本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
引起梅毒和莱姆病的细菌有一个非凡的共同点：尽管它们的尾部位于体内，但它们设法在环境中推进自身。
对于细菌来说，它们的形状和活动也异常。在这段视频中，你可以看到引起莱姆病的细菌像活着的、蠕动的卡瓦塔皮螺旋面一样移动。
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梅毒和莱姆病——它们共同拥有我最喜欢的两个拉丁文名称——梅毒螺旋体和伯氏疏螺旋体——属于一组称为螺旋体的细菌，它们看起来像波浪线，移动起来像开瓶器。螺旋体不仅仅给人类和其他动物带来痛苦。它们中的许多在河流、池塘、湖泊和海洋中都能很好地生存。这是从旧金山湾的盐沼中捕获的一个螺旋体。
今天，我们知道只有一部分螺旋体实际上是像开瓶器一样的螺旋形，而另一些螺旋体，如梅毒螺旋体和伯氏疏螺旋体，则是像正弦和余弦一样的扁平波。在这段慢动作视频中，被束缚的伯氏疏螺旋体（科学家们不知何故将其固定住）展示了细菌轮廓在转动时如何短暂地变平。视频的第一部分是实时播放。第二部分放慢了动作。特别仔细地观看第三次旋转。
那么，这些看起来如此活跃的细菌是如何在尾部牢固地（且看似无用地）植入体内的情况下进行杂技运动的呢？
无论形状如何，所有螺旋体都拥有与其他细菌相同类型的尾部，或称鞭毛：一个长的螺旋，通过一个 L 形连接器（称为钩）连接到一个嵌入细胞膜中的马达。在大多数细菌中，这些尾部从宿主的背部突出到环境中。它们是刚性的并且会旋转，由底部的马达驱动。这些鞭毛的功能很像一种称为“Screwpull”的开瓶器——它们的旋转产生推力。在开瓶器的情况下，扭矩用于从瓶子中拔出软木塞。
在细菌的情况下，扭矩向前推动或向后拉动细菌，就像潜艇或轮船上的螺旋桨。
螺旋体的许多尾部——它们通常有几个——嵌入在生物体每一端附近的行中，并盘绕在身体周围，终止于靠近中间的某个位置。去除鞭毛后，这些细菌会恢复成直杆状，因此刚性尾部必须像骨架一样，将细菌弯曲成其特征形状。在这张扁平波螺旋体的示意图中，紫色的鞭毛聚集在一起形成带状条带
这些条带在伯氏疏螺旋体的中段以某种方式重叠。目前尚不清楚这两个条带是否形成连续的带状，还是条带终止于细胞的相对两侧。整个束都被包裹在一个保护性外膜内（上图已省略外膜）。它紧紧地贴合在螺旋体周围——非常紧，事实上，在高倍放大倍数下，可以看到外膜在鞭毛通过下方时会鼓起，有点像细菌的紧身牛仔裤。
那么，所有这些机械装置是如何推动螺旋体前进的呢？当两个鞭毛带朝相反的方向旋转时（一端顺时针旋转，另一端逆时针旋转），螺旋体沿直线移动。由于它们附着在相对的两端，因此它们必须朝相反的方向旋转，才能使波沿着细胞的长度向同一方向传播。实际上，它们将整个身体变成了一个巨大的鞭毛。在这张说明其工作原理的图中，螺旋体像海蛇一样滑行。
当鞭毛朝同一方向旋转时（即都顺时针或都逆时针），螺旋体会不规则地弯曲或弯折，正如您在这篇博文的第一部影片中看到的那样。
在细胞体和外膜之间的空间中存在流体——可能像变速箱油或刹车油——鞭毛带就位于其中，这种流体对于运动至关重要。它充当润滑剂和作用在细胞外部的力量的传递者，没有它，鞭毛就会缠结。来自细胞外部的粘稠流体或屏障对外膜的阻力通过外膜和这种流体传递到内部鞭毛，内部鞭毛的减速又传递到它们的马达，马达会因此而减速。通过这种方式，螺旋体的内部推进系统可以感知并响应外部世界。
当细菌游动的流体的粘度或稠度增加时，伯氏疏螺旋体会减速。这是您所期望的。但是，当科学家添加增加细菌环境的粘度和弹性的化学物质时，伯氏疏螺旋体实际上加速了。当您意识到我们的肉体在很大程度上是由胶原纤维网组成的，它以弹性和粘性力响应细菌时，这种违反直觉的结果就更有意义了。伯氏疏螺旋体甚至能够挤过孔隙明显小于自身身体的明胶。
总之，这些结果表明，这些细菌作为病原体的成功可能归因于它们能够以外部鞭毛细菌无法做到的方式蠕动进入我们身体的狭窄部位。在我们体内，它们几乎可以随意移动到任何地方。
最近，亚利桑那大学和康涅狄格大学的科学家想更多地了解伯氏疏螺旋体马达的动力学，以及莱姆病细菌是否可以作为梅毒螺旋体的良好模型。生物学家从未能在人体外培养梅毒，这极大地阻碍了我们对其进行研究的能力。根据他们于 11 月在《生物物理学杂志》上发表的关于这些细菌运动和物理模型的文章，他们认为伯氏疏螺旋体是研究梅毒螺旋体运动的相当不错的替代品，唯一的例外是伯氏疏螺旋体可以在更稠密、更粘稠的流体中游动。这可能是因为它比梅毒螺旋体有更多的鞭毛，因此，马力更强。
在这段视频中，您可以亲自比较这两种细菌的运动
这些细菌的卓越工程设计可能是螺旋体成为人类和其他动物如此成功的病原体的主要原因。梅毒和莱姆病比几乎任何其他生物体都更能穿透我们的身体。螺旋体可以穿过几乎所有其他物质都无法穿透的屏障，包括基底膜和肠道等器官的内膜（称为内皮），这些内膜的作用是将您肠道中无数的细菌隔离在身体的其他部位之外。在人类中，梅毒和莱姆病细菌很容易穿透通常神圣不可侵犯的血脑屏障，从而感染中枢神经系统。梅毒可以侵入胎盘并感染未出生的孩子。
这种非凡的能力反映在这些残酷疾病的症状中。莱姆病特有的靶心皮疹似乎是其穿透能力的结果，因为螺旋体钻入新宿主的皮肤和软组织，并引发从叮咬处辐射出来的破坏性炎症反应。莱姆病和梅毒患者——后者在人类历史上的伟人和小人物中都为数众多，包括今天的许多人——可能会因同样的破坏性炎症而遭受多个器官、关节以及大脑和神经系统的损害。在梅毒中，螺旋体似乎在这方面非常出色且速度很快，在不到 48 小时内就能进入实验动物的血液、淋巴结、骨髓、脾脏和睾丸。对于一种只有十几微米长的生物体来说，它必须穿透无数层进化出来用于阻止它们进入的坚韧膜，并且没有明显的推进手段——事实上，它只能通过全身投入到美丽但致命的扭动中来移动——从蜱虫到睾丸只需两天，这已经很不错了。
参考文献
Harman M., Vig D., Radolf J. & Wolgemuth C. (2013). Viscous Dynamics of Lyme Disease and Syphilis Spirochetes Reveal Flagellar Torque and Drag, Biophysical Journal, 105 (10) 2273-2280. DOI: 10.1016/j.bpj.2013.10.004
Charon N.W., Cockburn A., Li C., Liu J., Miller K.A., Miller M.R., Motaleb M.A. & Wolgemuth C.W. (2012). The Unique Paradigm of Spirochete Motility and Chemotaxis, Annual Review of Microbiology, 66 (1) 349-370. DOI: 10.1146/annurev-micro-092611-150145