AMOLF研究人员与苏黎世联邦理工学院、犹他大学的国际合作者报告称，细菌体内控制运动的感受蛋白在没有外界刺激时也会持续波动，并在部分情况下出现“集体同步开关”的现象。研究团队表示，对开关事件的定量分析显示，这一蛋白网络的运行状态接近秩序与无序之间的边界。相关论文于1月29日发表在《自然物理学》。

研究团队指出，尽管细菌是单细胞生物，但其对环境的感知与响应并不简单。AMOLF课题组负责人、该研究资深作者Tom Shimizu表示，细菌依靠由成千上万蛋白质构成的网络来判断环境条件是在改善还是恶化。

在实验方法上，研究人员开发了测量单个活细胞内蛋白质活动的手段。Shimizu将这种持续波动的细胞内活动类比为人类脑电波，称即便处于“安静”环境，细胞内信号也会不断起伏。

共同第一作者Johannes Keegstra（现任职于苏黎世联邦理工学院）在分析数千个单细胞的波动信号后认为，这些蛋白质开关并非完全随机，而是可以作为信号进行研究。他在部分细胞中观察到一种模式：细胞内感受蛋白在“无活动”和“完全活动”之间切换，并且切换呈现同步发生的特征。

研究团队进一步对大量同步开关事件的时序进行精确测量，并与分子网络的数学模型进行对照。结果显示，邻近蛋白质相互作用强度的参数——研究中称为“耦合能量”——处在一个接近秩序与无序分界的数值附近。

研究人员提到，理论上许多生物系统在接近“临界点”时可能表现更佳：系统既不僵化也不过度混乱，从而能够对环境变化保持敏感，同时避免陷入极端状态。为说明这一概念，研究以音乐会结束后的掌声作类比：若个体过度跟随邻座，群体容易走向全体鼓掌或全体沉默；若几乎不受他人影响，行为则趋于随机无序；而在两者之间的平衡点，群体更容易在两种状态间切换。研究团队表示，细菌感受蛋白的行为与这一描述相似。

研究还指出，耦合强度对细菌的信号处理存在权衡：较强耦合有助于提升对信号的敏感度，但也可能降低响应速度。共同第一作者Fotios Avgidis（现任耶鲁大学）表示，若系统维持在秩序与无序的转折点附近，细胞可能在信号放大与响应速度之间取得平衡，这在细菌需要快速应对短暂信号的自然环境中可能具有优势。

研究团队表示，新发现提示细菌能够调节其感受蛋白网络的运行设定。Shimizu称，细菌如何实现这种调节、以及这将如何影响其从环境中获取信息，仍有待进一步研究。研究人员同时指出，这些问题的答案可能为其他生物系统的设计提供启示，并对合成生物学与机器人学中的人工感知系统设计具有参考价值。