“你從來不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗。”這句話一點(diǎn)兒都不假。
隨著“腸道菌群”這類概念越來越熱門，你或許已經(jīng)聽過類似“人體內(nèi)細(xì)菌數(shù)量是自身細(xì)胞數(shù)量10倍”、“腸道菌群決定了你是誰”等說法。雖然這些說法的準(zhǔn)確性仍有待商榷，但它們確實(shí)給我們提了個(gè)醒——我們的身體從來不是我們自己獨(dú)享的。
在整個(gè)動(dòng)物界，人們也發(fā)現(xiàn)了許多宿主和微生物共生的例子。自20世紀(jì)初起，在沒有口、肛或腸道的管蟲中，在以堅(jiān)硬的木質(zhì)植物為食的白蟻中，在食草卻明顯缺乏相關(guān)蛋白質(zhì)的奶牛中，生物學(xué)家開始發(fā)現(xiàn)復(fù)雜生物與它們體內(nèi)微生物之間有趣的關(guān)系。這些觀察結(jié)果引發(fā)了人們的興趣，并促進(jìn)了后續(xù)的研究。對(duì)人類微生物的研究，特別是對(duì)那些將人類健康和我們身上的微生物聯(lián)系起來的研究，也推動(dòng)了對(duì)微生物的許多思考。
于是，人們的期望悄悄地開始轉(zhuǎn)向一種新的方向，開始認(rèn)為或許每一種動(dòng)物與細(xì)菌都有關(guān)系，如果沒有細(xì)菌，動(dòng)物將無法生存。確實(shí)，我們和其他許多動(dòng)物都需依賴體內(nèi)不計(jì)其數(shù)的細(xì)菌細(xì)胞，它們加工著宿主自身無法消化的食物，提供必需的營養(yǎng)，訓(xùn)練免疫系統(tǒng)有效對(duì)抗感染。一些研究人員甚至認(rèn)為，可以把動(dòng)物看作是它們微生物部分的總和。
也有一些人反對(duì)這種過于簡單化的說法，早在1953年，共生研究的奠基人之一Paul Buchner就憤怒地寫道，“一次又一次出現(xiàn)作者堅(jiān)持認(rèn)為內(nèi)共生是所有生物的基本原理”，他對(duì)專性共生、固定共生和功能性共生是普遍存在的觀點(diǎn)嗤之以鼻。
其實(shí)，人類很可能不是一個(gè)可用來概括不同物種的好示例。隨著測(cè)量和分析微生物群的工具不斷改進(jìn)，人們逐漸清楚地認(rèn)識(shí)到，微生物群在整個(gè)動(dòng)物界遠(yuǎn)不如人們通常認(rèn)為的那么普遍和重要。許多動(dòng)物似乎與微生物有更靈活或更不穩(wěn)定的關(guān)系，有些動(dòng)物則或許根本不依賴微生物。從毛蟲和蝴蝶到葉蜂和蝦，再到一些鳥類和蝙蝠（甚至可能有熊貓），正是這些動(dòng)物讓科學(xué)家對(duì)微生物群如何進(jìn)化以及為什么進(jìn)化的謎團(tuán)有了新的觀點(diǎn)，認(rèn)識(shí)到了微生物的真正重要性，及其核心的利弊之間微妙的平衡。
自然界的故事更復(fù)雜，也更模糊。
2011年夏天，微生物學(xué)家Jon Sanders還是一名研究生，這是他第二次來到秘魯?shù)臒釒в炅?，他拖?0磅重的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括一臺(tái)笨重的熒光顯微鏡和發(fā)電機(jī)。他沿著亞馬孫河向上游移動(dòng)。到達(dá)偏遠(yuǎn)的野外現(xiàn)場后，他很快就開始盡可能地捕捉不同螞蟻，他急切地想窺視它們腸道里的微生物。
在一些螞蟻物種中，他在它們體內(nèi)看到了一些神奇的、稠密的、密集的“云”。它就像一個(gè)微生物的星系，在顯微鏡的視野里炸開了花。但還有約三分之二，卻很難在它們的腸道中找到任何可以輕易識(shí)別為細(xì)菌的細(xì)胞。
○ Sanders發(fā)現(xiàn)，不同螞蟻的腸道細(xì)菌密度非常不一樣。| 圖片來源：Sanders et al./Integrative & Comparative Biology
不同螞蟻體內(nèi)的差異似乎與飲食有點(diǎn)關(guān)系。完全的植食性樹棲螞蟻更有可能擁有豐富的微生物群，這或許可以彌補(bǔ)它們?nèi)狈Φ鞍踪|(zhì)的飲食，而雜食性和食肉性的地棲螞蟻的膳食更加平衡，它們腸道中的細(xì)菌數(shù)量可以忽略不計(jì)。不過這種規(guī)律沒有那么一致和普遍。但這一結(jié)果明顯與哺乳動(dòng)物（比如人類）的微生物群大相徑庭。
就在Sanders在秘魯研究螞蟻的同時(shí)，Tobin Hammer正在哥斯達(dá)黎加研究毛蟲中的微生物群。盡管Hammer竭盡全力，但在他收集到的腸道和糞便樣本中，并沒有發(fā)現(xiàn)多少細(xì)菌DNA。經(jīng)過幾個(gè)月令人沮喪的實(shí)驗(yàn)室工作，他意識(shí)到這些動(dòng)物可能根本就沒有穩(wěn)定的微生物群。他和他的同事最終發(fā)現(xiàn)，和Sanders找到的許多螞蟻一樣，毛蟲的微生物數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人們預(yù)想的水平。此外，在腸道內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一些微生物只是屬于它們的植物飲食中發(fā)現(xiàn)的微生物的一部分。這支持了一種觀點(diǎn)，即這些微生物只是短暫地通過腸道，其中一些基本上是在腸道內(nèi)被消化掉，它們并沒有在腸道內(nèi)建立穩(wěn)定的種群。
○ 圖片來源：Tobin Hammer/Quanta magazine
為了確定這些短暫的細(xì)菌是否有益于毛蟲，研究人員用抗生素消滅了它們。在其他一些昆蟲和動(dòng)物中，這往往會(huì)阻礙宿主的發(fā)育，甚至直接殺死宿主，但Hammer找到的毛蟲沒有受到任何影響。
類似的，印度生態(tài)學(xué)家和進(jìn)化生物學(xué)家Deepa Agashe和團(tuán)隊(duì)也看到了類似的結(jié)果。他們?cè)?/span>蜻蜓和蝴蝶中發(fā)現(xiàn)的微生物與它們的飲食密切相關(guān)，而不是與某個(gè)昆蟲種類或某個(gè)發(fā)育階段相關(guān)。多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，破壞蝴蝶的微生物群對(duì)宿主的生長發(fā)育并沒有產(chǎn)生影響。
也許這并不奇怪。正如科學(xué)家們所知道到的，當(dāng)微生物存在時(shí)，它們常常出現(xiàn)在特定的組織中，它們涉及到在某個(gè)時(shí)間影響某種特征的某些細(xì)菌。例如，短尾烏賊（bobtail squid）只與一種發(fā)光細(xì)菌有共生關(guān)系，這種細(xì)菌被隔離在一個(gè)用來發(fā)光的器官中，而烏賊的腸道和皮膚則沒有微生物。成年蜜蜂與它們的細(xì)菌有著重要的關(guān)系，但幼蟲卻沒有。
○ 一種短尾烏賊。| 圖片來源：Nick Hobgood/Wikicommons
所以，有一些動(dòng)物根本就沒有這樣的共生關(guān)系，或者它們的共生關(guān)系遵循不同的規(guī)則，而我們目前只看到了冰山一角。也許短暫的、低豐度的微生物正在做一些更微妙的事情，也許它們代表了形成更穩(wěn)定的進(jìn)化關(guān)系的早期步驟，也許他們大部分時(shí)間保持中立，只在某些情況下發(fā)揮作用。
例如，一些研究人員認(rèn)為，這些微生物可以通過占據(jù)腸道空間和排除病原體，保護(hù)宿主免受感染。此外，已經(jīng)適應(yīng)有毒植物或其他危害的細(xì)菌可能會(huì)對(duì)動(dòng)物有所幫助，即使它們只是暫時(shí)出現(xiàn)在腸道里，而并沒有參與一種正式的共生。
即使在人類體內(nèi)，微生物群（包括短暫的微生物）也會(huì)隨著飲食或行為的變化而改變。研究不依賴穩(wěn)定微生物群的生命系統(tǒng)，可以幫助科學(xué)家認(rèn)識(shí)這些變化的影響。這還可以讓科學(xué)家更好地確定擁有微生物的代價(jià)，并獲得其進(jìn)化的新見解。
一些不同的動(dòng)物走上了不同的道路并不奇怪。但關(guān)鍵是，究竟是什么因素導(dǎo)致并促成了微生物群的形成和維持，又有什么因素可能阻止這些關(guān)系呢？毛蟲、蜻蜓、某些螞蟻和其他動(dòng)物提供了一種方法，來調(diào)查與微生物長期共生關(guān)系的潛在缺點(diǎn)。研究人員懷疑，這些動(dòng)物可能會(huì)有選擇地避免某些潛在的共生代價(jià)，例如，細(xì)菌可能會(huì)與宿主爭奪營養(yǎng)，或加重免疫系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
對(duì)一些動(dòng)物來說，這些風(fēng)險(xiǎn)可能超過潛在的好處。如果它們已經(jīng)進(jìn)化出了自己生存所需的任何酶或行為，它們就不再受獲取微生物群的選擇性壓力的束縛。Hammer發(fā)現(xiàn)的毛蟲可能就是這樣，它們僅僅通過食用大量的植物，就可以維持自己植食的生活方式。從理論上來說，一個(gè)微生物群或許能夠使毛蟲制造額外的重要營養(yǎng)物質(zhì)，或者讓毛蟲能夠?qū)ふ覡I養(yǎng)更豐富的植物，但宿主自身也可以用數(shù)量來彌補(bǔ)質(zhì)量。
另一個(gè)潛在影響微生物存在與否的因素似乎是解剖學(xué)（盡管鑒于因果關(guān)系的模糊界限，Agashe認(rèn)為這不是一個(gè)合理的解釋）。許多攜帶少量細(xì)菌的生物都有短而簡單的腸道結(jié)構(gòu)，基本上就是一根管子，食物可以通過它快速地被清掃和加工。這并沒有給微生物提供立足和生長的時(shí)間和空間。
還有生態(tài)因素要考慮。共生關(guān)系其實(shí)是一種非常驚人的關(guān)系，它意味著，即使在不斷變化的條件下，一代又一代的生物必須經(jīng)常能遇到另一個(gè)物種，來建立一種持續(xù)的伙伴關(guān)系。Agashe推測(cè)，由于她發(fā)現(xiàn)的那些蝴蝶和蜻蜓不斷從一個(gè)地方飛到另一個(gè)地方，飲食也隨著地點(diǎn)和季節(jié)的變化而改變，它們可能不會(huì)頻繁地與同一種細(xì)菌相遇，從而建立起穩(wěn)定的微生物群。
研究人員強(qiáng)調(diào)，可能沒有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)則或原則來控制微生物的進(jìn)化。進(jìn)化是不可思議且獨(dú)特的，在許多不同的生物中，進(jìn)化沿著完全不同的路線進(jìn)行。我們對(duì)微生物群的大多數(shù)假設(shè)都是基于哺乳動(dòng)物的研究，但也許哺乳動(dòng)物才是“奇怪的少數(shù)派”。
即使在哺乳動(dòng)物中，微生物群的表現(xiàn)也存在多樣性。盡管大多數(shù)哺乳動(dòng)物似乎與特定的細(xì)菌有著可預(yù)測(cè)的聯(lián)系，但Sanders和他的同事在最近的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，蝙蝠并沒有這種關(guān)系。事實(shí)上，它們的微生物群更為短暫和隨機(jī)，和其他哺乳動(dòng)物相比，它們與鳥類的微生物群更相似。研究人員推測(cè)，這種差異可能與蝙蝠和鳥類的進(jìn)化需要有關(guān)，它們都需要盡可能輕的重量來實(shí)現(xiàn)飛行。也許他們負(fù)擔(dān)不起額外的“行李”。
無論如何，這些結(jié)果都表明，通過比較物種可以學(xué)到很多，而過早地假設(shè)宿主與細(xì)菌的關(guān)系會(huì)錯(cuò)過很多東西。Sanders說：“每一種存在的生物背后都有35億年的進(jìn)化歷史。從自然變異和多樣性中還有很多東西需要學(xué)習(xí)?！?/span>
原文作者：Jordana Cepelewicz
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