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细菌有一个不幸的——而且不准确的——公众形象，即它们是显微镜载玻片上孤立地摆弄的细胞。然而，科学家们对细菌了解得越多，就越发现这种隐士般的声誉是极具误导性的，就像试图在不提及城市、法律或语言的情况下理解人类行为一样。“人们过去将细菌视为……独自生活的孤立生物，”加州大学圣地亚哥分校的生物物理学家Gürol Süel说。“事实上，自然界中的大多数细菌似乎都居住在非常稠密的群落中。”
细菌首选的群落形式似乎是生物膜。在牙齿上、管道上、岩石上和海洋中，微生物数十亿地聚集在一起，并在自身周围构建粘性有机超结构。在这些膜中，细菌可以分工合作：外部细胞可以抵御威胁，而内部细胞可以产生食物。就像人类主要通过相互合作而取得成功一样，细菌在群落中茁壮成长。当自由游动的细胞很容易被抗生素消灭时，同类型的细胞一旦躲藏在膜中，抗生素往往就毫无用处。
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与所有群落一样，共同居住的细菌需要交流信息的方式。生物学家几十年来一直知道细菌可以使用化学信号来协调它们的行为。普林斯顿大学的Bonnie Bassler和其他人阐明的最著名的例子是群体感应，这是一个细菌分泌信号分子的过程，直到高浓度足以触发细胞形成生物膜或启动其他集体行为。
但Süel和其他科学家现在发现，生物膜中的细菌也可以相互进行电交流。生物膜似乎使用带电粒子来组织和同步大范围的活动。这种电交换已被证明非常强大，以至于生物膜甚至利用它从周围环境中招募新的细菌，并与邻近的生物膜协商，以实现彼此的福祉。
“我认为这些可以说是近几年微生物学领域最重要的进展，”普林斯顿大学研究群体感应的生物物理学家Ned Wingreen说。“我们正在了解一种全新的交流模式。”
当Süel在2012年作为一名年轻教授被招聘到圣地亚哥时，生物膜已经是一个热门话题。但关于它们的许多方面仍然很神秘，包括个体细菌如何放弃它们的自由并定居在大型、静止的社会中。为了获得深入了解，Süel和他的同事培养了枯草芽孢杆菌的生物膜，这是一种常见的杆状细菌，并用精密的显微镜观察了它们数小时。在延时电影中，他们看到生物膜向外扩张，直到内部细胞消耗了可用的氨基酸谷氨酸盐储备，细菌将其用作氮源。然后生物膜会停止扩张，直到谷氨酸盐得到补充。Süel和他的同事开始好奇内部细菌是如何告诉外部细胞何时分裂以及何时放松的。
群体感应是明显的嫌疑对象。但Süel接受过物理学方面的培训，他怀疑在他的芽孢杆菌菌落中，除了化学信使的扩散之外，还有更重要的因素在起作用。他专注于离子通道——嵌入细胞外膜并运送带电粒子进出的特殊分子。离子通道可能最出名的是它们在神经细胞或神经元中的作用。大多数时候，神经元会泵出钠离子（带单正电荷），并让不同数量的钾离子（也带单正电荷）进入。由此产生的电荷不平衡就像水堆积在水坝后面。当电脉冲震动神经元的膜时，特殊的通道会打开，让集中的离子涌入和涌出，实际上是打开了水坝的泄洪闸。这种交换沿着神经元传播，产生在大脑中传递信息的电“动作电位”。
Süel知道细菌也会将离子泵过它们的膜，并且最近的几篇论文报道了细菌中至少与大脑中发现的那些电活动松散相似的电活动峰值。他想知道，细菌是否也可能使用动作电位机制来传递电信号？
他和他的同事用荧光标记物处理了实验室中的生物膜，这些标记物会被钾离子和钠离子激活，当离子流出饥饿的细胞时，钾标记物会发光。当离子到达附近的细胞时，这些细胞也会释放钾，刷新信号。信号以这种方式向外流动，直到到达生物膜的边缘。并且响应于该信号，边缘细胞停止分裂，直到内部细胞可以获得营养，之后它们停止释放钾。
Süel的团队随后创造了没有钾通道的突变细菌，他们发现这些细胞的生长方式与之前的停停走走的方式不同。（研究人员在他们的实验中也没有看到标记的钠离子的移动。）Süel和他的同事在2015年的自然杂志上报道，像神经元一样，细菌显然使用钾离子来传播电信号。
尽管与神经活动有相似之处，但Süel强调生物膜不仅仅像大脑。神经信号除了钾通道外，还依赖于快速作用的钠通道，其传播速度可以超过每秒100米——这种速度对于使动物能够进行复杂的快速运动行为（如狩猎）至关重要。芽孢杆菌中的钾波以每小时几毫米的相对缓慢的速度传播。“基本上，我们正在这些生物膜中观察到一种原始形式的动作电位，”Süel说。“从数学角度来看，它们完全相同。只是一个速度快得多。”
细菌广播
然而，Süel和他的同事对那个电信号有更多疑问。当钾驱动的电活动波到达生物膜的边缘时，电活动可能会停止，但释放到环境中的钾离子云会继续前进。因此，研究人员决定研究一旦钾波离开生物膜会发生什么。
今年的第一个答案发表在细胞杂志的一篇论文中，他们在论文中表明，芽孢杆菌似乎使用钾离子来招募自由游动的细胞加入群落。令人惊讶的是，细菌不仅吸引了其他芽孢杆菌，还吸引了不相关的物种。看来，细菌可能已经进化为不仅生活在单一培养物中，而且还生活在多样化的群落中。
几个月后，Süel的团队在科学杂志上表明，通过交换钾信号，两个芽孢杆菌生物膜可以“分时”共享营养物质。在这些实验中，两个细菌群落轮流食用谷氨酸盐，使生物膜能够更有效地消耗有限的营养物质。由于这种共享，生物膜的生长速度比细菌在没有中断的情况下尽可能多地食用时的生长速度更快。当研究人员使用离子通道被修饰为发出较弱信号的细菌时，生物膜不再能够协调它们的摄食，生长速度变慢。
Süel关于细菌如何进行电交流的发现使细菌研究人员感到兴奋。
南加州大学的生物物理学家Moh El-Naggar说：“我认为这是目前生物学领域正在进行的最有趣的工作之一。”El-Naggar研究细菌如何使用特殊的细管传输电子，他称之为纳米线。尽管这种传输也可以被认为是电交流的一种形式，但El-Naggar说，过去如果有人暗示细菌的行为与神经元相似，他会“踩刹车”。自从阅读了Süel 2015年的论文以来，他改变了他的想法。“我们很多人都迫不及待地想看看会发生什么，”他说。
密歇根州立大学的微生物学家Gemma Reguera认为，最近的发现加强了她长期以来一直向她的生物学家同行提出的一个论点：光、声音和电等物理信号对细菌与化学信号同样重要。“也许[Süel的发现]将有助于科学界和科学界以外的[人们]对细菌之间其他形式的物理交流持更开放的态度，”Reguera说。
研究人员兴奋的部分原因是细菌之间的电信号显示出比化学介导的群体感应更强大的迹象。化学信号已被证明对于协调某些集体行为至关重要，但一旦超出发出信号的细菌的直接范围，它们很快就会被稀释和消退。相比之下，正如Süel的团队发现的那样，从生物膜释放的钾信号可以以恒定的强度传播超过典型细菌细胞宽度1000倍的距离——即使这个限制也是实验中使用的微流体装置施加的人为上限。群体感应和钾信号之间的区别就像在山顶上喊叫和拨打国际长途电话之间的区别。
Wingreen指出，此外，化学物质只能与具有对其敏感的特定受体的细胞进行通信。然而，钾似乎是动物神经元、植物细胞和——科学家们越来越发现——细菌共享的一种通用语言。
一种通用的化学语言
德克萨斯A&M大学的生物学家Steve Lockless说：“我个人在我研究过的每一种单细胞生物中都发现了[带正电荷的离子通道]”，他曾在研究生院与Süel是实验室伙伴。因此，正如Lockless在对Süel 2015年论文的评论中推测的那样，细菌可以使用钾不仅相互交谈，还可以与其他生命形式（包括人类）交谈。研究表明，细菌会影响宿主的食欲或情绪；也许钾通道有助于提供这种跨界通信通道。
巴塞罗那庞培法布拉大学系统生物学教授Jordi Garcia-Ojalvo根据Süel的实验提供理论建模支持，他认为微生物使用钾表明这是一种古老的适应，在构成植物、动物和其他生命形式的真核细胞从细菌中分离出来之前就已发展出来。他说，对于细胞间通信现象，细菌通道“可能是整个行为进化祖先的良好候选者”。
芝加哥大学的细菌遗传学家James Shapiro说，这些发现构成了“一项非常有趣的工作”。Shapiro不害怕大胆的假设：他认为细菌菌落可能具有某种形式的认知能力。但他对神经元和细菌之间的类比持谨慎态度。Shapiro说，Süel迄今为止证明的钾介导的行为非常简单，不需要大脑已经进化出的那种复杂的电路。“目前尚不清楚正在进行多少信息处理。”
Süel对此表示赞同。但他目前不太关注量化生物膜的信息含量，而是更感兴趣地揭示细菌能够完成的其他壮举。他现在正试图看看不同细菌物种的生物膜是否像纯芽孢杆菌生物膜那样进行分时共享。
他还希望开发他称之为“细菌生物膜电生理学”的技术：直接研究细菌电活动的技术，就像神经科学家几十年来一直在探测大脑一样。意大利佛罗伦萨大学的研究员Elisa Masi使用了为神经元设计的电极来检测细菌中的电活动，她说，为细菌设计的工具将是一个主要的福音。“我们谈论的是非常非常小的细胞，”她说。“很难观察它们的代谢活动，并且没有专门的方法”来测量它们的电信号。
Süel和他的同事目前正在开发此类工具，这是霍华德·休斯医学研究所、比尔和梅琳达·盖茨基金会以及西蒙斯基金会（Quanta的出版商）提供的150万美元资助的一部分。
Süel说，这些发现也可能导致新型抗生素或受细菌启发的技术，但此类应用还需要数年时间。更直接的回报是再次彻底改变我们对细菌的观念所带来的兴奋。“在过去的几十年里，我们对细菌的理解发生了惊人的演变，”El-Naggar说。他对钾信号在海洋等复杂、充满离子的自然环境中效果如何感到好奇。“现在我们认为[细菌]是操纵其环境中电子和离子的专家。这与我们过去认为它们是非常简单的生物体的方式相去甚远。”
Wingreen说：“我们一步一步地发现，所有我们认为细菌不会做的事情，它们实际上都会做。”“这正在将我们从我们的神坛上拉下来。”
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