撰文 | 蘇澄宇

有網(wǎng)友在網(wǎng)上發(fā)帖，自己泡的楊梅，泡了幾天成了這樣：

圖源：就知道吃吃吃/xhs

照片中，一碗紅寶石色的楊梅汁液表面，竟浮著一層白色不明網(wǎng)狀物，如同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或微縮的城市地圖。

這層白網(wǎng)是一個高效且高度組織的微觀生命系統(tǒng)——生物膜（Biofilm），也常被稱為菌膜（Pellicle）。

圖源：beerandbrewing

生物膜的“建筑師”是環(huán)境中無處不在的微生物，主要是好氧的細(xì)菌和酵母菌。它們搭乘空氣或附著在楊梅果皮上進(jìn)入這碗“營養(yǎng)液”中。在富含糖分和氧氣的水面，它們找到了理想的棲息地，開始迅速繁殖。

但真正厲害的點(diǎn)在于其“節(jié)點(diǎn)+網(wǎng)狀”的結(jié)構(gòu)。

這種形態(tài)不是隨機(jī)的，而是微生物在特定環(huán)境下通過自組織（Self-organization）形成的。

是不是感覺和第一張圖差不多，除了“泡泡”變大了 圖源：The Redneck Hippie

自組織是指一個系統(tǒng)在沒有外部指令的情況下，僅通過局部簡單的相互作用，自發(fā)形成宏觀有序結(jié)構(gòu)的過程。

而這個過程的驅(qū)動力有著基本生存法則：

首先，微生物需要水中的糖分，也需要空氣中的氧氣。因此，液-氣界面是它們的“黃金地段”。

其次，菌落的擴(kuò)張需要消耗能量。相比像地毯一樣均勻鋪開，沿著特定路徑伸出“觸手”去探索新地盤，是能量效率最高的策略。這與樹根在土壤中尋找水分和養(yǎng)分的模式如出一轍。

起初，少數(shù)“先驅(qū)”微生物在水面不同位置形成菌落“節(jié)點(diǎn)”。隨后，為了探索更多資源并連接其他菌落，它們會沿著物理化學(xué)條件最優(yōu)的路徑延伸，形成“網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)。

這種分形生長模式在自然界中很常見，例如閃電的路徑、雪花的晶體，它們都是在特定物理法則下形成的能量最優(yōu)解。

圖源：wikipedia

當(dāng)然，要形成如此“完美的”結(jié)構(gòu)最重要的還是環(huán)境。

這種網(wǎng)狀菌膜是特定微生物在靜止、營養(yǎng)適中且存在清晰氧氣梯度的環(huán)境下，通過運(yùn)動、生產(chǎn)EPS等一系列復(fù)雜生命活動，最終呈現(xiàn)出的高度自組織的宏觀形態(tài)。

在微生物學(xué)家眼中，這種結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比一盤均勻生長的菌落或一瓶渾濁的菌液要復(fù)雜和高級得多。

問題來了，這些單細(xì)胞生物是如何協(xié)調(diào)行動，構(gòu)建出如此宏偉的結(jié)構(gòu)的？

它們之間存在一種被稱為群體感應(yīng)（Quorum Sensing）的交流機(jī)制。

“Quorum”原指決策所需的法定人數(shù)。在微生物世界里，這意味著當(dāng)菌落密度達(dá)到一個閾值后，它們會通過釋放并感知特定的化學(xué)信號分子，來“知曉”同伴的數(shù)量。

這就像一個微觀的“人口普查”系統(tǒng)。當(dāng)信號分子濃度足夠高，就等于向所有成員宣告：“我們隊(duì)伍壯大，可以集體行動了！” 這種集體行動包括協(xié)同分泌黏性物質(zhì)來構(gòu)建生物膜的基質(zhì)（相當(dāng)于“建筑膠水”），或者共同產(chǎn)生酶來分解食物。

起皺的生物膜 圖源：American Institute of Physics

群體感應(yīng)的存在，解釋了生物膜為何是一個高度協(xié)同的“社會”，而非一盤散沙。正是這種原始的“社交網(wǎng)絡(luò)”，讓簡單的微生物得以完成復(fù)雜的“工程”。

所以，它還能吃嗎？

不能！

圖源：giphy

在人體內(nèi)，一種名為腺苷（adenosine）的神經(jīng)遞質(zhì)會隨著我們清醒的時間不斷積累，它與大腦中的受體結(jié)合后，會讓我們感到疲倦和困乏。

咖啡因的分子結(jié)構(gòu)與腺苷十分相似，因此它能像一個“冒名頂替者”一樣搶先占據(jù)腺苷的受體位置。這樣一來，腺苷就無法發(fā)揮其“催眠”作用，我們自然會感到更加清醒和警覺。

通過阻斷腺苷，咖啡因也為大腦中其他能提升情緒的神經(jīng)遞質(zhì)打開了方便之門，其中最重要的就是多巴胺（dopamine）。多巴胺是大腦“獎勵系統(tǒng)”的核心成員，與愉悅感、動力和滿足感直接相關(guān)。早晨的一杯咖啡能有效促進(jìn)多巴胺的釋放，這便是那份“快樂”感覺最直接的化學(xué)來源。

研究還指出，為了最大化咖啡的積極效果，或許不應(yīng)一起床就立刻飲用。人體在睡醒后的一小時內(nèi)，會自然分泌大量的皮質(zhì)醇（cortisol），這是一種幫助我們清醒的激素。

如果在皮質(zhì)醇水平最高時攝入咖啡因，效果可能會打折扣。因此，稍等片刻，在醒后約一個半小時到兩小時再享用您的第一杯咖啡，或許能讓這份愉悅和清醒更加持久。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

這與光的反射有關(guān)。

干衣服表面粗糙，光線向四面八方散射，所以我們看到較淺的顏色。水填充了纖維間的空隙，使得表面更平滑，更多的光線被吸收或直接反射到你的眼睛里，散射的光減少了，所以看起來顏色就變深了。

封面來源：網(wǎng)絡(luò)

參考資料：

Nadell, C. D., Xavier, J. B., & Foster, K. R. (2009). The sociobiology of biofilms. FEMS Microbiology Reviews, 33(1), 206–224.

Parsek, M. R., & Greenberg, E. P. (2005). Sociomicrobiology: the connections between quorum sensing and biofilms. Trends in Microbiology, 13(1), 27–33.

Ben-Jacob, E. (2003). Bacterial self-organization: co-enhancement of complexification and adaptability in a dynamic environment. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 361(1807), 1283–1312.

凡本公眾號轉(zhuǎn)載、引用的文章 、圖片、音頻、視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有人所有，因此產(chǎn)生相關(guān)后果，由版權(quán)所有人、原始發(fā)布者和內(nèi)容提供者承擔(dān)，如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除。

將【把科學(xué)帶回家】設(shè)為星標(biāo)?，了解更多科學(xué)內(nèi)容

原創(chuàng)文章版權(quán)歸微信公眾號
“把科學(xué)帶回家”所有

轉(zhuǎn)載請聯(lián)系：bd@wanwuweb.com