「超有機體」：我們不只是我們自己

（文/Susan Milius）近些年的研究已經證實，通常在人們認為屬於「自己」的身體中，其實包含了數目約為人類細胞10倍之多的微生物細胞。一個人體內和體表的微生物總質量大概只有幾磅重，然而要論起基因多樣性，這些「搭車客」遠超它們的宿主——它們所代表的基因量是人類基因的400倍。而且，在人類靜脈里流淌的代謝物中有相當一部分也來自微生物。這樣看來，微生物也是「人類」的一部分。

納什維爾市范德堡大學的塞斯·波登斯坦（Seth Bordenstein）和正在探究這些微生物是否已經與宿主親密到變成了有機體的一部分——或者說，它們形成了所謂「超有機體」（metaorganism）。

一些生物學家呼籲，考慮動物的演化時，應該將動物和動物體表和體內的微生物作為不可分割的整體進行考慮。圖片來源：sciencenews.org

26名科學家去年2月份在《PNAS》上倡導針對動物-細菌相互作用的新思維，他們在其中用到了「生態系統」這個詞。近期，有關細菌與其動物宿主之間關係的知識不斷積累，這「正在從根本上轉變我們對動物學的理解」，這些科學家宣稱。

在深海蛤蚌的鰓里、在多孔岩蘊含的地下水中，或者蚊子的生殖腺內，都可能生息繁衍著某種令人著迷的微生物。但若不能在實驗室的培養皿中培養它，你也就無從了解它。所幸，基因組學的革新改變了這種狀況。過去幾年裡，人們開發出的自動化系統已經能夠以適當成本在樣品中迅速確定幾千種個體微生物的遺傳特徵。

且看這一新技術揭示出了一個怎樣的世界：芝加哥菲爾德自然史博物館的科里·莫洛（Corrie Moreau）稱，僅僅在來自4個龜蟻群落的19份樣品中，他們就發現了445種無法純培養、過去的基因技術也未能發現的細菌；8種細菌總是出現在蜜蜂和其他幾種蜂類的內臟中，但迄今未在其他地方被觀察到；臭蟲則需要沃爾巴克氏體（Wolbachia）生活在其細胞內才能夠存活。

也許細菌還使得下列問題終於得到了解釋：身屬食肉目（Carnivora）的哺乳動物大熊貓，既沒有食草動物那種用於食物發酵的粗大腸道，也沒有特別的消化酶，卻能夠依賴每天12.5千克富含纖維的植物食料過活。這是因為大熊貓令人困惑的消化系統中充滿了能夠消化纖維素的細菌。

細菌對其宿主生命的影響從最初就開始了。比如對采采蠅來說，僅僅從母親那裡繼承基因還是不夠的。若沒有繼承到正確種類的細菌，幼蟲便不會正常生長。雌性采采蠅每次在其相當於子宮的器官中孕育一枚受精卵。子宮中的腺體分泌一種狀似牛奶的白色液體，其中富含脂肪和蛋白質。幼蟲以此為食度過最早的三個幼蟲階段，長到和它的母親差不多重，然後雌蠅才開始分娩。幼蟲從母親的「乳汁」中攝入了一種名為Wigglesworthia的桿菌。據耶魯大學的布萊恩·維斯（Brian L. Weiss）說，這種細菌看上去就像個熱狗。Wigglesworthia只能在采采蠅體內生存，而被除去了這種細菌的采采蠅則不會分娩。

如果給雌蠅服用維生素B，無菌幼蟲的生命便得以維持，維斯因而推斷出Wigglesworthia在幼蠅發育過程中的作用。維斯和同事4月份在《PLOS Pathogens》上指出，被除菌的幼蟲能夠長大，但是發育不出正常的免疫系統，變成成蠅後也無法長出真正的腸內膜——腸內膜長不好可是個大問題，而且還不僅僅是對采采蠅而言——儘管它們以傳播引起昏睡病的椎體蟲著稱，但在被餵食受感染血液的正常采采蠅中，只有1%到5%成為了攜帶者。然而因為缺少合適的細菌而腸壁單薄的采采蠅則有超過50%成為了攜帶者。

采采蠅必須在妊娠期間感染特定的桿菌，才能夠發育出正常的腸內膜（上圖）。實驗室中培養的無菌幼蟲發育出了有缺陷的腸道（下圖）和羸弱的免疫系統，這使它們更容易感染上引起昏睡病的寄生蟲。圖片來源：Weiss et al.（2013）PLOS Pathogens

其他研究也找到了微生物在動物發育過程中作用的類似例證。雌性寄生蜂（Asobara tabida）需要一種沃爾巴克體（Wolbachia）菌株才能夠產生蜂卵。而發育中的小鼠如果缺少一套標準的微生物，腸道中便無法長出正常的毛細血管。據瑞典的一個研究小組2011年報告稱，年幼的小鼠幼崽甚至有賴於腸道菌群來實現腦的正常發育。在成長過程中缺少正常腸道微生物的老鼠在測試中表現得異乎尋常地活躍和大膽，它們的大腦構造似乎與喜陰怕光的膽小同類不同。而將腸道細菌重新植入無菌鼠體內，雖然對於大腦已經成熟的成年鼠來說為時已晚，但它們的後代則恢復了正常的警覺。

波登斯坦說，多種生物中，母親似乎都要為它們的幼崽做好微生物方面的準備。巨蛤需要微生物的幫助才能在深海熱泉中生存，一些海綿和蟑螂的卵產下時便已經攜帶著細菌。臭蟲產卵的時候，卵囊也隨即沾上了媽媽富含細菌的糞便。幼蟲一孵化出來，便要蹭來蹭去地吞吃掉卵囊——細菌從母親向孩子的傳遞在動物界似乎廣泛存在。波登斯坦指出，看來是時候考慮把這種現象當成一種普遍的規範行為了。他和范德堡大學的同事麗莎·馮克豪瑟（Lisa Funkhouser）8月份在《 PLOS Biology》上發表了一則聲明，呼籲結束「無菌子宮的思維定勢」。

憑藉以基因方法探測微生物群落的新技術發展的例子不止於此。自從20世紀70年代中期，生物學家們就開始懷疑，在很多種哺乳動物中，微生物群落通過發酵不同的汗液、體液和排泄物，產生出獨特的氣味，能使特定社交圈子裡有經驗的動物成員據之分辨出細菌宿主的年齡、健康狀況等等很多信息。

這種想法聽來振振有詞，驗證它的努力卻多年來駐足不前。來自各種哺乳動物氣味腺體的細菌中，能純培養的一般只有1至2種，有時5種。這麼一點微不足道的收穫似乎不足以揭示生物學家們認為在空氣中彌散著的全部信息。

有了識別細菌的現代基因工具之後，密歇根州立大學的凱文·泰斯（Kevin Theis）和他的同事正在重新驗證經典的發酵信息素假說。他的臭跡（scent marking）研究對象是斑鬣狗和條紋鬣狗。

鬣狗臭跡散發的氣味「相當濃烈」，泰斯評價道。這兩種鬣狗的肛門會外翻，朝草莖或其他合適的地標噴洒皮脂腺分泌的帶刺激性氣味的糊狀物。泰斯說這種糊狀物聞起來就像是雨後發酵的松針土。它能夠攜帶領地信息，也能夠傳遞嗅覺八卦，比如說誰正急於找個伴兒、誰已經懷孕了，或者可能病了。

鬣狗有很多事情需要靠噴一噴、嗅一嗅來搞定。斑鬣狗生活在由幾十個成員組成的族群中，其間等級森嚴。「這就跟看肥皂劇似的。」泰斯說。條紋鬣狗獨處的時間更長，組成的群體規模也小一些，但在覓食、休息和遷徙的過程中同樣需要保持與同類的聯絡。泰斯說，到目前為止，僅僅在成年雌性斑鬣狗的氣味劑中，他所發現的細菌的屬的數目，便已經超過了先前15次對任意哺乳動物氣味腺的研究中所發現數目總和。

條紋鬣狗和斑鬣狗都利用尾巴下面的囊袋排出的臭味糊狀物標記領地以及互相交流。二維統計圖展現出兩種鬣狗之間，攜帶的細菌群落的差異（左）與它們氣味的化學成分（右）之間的差異看上去非常相像。圖片來源：Sam DCruz/ShutterStock; K. Theis et al.（2013）PNAS

條紋鬣狗和斑鬣狗用於溝通的揮發性臭味化合物區別明顯，以至於生物學家能夠依靠臭跡辨別這兩種動物。泰斯及其同事在11月11日出版的《PNAS》上報告稱,如果氣味的形成有賴於微生物，那麼可以推斷，這兩種鬣狗分別攜帶著與其各自氣味對應的不同微生物群落。氣味差異與微生物差異之間的聯繫是微生物形成信息素假說的有力證據。研究者還在一些物種身上發現一些證據，提示微生物群落會隨著宿主懷孕之類的事件而發生變化。泰斯說，對於發酵信息素的想法，這篇論文做出了截至目前最完備的闡釋。

微生物的決定

微生物不僅僅能夠用氣味廣播宿主的狀態更新，而且似乎還能夠讓它們的宿主遠離某些交配對象。

一個驚人的例證發表於2010年，這個例子是用不同食物培育果蠅時發現的奇怪現象。在先前的實驗中，研究者們已經注意到，以不同食物培育的果蠅譜系在繁衍25代之後，便不大容易發生譜系間的交配了。

特拉維夫大學開展的後繼性試驗發現，黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）僅僅在食用糖漿一代之後，便不再將食用澱粉的同類當作潛在交配對象。在特拉維夫，尤金·羅森伯格（Eugene Rosenberg）和伊拉娜·齊爾博-羅森伯格（Ilana Zilber-Rosenberg）已經在系統地闡釋他們所稱的全基因組（holo-genome）的重要性。所謂全基因組，指的是宿主及其微生物的基因信息總和。為了驗證對果蠅的這一綜合性看法，研究者們給果蠅服用抗生素。在殺死它們體內的微生物群落後，兩個不同食譜的譜系重新開始與對方成員交配。而在為歡好如初的兩個譜系接種了不同的微生物群落之後，交配藩籬又重新出現。研究者認為，前後交配習性的差異，乃是因為食物造成的腸道微生物變化影響了性信息素。

在觀察到微生物對擇偶的影響之後，一個非常重要問題隨之而生：這些數量眾多的微生物能否控制整個物種的演化命運？

比如波登斯坦和他在范德堡大學的同事羅伯特·布魯克（Robert Brucker）在去年8月9日的《科學》上稱，將金小蜂分成兩個種的遺傳隔離原來有著之前被忽視的微生物因素：吉氏金小蜂（Nasonia giraulti）和麗蠅蛹集金小蜂（Nasonia vitripennis）這兩種金小蜂大約在100萬年前從共同的祖先那裡分道揚鑣。如果這兩個種現在碰巧雜交，產下的雄性幼蟲會長出黑色斑點並死亡。遺傳學家已經細緻地研究過這一致命的不相容性，發現了兩個種的基因差異似乎妨礙了雜交後代生存。

兩種金小蜂的雄性雜交幼蟲遠不如純種幼蟲易於存活，這也許是親代體內的微生物不相容使然。圖片來源：R. Brucker and S. Bordenstein.（2013）Science

為了驗證可能被漏掉的微生物因素，布魯克給原本性命不保的雜交後代餵食抗生素。寄宿的微生物死了，但是很多雜交蜂活了下來。它們原來之所以難逃一死，看來是它們的基因與雙親相異的微生物群落不相容所致。在進一步的試驗中，布魯克將雜交蜂通常攜帶的腸道細菌植入意外存活的無菌雜交蜂體內，不再無菌的雜交蜂就此死去。實驗支持了波登斯坦的觀點：演化力量不僅根據動物DNA而變化，動物自身基因組和其所攜帶的微生物基因組共同起著作用。

不過，這樣解讀微生物在演化上的重要意義還是會顛覆生物學概論課程中會講到的一些基本思想，賓夕法尼亞州斯沃斯摩爾學院的發展生物學家斯科特·吉爾伯特（Scott Gilbert）說，當得知一套正常的老鼠基因也不足以保證長出一隻健全的老鼠時，學生們「頓時喧聲四起」，他回憶道。如果與宿主共生的微生物構成了另一種遺傳模式，「那麼所有這些『你細胞核里的基因決定你是誰』的說法都顯然不再成立。」他說。