大多数自由生活的微生物实际上并没有做太多事情。这是因为生活充满了压力，当微生物受到温度变化或抗生素等压力时，许多会进入代谢活动减少且不生长的状态。这种状态被称为休眠，微生物在这种状态下等待条件变得适宜再重新活跃起来，这可能是在几小时后，也可能是几百万年后。尽管微生物休眠有多种形式（如内生孢子、黏孢子、持久细胞等），但目标是一样的：静待时机，迎接更好的日子。
然而，尽管它们看似无所事事，休眠微生物对于塑造微生物种群的生存、进化和对不断变化环境的响应至关重要，尤其是在气候变化的大背景下。研究人员正在深入研究微生物休眠的动力学，以更好地了解这对地球未来意味着什么，以及如何利用这一点使未来更加光明。
多样化的休眠微生物存在于从永久冻土到人体的各种环境中。点击图片放大查看。
来源：McDonald M.D. 等，《微生物趋势》，2024年，CC-BY许可。
定义休眠：说起来容易做起来难
要利用休眠，研究人员首先必须解决一个看似简单但实则困难的问题：什么是休眠？
大多数人对休眠有一个大致的概念，比如冬眠的熊或植物种子。这些例子以及其他无数的例子都符合休眠的许多定义：一种可逆的代谢活动减少状态，生物体在不利的环境条件下仍能保持活力。值得注意的是，“当细胞处于休眠状态时，它不能繁殖，因此无法分裂和增加种群规模，”法国国家科学研究中心研究主任阿什利·谢德博士（Ashley Shade, Ph.D.）说。“你有一个有趣的保护与繁殖之间的权衡。”
在微生物中，各种表型都被贴上了休眠的标签。然而，微生物休眠的具体含义因子领域而异，不同的科学家将其应用于驱动他们研究的生物体和问题上。例如，谢德将在2025年ASM微生物会议上召集一个科学会议，探讨休眠微生物如何影响人类和环境健康，她指出临床微生物学家通常将休眠等同于持久细胞（即在没有抗生素抗性基因/突变的情况下通过进入低能量状态而存活的细胞）。
然而，环境微生物学家对休眠的看法有所不同。“我们认为这是微生物在自然界中存在的非常普遍的状态，因为环境恶劣，条件变化很大，”谢德说。也就是说，这不仅仅是关于单一的表型，而是关于一种普遍的生存策略。
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衡量休眠的难点在于测量它很难。有许多方法可以确定细胞是活跃还是不活跃，但根据使用的测量方法不同，结论可能会从一项研究到另一项研究有所不同。更重要的是，只有少数情况下可以明确地说“那个微生物是休眠的”（例如，细菌孢子，这些结构坚固且不具备繁殖能力，与活跃细胞有很大不同）。对于大多数细胞来说，休眠更为微妙，涉及的行为包括减少细胞体积或修改细胞膜。“实际上，这是一个渐变的过程，”谢德说。“并不是说你是休眠的或不是休眠的。而是你非常活跃，正在加倍复制，或者你不太活跃。”
印第安纳大学布卢明顿分校生物学教授杰伊·伦农博士（Jay Lennon, Ph.D.）同意这一观点。“实现休眠没有单一的正确方式，”他说。“不同的微生物（或其他分类单元）将以不同的方式进入休眠。科学家们可以给它们起不同的名字，但最终都是休眠，就像甲虫、蝙蝠和鸟类都会‘飞’一样。” 根据伦农的说法，陷入语义的细节会忽略一个事实：休眠是一个广泛的“生物学主题”，在多种多样的生物体中独立演化而来。关键在于创建一个工作定义，既能捕捉这一主题，又能承认每种生物体相关的细微差别。科学家们越能做到这一点，就越容易构建一个共享的概念框架，以理解复杂的生物系统。
对于纽卡斯尔大学生物科学系首席研究员谢尔盖·梅尔尼科夫博士（Sergey Melnikov, Ph.D.）来说，这种观念上的拉锯本身就会产生新的理解。“科学就是缺乏共识，”他说。“我们不断挑战我们的假设。” 随着新知识的出现，旧的概念和定义经常被重新审视和修订。不变的是参与休眠辩论的重要性。“我认为这非常重要，因为‘什么是休眠？’这个问题与‘什么是生命？’密切相关。”
休眠对微生物进化和群落功能的影响
尽管休眠的概念和语义基础可能发生变化，但它在微生物世界中的重要性是无可争议的。“我们倾向于将生命视为一种运动，”梅尔尼科夫说。然而，矛盾的是，“许多生物系统的首要活动是无所作为。”
科学家估计，在任何给定时间，土壤中的90%的细菌和真菌都处于休眠状态。仅海洋沉积物中的细菌内生孢子浓度就表明它们至少占全球微生物生物圈的10%（这还不包括其他形式的微生物休眠，这意味着实际百分比可能更高）。换句话说：休眠占据主导地位。
可以将特定环境中的一群休眠微生物视为形成一个种子库，“这只是所有休眠个体的总和或储藏库，”伦农解释道。种子库保存了种群信息、多样性和最终的持久性，使其能够在恶劣环境中生存。由于其代谢能力降低，休眠微生物对微生物种群的功能和进化轨迹具有重要影响。
例如，基因突变（通常与细胞分裂过程中DNA复制错误有关）是自然选择的材料。“然而，如果你有一个大的种子库，许多生物体不进行分裂，那么新突变的输入将会减少。这应该会对进化产生影响，”伦农说。另一方面，当休眠细胞复苏（即恢复生长和繁殖的业务）时，它们会贡献于种群的遗传变异，这可能会加速适应性进化的速度。
休眠还以其他方式影响微生物，包括塑造它们之间的交流方式。病原体可以利用休眠在宿主体内生存，以及在抗生素存在的情况下生存，这使得感染治疗成为一个挑战。此外，像植物种子通过风或动物粪便被动移动到新环境一样，休眠可能允许微生物分散到新的地方。在这些情况下，如果微生物在新环境中复苏并增殖，结果形成的种群可能会改变现有微生物群落的形式和功能，以及该群落与更广泛生态系统之间的互动。
气候正在变化
当通过气候变化的视角来看待（休眠）微生物如何影响生态系统功能时，其意义变得更加显著。微生物驱动了许多支持地球上生命的基木生物地球化学过程（如碳循环和氮循环）。随着气候的变化，这些微生物生活的环境也在变化。了解微生物群落如何应对升温和其他与气候相关的压力因素，对于界定其功能影响至关重要。基于科学家们对微生物世界中休眠普遍性的了解，将休眠微生物纳入这些评估是关键，特别是对于制定缓解环境变化负面影响的策略。
“关于不活跃微生物或低活性微生物，它们对功能的贡献很小，或者根据它们当前的不活跃程度，可能根本没有贡献，”谢德说。“因此，随着气候变化或环境压力的增加，你可能会预期一些繁荣的微生物会变得不活跃，甚至可能因这些压力而灭绝，而其他微生物可能会苏醒。我们真的不知道在很多情况下，微生物将如何响应气候变化的压力，这将直接影响这些环境中微生物群落提供的功能。”
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新兴研究表明，土壤细菌应对剧烈温度变化（包括在其原生环境中从未见过的变化）的能力在很大程度上取决于休眠微生物。它们也是模拟北极土壤碳积累的关键（北极地区特别受气候变化影响）。此外，谢德实验室发现干旱压力会导致一些与植物相关的微生物激活，这表明根际中有一些成员在暴露于某些压力源时会启动。
“我不会判断这些是好家伙还是坏家伙，就它们与植物的关联或可能提供的功能而言，”她指出。“但我们确实知道会发生一些变化，这可能会影响诸如作物生产和健康等问题。” 确实，一些复苏的微生物可能具有与进入休眠（或灭绝）的微生物重叠的功能，从而补偿失去的功能，或者它们可能具有全新的功能，其影响将随着时间的推移逐渐显现。
利用微生物休眠
目前明确的是，科学家们越深入研究微生物休眠相关的问题，就越能生成策略，以有益和可持续的方式利用休眠微生物。据谢德称，这可能涉及开发重新激活具有支持地球健康功能的环境微生物的方法。伦农提到了材料科学的可能性，指出一些科学家正在将细菌孢子整合到塑料中；当孢子萌发时，它们会降解塑料——这可能是解决世界塑料问题的一个潜在方案。
利用微生物休眠的一部分在于阐明使其成为可能的多种机制；这种认识构成了梅尔尼科夫研究的基础。他的实验室对一类称为休眠因子的蛋白质感兴趣。这些蛋白质存在于细菌、动物和植物细胞中，结合关键的细胞机器，如核糖体和RNA聚合酶，使它们保持静止状态——它们踩下刹车，同时保护关键酶免受降解。通过这种方式，休眠因子是“生物体暂停生命能力”的关键部分，梅尔尼科夫将在2025年ASM微生物会议上展示他关于休眠细菌细胞分子结构的工作。
关键在于：“当我们知道这些因子如何工作——什么激活它们，什么使它们失活——我们就获得了诱导休眠或防止微生物进入休眠的能力。” 例如，许多休眠因子占据了某些抗生素使用的核糖体药物结合位点，引发蛋白质-药物竞争。“这意味着我们目前用于抑制微生物生长的药物在生长有利条件下可以用来诱导生物体在生长不利条件下不可逆地过渡到休眠状态，”梅尔尼科夫解释道。
这只是理解和利用休眠分子基础的冰山一角。最终，对于看似无所事事的休眠微生物来说，它们正成为一个越来越引人入胜的研究领域。
“休眠是使微生物能够在如此多的恶劣环境中定植、繁殖和持续存在的关键部分，”谢德说。“它并没有被完全忽视，但被探索得不够充分。关于休眠的生物学和生态学，我们还有很多东西可以学习，我对这个领域的下一章研究感到兴奋。”
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