經(jīng)典理論被推翻：困擾50年的細(xì)菌游泳謎題實(shí)為分子拔河

哈嘍，大家好，今天小墨這篇評(píng)論，主要來(lái)分析細(xì)菌游泳轉(zhuǎn)向的核心機(jī)制，拆解分子拔河戰(zhàn)顛覆經(jīng)典理論的關(guān)鍵。

細(xì)菌在液體里怎么精準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎？這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題，讓生物學(xué)家琢磨了整整半個(gè)世紀(jì)。弗拉蒂隆研究所的科學(xué)家終于在《自然·物理學(xué)》給出答案，直接推翻了流行數(shù)十年的多米諾效應(yīng)理論。

答案簡(jiǎn)單又精妙：細(xì)菌體內(nèi)正上演著一場(chǎng)分子齒輪間的力學(xué)拔河。

細(xì)菌靠鞭毛這種螺旋槳似的尾部游動(dòng)，鞭毛旋轉(zhuǎn)方向決定運(yùn)動(dòng)軌跡。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，多根鞭毛聚成一束推細(xì)菌直線前進(jìn)。

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，鞭毛束散開，細(xì)菌翻滾改變朝向。通過(guò)直線游動(dòng)和翻滾交替，細(xì)菌能朝著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)聚集的方向移動(dòng)，這個(gè)過(guò)程就是趨化性。

鞭毛馬達(dá)的核心是34種蛋白質(zhì)組成的巨型環(huán)狀結(jié)構(gòu)，也就是C環(huán)。這個(gè)環(huán)像中央齒輪，由約34個(gè)蛋白質(zhì)單元排成圓形。定子是嵌入細(xì)菌膜的小型蛋白質(zhì)復(fù)合體，靠讓帶電離子流過(guò)通道產(chǎn)生扭矩，像微型發(fā)動(dòng)機(jī)一樣驅(qū)動(dòng)中央齒輪旋轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)平衡模型認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)方向切換源于蛋白質(zhì)間的相互影響。信號(hào)分子CheY-P與環(huán)上某個(gè)蛋白結(jié)合，會(huì)改變蛋白構(gòu)象。這種變化像推倒多米諾骨牌一樣傳給相鄰蛋白，最終讓整個(gè)環(huán)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，馬達(dá)改變旋轉(zhuǎn)方向。

但這個(gè)理論有個(gè)繞不開的問題。平衡系統(tǒng)該遵循無(wú)記憶統(tǒng)計(jì)規(guī)律，馬達(dá)朝某個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的時(shí)間，不該影響下一次切換概率。可實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，切換時(shí)間的分布曲線有明顯峰值，這在平衡系統(tǒng)里根本不可能出現(xiàn)。更關(guān)鍵的是，峰值只出現(xiàn)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，這種不對(duì)稱性說(shuō)明系統(tǒng)有持續(xù)能量注入，不是簡(jiǎn)單的被動(dòng)信號(hào)傳遞。

據(jù)科技日?qǐng)?bào)2025年12月28日?qǐng)?bào)道，我國(guó)中科院微生物研究所團(tuán)隊(duì)曾做過(guò)類似驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。研究人員通過(guò)熒光標(biāo)記追蹤細(xì)菌鞭毛馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，反復(fù)觀測(cè)到切換時(shí)間分布的不對(duì)稱峰值。當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)就懷疑傳統(tǒng)理論的合理性，卻沒能找到更合理的解釋，直到這次新理論的發(fā)布才豁然開朗。

答案藏在馬達(dá)的精細(xì)結(jié)構(gòu)里。近年冷凍電鏡研究發(fā)現(xiàn)，C環(huán)上每個(gè)蛋白質(zhì)單元都像齒輪的齒。更關(guān)鍵的是，定子本身也像小齒輪一樣旋轉(zhuǎn)，始終順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并與中央大齒輪的齒接觸。

這些齒有兩種構(gòu)型。齒與定子小齒輪外緣接觸時(shí)，定子推動(dòng)大齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。齒翻轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè)構(gòu)型與定子內(nèi)緣接觸時(shí)，定子反而推動(dòng)大齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。哪怕定子只朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)，改變接觸方式就能驅(qū)動(dòng)馬達(dá)雙向旋轉(zhuǎn)。

問題出在不同齒處于不同狀態(tài)時(shí)。假設(shè)多數(shù)齒是外側(cè)構(gòu)型，推動(dòng)馬達(dá)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，突然有一個(gè)齒翻轉(zhuǎn)為內(nèi)側(cè)構(gòu)型。這個(gè)“異類”齒輪接觸定子時(shí)，會(huì)受到反向推力，試圖讓馬達(dá)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)拔河局面形成：五個(gè)與定子接觸的外側(cè)齒施加順時(shí)針扭矩，一個(gè)內(nèi)側(cè)齒承受逆時(shí)針扭矩。

由于所有齒都機(jī)械連接在同一個(gè)環(huán)上，異類齒承受的力矩遠(yuǎn)大于正常情況。多數(shù)派力量足夠強(qiáng)，就會(huì)把異類齒推回去，馬達(dá)維持原方向。足夠多齒轉(zhuǎn)到少數(shù)派陣營(yíng)，力量對(duì)比逆轉(zhuǎn)，馬達(dá)就會(huì)改變旋轉(zhuǎn)方向。研究團(tuán)隊(duì)將這一機(jī)制命名為全局機(jī)械耦合，強(qiáng)調(diào)每個(gè)齒輪單元感受到的力，是所有接觸定子齒輪的集體作用，而非局部化學(xué)信號(hào)傳遞。

全局機(jī)械耦合模型完美解釋了實(shí)驗(yàn)中的非平衡特征。定子不只是旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源，還積極參與決定馬達(dá)切換方向的時(shí)機(jī)。每次齒與定子接觸，都會(huì)有能量從離子梯度轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，推動(dòng)或阻止齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

這種能量注入讓切換過(guò)程有了方向性和協(xié)同性。足夠多齒處于少數(shù)派狀態(tài)時(shí)，它們與定子的對(duì)抗會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)積累張力。張力最終引發(fā)級(jí)聯(lián)式狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)快速果斷的旋轉(zhuǎn)方向切換。這個(gè)過(guò)程的時(shí)間尺度，取決于工作定子的數(shù)量和扭矩強(qiáng)度，這就形成了實(shí)驗(yàn)觀察到的分布峰值。

據(jù)新華社2026年1月5日?qǐng)?bào)道，我國(guó)上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于這一機(jī)制，開展了仿生微型馬達(dá)的研發(fā)。研究人員模仿細(xì)菌鞭毛馬達(dá)的全局機(jī)械耦合原理，設(shè)計(jì)出可雙向旋轉(zhuǎn)的微型齒輪結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在液體環(huán)境中能精準(zhǔn)響應(yīng)能量信號(hào)切換旋轉(zhuǎn)方向，為靶向藥物遞送裝置的研發(fā)提供了新思路。

分子拔河機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，不僅解開了細(xì)菌游泳轉(zhuǎn)向的數(shù)十年謎題，更揭示了生命系統(tǒng)能量耗散的核心原理。隨著研究深入，這一發(fā)現(xiàn)將為仿生科技、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)更多創(chuàng)新可能。