同心脏停止工作而希望大脑灵光一现,这是不可能实现的。
四、学会交换
追求会产生价值,追求的方向不变,便会积累价值,而积累价值的最大原则,就是不要放弃积累价值。尽量站在离财富最近的地方,你周围都是财富,你不偷不抢,总能和财富做生意吧。这种生意,是你求着对方,但是因为周围都是财富,你还有一定的选择权,选择和谁做生意,还可以站着把钱赚了。不行的话,站在离风口最近的地方,你周围都是追逐财富的人,你不偷不抢,总能和追逐财富的人做生意吧。这种生意,是对方求着你,但是你必须有风口需要的某些功能,你只需要有这么一两种功能,你就可以站着把钱赚了。
上班工作其实也可以理解成你在和老板做生意,从这个意义上讲,做生意,不是一种职业,而是一种必须品,类似新陈代谢,一个不会做生意的人,必然是一个不会生活的人。
五、憧憬未来
我想介绍下我对人和机器人的界线的想法,我认为个体能否产生和自己相似的后代是人和机器人的界线。如果科技进步到机器人能够独自制造出新的机器人取代自己,那么,我认为那个时代的机器人和人没有什么区别了。要做到这一点,他需要自带一条芯片生产线;自带一条钢铁冶炼加工生产线;自带一个机器人工厂;或者,换言之,他需要自带原子操控技术,能够独自操控原子组装出一个新的机器人。考虑到这一切过于精密,他需要有一个可以逆核聚变反应的外壳保护自己,这个外壳可以将热量转化为核聚变原料存储起来。
这样一个人,可以居住在太阳表面,可以穿梭于星际之间,但是,他仍然有属于他的范围。
六、小结
盘古开天辟地,宇宙之所以成为宇宙,乃是因为混沌状态被打破,这种打破,出现在无限小到无限大的尺度,而在人生这个尺度,也就意味着你必须在一定范围内无限追求,你可以尝试通过与社会交换,更好的生活。
即便未来的人来不是碳基生物体,也仍然有属于他的范围,我们不必要过于担心。追求是没有极限的,但是任何追求都无法将宇宙化为混沌,我坚信这一点,所以,我们人类的发展也是没有极限的。

【鞋里放一物一生不得病】健康长寿是每个人都想要的,但是在现在出现了越来越多让人想都想不到的病症,这样的病症在不知不觉中危害着人类的健康,让人处于生死的边缘。在生活中,更多的时候,对于疾病,我们很多时候是事后诸葛亮,在病症发生后才会想着,早知道这样,当初就该那样做。疾病预防可以从生活中很小的事情开始,例如,对于鞋子的清洁,以此来保护脚。在现在社会,很多人的病症是能够从脚部看出来的,一双干净的鞋,是能够给健康穿上一层防护衣的,下面就为大家介绍在鞋子要是放了这一物,是可以远离病症的。

  一、干净的鞋,健康的脚
  老话说到:千里之行,始于足下,可见脚对于一个人的健康是有多么大的影响。
  在健康养生方面,常常会听到健康达人说这样的话:脚是身体的“晴雨表”,有了变化就得小心了,可以说,干净的脚对于一个人的健康是非常有影响的。
  而拥有一双干净的鞋,是能够给干净的脚提供一个非常好的空间。
  这里说的干净的鞋不是要买新的,也不是要每穿一次鞋就要刷一次,而是说,以鞋养脚,一双干净的鞋是能够给健康的脚保驾护航的。
  鞋子的使命就是为了行走的方便,不论是一双上万元的名牌鞋,还是一双十几元的地摊货,其使用价值是一样的,都是能够帮助人们行走。
  当然,这样的使用是有节制的,要是一年只穿一双鞋,对于鞋是一个伤害,对于脚伤害更加的大。
  保护鞋子也就是在保护脚,如何保护鞋子在现在是越来越受很多人的关注。

  二、选择合适的鞋
  为了鞋子保持干净,很多人是会选择经常刷鞋,在他们看来经常刷鞋是能够很好的保护鞋子的,其实不然,经常刷鞋是会造成鞋子损伤加重,使其使用价值下降的。
  穿鞋和吃食物是一样的,在食物摄取上,吃时令下的食物最养人,穿鞋的话,也是如此,在适宜的季节穿着适宜的鞋子,是对脚的保护,也是对鞋子的保护,例如,在夏天穿凉鞋就可以,对于马丁靴这样的冬天鞋子,最好不要穿。
  同时,对于不少脚汗过多的人来说,在穿鞋子的时候,最好几双鞋换着穿,不然的话脚汗是会造成病菌的囤积,脚部是非常容易感染病菌,这样的话是会给健康留下隐患的。
  因此,在穿鞋子的时候,选择合适自己的鞋子是非常重要的。
三、在鞋子里放陈皮
  要说生活中最能够清除异味的物品,陈皮无疑是最适宜的,特别是对于不少有脚汗的人来说,在鞋子里放上几片陈皮是能够很好的把这种异味清除掉的。

  在疾病的治疗上,对于陈皮的使用,一般是会把陈皮当作药材来使用的,用陈皮入药也是中医一直提倡的,在中医看来,用陈皮入药是能够达到益脾胃的,对于健脾也是很有帮助的。
  在生活中烹饪中,对于陈皮是会把陈皮放进熬制的高汤中,用陈皮煲汤是很多家庭主妇极力推崇的。
  那么在这里把陈皮当作清除异味的秘密武器,主要是因为陈皮能够很好的吸收鞋子的异味,在吃橘子的时候,是会发现橘子皮的四周那种就像是蜂窝的形状,这样的蜂窝状就是一种很好的吸附剂,能够很好的吸收异味。
  陈皮吸附鞋子里异味的能力是极强的,在晚上回到家的时候,要是感觉到鞋子异味很重,就可以放两片陈皮放入鞋子中,在达到吸收异味的同时,还能够在鞋子里留下很好的清香味。陈皮的这种味道,还能够达到清理病菌的功效,能给脚部营造一个舒适的空间。
四、在鞋子里放入茶叶
  生活中不少人在喝茶的时候,一包茶叶仅仅泡上几次就被倒进了下水道,其实,对于茶叶是可以进行二次利用的。
  泡过几次茶水的茶叶,虽说其功效没有新鲜的茶叶那么大,但是,还是有不少用武之地的。
  不少人是会把泡完茶的茶渣,晒干之后缝进枕头里的,在他们看来这样的茶叶残渣做出来的枕头是能够很好的帮助入睡。

  的确,这样的茶叶枕头,是要远远比市场的一些昂贵的枕头要帮助人入眠。
  对于鞋子异味的清除上,用茶叶也是能够达到的。
  茶叶本身是具有清除臭味的功效,对于空气中的异味,茶叶也是能够吸收的,对于不少有脚臭的朋友来说,在每天回到家的时候,是可以用茶叶制作茶叶包的,把这样的茶叶包放进鞋子里,对于吸收鞋子的异味是很有帮助的,在第二天早上穿鞋的时候,是会发现,鞋子里有股清香。
  并且,生活中不少人是会把茶叶渣进行燃烧,在燃起来的烟雾中,把鞋子放在上面熏上一会儿,也是能够达到清理异味的作用。
五、木炭清除异味
  在生活中用木炭来清除异味的事情,早已是屡见不鲜。
  对于有车一族来说,车内有异味,是会用橘子皮或者是木炭来清除车内的异味。对于不少家庭来说,冰箱是容易忽略的地方,却不想冰箱中的细菌是很多的,这样的细菌要是不注意的话,是会造成严重的细菌感染,而用木炭来稀释异味,清除细菌是很多家庭主妇喜欢做的事情,可以说,木炭是不少家庭主妇的好帮手。
  其实,对于鞋子异味的清除上,放上一小包木炭也是能够很好的清除的。
  木炭上有很多细小的纤维孔,这样的纤维孔具有吸附的能力,对于空气中的异味,对于潮湿的气体,对于有害物质都是能够很好的清除。
  生活中还有一些人是会用木炭来吸收盆景的水分,为盆景中微生物的生长提供了一个良好的生存空间,对于盆景的抗病虫能力有很大的提高。
  六、酒精清除异味
  说到酒精很多人都会说酒精在医学上用的多,能够达到杀菌、灭菌的作用。
  的确,酒精在医学上,用于擦拭伤口、清理病菌较为广泛。在生活中,对于酒精也是有很好的使用途径,对于发烧严重的人来说,是可以通过涂抹酒精达到降温的目的,这是利用了酒精的吸热能力。

  而在这里建议大家用酒精来清除鞋子的异味,主要是考虑到酒精的杀菌能力,对于鞋子的异味,是可以把酒精倒在纸巾上,把这样的纸巾放进鞋子里,放在家中阴凉的地方是能够起到杀菌除异味的作用。
  这主要是考虑到酒精属于挥发性很高的物品,在挥发气味的过程中能够给起到杀菌、除异味的功效。
七、食盐清除异味
  生活中说到食盐,很多人都会说食盐能够进行调味。的确,烹饪上要是没有了食盐,很多人都会显得没有胃口。
  而食盐也是可以作为健康小贴士的,在家庭清洁方面是可以用食盐的,例如,对于厨房的水槽,卫生间的卫浴都是可以用食盐来清理的,可以让水槽达到干净的状态。
  对于有经验的家庭主妇来说,食盐的清除异味也是不容小觑的,而在这里把食盐当作清除鞋子异味的无疑,就是考虑到其除臭能力之强。
  主要是考虑到食盐的吸附能力是很强的,对于汗水,食盐能够很好的吸收,并且,食盐是有杀菌的功效。

  因此,在每天把鞋子换下来的时候,是可以撒一些盐在鞋子里的,对于吸汗有帮助,又能够达到除臭的作用。


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