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细菌真的很臭。 任何鼻孔曾面对一盒凝结的牛奶或一双仍然浸透马拉松记忆的袜子的人都承认这个事实。 但一篇新论文表明，细菌不仅仅散发气味，它们也能闻到气味。 根据8月11日发表在《生物技术杂志》（BTJ）上的一项研究，细菌菌落可以检测到邻近菌落释放出的刺激性氨分子，并通过用保护性粘液覆盖自身来做出反应。 这不仅是细菌具有嗅觉的首个证据，研究结果也可能代表了进化史上最早的嗅觉形式之一。
德克萨斯大学西南医学中心达拉斯分校的微生物学家瓦妮莎·斯佩兰迪奥说：“这是一篇有趣的论文”，她没有参与这项研究。“细菌的嗅觉不像拥有鼻子的多细胞生物，但这可能是后来发展的原始形式。我认为这是首次有人证明细菌细胞实际上可以感知像氨气这样的有气味的 gases。但这并不是我们第一次证明细菌可以感知气体。例如，细菌可以检测氧气。”
细菌还会释放、检测和响应有机信号分子，这个过程被称为群体感应。 这篇新论文的作者区分了嗅觉——或闻气味——和群体感应，因为后者通常涉及在共享液体介质中细菌之间交换的分子，而前者涉及挥发性（空气传播的）分子，随后被物理屏障隔开的不同菌落检测到。
BTJ 的这项研究起源于一次意外。 研究人员最初并非专门致力于研究细菌如何响应空气传播的分子。 相反，他们试图了解细菌如何产生生物膜——一种结构化的粘液，使微生物能够粘附在表面、聚集在一起并阻止其直接环境中的竞争者。
斯佩兰迪奥说：“生物膜就像细菌居住的城市。 细菌分泌一种粘性基质，并将自身组织成多细胞结构，其中有通道供水和营养物质流入和流出。”
为了节省实验室空间，研究人员决定使用一块微量滴定板——一个带有 96 个小孔的塑料托盘，为常见的土壤细菌地衣芽孢杆菌创造两种生长条件。 在板左侧的所有孔中，研究人员在复杂的富营养培养基中培养细菌； 在右半部分，他们使用了一种营养物质较少但专门设计用于刺激生物膜生长的培养基。
右侧诱导粘液生长的培养基中的细菌产生了生物膜，但并非均匀产生。 相反，研究人员观察到一个梯度：板中间，最靠近左侧以富营养培养基为食的细菌的培养物渗出最多的粘液，并呈现粉红色。 那些距离板最右侧的营养充足的细菌最远的培养物，粘性最差，粉红色也最浅。 由于每个细菌菌落都在其自己的单独孔中生长，菌落之间没有直接接触，因此研究人员怀疑，板右侧的粘性菌落可能以某种方式响应了来自左侧营养充足的菌落的空气传播信号。 检测到这种空气传播信号将解释粘液梯度，因为与最右侧的菌落相比，最靠近板中间的粘性右侧菌落将检测到更多从左侧菌落漂浮过来的分子。
纽卡斯尔大学的海洋生物学家、这项新研究的主要作者雷恩德特·尼日兰说：“唯一可能导致这种情况的是富营养培养基中细菌产生的东西——而且它必须是空气中的东西，因为没有其他介质将它们连接起来。”
实验者测试了他们是否可以在其他种类的细菌中复制粘液梯度，包括枯草芽孢杆菌、藤黄微球菌和大肠杆菌。 每次他们都发现了相同的效果：营养匮乏的菌落越靠近富营养培养基中的细菌生长，前者就变得越粘稠。 尼日兰说：“我们测试了我们在实验室中拥有的一大堆菌株，这些菌株是从海藻、螃蟹和鲨鱼中分离出来的。 我发现使用哪种细菌菌株并不重要，只要我使用的是含有大量氨气的富营养培养基。”
每当研究人员在含有硫酸铵的培养基中培养细菌菌落时——许多细菌将硫酸铵分解为氨气以获取氮——不同培养基中的邻近菌落都会通过产生更多的粘液来做出反应。 注意到这一点，实验者推断氨气是细菌正在响应的空气传播分子。 尼日兰认为，当营养充足的细菌分解其生长培养基中的营养物质并以代谢副产物形式排放过量氨气时，邻近的菌落会检测到这种气体，并通过产生生物膜来做出反应。 为了进一步证实他们的结果，研究人员在装有氨溶液的孔附近培养细菌菌落，并发现了相同的粘液梯度。 细菌菌落一次又一次地对氨气做出反应，渗出粘液。
一种可能性是，细菌实际上并没有响应邻近菌落的存在，而仅仅是因为氨气提高了细菌周围环境的 pH 值而产生生物膜——pH 值是一种可能促进粘液生长的环境压力源。 然而，研究人员指出，即使在氨气浓度较低，不会显着改变 pH 值的情况下，他们也观察到了他们的结果； 他们还缓冲了生长培养基，以进一步控制 pH 值的变化。
研究人员得出结论，细菌能够进行嗅觉——跨距离生物检测挥发性化学物质——并假设这种感觉可能首先在细菌中进化出来。 尽管研究人员不确定细菌如何检测空气中的氨气，但他们对细菌为何会产生粘液以响应挥发性氨气有一些假设。 尼日兰解释说：“它们感知到这种氨气，这对它们来说是附近有营养物质的迹象”，空气传播的氨气不仅可以让细菌菌落了解重要资源的所在地，还可以让它们了解已经获得这些资源的竞争对手菌落。 研究人员认为，生物膜可能具有双重功能：它可以帮助细菌菌落作为一个集体蜂群向资源生长，也可能有助于阻止竞争菌落。
尼日兰说：“我们已经证明细菌可以闻到附近是否有食物，并对此做出反应。 我倾向于认为这更像是获取营养物质的方式，但与此同时，这意味着其他细菌已经存在，因此打开防御机制也是有道理的。 生物膜可能既是一种保护形式，也是一种迁移手段。”
格罗宁根生物分子科学与生物技术研究所的分子遗传学家奥斯卡·库珀斯的研究重点是细菌，他对细菌为什么需要感知环境中的氨气特别感兴趣。 他提出，对于生活在干燥环境中的细菌来说，分子无法轻易在菌落之间扩散，空气传播的氨气可以作为氮源的重要指标。 此外，库珀斯同意，干燥环境中的细菌最好通过使用生物膜在陆地上蔓延来获得这些资源。 他还推测粘液可以保护细菌免受高浓度有毒气体的侵害。
由于生物膜增加了细菌对抗生素的抗性，并且已知会覆盖许多植入的医疗设备，因此更多地了解细菌如何以及为何产生粘液可能具有重要的医学应用。 斯佩兰迪奥说：“病原体倾向于在塑料导管中形成厚厚的生物膜，而且在许多心脏瓣膜被生物膜污染的情况下，这可能导致患者败血症[感染]。 生物膜的性质决定了它们很难控制。”
斯佩兰迪奥补充说：“我认为他们接下来必须做的是找到细菌对氨气的传感器。” 库珀斯表示同意。 他通过电子邮件写道：“有趣的是，挥发物必须以某种方式被感知，也许是通过受体或转运系统，并且信号需要传递下去以诱导负责生物膜形成的基因。 一个巨大的挑战是找出这种信号转导如何在分子水平上发生。”