“消失”的微生物

“你从来不是一个人在战斗。”这句话一点儿都不假。

随着“肠道菌群”这类概念越来越热门，你或许已经听过类似“人体内细菌数量是自身细胞数量10倍”、“肠道菌群决定了你是谁”等说法。虽然这些说法的准确性仍有待商榷，但它们确实给我们提了个醒——我们的身体从来不是我们自己独享的。

在整个动物界，人们也发现了许多宿主和微生物共生的例子。自20世纪初起，在没有口、肛或肠道的管虫中，在以坚硬的木质植物为食的白蚁中，在食草却明显缺乏相关蛋白质的奶牛中，生物学家开始发现复杂生物与它们体内微生物之间有趣的关系。这些观察结果引发了人们的兴趣，并促进了后续的研究。对人类微生物的研究，特别是对那些将人类健康和我们身上的微生物联系起来的研究，也推动了对微生物的许多思考。

于是，人们的期望悄悄地开始转向一种新的方向，开始认为或许每一种动物与细菌都有关系，如果没有细菌，动物将无法生存。确实，我们和其他许多动物都需依赖体内不计其数的细菌细胞，它们加工着宿主自身无法消化的食物，提供必需的营养，训练免疫系统有效对抗感染。一些研究人员甚至认为，可以把动物看作是它们微生物部分的总和。

也有一些人反对这种过于简单化的说法，早在1953年，共生研究的奠基人之一Paul Buchner就愤怒地写道，“一次又一次出现作者坚持认为内共生是所有生物的基本原理”，他对专性共生、固定共生和功能性共生是普遍存在的观点嗤之以鼻。

其实，人类很可能不是一个可用来概括不同物种的好示例。随着测量和分析微生物群的工具不断改进，人们逐渐清楚地认识到，微生物群在整个动物界远不如人们通常认为的那么普遍和重要。许多动物似乎与微生物有更灵活或更不稳定的关系，有些动物则或许根本不依赖微生物。从毛虫和蝴蝶到叶蜂和虾，再到一些鸟类和蝙蝠（甚至可能有熊猫），正是这些动物让科学家对微生物群如何进化以及为什么进化的谜团有了新的观点，认识到了微生物的真正重要性，及其核心的利弊之间微妙的平衡。

自然界的故事更复杂，也更模糊。

2011年夏天，微生物学家Jon Sanders还是一名研究生，这是他第二次来到秘鲁的热带雨林，他拖着60磅重的实验设备，包括一台笨重的荧光显微镜和发电机。他沿着亚马孙河向上游移动。到达偏远的野外现场后，他很快就开始尽可能地捕捉不同蚂蚁，他急切地想窥视它们肠道里的微生物。

在一些蚂蚁物种中，他在它们体内看到了一些神奇的、稠密的、密集的“云”。它就像一个微生物的星系，在显微镜的视野里炸开了花。但还有约三分之二，却很难在它们的肠道中找到任何可以轻易识别为细菌的细胞。

○ Sanders发现，不同蚂蚁的肠道细菌密度非常不一样。| 图片来源：Sanders et al./Integrative & Comparative Biology

不同蚂蚁体内的差异似乎与饮食有点关系。完全的植食性树栖蚂蚁更有可能拥有丰富的微生物群，这或许可以弥补它们缺乏蛋白质的饮食，而杂食性和食肉性的地栖蚂蚁的膳食更加平衡，它们肠道中的细菌数量可以忽略不计。不过这种规律没有那么一致和普遍。但这一结果明显与哺乳动物（比如人类）的微生物群大相径庭。

就在Sanders在秘鲁研究蚂蚁的同时，Tobin Hammer正在哥斯达黎加研究毛虫中的微生物群。尽管Hammer竭尽全力，但在他收集到的肠道和粪便样本中，并没有发现多少细菌DNA。经过几个月令人沮丧的实验室工作，他意识到这些动物可能根本就没有稳定的微生物群。他和他的同事最终发现，和Sanders找到的许多蚂蚁一样，毛虫的微生物数量远远低于人们预想的水平。此外，在肠道内发现的一些微生物只是属于它们的植物饮食中发现的微生物的一部分。这支持了一种观点，即这些微生物只是短暂地通过肠道，其中一些基本上是在肠道内被消化掉，它们并没有在肠道内建立稳定的种群。

○ 图片来源：Tobin Hammer/Quanta magazine

为了确定这些短暂的细菌是否有益于毛虫，研究人员用抗生素消灭了它们。在其他一些昆虫和动物中，这往往会阻碍宿主的发育，甚至直接杀死宿主，但Hammer找到的毛虫没有受到任何影响。

类似的，印度生态学家和进化生物学家Deepa Agashe和团队也看到了类似的结果。他们在蜻蜓和蝴蝶中发现的微生物与它们的饮食密切相关，而不是与某个昆虫种类或某个发育阶段相关。多次实验发现，破坏蝴蝶的微生物群对宿主的生长发育并没有产生影响。

也许这并不奇怪。正如科学家们所知道到的，当微生物存在时，它们常常出现在特定的组织中，它们涉及到在某个时间影响某种特征的某些细菌。例如，短尾乌贼（bobtail squid）只与一种发光细菌有共生关系，这种细菌被隔离在一个用来发光的器官中，而乌贼的肠道和皮肤则没有微生物。成年蜜蜂与它们的细菌有着重要的关系，但幼虫却没有。

○ 一种短尾乌贼。| 图片来源：Nick Hobgood/Wikicommons

所以，有一些动物根本就没有这样的共生关系，或者它们的共生关系遵循不同的规则，而我们目前只看到了冰山一角。也许短暂的、低丰度的微生物正在做一些更微妙的事情，也许它们代表了形成更稳定的进化关系的早期步骤，也许他们大部分时间保持中立，只在某些情况下发挥作用。

例如，一些研究人员认为，这些微生物可以通过占据肠道空间和排除病原体，保护宿主免受感染。此外，已经适应有毒植物或其他危害的细菌可能会对动物有所帮助，即使它们只是暂时出现在肠道里，而并没有参与一种正式的共生。

即使在人类体内，微生物群（包括短暂的微生物）也会随着饮食或行为的变化而改变。研究不依赖稳定微生物群的生命系统，可以帮助科学家认识这些变化的影响。这还可以让科学家更好地确定拥有微生物的代价，并获得其进化的新见解。

一些不同的动物走上了不同的道路并不奇怪。但关键是，究竟是什么因素导致并促成了微生物群的形成和维持，又有什么因素可能阻止这些关系呢？毛虫、蜻蜓、某些蚂蚁和其他动物提供了一种方法，来调查与微生物长期共生关系的潜在缺点。研究人员怀疑，这些动物可能会有选择地避免某些潜在的共生代价，例如，细菌可能会与宿主争夺营养，或加重免疫系统的负担。

对一些动物来说，这些风险可能超过潜在的好处。如果它们已经进化出了自己生存所需的任何酶或行为，它们就不再受获取微生物群的选择性压力的束缚。Hammer发现的毛虫可能就是这样，它们仅仅通过食用大量的植物，就可以维持自己植食的生活方式。从理论上来说，一个微生物群或许能够使毛虫制造额外的重要营养物质，或者让毛虫能够寻找营养更丰富的植物，但宿主自身也可以用数量来弥补质量。

另一个潜在影响微生物存在与否的因素似乎是解剖学（尽管鉴于因果关系的模糊界限，Agashe认为这不是一个合理的解释）。许多携带少量细菌的生物都有短而简单的肠道结构，基本上就是一根管子，食物可以通过它快速地被清扫和加工。这并没有给微生物提供立足和生长的时间和空间。

还有生态因素要考虑。共生关系其实是一种非常惊人的关系，它意味着，即使在不断变化的条件下，一代又一代的生物必须经常能遇到另一个物种，来建立一种持续的伙伴关系。Agashe推测，由于她发现的那些蝴蝶和蜻蜓不断从一个地方飞到另一个地方，饮食也随着地点和季节的变化而改变，它们可能不会频繁地与同一种细菌相遇，从而建立起稳定的微生物群。

研究人员强调，可能没有一个统一的规则或原则来控制微生物的进化。进化是不可思议且独特的，在许多不同的生物中，进化沿着完全不同的路线进行。我们对微生物群的大多数假设都是基于哺乳动物的研究，但也许哺乳动物才是“奇怪的少数派”。

即使在哺乳动物中，微生物群的表现也存在多样性。尽管大多数哺乳动物似乎与特定的细菌有着可预测的联系，但Sanders和他的同事在最近的一项研究中发现，蝙蝠并没有这种关系。事实上，它们的微生物群更为短暂和随机，和其他哺乳动物相比，它们与鸟类的微生物群更相似。研究人员推测，这种差异可能与蝙蝠和鸟类的进化需要有关，它们都需要尽可能轻的重量来实现飞行。也许他们负担不起额外的“行李”。

无论如何，这些结果都表明，通过比较物种可以学到很多，而过早地假设宿主与细菌的关系会错过很多东西。Sanders说：“每一种存在的生物背后都有35亿年的进化历史。从自然变异和多样性中还有很多东西需要学习。”

来源：原理

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