病原菌感染你的记忆，可以一直传给它的曾孙

对于地球上大多数生物来说，它们所生活的环境总是在不断变化。为了应对这些变化，它们需要不断做出决策，选择最佳的方式来生存和繁衍。比如当环境开始变得危险时，它们需要及时防御或者逃跑；当环境资源比较匮乏时，它们需要降低自己的耗能并积极寻找新的营养资源；而在环境温和、食物充足时，它们可能得及时繁殖，让自己的基因能传递下去……

但并非对于所有的环境变化，生物体都预先知道该如何应对。对于包括人类在内的高等动物而言，我们拥有一种叫做“记忆”的能力，这种能力让我们在经历一次环境改变过后，吃一堑长一智，在下次遇到同样的环境变化时，能够快速作出正确的反应。

而这种名为“记忆”的能力，来源于神经组织的特殊能力，神经组织在接受外界刺激后会形成神经冲动，对于特定的刺激可以形成条件反射，在今后遇到这种刺激时可以第一时间作出相应的反应。

但对于那些没有神经系统的原核生物，它们也会拥有记忆吗？

很多人可能觉得，它们没有神经，就只能根据基因里的预设对现有的环境作出反应，不会拥有记忆。然而，大量的研究发现，细菌的确可以产生类似记忆的能力，它们在过往环境中不同的经历会导致它们对当下条件作出不同的反应。比如，有研究发现人类肠道菌群可以根据之前肠道中的营养物质，调整随后的菌群组成。这样的记忆可以影响细菌个体和群落的适应性，以及细菌与宿主的相互作用和对噬菌体的防御。而细菌拥有记忆能力的原因可能是多种多样的。

例如，最近发表于《美国科学院院刊》（PNAS）的一项研究发现，细菌不仅可以储存记忆，还可以将记忆传递给下一代。

细菌的运动和记忆

这项新研究探究了细菌在生理和形态方面的记忆。

当自由生活的细菌定殖于生物或非生物表面时，它们会根据所到达环境的营养和表面条件，选择在留在原位生长，还是向其它地方移动（比如入侵宿主的组织），或是形成能在严峻环境中存活时间更长的子实体（fruiting body，部分细菌形成的能产生孢子的组织结构），等待环境变得更适宜。

例如在环境适宜时，很多细菌会聚集在一起，分泌多糖和蛋白质等，将自身包绕其中从而形成的大量细菌聚集膜样物，即“生物膜”（biofilm），这种结构可促进细菌的粘附和生存。环境不太理想时，细菌则可能会转移到更适宜的环境，但在不同的条件下，细菌的转移方式有所差别。

在液体环境中，单个细菌会通过尾部鞭毛的摆动，推动自己前进。而在半固体的表面，细菌群体会聚集起来，在鞭毛的驱动下进行快速多细胞运动。这种集体的、由鞭毛驱动的适应性运动叫做“群聚运动”（swarming motility），能在半固体环境中表现出极大的灵活性。

此前，研究者发现，将液体培养环境中的大肠杆菌转移到半固体培养基上一段时间后，这些大肠杆菌开始出现“群聚运动”，而在这段时间内，大肠杆菌的转录组会出现广泛的变化，表明它们正在适应新环境。然而，如果将经历了“群聚运动”的大肠杆菌转移到新的半固体培养基上，它们在新环境中出现“群聚运动”的时间大大缩短，说明这些大肠杆菌可能已经对这种半固体环境产生了类似条件反射的记忆，能够够快地作出“群聚运动”的反应。

为了探究“群聚运动”中的大肠杆菌是否真的记住了在这种环境中产生“群聚运动”的策略，在新研究中，研究者设计了一种实验装置，可以监测由大于10000个大肠杆菌细胞组成的“群聚运动”。通过一系列分析，他们发现，这些大肠杆菌可以将形成“群聚运动”的记忆保留至少四代，直到第七代才会完全消失。

一种常见元素的作用

所以这种记忆，是通过什么方式保留和传递的呢？

答案是铁，地球上最丰富的元素之一。

通过一系列实验，研究者发现，这种记忆机制来源于大肠杆菌细胞内储存的铁元素含量的变化。铁元素含量低的大肠杆菌细胞更容易形成“群聚运动”，而铁元素含量高的大肠杆菌则相反。这些大肠杆菌产生的后代，会继承来自亲代细胞内的物质，从而也就继承了亲代的记忆。此外，研究者还可以通过升高或降低大肠杆菌细胞内铁元素的含量，来延长或缩短这种记忆在大肠杆菌繁殖过程中保存的时间。

大肠杆菌细胞对铁的利用，不仅局限于对“群聚运动”的记忆。研究者发现，含铁量较少的大肠杆菌，不仅更容易形成“群聚运动”，对抗生素的抵抗能力也更强了；而当细胞内铁含量较多时，大肠杆菌则更容易形成（前面提到过的）生物膜。研究者十分肯定地推测，铁含量与抗生素抗性和生物膜之间的联系，也可以通过类似的方式将记忆传递给下一代。

“细胞以这种方式利用铁是合情合理的，”该研究的第一作者，来自美国德克萨斯大学的苏维克·巴塔查里亚（Souvik Bhattacharyya）说到，“在地球大气中出现氧气之前，早期的细胞生命利用铁来完成许多细胞过程。铁不仅是地球生命起源的关键，也是生命演化的关键。”有关铁的新陈代谢变化会影响细菌基因的突变率，而突变率的改变则会直接影响自然选择。

研究人员推测，当外界环境铁含量较低时，细菌关于“群聚运动”的记忆被触发，形成快速移动的迁移群，在环境中寻找铁。而当环境中铁含量较高时，细菌的记忆就会显示这个环境是个好地方，于是决定留下来形成生物膜。

而细菌的这些知道何时该形成“群聚运动”、何时该形成生物膜的记忆，或许也在它们感染人类时起到了重要的作用。因此，这项研究也有助于科学家寻找更好的方法来应对细菌感染。“我们对细菌行为了解得越多，就越容易对抗它们。”塔查里亚说道。