科学家观察到，两支霍乱弧菌大军用带毒的鱼叉状附属物互相刺击，将受害者刺得像水球一样破裂。
他们的发现最终可能促成新的靶向疗法，用于对抗感染。不过，在这种设想中，彼此交战的细菌不会是感染者，而会是治疗手段。
可以设想，经过特殊改造、对人类无害的杀手细菌，能够杀死有害细菌，同时保留大量有益于人体健康的微生物。相比之下，我们如今使用的抗生素会一并消灭有害和有益细菌。
“如果能够靶向人体肠道中的有害细菌，就可以把工程改造的细菌用作活体抗生素，”佐治亚理工学院生物科学学院副教授布赖恩·哈默说。他提醒道：“我们目前离实现这一目标还差得很远。”
不过，要将细菌用于医学或工业，或只是为了更好地了解它们如何繁衍和传播，弄清它们的行为随时间变化是否一致会很有帮助。这正是数学发挥作用的地方。
研究人员将现有物理学方程应用于细菌研究。这些方程原本用于精确描述原子和分子之间的相互作用。他们发现，这些计算也能精确预测：两支霍乱弧菌大军在“战场”相遇时，会像油和水一样发生相分离。
“模型几乎准确预测了相分离发生的时间，随后我们观察到它确实如数学所示发生了，”哈默说。这些预测模型基于一种称为“模型A”的方程。
“从经验上说，人们曾用它来描述发生相分离的金属，”哈默说。“我们观察到、用来描述结果的那种曲线，此前从未用于描述生命系统。”
哈默与生物学家威尔·拉特克利夫（助理教授）、塞缪尔·布朗（副教授）合作开展这项研究，并与佐治亚理工学院物理学院助理教授彼得·扬克尔携手。他们在期刊 《自然·通讯》上报告了研究结果。
蟹壳上的霍乱弧菌
霍乱弧菌常见于水中，会与其他微生物一起附着在螃蟹和微小磷虾的外壳上。饮用这种水的人可能在数小时内死亡，因为这些病菌会引发严重的呕吐和腹泻。研究人员之所以用数学研究霍乱弧菌之间的交战，缘于它们会在蟹壳上争夺地盘。蟹壳含有一种名为几丁质的物质，它能启动 霍乱弧菌的鱼叉功能。没有几丁质，就不会发生刺击。
“我当时在研究这个令人惊叹的生物系统，”哈默说，“并在寻找将它可视化的方法。”拉特克利夫和扬克尔此前一直运用显微镜和数学研究酵母进化的动态过程，并建议哈默尝试这种方法。
不过，在谈数学本身之前，先了解一些有关 霍乱弧菌的情况很重要。首先，大多数微生物学家认为，霍乱弧菌利用鱼叉杀死竞争细菌，而不是破坏人体细胞。
这种带毒武器称为VI型分泌系统（T6SS），相当常见。“大约四分之一的革兰氏阴性菌拥有这种鱼叉系统，”哈默说。“所以，细菌之间的这种交战就在你我周围不断发生。”
革兰氏阴性菌的细胞壁较薄，更容易被刺穿。革兰氏阳性菌的细胞壁较厚，较不容易受到鱼叉攻击；人体细胞可能更难被穿透。
这种刺击机制并非霍乱等病原体所独有。许多无害细菌也会使用它。不过，哈默说，人们对病原体中的这种机制了解更多，因为与无害细菌相比，有害细菌更常成为科学研究的对象。
杀手与分享者
会使用鱼叉的霍乱弧菌会随机刺击所有接触到的细菌，包括彼此，但 霍乱弧菌同一菌株的成员不会受到彼此刺击的影响。因此，它们会杀死敌人，却不会伤害同类。
这种杀戮似乎也与合作性的社会行为密不可分。研究人员发现，擅长协同杀敌的细菌，也擅长彼此分享并建立群落。
这一切始于建立一个共享的食物池。“细菌有很多消化过程是在细胞外进行的，”哈默说。但让这么多食物散落在周围也很危险。
“你需要一种策略，确保自己和亲属能从所有咀嚼、消化食物的劳动中受益，而不是让后来者来掠夺成果。”当某一菌株杀死入侵者时，就能保住劳动成果并繁殖，把自己的基因传下去。
布朗的博士后研究员卢克·麦克纳利检查了许多种会使用带毒鱼叉的细菌（除霍乱弧菌之外）的基因组。有些菌株拥有六七种鱼叉，有些鱼叉则带有多种毒素。而且，武器数量似乎与合作行为存在关联。
“我们发现，某个细菌菌株的基因组中武器越多，它看起来就越愿意分享，”哈默说。
“沙拉酱模型”
在显微镜下，这些相互争斗的细菌菌株看起来确实有几分像油和水的液滴在平面上分离开来。它们被染成红、蓝两种颜色，以便区分。
“我们先把两个菌株充分混合，”哈默说。“我们开玩笑地把这称为‘沙拉酱模型’，因为你摇晃油和水，它们会充分混合；静置一会儿后，就会发生相分离。”
充分混合时，两种霍乱弧菌菌株呈现为一团紫色；但随着它们彼此杀戮、各自占据不同地盘，就会分成红色和蓝色斑块。
化学系统和生命系统的运行方式存在显著差异。例如，细菌会繁殖增殖，分子则不会。但适用于材料的基本数学原理同样适用于细菌。
“你的肠道里有很多有益细菌属于革兰氏阳性菌，”哈默说。“但也可能有少量革兰氏阴性菌扰乱肠道群落；或许带有长矛的工程改造细菌能够只清除这些革兰氏阴性菌。”
此外，也可以同时给予杀手细菌一种外源物质，例如几丁质。几丁质能启动霍乱弧菌的鱼叉功能，可用来触发这些细菌的武器；待几丁质消失后，武器便会失活。
研究经费来自美国国家科学基金会、美国国家航空航天局天体生物学计划、戈登与贝蒂·摩尔基金会、威康信托基金会以及人类前沿科学计划。
