尤金·羅森博格是一位珊瑚微生物學家，在進入21世紀時，他遇到了一個相當棘手的問題。當時他在以色列特拉維夫大學工作，忽然發現自己無法複製10年前的突破性發現。這看起來似乎會導致他的學術生涯走向毀滅性的失敗，但另一方面，這也引導着羅森博格以一種新的方式思考進化論。
來源：nautil
作者：Moises Velasquez-Manoff
翻譯：任天
海洋溫度上升可能加重了一種細菌對珊瑚的威脅。科學家認為，珊瑚可能以某種方式獲得了一種新的微生物，從而保護自己不受細菌的侵害
20世紀90年代，羅森博格發現了導致珊瑚疾病的原因。隨着海洋溫度不斷上升，地中海東部的珊瑚已經開始出現白化現象。但沒有人真正理解為什麼會發生白化，只知道珊瑚蟲如果長時間缺少蟲黃藻的話，很可能就會餓死。有人認為，珊瑚蟲排出藻類是因為在較高的溫度下，受到壓力的藻類停止了對共生體系的貢獻；從某種意義上說，它們是因為效率低下而被立即“解僱”。
但在一系列實驗之後，羅森博格得出了一個不同的結論。他注意到，珊瑚白化區域的邊緣聚集了成群的桿狀細菌，這表明珊瑚蟲受到了感染。他先用抗生素處理海水，殺死這些細菌，然後提高水箱裏海水的溫度，此時珊瑚就不會白化。因此，單單是海水溫度升高並不能引發疾病，細菌在其中扮演着重要的角色。
羅森博格分離出一種名為施羅氏弧菌（Vibrio shiloi，現學名為Vibrio shilonii）的細菌，正是這種細菌引發了珊瑚疾病。施羅氏弧菌與霍亂弧菌同屬弧菌屬，是名副其實的機會主義者：在正常溫度下無害，但當環境變暖時就會導致疾病。
1996年，羅森博格在《自然》（Nature）雜誌上發表了這一發現。然而，大約十年後，當他和他的研究生試圖複製這個實驗時，卻接連兩次失敗。施羅氏弧菌似乎不再引起珊瑚疾病。“珊瑚變得有抵抗力了，”羅森博格說，“這太讓人吃驚了。”
羅森博格開始思考可能的解釋。人類和其他脊椎動物的免疫系統都具有適應性，當暴露於病原體時，我們的免疫系統可以學習並記憶。在遇到之前侵入過的病原體時，我們可以在它導致傷害之前將其消滅。這就是疫苗的原理。然而，珊瑚缺乏適應性免疫系統，它們並不能以同樣的方式從之前的暴露中獲得免疫力。
一天早晨散步時，羅森博格向妻子伊拉娜提到了這個問題。作為一位微生物學家兼營養學家，伊拉娜馬上提出了一個想法：益生菌，即改善健康的微生物。她解釋道，人類身上的原生細菌能幫助抵禦病原體，這也是服用抗生素的人在治療后反而會出現新感染的原因。換言之，消滅與人類共生的微生物為機會主義的病原體打開了大門。
也許就在第一次實驗和最後一次實驗之間的某個時期，珊瑚獲得了新的微生物，使它們免受施羅氏弧菌的侵害。
回到實驗室，羅森博格檢驗了這個想法。他用抗生素治療珊瑚，殺死它們所攜帶的一切微生物，然後重複了最初的實驗，用施羅氏弧菌來感染珊瑚。此時，隨着水箱溫度提高，珊瑚開始出現白化。
珊瑚獲得的“益生菌”是什麼？羅森博格分離出了一種細菌，他稱之為EM3。當該細菌被引入珊瑚中時，對施羅氏弧菌起到了抵抗作用。這或許並非偶然，EM3是一種海水中自然存在的弧菌，呈逗點狀，十分活躍。也就是說，珊瑚和敵人的遠親結成了同盟，這種新的共生關係幫助它們適應了不斷變化的環境。
羅森伯格意識到，他偶然發現了一個重要的生物學現象：一種不是通過基因突變或重組，而是通過微生物調節而發生的適應過程。這種改變發生得非常快，只用了三年時間，可能還在珊瑚蟲的壽命範圍內。正如傳染病可以像野火一樣在種群中蔓延，導致疾病和死亡，有益微生物也可以迅速擴散，促進健康並提高存活率。
“如果疾病可以快速傳播，”羅森博格說，“為什麼有益微生物不能快速傳播呢？”他將這個更廣泛的概念稱為進化的“全基因組理論”（hologenome theory）。分子生物學家理查德·傑斐遜在1994年首次使用了這個術語，認為在對多細胞生物進行基因分析時發現的微生物不應被視為污染，而應視為所研究生物的組成部分。
獨立提出這個術語的羅森博格認為，一個有機體及其相關的微生物——即所謂的“共生功能體”（holobiont）——是一個單一的進化實體，這是進化中的一個選擇層級，我和你的競爭不僅基於我的基因，還基於我的細菌。
一些人認為，羅森博格研究的大西洋枇杷珊瑚（學名：Oculina patagonica）是一種由船隻帶到地中海的入侵物種。另一些人則認為，這是一個原生物種，只是由於環境變化而擴展了其生存範圍。無論如何，大西洋枇杷珊瑚分佈範圍的不斷變化揭示了地球生命所面臨的一個現實問題，即在所謂的“人類世”（Anthropocene），沒有任何生態系統不會受到人類的影響。這就意味着，從珊瑚到青蛙，再到人類自身，各種各樣的生命形式都承受着多種新的選擇壓力。
我們有充分的理由擔心大規模滅絕的發生。不過，在這個生物界發生劇變的時期，我們也會偶爾看到微生物促成其他生物快速適應環境的例子。環境保護主義者尤其關注這些動態，因為這很可能成為一個新的支點，能幫助我們探索如何提高某些野生動物的存活幾率。與此同時，研究者已經將人體微生物視為影響我們健康和疾病的重要因素之一，儘管在歷史上並未受到重視。
“有益微生物流行”
達爾文告訴我們，物種不是靜態的，生命在無數的壓力下不斷發生着變化。從自然選擇理論提出至今，生物學家們就一直在爭論這些變化發生的速度有多快。在達爾文發表《物種起源》一個世紀后，基因組的發現似乎劃定了一個上限。動物的進化速度取決於優勢基因產生和傳播的速率，也取決於現有基因組通過有性繁殖進行的重組。但後來又出現了“表觀遺傳學”，認為某些適應性可以更快地發生，無需改變基因本身，只需改變現有基因轉化為活生命體的方式。
羅森博格等研究者提出了一個更加快速的過程：生物體可以通過轉換共生微生物來更快地適應環境變化。微生物的迅速傳播是導致流行病如此可怕的重要原因，而這一特質可能也推動了生物的大規模適應。
為了尋找支持全基因組理論的證據，羅森博格和其他研究者將目光投向了人類微生物組的研究，特別是對艱難梭菌（學名：Clostridium difficile）的研究。人們在住院期間，以及在使用針對其他病菌的抗生素“清除”了體內的細菌后，往往會感染上艱難梭菌。患者最終可能會精神錯亂、痛苦不堪，並因持續不斷的帶血腹瀉而變得虛弱。
艱難梭菌對抗生素的耐藥性越來越強，大約有五分之一的患者會在進一步治療中失敗。對這部分人來說，“糞便移植”幾乎可稱為奇迹。這種方法是將健康人的糞便以灌腸或藥片的形式“植入”飽受艱難梭菌折磨的患者腸道，其治療艱難梭菌的有效率達到94%。科學家認為，該療法之所以奏效，是因為能短時間內完全恢復腸道微生物生態系統的功能。捐贈者的腸道菌群剝奪了艱難梭菌的生態位，將其從腸道中“淘汰”。
從技術上，糞便移植並不同於“有益微生物流行”，但其中所揭示的原理正是科學家認為可能導致有益微生物流行的原因，即原生微生物可以預防疾病，而調整這些微生物可以幫助人體抵禦致命的感染。
從珊瑚到人類，動物是如何獲取並培育它們的微生物群落的，仍然是一個謎。在一些動物中，微生物可能來自父母、同伴和所處的環境。不同的飲食也會影響微生物群，這意味着一個物種所承載的微生物具有一定的靈活性。另一方面，動物所分泌的黏液本身也會排斥一些微生物，同時選擇性地為其他微生物提供食物。
哺乳動物分泌黏液的粘膜主要存在於體內，而珊瑚的內部和外部都會分泌黏液。不過，黏液的作用原理都是一樣的。科學家發現，珊瑚黏液似乎能吸引並培養特定的微生物群落，其中可能就有致病性弧菌，但在正常溫度下，其他微生物會抑制它。然而，當溫度上升時，這些弧菌開始迅速繁殖，壓倒了具有保護作用的共生菌。這時珊瑚疾病就出現了。
加勒比海的麋角珊瑚就曽出現“生態失調”（dysbiosis）：常態存在的微生物出現了不平衡。丘疹、酵母菌感染和蛀牙都是人類的人體“生態失調”導致疾病的例子。這些疾病不一定是由新出現的病原體引起的，而是來源於不斷繁殖並傷害宿主的微生物。
羅森博格的珊瑚謎題最令人困惑的地方在於，這些珊瑚蟲是如何獲得能在更高溫度下保護它們的新微生物的。有一些證據表明，這可能是一個“故意”的過程——這裡並不是說細菌，而是藻類。
20世紀90年代，有科學家提出，珊瑚在白化過程中排出共生藻類之後，可能會獲得更適應新環境的新藻類。羅森博格說：“這是一個美妙的假設。”在那之後的幾年裡，生物學家們在加勒比海觀察到了類似的現象。
與珊瑚蟲共生的藻類被稱為蟲黃藻，主要分為四種類型，以A至D命名。科學家注意到，通常情況下，一旦珊瑚從白化中恢復過來，最耐熱的D型蟲黃藻往往會佔據主導地位。這種變化可能不是細菌所導致的，而是藻類共生體適應更高溫度的一種表現。
為什麼這些珊瑚沒有一開始就具有耐熱的D型蟲黃藻？一種解釋是擁有這一蟲黃藻支系的珊瑚可能比擁有其他支系的珊瑚生長得更慢。在Orbicella珊瑚中，生長較慢、耐熱的藻類在正常溫度下會承受更高的代價：更容易受到侵蝕的影響。然而，在高溫下，當其他蟲黃藻支系開始衰竭時，D型蟲黃藻的相對劣勢就消失了。
隨着海水溫度的升高，D型蟲黃藻似乎正在加勒比海的珊瑚中廣泛傳播。然而，這並不能幫助所有的珊瑚。許多特定的珊瑚不能將D型蟲黃藻帶進組織中。這意味着氣候變暖可能會在短期內讓大多數能夠與D型蟲黃藻共生的“普適性”珊瑚存活下來（從長期來看，世界各地的珊瑚都面臨著海洋酸化的威脅，其後果可能會比氣溫上升更嚴重）。
在D型蟲黃藻的故事中還有另一個轉折。科學家分析了該支系的基因組，認為它是從一種原產於炎熱、淺水和渾濁環境——靠近泰國的印度-太平洋地區——中的蟲黃藻進化而來的。根據分析，幫助加勒比海的珊瑚生存下來的共生藻，其實是一個入侵物種。它們是怎麼來到加勒比海的？原因可能是壓艙水。
換言之，人類可能在無意中拯救了這些珊瑚。諷刺的是，這似乎是有益的，至少在短期內。
許多人認為，地球正在經歷着第六次生物大滅絕，而這一次是由人類活動導致的。除了棲息地喪失和過度捕撈，另一個重要的挑戰是各種變化發生的速度，從氣候變暖到人類助長的病原體傳播，以及入侵物種在世界各地的傳播。生物學家擔心，植物和動物的基因組無法跟上這些變化的步伐，不能迅速地做出改變。但也許，在某些情況下，它們的微生物可以。
致命的蛙壺菌已經使全球數百種兩棲動物滅絕。科學家和環境保護主義者正在關注一種生活在內華達山脈的蛙類，其體內的特殊微生物往往使它們能在真菌感染中存活下來
能抵抗蛙壺菌的細菌
壺菌病是一種感染兩棲動物的疾病，有時被比作“蛙類的艾滋病”，目前還不清楚導致壺菌病的真菌來自哪裡。研究人員表示，導致壺菌病的蛙壺菌可能來自20世紀初出口到非洲南部、用於妊娠試驗的蛙類，也可能來自亞洲的兩棲動物或北美洲的牛蛙。
令人擔憂的是，無論蛙壺菌的起源是什麼，這種真菌近幾十年來已經導致了有史以來最嚴重的野生動物死亡和滅絕事件之一。科學家仍不清楚蛙壺菌在全球範圍內的確切傳播途徑，可能是通過鳥類，甚至可能通過降雨。目前，在大約7000種兩棲動物中，有200種已經因壺菌病滅絕，還有500種飽受感染之苦。生態學和進化教授萬斯·弗里登堡說：“對於一個病原體而言，這實在太多了。”
21世紀初，當弗里登堡注意到一些兩棲動物在蛙壺菌的侵襲中倖存下來時，他立即意識到了其中的重要意義。他想知道，這些生活在加州內華達山脈的兩棲動物與其他死亡的物種究竟有什麼區別？
在佛羅里達州的一次會議上，弗里登堡發現了一條線索。一位名叫里德·哈里斯的生物學家做了一個關於蠑螈的報告。他提出的問題是，為什麼有些物種將巢築在一起，而另一些則獨自築巢？他在研究中發現了一個不尋常的解釋：築巢在一起的物種共享着微生物，而這些微生物不但不會致病，反而能保護它們的卵不受病原真菌的侵害。換句話說，它們之所以在一起，是為了分享有益的微生物。
在會議結束后，弗里登堡與哈里斯展開了合作。保護性的有益微生物似乎可以解釋觀察到的抗蛙壺菌現象。事實證明，抗壺菌病的蛙類——黃腿山蛙（Rana muscosa）——往往具有一種特別的微生物，稱為淡紫色詹氏桿菌（Janthinobacterium lividum）。這種微生物能產生抗真菌的代謝產物，儘管並沒有完全防止感染，但似乎抑制了蛙壺菌的過度生長。從本質上講，淡紫色詹氏桿菌將潛在的病原體變成了無害的共生生物。
於是，一個奇怪的自然選擇過程在內華達山脈上演。當蛙壺菌在山間肆虐時，攜帶這些微生物的個體往往存活了下來；壺菌病是根據蛙類的微生物對它們進行了選擇，擁有某種微生物群落的兩棲動物最終存活了下來。
當然，這並不是羅森博格在珊瑚研究中所描述的“有益微生物流行”。隨着時間的推移，某種兩棲類微生物群可能會佔據主導地位，但尚不清楚黃腿山蛙是否在一個世代中獲得了新的微生物。
問題是，弗里登堡能否故意地引發一場“有益微生物流行”？他能否通過加速已經自然發生的過程來拯救蛙類？
這是一個很誘人的想法，因為與注射到所有個體上的疫苗不同，微生物是可以自我繁殖的。理論上，一旦它們“附着”在一隻青蛙身上，就會傳播給其他青蛙。這樣獲得的抗蛙壺菌能力可能像疫苗一樣具有傳染性。
微生物可能會不受控制地傳播，出於這一原因，接下來的研究需要非常謹慎。弗里登堡發現了一個尚未感染蛙壺菌的黃腿山蛙種群，從已經攜帶淡紫色詹氏桿菌的個體身上提取了這種細菌——這就排除了引入一種新疾病的可能性——然後在大桶中進行培養。
在此期間，壺菌病開始在這個種群中出現了。第二年，當弗里登堡回到山上的棲息地時，他只找到了120隻黃腿山蛙。他將其中三分之二都單獨浸泡在含有淡紫色詹氏桿菌的溶液中，剩下的三分之一沒有處理，之後所有青蛙都被放了回去。
一年後，也就是2011年，當弗里登堡再次探訪這些青蛙時，他發現只有接受過治療的個體存活了下來。“我不會因此宣告勝利，‘我們贏了！我們做到了！’”他說，“我們仍然不知道這其中的確切機制。”
不過，弗里登堡依然保持着樂觀態度。他指出，作為脊椎動物的重要類別，兩棲動物已經有3.6億年的演化歷史，它們經歷了四次大滅絕。這不是它們第一次感染病原真菌了，在漫長的歷史中，微生物可能不止一次拯救過兩棲動物。
共生微生物如何傳遞？
為了在進化過程中提高適應性，性狀必須能在代際間傳播。全基因組理論將微生物及其宿主視為單一的進化單元，對此持懷疑態度的人認為，微生物並不總是像傳家寶一樣代代相傳。如果真的如此，那共生功能體真的能在進化過程中持續存在嗎？
全基因組概念在推廣過程中存在着某種模糊性。微生物可以提高宿主的適應性，甚至推動進化，對豌豆蚜的研究也表明了這一點：蚜蟲對溫暖環境的耐受能力取決於它們所具有的共生菌種類。
但這些關係必須得到證明，而不能僅僅是假設。微生物之間會相互競爭，而欺騙也是一種可行的生存策略——從一段關係中獲取的比貢獻的更多。必然有一些微生物會採取這種策略。因此，宿主和微生物之間，甚至是動物微生物群的成員之間的和諧關係，並不是一定的。僅僅因為一種微生物被發現附着在宿主上並不意味着它有助於宿主的健康；它可能過着寄生生活，也可能只是過客。當然，其他生物顯然也是環境的重要組成部分，但擴展到全基因組的話就是一個巨大的飛躍，這意味着它們合在一起成為了選擇的單元。
與此同時，全基因組觀點的支持者試圖證明微生物可以推動物種形成。在一項實驗中，將果蠅分成兩組，給每組果蠅餵食不同的食物——糖漿或糖——然後在幾代后讓兩組果蠅混合。儘管基因上仍然有很高的相似度，但此時的果蠅只喜歡與之前分在一組的成員交配。它們是怎麼知道這種區別的？當科學家用抗生素處理果蠅，即殺死它們體內的微生物時，果蠅就失去了這種偏好。因此，是果蠅的微生物群——而不是它們的基因——促使它們分化成不同的物種。
事實上，許多動物確實在代際間傳播微生物。各種哺乳動物的幼崽，從大象到馬，都會吞食父母的糞便，這種行為被稱為“食糞”（coprophagy）。考拉母親更進一步：它們會產生一種被稱為“pap”的特殊糞便，供幼崽在斷奶時食用，裡面含有消化桉樹葉所必需的微生物。
人類顯然不是這樣的食糞動物，但我們也會將微生物傳給後代。嬰兒在通過產道時，會從母親那裡得到含有微生物的團塊。母乳餵養不僅能滋養了特定的微生物，如雙歧桿菌，還能為嬰兒提供更多的菌株。最近的一項研究發現，母親在哺乳時能將家族獨有的細菌菌株傳遞給嬰兒；換言之，人類就像那些豌豆蚜蟲一樣，也能將獨特的微生物傳遞給後代。
另一方面，人類也從環境中獲取微生物。這兩種不同獲取方式的相對重要性尚不完全清楚。事實上，一些證據表明，暴露於環境中新的微生物可能有助於我們適應環境。
幾年前，微生物學家發現，日本人體內的微生物具有一種獨特的分解海草的能力，而海草是這個島國的常見食物。科學家提出，人體微生物的這種能力可能直接來自海草所攜帶的細菌（細菌之間可以直接交換DNA片段）。在這些能分解海草的細菌進入人體微生物群之後，它們是如何在微生物之間傳播（水平傳播），或者如何在母親和子女之間傳播（垂直傳播）的，目前還不得而知。研究人員推測，消化海草的微生物提高了日本祖先的健康水平，使他們能夠從食物中提取更多的營養。也就是說，日本人的祖先適應他們獨特的島嶼飲食可能不是通過基因突變，而是通過微生物群的更新。
同樣，大約11000年前，當人類第一次開始飲用馴養動物的奶時，絕大多數人在成年後還無法消化乳糖（常見於乳汁和乳製品的一種糖）。幫助我們消化乳糖的基因最終在飲用牛奶的人群中傳播開來。但即使在今天，某些乳糖不耐比例較高的人群，包括一些非洲的牧民，也仍然經常飲用各種奶製品。一些科學家推測，微生物很可能為這些人群提供了幫助，要麼在發酵——在食品處理中很常見——過程中對乳糖進行了預消化，要麼直接在他們的腸道中定居了下來。
這個例子表明，像飲用奶製品這樣的生活方式很可能是與人類腸道微生物的變化共同進化的，並由此成為可能。提到人體微生物群，我們一般想到的是腸道的微生物群，實際上，這些微生物存在於一個鬆散的網絡中，影響範圍能延伸到我們的身體之外。也許只有通過與海草或牛奶中的“外來”微生物群進行交換，我們的微生物群才獲得了新的能力，人體才得以進化成現在的模樣。
19世紀晚期，當科學家開始接受自然選擇的概念時，細菌致病的理論剛開始出現。該理論認為是微生物而非“瘴氣”導致了疾病和死亡，並且可以通過消滅令人討厭的微生物來治癒疾病。這種時間上的巧合，以及微生物理論對古代人類災難（如天花、肺結核等）的解釋，導致當時的生物學家在很大程度上忽視了微生物對多細胞生物的幫助，後者對環境的適應和繁盛很大程度上要歸功於微生物。
現在，新技術使科學家能對微生物群落展開更深入的研究，並充分表明“巨生物”從來都不是單獨存在的。在這種背景下，全基因組的概念，以及“有益微生物流行”的出現，代表了在進化論將微生物明確納入其中的嘗試。作為地球上佔據主導地位的生命形式，微生物對於人類的生存具有深遠的意義。無論是保護野生動物，還是改善人類健康，對微生物的研究都將帶來更有價值的應用。