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有益的动物(科学好故事 - 与人类和动物共同进化的“有益微生物”)

微生物,珊瑚,细菌有益的动物(科学好故事 - 与人类和动物共同进化的“有益微生物”)

发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

　　来源：nautil

　　作者：Moises Velasquez-Manoff

　　翻译：任天

　　海洋温度上升可能加重了一种细菌对珊瑚的威胁。科学家认为，珊瑚可能以某种方式获得了一种新的微生物，从而保护自己不受细菌的侵害

　　尤金·罗森博格是一位珊瑚微生物学家，在进入21世纪时，他遇到了一个相当棘手的问题。当时他在以色列特拉维夫大学工作，忽然发现自己无法复制10年前的突破性发现。这看起来似乎会导致他的学术生涯走向毁灭性的失败，但另一方面，这也引导着罗森博格以一种新的方式思考进化论。

　　20世纪90年代，罗森博格发现了导致珊瑚疾病的原因。随着海洋温度不断上升，地中海东部的珊瑚已经开始出现白化现象。但没有人真正理解为什么会发生白化，只知道珊瑚虫如果长时间缺少虫黄藻的话，很可能就会饿死。有人认为，珊瑚虫排出藻类是因为在较高的温度下，受到压力的藻类停止了对共生体系的贡献；从某种意义上说，它们是因为效率低下而被立即“解雇”。

　　但在一系列实验之后，罗森博格得出了一个不同的结论。他注意到，珊瑚白化区域的边缘聚集了成群的杆状细菌，这表明珊瑚虫受到了感染。他先用抗生素处理海水，杀死这些细菌，然后提高水箱里海水的温度，此时珊瑚就不会白化。因此，单单是海水温度升高并不能引发疾病，细菌在其中扮演着重要的角色。

　　罗森博格分离出一种名为施罗氏弧菌（Vibrio shiloi，现学名为Vibrio shilonii）的细菌，正是这种细菌引发了珊瑚疾病。施罗氏弧菌与霍乱弧菌同属弧菌属，是名副其实的机会主义者：在正常温度下无害，但当环境变暖时就会导致疾病。

　　1996年，罗森博格在《自然》（Nature）杂志上发表了这一发现。然而，大约十年后，当他和他的研究生试图复制这个实验时，却接连两次失败。施罗氏弧菌似乎不再引起珊瑚疾病。“珊瑚变得有抵抗力了，”罗森博格说，“这太让人吃惊了。”

　　罗森博格开始思考可能的解释。人类和其他脊椎动物的免疫系统都具有适应性，当暴露于病原体时，我们的免疫系统可以学习并记忆。在遇到之前侵入过的病原体时，我们可以在它导致伤害之前将其消灭。这就是疫苗的原理。然而，珊瑚缺乏适应性免疫系统，它们并不能以同样的方式从之前的暴露中获得免疫力。

　　一天早晨散步时，罗森博格向妻子伊拉娜提到了这个问题。作为一位微生物学家兼营养学家，伊拉娜马上提出了一个想法：益生菌，即改善健康的微生物。她解释道，人类身上的原生细菌能帮助抵御病原体，这也是服用抗生素的人在治疗后反而会出现新感染的原因。换言之，消灭与人类共生的微生物为机会主义的病原体打开了大门。

　　也许就在第一次实验和最后一次实验之间的某个时期，珊瑚获得了新的微生物，使它们免受施罗氏弧菌的侵害。

　　回到实验室，罗森博格检验了这个想法。他用抗生素治疗珊瑚，杀死它们所携带的一切微生物，然后重复了最初的实验，用施罗氏弧菌来感染珊瑚。此时，随着水箱温度提高，珊瑚开始出现白化。

　　珊瑚获得的“益生菌”是什么？罗森博格分离出了一种细菌，他称之为EM3。当该细菌被引入珊瑚中时，对施罗氏弧菌起到了抵抗作用。这或许并非偶然，EM3是一种海水中自然存在的弧菌，呈逗点状，十分活跃。也就是说，珊瑚和敌人的远亲结成了同盟，这种新的共生关系帮助它们适应了不断变化的环境。

　　罗森伯格意识到，他偶然发现了一个重要的生物学现象：一种不是通过基因突变或重组，而是通过微生物调节而发生的适应过程。这种改变发生得非常快，只用了三年时间，可能还在珊瑚虫的寿命范围内。正如传染病可以像野火一样在种群中蔓延，导致疾病和死亡，有益微生物也可以迅速扩散，促进健康并提高存活率。

　　“如果疾病可以快速传播，”罗森博格说，“为什么有益微生物不能快速传播呢？”他将这个更广泛的概念称为进化的“全基因组理论”（hologenome theory）。分子生物学家理查德·杰斐逊在1994年首次使用了这个术语，认为在对多细胞生物进行基因分析时发现的微生物不应被视为污染，而应视为所研究生物的组成部分。

　　独立提出这个术语的罗森博格认为，一个有机体及其相关的微生物——即所谓的“共生功能体”（holobiont）——是一个单一的进化实体，这是进化中的一个选择层级，我和你的竞争不仅基于我的基因，还基于我的细菌。

　　一些人认为，罗森博格研究的大西洋枇杷珊瑚（学名：Oculina patagonica）是一种由船只带到地中海的入侵物种。另一些人则认为，这是一个原生物种，只是由于环境变化而扩展了其生存范围。无论如何，大西洋枇杷珊瑚分布范围的不断变化揭示了地球生命所面临的一个现实问题，即在所谓的“人类世”（Anthropocene），没有任何生态系统不会受到人类的影响。这就意味着，从珊瑚到青蛙，再到人类自身，各种各样的生命形式都承受着多种新的选择压力。

　　我们有充分的理由担心大规模灭绝的发生。不过，在这个生物界发生剧变的时期，我们也会偶尔看到微生物促成其他生物快速适应环境的例子。环境保护主义者尤其关注这些动态，因为这很可能成为一个新的支点，能帮助我们探索如何提高某些野生动物的存活几率。与此同时，研究者已经将人体微生物视为影响我们健康和疾病的重要因素之一，尽管在历史上并未受到重视。

　　“有益微生物流行”

　　达尔文告诉我们，物种不是静态的，生命在无数的压力下不断发生着变化。从自然选择理论提出至今，生物学家们就一直在争论这些变化发生的速度有多快。在达尔文发表《物种起源》一个世纪后，基因组的发现似乎划定了一个上限。动物的进化速度取决于优势基因产生和传播的速率，也取决于现有基因组通过有性繁殖进行的重组。但后来又出现了“表观遗传学”，认为某些适应性可以更快地发生，无需改变基因本身，只需改变现有基因转化为活生命体的方式。

　　罗森博格等研究者提出了一个更加快速的过程：生物体可以通过转换共生微生物来更快地适应环境变化。微生物的迅速传播是导致流行病如此可怕的重要原因，而这一特质可能也推动了生物的大规模适应。

　　为了寻找支持全基因组理论的证据，罗森博格和其他研究者将目光投向了人类微生物组的研究，特别是对艰难梭菌（学名：Clostridium difficile）的研究。人们在住院期间，以及在使用针对其他病菌的抗生素“清除”了体内的细菌后，往往会感染上艰难梭菌。患者最终可能会精神错乱、痛苦不堪，并因持续不断的带血腹泻而变得虚弱。

　　艰难梭菌对抗生素的耐药性越来越强，大约有五分之一的患者会在进一步治疗中失败。对这部分人来说，“粪便移植”几乎可称为奇迹。这种方法是将健康人的粪便以灌肠或药片的形式“植入”饱受艰难梭菌折磨的患者肠道，其治疗艰难梭菌的有效率达到94%。科学家认为，该疗法之所以奏效，是因为能短时间内完全恢复肠道微生物生态系统的功能。捐赠者的肠道菌群剥夺了艰难梭菌的生态位，将其从肠道中“淘汰”。

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