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作者:Carrie Arnold

译者:小蓟

校对:Lewind

原文为发表于NewScientist的The hologenome: A new view of evolution

处理尸体是个麻烦活儿。只是浅浅地掩埋,饥饿的动物很容易把它们挖出来。当处理身体不再需要的物质时,我们面临着类似的麻烦。肝脏净化血液的方式之一是在分子上贴上一个类似于“请扔掉”的标签,这种标签通常由某种糖构成,而我们肠道中的那些细菌就爱吃甜食,有些还会分泌出某种特定的酶,能把糖切下来吃掉。如此一来,那些去掉标签的化合物就会被重复利用,而非被抛弃。

回溯到上世纪80年代,Richard Jefferson用这种酶开发了一种强大的技术工具,直到今天仍旧在世界各地成千上万的基因工程实验室中使用着。同时,他自己也着迷于这种酶在生物体中本来所承担的功能。它们的回收再利用功能决定了血液中许多化合物的浓度水平,其中包括性激素这样的重要物质。Jefferson当时就意识到,我们体内的细菌,绝不仅仅是消极被动的食客,它们一定在以一种更深刻的方式影响着我们。

在过去的十年间,Jefferson这个观点开始成为主流。一项项涌现的研究成果正在告诉我们,那些居住于我们体内及体表的微生物们——科学家称之为“微生物组”——影响着我们的身体,甚至是情感。然而,早在上世纪80年代,Jefferson就已经走得更远了。他当时就推测,如果微生物如此重要,它们就应该在进化上也扮演着一个重要角色。进一步地,他提出了一个“全息基因组进化理论”。他说:“‘全息基因组’是我这辈子最大的思想突破”。

不过, 1987年的Jefferson正忙于优化他的基因技术,还协助实施了人类历史上的第一次基因工程作物田间试验。之后,Jefferson离开科学界,致力于使生物技术成为一种公开的技术资源,令这些技术不仅局限在几个肥得流油的大公司,而是造福更多的人。他再也没能腾出时间来认真整理并发表他的全息基因组理论,不过仍然常在会议中提到这个概念。

过了二十余年之后,另一名学者产生了与Jefferson几乎相同的想法,甚至也用了同样的命名。虽然这只是刚刚开始,却已有迹象显现,在进化中,宿主身上共生的微生物可能确实扮演了超出过去所有预期的重要角色。

最让Jefferson震动的是,微生物在很多关键的生理过程中都扮演着重要的角色。比如,很显然,性激素的水平在很多方面影响了我们,而根据Jefferson当时的某项偶然发现,几乎有65%的睾酮循环过程与微生物有关。

要产生那些或香或臭的独特芳香分子,微生物起了重要的作用。我们的身体并不会直接分泌这些芳香分子,身体分泌的是一种名叫雄甾烯的前体分子,然后由驻扎在我们体表的细菌把这种前体转换成挥发性的雄甾烯醇,也就是通常所说的外激素。虽然这些芳香族分子对人类择偶的作用仍有极大的争议,但在很多动物身上,这类分子显然在发挥着重要的作用。“生育力、繁殖力和择偶,达尔文的自然选择过程中最重要的三驾马车,全都受到了微生物组的影响。”Jefferson说道。

这暗示着,也许需要依靠每个个体身上特定的一组微生物,动植物们才能成功地繁衍后代。当然,我们知道,寄生虫和疾病对于进化的适应性是一种严重的负面影响。不过,Jefferson认识到,微生物也可以显著提高适应性。事实上,他最终得出结论,微生物是如此重要,以至于我们不应该仅仅去研究动植物个体,而是应该把动植物与其微生物组看成一个整体进行研究——也就是一个“生命单元”。

1994年,在纽约冷泉港实验室的一次学术会议上,Jefferson简要总结了他的想法,他发言说:“这个单元包含有成千上万个单独的基因组,其组成和数目都在不断变化。”他认为,这些生命单元才是进化选择的基本单元。

与此同时,以色列特拉维夫大学的微生物学家Eugene Rosenberg正在研究东地中海里生活的珊瑚。海洋升温导致了珊瑚白化病的爆发,病因在于珊瑚失去了那些为它们提供食物的藻类。Rosenberg在对一种外来的目珊瑚(Oculina patagonica)进行研究时发现,高温先导致目珊瑚感染了一种弧菌(Vibrio shiloi),尔后引发了白化。

Rosenberg认为,弧菌感染的广泛传播敲响了珊瑚死亡的丧钟。珊瑚并不具备应对疾病的适应性免疫系统,无法应对持续和反复的白化。然而,他错了。到本世纪初,珊瑚变得能够抵抗弧菌了。既然珊瑚与弧菌似乎都未发生变化,Rosenberg和他的同事们认为,寄生在珊瑚身上的微生物组所发生的改变应该是原因所在。除了能够光合作用的藻类,珊瑚还为大量其它微生物提供了栖息地。应该是这个微生物群体发生的变化让它们具备了杀死入侵弧菌的能力。

这个观点尚存争议——部分研究者认为,珊瑚的免疫系统也是具备适应性的。不过,更重要的在于这项研究如何改变了Rosenberg的想法。他知道,大多数动物都养了一大票儿微生物食客,而这些食客们通过直接或间接的方式代代相传。对珊瑚的研究令Rosenberg意识到,动物的生存性,或者说适应性,往往不仅取决于它们自己的基因,还取决于那些它所继承得到的微生物的基因——正如Jefferson此前所提出的那样。如果微生物组的变化可以让珊瑚抵御感染,并且这个变化可以代代相传,那么这些珊瑚就进化出了一种新的能力,即便它们的基因并未发生过任何变化。

【从左到右依次是:健康的珊瑚、白化的珊瑚,死亡的珊瑚,图:www.gbrmpa.gov.au】

细菌即是我们

Rosenberg主张,把一种生物与其微生物组割裂开来是一种人为的臆断。他说,在自然选择的眼中,此两者是一个有机的整体。

宿主基因组和微生物组基因组是作为一个整体参与自然选择过程的。像Jefferson一样,Rosenberg也把这个组合命名为全息基因组,这个词源自全功能体(holobiont),那是个表示由共生体组成的实体的名词。一个全功能体可以被视作超级有机体,在2007年的一篇文章中,Rosenberg如是说。

【传说中的“全功能体”(holobiont)图:fc06.deviantart.net】

基于类似的逻辑,Jefferson主张,在我们体内外从事着有益工作的细菌不仅仅只是共生体。它们就是我们身体的一部分,就像制造业中的外包一样。虽然工作是由海外的工人完成的,他们也不是公司直接的雇员,但这些工作对于公司的重要性却毋庸置疑。Jefferson的说法是:“细菌即是我们。”最近的研究支持了他的这个观点。比如2011年的一项研究显示,老鼠需要它们的肠道菌群来保证大脑的正常发育。

当然,还有一个重要的问题:我们体内的微生物是在变化的。基于他的全息基因组理论,Rosenberg预测:大多数动物们从它们的父辈那里继承了相同的微生物;此外,亲缘关系越近的物种,其微生物组也越相近。无论是各种微生物之间比例的变化,还是获得一个新的微生物物种,微生物组所发生的变化都让这个全功能体得以迅速地适应环境的变化,甚至是在一个生命周期之内就获得新的能力。Rosenberg认为,认识到这一点将带给我们全新的深入视角。

在微生物学家中,这种观点找到了很多受众。毕竟,正如Rosenberg所言:“他们总是说,‘细菌最大’。”美国范德堡大学的微生物生态学家Seth Bordenstein说,像植物和动物这样的真核生物其实是超级有机体,“我们应该去看看那些让真核生物具备其功能的遗传信息到底都有些什么内容。”

在最近的一项研究中,Bordenstein在范德堡大学的团队尝试用抗生素利福平来杀掉白蚁身上的一部分微生物。他们发现,与未用抗生素的白蚁相比,那些用过抗生素的白蚁产下后代的数量少了很多。产生这种现象的一个可能原因在于,肠道菌群的破坏降低了白蚁从食物中获取营养的能力。

Bordenstein还发现,在寄生的金小蜂中,那些在进化上亲缘关系比较近的种群,体内的细菌也更相近。这个结果完全符合Rosenberg的预测。然而,即使有了这些发现,进化生物学界也还没有热情地接受全息基因组学的概念。

“我觉得,其实大部分进化生物学家都认同,宿主与微生物组之间的确存在很多合作,但冲突也同样不在少数”,在牛津大学研究群体进化的Andy Gardner表示。“微生物有时也会对宿主不利,所以,我并不怎么倾向于把所有这些细胞绑在一起,视为一个单独的,高度整合的有机体。”

对该理论的另一种怀疑在于,全息基因组理论有其拉马克主义的一面。在19世纪早期,有一种流行的观点是生物能够将自己生活中获得的适应性特征传给后代。当时的让-马蒂斯特·拉马克吸收了这些观点,提出了一套进化理论。根据他的理论,长颈鹿进化出了长脖子是因为它们习惯于伸长了脖子去够树叶儿。甚至连达尔文也多多少少相信过这样的观点。但是,随着现代基因组学的发展,这样的理论已经被全盘推翻了。Rosenberg说,全息基因组理论的确在暗示,动物有时可以通过遗传一些获得性性状来实现进化,但是这种进化的方式是能够通过实验来验证的。

【拉马克和他的进化论,图:www.chrismadden.co.uk】

发表完他的这个理论之后,Rosenberg和他的妻子Ilana Zilber-Rosenberg开始梳理文献,以寻找相关的研究。偶然间,他们看到了耶鲁大学的博士后Diane Dodd发表于1989年的一篇文章。文章提到,改变果蝇的饮食,只需要两代,就能改变果蝇的择偶标准。

“读到这篇文章的时候,我激动得手舞足蹈”,Rosenberg说,“那一定是微生物干的。我就知道,除此之外,没有办法解释这么迅速的变化。”

为了证明这一点,Rosenberg让他的博士生Gil Sharon尝试重复Dodd的实验。果然,两代后,以糖浆为食的果蝇不再与以淀粉为食的普通果蝇交配了。接下来,Sharon给那些果蝇吃了杀菌的利福平。然后,淀粉果蝇高兴地跟糖浆果蝇进行了交配——这说明,细菌真的是原因所在。(PNAS, vol 107, p 20051)

当Rosenberg忙于整理这些实验结果的时候,Jefferson总算有时间为他的全息基因组理论写篇概要,并在他自己参与运营的非盈利机构Cambia的博客上贴出。为了写作所进行的网络信息搜索,让Jefferson偶然看到了Rosenberg的研究工作。此时,Jefferson面临一种两难境地。一方面,他希望与Rosenberg联系,搞清楚他是怎么产生这个想法的。而另一方面,用Jefferson自己的话说:“同行是冤家。”最终,好奇心占了上风。2010年3月10日,Jefferson坐下来开始写信:“亲爱的Rosenberg教授,我给您写信是因为赞赏您与Zilber-Rosenberg教授去年那篇清晰易读,并极具说服力的关于全息基因组理论的文章……”

第二天早上,Rosenberg 打开信箱。他有点迷糊,这个叫Richard Jefferson的家伙究竟是谁?最初,考虑到这个Jefferson可能有点古怪,他也不知道该怎么回应。把那封信又读了好几遍之后,他决定不管那人是怎么回事,反正我对自己的研究有信心。于是,Rosenberg回信道:“亲爱的Richard,我只能说:哇噢!很高兴读到你的信件和博客。”

物种制造机?

Rosenberg当时并不知道,他在果蝇身上的研究成果完美地符合了Jefferson的理论,即微生物对物种的繁殖和择偶非常重要。这些发现目前已经引起了很多生物学家的兴趣和关注,因为其中蕴含着某种十分迷人的可能性。

虽然自然选择解释了物种如何随时间变化,然而,要解释新物种最初是如何产生的却是个棘手的难题。达尔文那本《物种起源》事实上几乎没讲什么物种起源的问题。广义来讲,生物学家将物种定义为一群彼此相似,并且仅能在彼此之间交配产生后代的生物。任何能够阻止一群生物与另一群生物杂交的东西,都有可能导致新物种的形成。

【生殖隔离示意图:johnhawks.net】

这样的生殖隔离产生的原因多种多样,可能是一座新崛起的山脉,或是被困于一个遥远的岛屿上,也可能是择偶偏好的改变,或是突变的个体与正常个体交配所产下的后代无法存活。当然,对于相关的细节还有不少争论。但是从理论上说,如果饮食变化导致的肠道细菌变化能够进一步影响果蝇的择偶偏好,那么这就可能导致一个物种分化成为两个。

Bordenstein认为,微生物组也可能以另一种方式导致了物种形成。当不同物种的金小蜂杂交时,大多数后代在幼虫期就死去了。Bordenstein与他的研究生Robert Brucker刚刚完成了一项相关实验。他们认为,实验结果表明那些幼虫的死因是,它们与继承来的微生物不相容。如果事情确实如此,这就意味着,微生物组的差异能够阻止不相容的动物之间杂交。

进化的角色

在去年8月发表的一篇综述文章中,Bordenstein和Brucker还指出了另一种可能:获得某种特定的微生物后,动物将有能力享用一种全新的食物,或者在一种完全陌生的环境中生存。理论上讲,久而久之,这也将导致物种形成。

不过,一切尚待证明。“我认为,我们目前还没有任何证据能够证明某个物种的形成是由细菌所致……对此我还不想那么冒进。”美国宾夕法尼亚州斯沃斯莫尔学院的进化生物学家Scott Gilbert说。“我所能说的是,共生体为进化提供了可以被自然选择的变异。”

芝加哥大学的进化生物学家Jerry Coyne对此表示赞同:“我几乎不知道什么例证支持内源共生体导致物种形成的理论,而宿主基因改变导致物种形成的例证则比比皆是,更有不少发生改变的基因已经被定位。”

他说的没错,不过,那是因为我们的研究只是刚刚开始,Rosenberg回应道。对大部分动物而言,我们对它们体内有哪些微生物还完全没搞清楚,更不用说去理解它们在进化中所扮演的角色了。考虑到近来涌现的关于微生物群重要性的海量证据,要是细菌在进化中的角色没有以前认为的那么重要,那反到是非常令人吃惊的事情。

即便共生微生物最终真的被证明在新物种的形成过程中起到了重要作用,这仍不足以支持“具有全息基因组的超级有机体”这个概念的成立,研究群体选择的宾汉姆顿大学科学家David Sloan Wilson这样说。物种形成很可能只是微生物出于“一己私利”操纵宿主时产生的副产品,而非它与宿主为了整体利益而共同进化的结果。

还没有任何迹象表明,全息基因组理论会在进化生物学家中赢得拥护者。不过,其它一些领域的生物学家正在逐渐开始采用这样的视点来看问题。“我们总是倾向于把微生物视为与宿主核基因割裂开来的东西,而更为现代的观点是,微生物组与宿主的核基因组同样重要。两者应该视为一体。”Bordernstein说。在果蝇与金小蜂身上的发现暗示,这种观点有可能真地像Rosenberg所宣称的那样,能够带来全新的深入视角。但Bordernstein的表述则更为谨慎,他说:“像‘超级有机体’和‘全息基因组’这类的名词囊括了领域广泛的一系列研究。而复杂生命的共生概念则具有基本的生物医学关联,有其持续存在下去的立足之地。”

对Jefferson而言,这些理论甚至有更广泛的应用。他指出,当只能靠自己时,大型生物进化缓慢;而与快速进化的微生物合作时,大型生物就可以从微生物最新的“创造发明”中获益。就像白蚁获得了消化木头的能力,或者豆类变得能够自产氮肥一样。

在现代社会中,Jefferson找到了一个类似的例子。与免费向公众提供自己技术的公司相比,一个把知识和技术当做秘密的公司,发展就不会很快。自达尔文以来,几乎所有人都在强调竞争才是进化的驱动力。这的确很重要,但Jeffersona说,互助和合作才是更加生死攸关的大事。

嗅到鬣狗的灵魂

在看到之前,Kevin Theis一定是先嗅到了它。那天,眯着眼睛扫视肯尼亚大草原, Theis发现了一坨油腻腻的棕色物质,那是一只斑点鬣狗刚刚用屁股在草叶上留下的。对一只鬣狗而言,这种痕迹就像它的Facebook,上面写着他的健康状况、生殖状态和社会等级。

这一坨臭烘烘、油腻腻,通常被称作“屎糊”的东西包含了一大批来自鬣狗肛门附近“臭囊”中的化学分泌物。来自密歇根州立大学的Theis认为,这些分泌物来自“臭囊”中的微生物。他之前已经证明过,不同种群的鬣狗,臭囊内生活着不同的微生物群。既然化学分子的通讯对于鬣狗的社交与繁衍都至关重要,那么屎糊中微生物的改变就可以帮助推动它们的进化(见正文)。四百万年前,当鬣狗的祖先分化成斑点鬣狗和黑纹鬣狗两个品种时,微生物就在其中扮演了一个重要角色。

Carrie Arnold,是一位来自美国的自由作家。

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12 Responses to “[小红猪]爱TA,爱TA身上的细菌”

  1. 琢-磨说道:

    说到微生物,韩国电视剧中有生物专业主人公从事相关研究的,日本动漫里也有著名的“萌菌物语”。而中国这方面的推介好像还较少,虽然有臭豆腐腐乳酒曲等酿造物。其实,微生物能够改善土质,加快垃圾分解,绝对是个值得重点研究的方向。

  2. cot说道:

    这篇文章真是很开阔视野。

  3. 夏杰军说道:

    希望有更多这样的文章、

  4. 孙海陆说道:

    很有意思。从小多吃牛奶肉蛋的娃娃和多喝玉米糊糊吃青菜的娃娃 会不会影响外激素水平 进而影响择偶嘞?

    • 说道:

      当然会,你自己试试连吃一个星期牛肉和连吃一个星期素材,看看你的性欲和性取向有什么变化。

  5. C说道:

    所以勤换洗衣物床品,定期使用紫外线灯杀菌倒不一定是好习惯?

  6. chesslibrary说道:

    如果ROsenberg的观点具有普遍性,即生物个体的食物的改变将会影响到体内微生物,进而影响生物体遗传基因突变,后代很可能产生新物种。——真令人毛骨悚然!因为我想到了转基因食品,大家应该能够想到后果的严重性……

  7. Dr Pan说道:

    很有意思的一篇文章,以后在 研究的过程中除了遗传、环境因素的影响,还要考虑环境因素继发引起的体内微生物组的变化。

  8. 秦建军说道:

    呵呵,颠覆

  9. wsy说道:

    吃上了糖浆就不跟吃淀粉的交配,这分明是有钱了看不起穷亲戚了

  10. Illusiwind说道:

    很有趣。想起了西奥多斯特金的超人类。

  11. 智深说道:

    有意思,让我想到了水产上的一些,人工养殖后的不孕不育,哈哈