尤金羅森伯格是珊瑚微生物學家當他進入21世紀時，他遇到了一個相當困難的問題當時他在以色列特拉維夫大學工作，突然發(fā)現(xiàn)自己無法復制10年前的突破性發(fā)現(xiàn)這似乎導致了他學術生涯的毀滅性失敗，但另一方面，這也導致羅森伯格以一種新的方式思考進化
海洋溫度的上升可能會加劇細菌對珊瑚的威脅。科學家認為珊瑚可能以某種方式獲得了一種新的微生物，從而保護自己免受細菌的侵害
20世紀90年代，羅森伯格發(fā)現(xiàn)了珊瑚疾病的原因伴隨著海洋溫度的上升，東地中海的珊瑚已經(jīng)開始變白可是，沒有人真正理解白化病為什么會發(fā)生，除了息肉如果長期缺乏金藻，很可能會餓死有人認為息肉排出藻類是因為壓力下的藻類在較高的溫度下停止對共生系統(tǒng)的貢獻，從某種意義上說，他們是因為效率低下而被立即解雇的
但是經(jīng)過一系列的實驗，羅森博格得出了不同的結論他注意到，在珊瑚漂白區(qū)的邊緣聚集了成群的棒狀細菌，這表明珊瑚受到了感染他先用抗生素處理海水殺死這些細菌，然后提高水箱中海水的溫度，這樣珊瑚就不會變白所以，光靠海水的升溫是不能致病的，細菌在其中起著重要的作用
羅森博格分離出一種叫做希洛弧菌的細菌，現(xiàn)在被稱為希洛尼弧菌，它會引起珊瑚疾病施洛斯弧菌和霍亂弧菌都屬于弧菌屬，是真正的機會主義者:常溫下無害，但環(huán)境變暖就會致病
1996年，羅森伯格在《自然》雜志《自然》上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)可是，大約十年后，當他和他的研究生試圖復制實驗時，他們連續(xù)失敗了兩次施氏弧菌似乎不再引起珊瑚疾病珊瑚已經(jīng)變得有抵抗力了，羅森伯格說太神奇了
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(tǒng)是適應性的當接觸病原體時，我們的免疫系統(tǒng)可以學習和記憶當遇到以前入侵過的病原體時，我們可以在它造成傷害之前消滅它這就是疫苗的工作原理但是，珊瑚缺乏適應性免疫系統(tǒng)，它們不能以同樣的方式從以前的接觸中獲得免疫力
一天早上，羅森伯格在散步時向妻子伊蓮娜提到了這個問題作為微生物學家和營養(yǎng)學家，伊蓮娜立刻提出了一個想法:益生菌，即改善健康的微生物她解釋說，人類體內的天然細菌可以幫助對抗病原體，這就是為什么服用抗生素的人在治療后會有新的感染換句話說，消滅與人類共存的微生物為機會性病原體打開了大門
也許在第一次實驗和最后一次實驗之間的某個時間，珊瑚獲得了新的微生物來保護它們免受施氏弧菌的侵害。
回到實驗室，羅森博格測試了這個想法他用抗生素處理珊瑚，殺死它們攜帶的所有微生物，然后重復最初的實驗，用施氏弧菌感染珊瑚這時，伴隨著水箱溫度的升高，珊瑚開始變白
珊瑚獲得的益生菌有哪些羅森伯格分離出一種細菌，他稱之為EM3當這種細菌被引入珊瑚時，它對施氏弧菌有抵抗力這可能不是偶然的EM3是海水中天然存在的弧菌，呈逗號狀，非常活躍也就是說，珊瑚已經(jīng)和敵人的遠親形成了聯(lián)盟，這種新的共生關系幫助它們適應不斷變化的環(huán)境
羅森伯格意識到，他偶然發(fā)現(xiàn)了一個重要的生物學現(xiàn)象:一個不是通過基因突變或重組，而是通過微生物調節(jié)發(fā)生的適應過程這種變化發(fā)生得非常快，只用了三年時間，大概在息肉的壽命之內正如傳染病可以像野火一樣在人群中傳播，導致疾病和死亡一樣，有益微生物也可以，有益微生物可以促進健康，提高存活率
如果疾病可以快速傳播，羅森伯格說，為什么有益微生物不能快速傳播他把這個更廣泛的概念稱為進化的全息論理查德，分子生物學家杰斐遜在1994年首次使用了這個術語，他認為在多細胞生物的遺傳分析中發(fā)現(xiàn)的微生物不應被視為污染，而應被視為所研究生物的組成部分
獨立提出這一術語的羅森伯格認為，一個生物體及其相關微生物——，稱為holobiont)——，是一個單一的進化實體，是進化中的一個選擇性水平我和你之間的競爭不僅基于我的基因，也基于我的細菌
有人認為，羅森博格研究的大西洋枇杷珊瑚(學名:Oculina patagonica)是船只帶到地中海的入侵物種還有人認為，這是一種原生動物物種，只是由于環(huán)境變化而擴大了生存范圍無論如何，大西洋枇杷珊瑚分布范圍的變化揭示了地球生命面臨的一個現(xiàn)實問題，即在所謂的人類世，沒有一個生態(tài)系統(tǒng)不會受到人類的影響這意味著各種生命形式，從珊瑚到青蛙再到人類，都在各種新的選擇之下
我們完全有理由擔心大滅絕可是，在這個生物世界劇烈變化的時期，我們偶爾會看到微生物促進其他生物快速適應環(huán)境的例子環(huán)保主義者特別關注這些發(fā)展，因為它很可能成為新的支點，可以幫助我們探索如何提高一些野生動物的存活率與此同時，研究人員已經(jīng)將人類微生物視為影響我們健康和疾病的重要因素之一，盡管它們在歷史上沒有受到重視
有益微生物的流行
達爾文告訴我們，物種不是靜止的，生命在無數(shù)壓力下不斷變化自自然選擇理論提出以來，生物學家一直在爭論這些變化發(fā)生的速度有多快
后，基因組的發(fā)現(xiàn)似乎劃定了一個上限動物的進化速度取決于優(yōu)勢基因產(chǎn)生和傳播的速率，也取決于現(xiàn)有基因組通過有性繁殖進行的重組但后來又出現(xiàn)了表觀遺傳學，認為某些適應性可以更快地發(fā)生，無需改變基因本身，只需改變現(xiàn)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(huán)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(guī)模適應
為了尋找支持全基因組理論的證據(jù)，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，并因持續(xù)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跡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(tài)系統(tǒng)的功能捐贈者的腸道菌群剝奪了艱難梭菌的生態(tài)位，將其從腸道中淘汰
從技術上，糞便移植并不同于有益微生物流行，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御致命的感染。
從珊瑚到人類，動物是如何獲取并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(huán)境不同的飲食也會影響微生物群，這意味著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于體內，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(fā)現(xiàn)，珊瑚黏液似乎能吸引并培養(yǎng)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可是，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(xiàn)了
加勒比海的麋角珊瑚就曽出現(xiàn)生態(tài)失調(dysbiosis):常態(tài)存在的微生物出現(xiàn)了不平衡丘疹，酵母菌感染和蛀牙都是人類的人體生態(tài)失調導致疾病的例子
羅森博格的珊瑚謎題最令人困惑的地方在于，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(jù)表明，這可能是一個故意的過程 —— 這里并不是說細菌，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后，可能會獲得更適應新環(huán)境的新藻類羅森博格說:這是一個美妙的假設在那之后的幾年里，生物學家們在加勒比海觀察到了類似的現(xiàn)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 型蟲黃藻往往會占據(jù)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(xiàn)
為什么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可是，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
伴隨著海水溫度的升高，D 型蟲黃藻似乎正在加勒比海的珊瑚中廣泛傳播可是，這并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著氣候變暖可能會在短期內讓大多數(shù)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，其后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(chǎn)于炎熱，淺水和渾濁環(huán)境 —— 靠近泰國的印度—太平洋地區(qū) —— 中的蟲黃藻進化而來的根據(jù)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么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(jīng)歷著第六次生物大滅絕，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(zhàn)是各種變化發(fā)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(jīng)使全球數(shù)百種兩棲動物滅絕。科學家和環(huán)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里研究人員表示，導致壺菌病的蛙壺菌可能來自 20 世紀初出口到非洲南部，用于妊娠試驗的蛙類，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么，這種真菌近幾十年來已經(jīng)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范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(jīng)因壺菌病滅絕，還有 500 種飽受感染之苦生態(tài)學和進化教授萬斯弗里登堡說:對于一個病原體而言，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幸存下來時，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么區(qū)別
在佛羅里達州的一次會議上，弗里登堡發(fā)現(xiàn)了一條線索一位名叫里德哈里斯的生物學家做了一個關于蠑螈的報告他提出的問題是，為什么有些物種將巢筑在一起，而另一些則獨自筑巢他在研究中發(fā)現(xiàn)了一個不尋常的解釋:筑巢在一起的物種共享著微生物，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(xiàn)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(chǎn)生抗真菌的代謝產(chǎn)物，盡管并沒有完全防止感染，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
于是，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(jù)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，這并不是羅森博格在珊瑚研究中所描述的有益微生物流行伴隨著時間的推移，某種兩棲類微生物群可能會占據(jù)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(fā)一場有益微生物流行他能否通過加速已經(jīng)自然發(fā)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，一旦它們附著在一只青蛙身上，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，出于這一原因，接下來的研究需要非常謹慎弗里登堡發(fā)現(xiàn)了一個尚未感染蛙壺菌的黃腿山蛙種群，從已經(jīng)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 —— 然后在大桶中進行培養(yǎng)
在此期間，壺菌病開始在這個種群中出現(xiàn)了第二年，當弗里登堡回到山上的棲息地時，他只找到了 120 只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，之后所有青蛙都被放了回去
一年后，也就是 2011 年，當弗里登堡再次探訪這些青蛙時，他發(fā)現(xiàn)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，弗里登堡依然保持著樂觀態(tài)度他指出，作為脊椎動物的重要類別，兩棲動物已經(jīng)有 3.6 億年的演化歷史，它們經(jīng)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(tài)度的人認為，微生物并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(xù)存在嗎
全基因組概念在推廣過程中存在著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(huán)境的耐受能力取決于它們所具有的共生菌種類
但這些關系必須得到證明，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 —— 從一段關系中獲取的比貢獻的更多必然有一些微生物會采取這種策略因此，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系，并不是一定的僅僅因為一種微生物被發(fā)現(xiàn)附著在宿主上并不意味著它有助于宿主的健康，它可能過著寄生生活，也可能只是過客當然，其他生物顯然也是環(huán)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，這意味著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，給每組果蠅喂食不同的食物 —— 糖漿或糖 —— 然后在幾代后讓兩組果蠅混合盡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么知道這種區(qū)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(chǎn)生一種被稱為pap的特殊糞便，供幼崽在斷奶時食用，里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后代嬰兒在通過產(chǎn)道時，會從母親那里得到含有微生物的團塊母乳喂養(yǎng)不僅能滋養(yǎng)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(fā)現(xiàn)，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后代
另一方面，人類也從環(huán)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(jù)表明，暴露于環(huán)境中新的微生物可能有助于我們適應環(huán)境
海草帶來的好處:微生物學家發(fā)現(xiàn)日本人體內有一種遺傳自祖先的獨特微生物，使他們能夠從海草中吸收更多的營養(yǎng)物質
幾年前，微生物學家發(fā)現(xiàn)，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后，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(yǎng)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(yǎng)動物的奶時，絕大多數(shù)人在成年后還無法消化乳糖(常見于乳汁和乳制品的一種糖)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(jīng)常飲用各種奶制品一些科學家推測，微生物很可能為這些人群提供了幫助，要么在發(fā)酵 —— 在食品處理中很常見 —— 過程中對乳糖進行了預消化，要么直接在他們的腸道中定居了下來
這個例子表明，像飲用奶制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，并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，這些微生物存在于一個松散的網(wǎng)絡中，影響范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(xiàn)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(xiàn)該理論認為是微生物而非瘴氣導致了疾病和死亡，并且可以通過消滅令人討厭的微生物來治愈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，后者對環(huán)境的適應和繁盛很大程度上要歸功于微生物
現(xiàn)在，新技術使科學家能對微生物群落展開更深入的研究，并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(xiàn)，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占據(jù)主導地位的生命形式，微生物對于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
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