闻夕felicity对《我包罗万象》的笔记(10)

Leptinotarsa decemlineata ）是土豆田里的主要害虫，以植物为食；植物受到伤害后会分泌防御物质，而叶甲的唾液中恰好含有一种可以抵消这类物质的细菌。天竺鲷是一种体表带有斑马纹的鱼，它们携带着一种发光细菌，用以吸引猎物。蚁蛉是一种捕食性昆虫，长着可怕的颌部；它们咬到猎物后会通过唾液中的细菌分泌一种毒素，使猎物动弹不得。某些线虫会向昆虫体内注入有毒的发光细菌，杀死后者；11 还有些线虫会掘进植物细胞的内部，用从微生物里“偷”来的基因捣乱，给农业造成巨大的损失。

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其实要认识这种合作关系的重要性，最简单的方法就是想象没有它们的状况：那样的世界会变成什么模样？如果这个星球上所有的微生物都突然消失，好处是不会再有传染病，许多害虫也会挣扎着死去。不过仅限于此。牛、羊、羚羊、鹿等食草哺乳动物都会纷纷饿死，因为它们完全依赖于体内的微生物来分解所食植物中的坚韧纤维。非洲草原上的兽群会消失。白蚁也同样依赖于微生物提供的消化功能，所以它们也将消失。而以白蚁为食的大型动物，以及寄住在白蚁堆里的其他动物也会不复存在。食物中一旦缺少细菌来补充所需的营养物质，蚜虫、蝉，以及其他吸食植物汁液的昆虫也将灭亡。许多深海蠕虫、贝类等都依赖于细菌提供维持生命的能量，如果没有微生物，它们也会死去，黝黯深海世界中的整张食物网都会崩溃。浅海的情况不会好太多。浅海中的珊瑚必须依赖于微型藻类和极其多样的细菌才能生存；没了微生物，它们将变得尤为脆弱。曾经壮观的珊瑚礁会受到腐蚀并褪得惨白，所有仰赖于它们而存在的其他生命也将受到威胁。

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微生物学家杰克·吉尔伯特（Jack Gilbert）和乔什·诺伊费尔德（Josh Neufeld）认真地开展过这个“如果没有微生物，地球会怎样”的思维实验，12 他们得出如下结论：“我们预计，只需一年左右的时间，食物供应链就会彻底瘫痪，人类社会将完全崩溃。地球上的大多数物种会灭绝，而幸存下来的物种，其数量也将大大减少。”

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一个遭到霍乱侵袭的成年人，就像被外来蛇类入侵的关岛。没有人是一座孤岛？① 事实并非如此：从细菌的角度看，每个人都是一座岛屿。

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事实上，每个人更像是一条岛链。身体的每个部位都有自己的微生物群，就像加拉帕戈斯群岛的各座岛屿上都分布着特有的乌龟和雀类。人体皮肤上的微生物主要有丙酸杆菌、棒状杆菌和葡萄球菌，在肠道中居主导地位的是拟杆菌，阴道中的则是乳酸杆菌，霸占口腔的是链球菌。每个器官的不同部位也分布着不一样的微生物。生活在小肠开端的微生物和直肠中的大有不同。牙菌斑沿牙龈线分布，而牙龈线上方和下方的也有所不同。就皮肤而言，面部和胸部“油田”里的微生物、腹股沟和腋下的微生物，以及占据前臂和手掌上干燥“沙漠”的微生物，都千差万别。说到手掌，右手和左手只有1/6的微生物是相同的。19 同一个人不同身体部位之间的差异，远甚于不同人同一部位之间的比较结果。换言之，你前臂上的细菌和我前臂上的差不了太多，但如果和你自己嘴里的相比，那可就差远了。

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这些都是微生物领域正在试图回答的深刻问题。我会在本书中告诉大家，我们已经在这条探索之路上走了多远；如果能彻底了解并操控微生物，我们将拥有多么广阔的前景；以及，要实现这个愿景，我们还必须做什么。我们现在已经意识到，这些问题只能通过收集小块数据来回答，就像达尔文和华莱士在极富革命性的远航中所做的那样。“集邮”很重要。“即使达尔文的日记只是一部科学游记，其中只遍数了丰富多彩的生物和地点，根本没有提出什么演化理论，”戴维·奎曼写道，22 “这个理论也终会降临。”在理论诞生之前，我们需要收集、分类、编目，需要付出各种艰苦劳动。罗布·奈特解释道：“面对一片未知的新大陆，你若想了解这里‘为什么’会有这些东西、它们为什么在这儿，首先你需要找出它们在哪儿。”

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为什么某些微生物生活在某些动物体内，却没有生活在人体内？或者，某种微生物为什么生活在少数几个人身上，而不是每个人？再或者，为什么某种微生物生活在某些身体部位，而没有分布在其他部位？为什么我们会看到现在这样的微生物模式？这些模式是怎样形成的？微生物如何找到并进入宿主？伙伴关系是如何确立的？开始共生后，微生物和宿主怎样改变彼此？如果打破这种合作关系，它们会如何应对？ 这些都是微生物领域正在试图回答的深刻问题。我会在本书中告诉大家，我们已经在这条探索之路上走了多远；如果能彻底了解并操控微生物，我们将拥有多么广阔的前景；以及，要实现这个愿景，我们还必须做什么。我们现在已经意识到，这些问题只能通过收集小块数据来回答，就像达尔文和华莱士在极富革命性的远航中所做的那样。“集邮”很重要。“即使达尔文的日记只是一部科学游记，其中只遍数了丰富多彩的生物和地点，根本没有提出什么演化理论，”戴维·奎曼写道，22 “这个理论也终会降临。”在理论诞生之前，我们需要收集、分类、编目，需要付出各种艰苦劳动。罗布·奈特解释道：“面对一片未知的新大陆，你若想了解这里‘为什么’会有这些东西、它们为什么在这儿，首先你需要找出它们在哪儿。”

这种伙伴关系得到了一个新的专有名词：共生（其词源由希腊语的“共同”和“生存”构成）。13 这个词本身是中性的，可以用来描述任何形式的共存。如果一方受益、另一方付出代价，二者就构成寄生关系（parasite） 〔如果会引起疾病，那么其中一方就是病原体（pathogen）〕。如果一方受益，且不影响宿主，那就是共栖关系（commensal）。如果寄宿者反过来有益于宿主，二者就构成互助关系（mutualist）。所有这些共存类型，都归属在共生范畴内。

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俄罗斯的诺贝尔奖获得者埃利·梅奇尼科夫（Élie Metchnikoff）把这种看法发挥到了极致。他曾被形容为“陀思妥耶夫斯基小说中一个歇斯底里的角色”，20 他的身上体现出了极强的自我矛盾：作为一个深度的悲观主义者，他曾至少两次试图自杀，但却写下了一部名为《延寿：关于乐观主义的研究》（The Prolongation of Life: Optimistic Studies ）的著作。在这本出版于1908年的书里，他把自己的矛盾投射进了微生物的世界。 一方面，梅奇尼科夫认为肠道细菌会产生引发疾病和促进衰老的毒素，这是“导致人类短命的主要原因”；而另一方面，他又相信一些微生物可以延长寿命。就后者而言，他曾受到保加利亚农民的启发。这些农民经常饮用发酵变酸的牛奶，都能轻松活过100岁。梅奇尼科夫把这两个特点联系起来。发酵乳中含有细菌，其中包括由他命名的保加利亚杆菌（Bulgarian bacillus ）。这些细菌产生乳酸，杀死那些农民肠道中“致人短命”的有害细菌。梅奇尼科夫坚信这个想法的正确性，并开始定期大量饮用酸牛奶。其他很多人因为十分相信梅奇尼科夫，也纷纷开始效仿。〔他的此番断言，让结肠造口术风靡一时。著名作家奥尔德斯·赫胥黎（Aldous Huxley）也经梅奇尼科夫的启发，在《夏来夏去》（After Many a Summer ）中描写了一位好莱坞大亨：他给自己灌入鲤鱼肠子来改变肠道中的微生物，试图实现永生。〕当然，人类饮用发酵乳制品已有几千年的历史，但现在，人们一边喝一边还惦记着微生物。梅奇尼科夫71岁时死于心脏衰竭，而这股潮流却在他死后延续了很长时间。

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乌斯于1977年发表了他的研究结果，他在论文中把产甲烷菌重新归至古菌之下（当时古菌还被称为 archaebacteria，后来去掉了当中的“细菌”部分，直接记作 archaea）。33 乌斯坚信，它们并不是怪异的细菌，而是另一种完全不同的生命形式。这是一项惊人的发现。乌斯从淤泥中挑选出这些不起眼的微生物，并把它们视为与无所不在的细菌和强大的真核生物同等重要的存在。这就如同每个人都盯着世界地图看，以为这就是世界的全部，只有乌斯悄悄展开了折叠着的另外1/3的地图。 不难预料，他的说法招致了猛烈的批评，

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今日，他留下的知识遗产不可否认，他关于古菌完全不同于细菌的断言也非常正确。而在他所有的研究中，更重要的也许是他倡导的“通过比较基因来研究物种间关系”的方法——这成了现代生物学研究中最重要的部分。35 他的方法为其他科学家，比如他的老朋友诺曼·佩斯（Norman Pace）的研究铺平了道路，生物学家得以真正迈出探索微生物世界的脚步。

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他们并没有局限在16S rRNA 的研究上。佩斯、德隆等人很快发展出了新方法，能够测序一团土壤或者一勺水中每种微生物的基因。38 他们提取了所有本地微生物的 DNA，切成小碎片，然后一同测序。佩斯说：“我们可以得到任何想要的基因。”通过16S rRNA，他们可以确定某个地方有哪些微生物；但通过搜索合成维生素、消化纤维素或者抵抗抗生素的基因，他们能发现当地微生物所拥有的具体能力。 这项技术将毫无疑问地彻底改变微生物学，现在只缺一个让人过眼难忘的名字。1998年，乔·汉德尔斯曼（Jo Handelsman）想出了一个名字：宏基因组学（metagenomics），旨在研究一个群落的基因组。39 汉德尔斯曼曾说过：“自显微镜问世以来，宏基因组学可能是微生物研究中最重要的事件。”终于，我们有了一套完整理解地球生命的研究方法。汉德尔斯曼等人开始研究生活在各种环境中的微生物：阿拉斯加的土壤、威斯康星州的草原、从加利福尼亚州矿山上冲下来的酸性物质，还有马尾藻海的海水、深海蠕虫的尸体、昆虫的内脏，等等。当然，也有微生物学家像列文虎克一样，把研究对象转向了自己。

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走进荷兰阿姆斯特丹阿提斯皇家动物园（Artis Royal Zoo）的大门，你会看到一幢两层楼高的建筑，其侧面的墙上有一幅大步行走的巨大人像。这个人像由毛茸茸的小球拼成：橘色的、米色的、黄色的，还有蓝色的，它们代表了人体内的微生物。他向路过的游客挥手，仿佛在友好地邀请他们进来参观这座微生物博物馆（Micropia）。这是全世界第一座以微生物为主题的博物馆。

总的来说，无菌动物非常可怜，它们生命历程中的每一个关键节点，几乎都需要人工替代品来补充所缺乏的细菌，”西奥多·罗斯伯里写道，“它就像一个脆弱的孩子，我们只能把它放在玻璃后面，隔绝外界所有的侵害。”

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罗拉·胡珀（Lora Hooper）给无菌小鼠注射一种常见的肠道菌——多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron ，或 B-theta）后证明了这一点。7 她发现，微生物激活了小鼠体内多方面的基因，涉及对营养物质的吸收、建立不渗透的屏障、分解毒素、建造血管，以及创建成熟细胞等。换言之，该微生物教会了小鼠如何使用小鼠自己的基因，进而打造出一个健康的肠道环境。8 发育生物学家斯科特·吉尔伯特（Scott Gilbert）把这个模式称为共同发育（co-development）。

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一只无菌小鼠看起来仍然像小鼠，走路像小鼠，叫声也像小鼠，因此，除掉细菌后并不会突然得到另一种完全不同的动物。但是无菌动物只能生活在安全的环境中：一个恒温、有充足的食物和饮水、没有捕食者和任何形式的传染源的安全气泡之中。在残酷的野外，它们无法生存很长时间。它们可以存在，但可能无法存续。它们可以单独发育，但与微生物伙伴一起显然可以过得更好。

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金的研究生罗茜·阿列加多（Rosie Alegado）取了原始水样，分离了其中的微生物，一种种地单独喂给领鞭。在64种不同的微生物中，只有一种细菌让“玫瑰丛”恢复形成了菌落。这解释了为什么金之前的实验从未成功过：因为只有遇到正确的微生物，它们才会形成“玫瑰丛”菌落。阿列加多确定了这种细菌的身份，并将其命名为马岛噬冷菌（Algoriphagus machipongonensis ）③ ：这是一种新的微生物，与我们肠道中的主要菌类同属拟杆菌。13 她还确定了细菌诱导“玫瑰丛”菌落形成的过程：通过释放名为 RIF-1的类脂肪分子。阿列加多解释道：“我把它称为 RIF，代表 rosetta-inducing factor（‘玫瑰丛’诱导因子），然后标上数字1，因为我敢肯定这个过程中还有其他细菌参与。”她说对了。自那以后，他们的团队还识别出了其他一些微生物。它们聚拢领鞭，使后者以菌落形式存在。 阿列加多怀疑，这种现象的形成很可能意味着附近有食物。领鞭作为一个群体，比单个个体更擅长捕捉细菌，所以它们一感到细菌靠近便会联合起来。“我觉得领鞭就像聚在一起窃听，”阿列加多说道，“它们缓慢地游动着，拟杆菌则指示它们进入一个富含食物资源的区域，之后便开始形成‘玫瑰丛’。”

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哈德菲尔德发现，夏威夷水域中的许多菌株，只有少数几种能诱导盘管虫变态，仅有一种会起到强烈作用。这种细菌有一个特别绕口的名字：藤黄紫假交替单胞菌（Pseudoalteromonas luteoviolacea ）。还好，哈德菲尔德以 P-luteo 称呼它就行。这种微生物比其他任何微生物都更擅长把幼虫转变为成虫。如果没有这种细菌，幼虫就永远不会成熟。16 它们并不是例外。海绵的幼体也会降落到菌膜表面，遇到细菌后便转变为成体。贻贝、藤壶、海鞘和珊瑚也是如此。要对亚里士多德说声抱歉：牡蛎也在这份名单上。长着触手的贝螅（Hydractinia ）是水母和海葵的近亲，必须接触到寄居蟹壳里的一种细菌后才开始成熟。海洋里充满了这些动物的幼体，它们只有接触细菌后才会完成完整的生命周期。对 P-luteo 来说，成长过程尤其如此。

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哈德菲尔德认为可以更简单地解释细菌的价值。菌膜的存在为动物的幼体提供了很多重要的生存信息：（1）有一个提供可附着表面的固体底物；（2）细菌已经在这里存在了一段时间；（3）周围环境中没有太多毒素；（4）有足够的营养来维持微生物的生存。这些都是促使它们定居下来的充分条件。更有价值的问题也许是，为什么不以细菌为线索呢？或者说，你还有什么别的选择呢？“当第一个海洋动物的幼体准备找地方落脚的时候，没有一处表面是干净的，”哈德菲尔德的这番话也呼应了罗尔斯和金的看法，“所有地方都覆盖着细菌。这并不奇怪，这些细菌群落的差异，将成为寻找定居点的最初线索。”

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奥利弗·萨克斯（Oliver Sacks）④ 曾说过：“对有机体的独立存续而言，没什么比维护一个恒定的内部环境更重要——无论是大象还是原生动物，都是如此。”19 而微生物在这其中扮演了至关重要的角色。它们影响脂肪的储存，有助于修复肠道和皮肤的表皮，用新的细胞更换受损和死亡的细胞。它们确保血脑屏障的不可侵犯：那里的细胞紧密衔接，允许营养物质和小分子从血液传递到大脑，但把较大的物质和活体细胞挡在外面。它们甚至会影响骨骼的重塑，新骨一刻不停地形成，旧骨又被重新吸收。

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炎症必须在正确的时间点被触发，并适当地加以控制。抑制和激活它同样重要。而这两方面的工作，微生物都能胜任。有些微生物会刺激“鹰派”免疫细胞的反应、触发炎症，另一些则会诱发“鸽派”抗炎细胞。24 它们把人体状态平衡在二者之间，使我们能够应对威胁做出反应，但又不至于过度反应。没有它们，这种平衡会消失，这就是为什么无菌小鼠既容易发生感染，又容易患上自身免疫性疾病，因为它们既不能在威胁入侵时让免疫系统做出合适的应答，也不能在相对安全时阻止不恰当的反应发生。

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人的腋下和一只鬣狗的臭腺并无太大区别：温暖，湿润，富含细菌。每一个物种都会制造自己的“芳香”。棒状杆菌（Corynebacterium ）把汗水转换成闻起来像洋葱的东西，把睾酮转换成闻起来像香草、尿液或者什么都不像的物质，这些完全取决于闻者的基因。这些气味都在传递有用的信号吗？当然！腋下的微生物构成出奇地稳定，腋窝的气味也一样。每个人都有自己独特的气味。在几例相关研究实验中，志愿者能通过各自 T 恤上的气味辨别出不同的人，甚至还成功匹配了同卵双胞胎的气味。也许，像鬣狗一样，我们还可以嗅探到自己身上的微生物所发出的信号，以此来收集对方发出的消息。

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这一切都是怎么发生的呢？为什么会出现这样的状况？以下恐怕是最佳猜想：在怀孕小鼠身上模拟病毒感染会触发免疫反应，后果是，它们产下的后代，其肠道特别容易渗漏，肠道中的微生物群落也很不寻常。这些微生物产生化学物质透入血液，再进入大脑，从而引发不正常行为。其中的罪魁祸首是一种名为4-乙基苯基硫酸盐（4-ethylphenylsulfate ，缩写为4EPS）的毒素，它能使健康的动物产生焦虑症状。小鼠吞下 B-frag 后，这种微生物会帮助封死它们的肠道，把4EPS（和其他物质）挡在血管外，防止其影响大脑，从而扭转异常症状。 帕特森于2014年去世，马兹马尼亚仍在继续这位朋友的研究。他的长期目标是开发一种细菌，人们吞服后便可以控制一些难以治疗的自闭症症状。开发备选可能是 B-frag：它在小鼠身上的实验效果不错，而且恰好是自闭症患者肠道内最缺乏的微生物。自闭症孩子的父母了解到他的研究后经常发来电子邮件，询问可以去哪里获得这种细菌。很多这样的父母已经给他们的孩子服用了益生菌，帮助解决肠道问题。一些父母表示，孩子的行为已经有所改善。除了这些个别反馈，马兹马尼亚还想收集更坚实的临床证据。他对前景充满信心。

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我们的肠道微生物则不同，它们是我们生命中的自然组成。它们帮助塑造了肠道、免疫系统、神经系统等身体部位，造福我们。但是，我们不能因此而陷入一种虚假的安全感。共生的微生物仍然自成一体，它们也需要拓展自己的利益，在演化的战场上拼杀。它们可以是我们的合作伙伴，但不是我们的朋友。即使在最和谐的共生关系中，也总有冲突、自私和背叛。

理查德·斯陶特海默（Richard Stouthamer）发现了一组进行无性生殖、实际上全为雌性的黄蜂，它们完全通过克隆来繁殖。这种特性正是拜细菌沃尔巴克氏体所赐：当斯陶特海默给黄蜂用抗生素杀死细菌后，雄性又突然出现，不同性别的个体再次开始交配。蒂埃里·里戈（Thierry Rigaud）在木虱中发现了一种细菌，它会干扰雄激素的产生，从而把雄性转化为雌性——而这种细菌，也是沃尔巴克氏体。在斐济和萨摩亚，格雷格·赫斯特（Greg Hurst）发现，美丽的幻紫斑蛱蝶的雄性胚胎总是被一种细菌杀死，从而使得雌雄比超过了100∶1。这里的罪魁祸首，还是沃尔巴克氏体。也许具体种类不完全一致，但这些与赫蒂希和沃尔巴克在他们抓到的蚊子中找到的微生物大致相同，只是版本不同罢了。2 这种细菌所采用的全部策略都不利于雄性，因为沃尔巴克氏体只能通过动物的卵把自己传递到下一代宿主，而精子太小，容纳不下它们。雌性给了它们通向未来的车票，雄性只会带着它们走入演化的死胡同。所以，沃尔巴克氏体演化出了许多方法，欺骗雄性宿主，扩大雌性群体占有的地盘。它像赫斯特的蝴蝶一样杀死雄性，或者像里高的木虱一样使雄性变成雌性，甚至可以像斯陶特海默的黄蜂一样允许雌性无性繁殖，完全排除雄性存在的必要。这些手段都不是沃尔巴克氏体独有的，但它是唯一能够用全这些策略的

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到了秋天，如果你有机会去到欧洲的苹果园，便能见证沃尔巴克氏体最惊人的用处。在苹果树黄橙相间的叶片上，你可能会发现一些绿色的斑点，仿佛在对抗季节性的枯萎。这是斑幕潜叶蛾制造的结果，它的幼虫住在苹果树的叶片里，且几乎都携带着沃尔巴克氏体。微生物在这种昆虫体内释放激素，阻止叶片变黄枯萎。它们让幼虫拖慢秋天的脚步，给自己足够的时间蜕化成蛾。如果消灭了沃尔巴克氏体，叶片便会凋零，里面的毛虫也会随之死去。

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诸如互助、共生、共栖、病原体或寄生虫等标签，并不完全指一种固定的身份，更像是代表了当下的一种状态，与饥饿、清醒、活着类似；抑或是一种行为，比如合作或战斗。它们是形容词和动词，而不是名词：它们描述的是两个伙伴在何时何地如何彼此关联。

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一些细胞会因为伤口或擦破了皮而裂开，其中的线粒体片段便会溅入你的血液。要知道，这些片段仍然保留了它们自古以来的细菌特性。你的免疫系统发现它们后，会错误地认为体内发生了感染，于是会建立起强大的防御机制。如果损伤严重而释放出足够多的线粒体，那就可能导致全身性炎症，而这种全身性炎症反应综合征（SIRS）甚至会危及生命。10 SIRS 比最初的伤口更糟糕。荒唐的是，线粒体已经历经了20多亿年的驯化，而人体再面对它时依然会错误地过度反应。

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这些原则很容易被遗忘。我们喜欢非黑即白的叙事，英雄与恶棍泾渭分明。过去几年，我见证了从“所有细菌必须被消灭”到 “细菌是我们的朋友，希望它们帮助我们”的转向。但是后者与前者是同一种错误的一体两面。我们并不能因为某种特定的微生物生存在我们体内，就简单地假设它是“好”的。甚至连科学家有时也会忘记这点。“共生”这一术语原有的意义已经扭曲，其原本的中立含义“共同生活”被注入了积极色彩，浅薄地暗示着合作与和谐的内涵。但这不是演化的真实面貌，它不一定利于合作，即使结果符合双方利益；它甚至会为最和谐的关系绑上导致冲突的定时炸弹。

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微生物可以很容易地从有益的盟友转换为致命的威胁，一切都取决于它们身处何方。所以许多动物体内设置了屏障，把微生物团团围住。

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几乎所有动物都使用黏液来覆盖暴露在外的身体组织。对人体而言，这些组织包括肠道、肺、鼻子和生殖器；对珊瑚而言，黏液几乎覆盖了所有地方。这些黏性物质是一道物理屏障。黏液由黏蛋白大分子构成：每个分子都由蛋白质构成一条主链，然后分出千万个糖分子分支。这些糖允许多个黏蛋白缠结在一起，形成一片密集、几乎不可渗透的荆棘丛，这一道黏液长城能够阻止有害微生物穿透并进入身体。如果这道防线还不足以构成威慑，那么身体会派出病毒严加看守。 看到病毒二字，你可能会想到埃博拉、艾滋病毒或流感病毒：它们导致疾病，是臭名昭著的恶棍。但大多数病毒主要感染和杀死微生物。它们便是噬菌体，顾名思义，就是细菌吞噬者。它们长有犄角的头部由细长的腿支撑着，好似搭载阿姆斯特朗的“阿波罗”号登月探测器。一旦接触细菌，它们便会把自己的 DNA 注入其中，把该微生物变成制造更多噬菌体的工厂。最终，它们会以致命的方式从微生物宿主中释放出来。噬菌体并不感染动物，其数量也远大于感染动物的病毒。人类肠道中数以万亿计的微生物，能支持数以千万亿计的噬菌体。

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几年前，罗威尔团队的成员杰里米·巴尔（Jeremy Barr）注意到，噬菌体特别喜欢黏液。在一般环境下，细菌细胞和噬菌体的比例大致是1∶10。23 而在黏液中，这个比例达到了1∶40。在人类的牙龈、小鼠的肠道、鱼皮、海生蠕虫、海葵和珊瑚中，噬菌体也差不多以4倍于宿主的比例存在着。试想象，成群结队的噬菌体，伸长

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以哺乳动物的肠道为例。其上覆盖了两层黏液：内层非常致密，直接覆盖在上皮细胞上；外层则相对松散。外层的黏液中充满了噬菌体，但也能令微生物在此立足、建立繁荣的菌落，形成一片丰饶之地。相比之下，致密的内层只含有非常少的微生物，这是因为上皮细胞会向这个区域喷射充足的抗菌肽（AMPs）——这种小分子“子弹”能够驱逐侵入其中的微生物。它们创造了罗拉·霍珀口中的“非军事区”：一个紧靠肠道内衬的区域，微生物不能在此定居。25 如果有任何微生物能成功地穿过黏液、噬菌体和抗菌肽的重重防守，并偷偷地穿过上皮细胞——不必高兴得太早，因为另一边还有一个营的免疫细胞等着吞噬并销毁它们。这些免疫细胞不只停驻在一边，而是会十分主动地穿过上皮细胞去检查另一侧的微生物，仿佛透过栅栏的板条向另一边窥探。它们一旦在“非军事区”发现细菌，就会马上开始实施抓捕，再把它们带到另一边吃掉。吃多了这些不守规矩的“犯罪分子”，免疫系统也就愈发清楚哪些细菌会在黏液中逗留，从而可以提前制备抗体，准备其他合适的对策。26 黏液、抗菌肽和抗体也会左右人体决定哪些微生物可以留在肠道中。27 科学家培育了一种或多种缺失这些成分的突变小鼠，它们体内的微生物会变得不正常，通常会患上某种炎症性疾病。所以，肠道的免疫系统并不是一道不加鉴别的屏障，它不会随意击倒任何正在接近的微生物，而是有选择地施加控制。它的反应很活跃：例如，许多细菌分子刺激肠细胞产生更多黏液；细菌越多，肠道就变得越坚固。同样地，肠细胞接收到细菌出没的信号时会释放抗菌肽，它们并不会持续朝 “非军事区”扫射，而是等目标靠太近时才开火。28 你可以把这个过程视为免疫系统对微生物组的校准：微生物越多，免疫系统就阻击得越猛烈。或者你也可以说，微生物也在校准免疫系统：触发免疫系统的反应，为自己创造一个合适的生态位，同时置竞争对手于不利之境。如果你认为我们最常见的肠道微生物在不断地适应、力争与免疫系统共存的话，那么后一种看法更能解释问题。传统观点认为，免疫系统就是要摧毁那些致病微生物，然而上述种种提供了截然不同的见解。当我写作本书时，维基百科仍然把免疫系统定义为“由一系列生物体结构和生理机制组成的疾病防御系统”。③ 免疫系统的激活是因为它探测到了病原体的存在：视其为威胁，然后清除。然而对许多科学家而言，防止病原体入侵只是一项额外技能。免疫系统的主要功能是管理我们与体内常驻微生物的关系：更关乎平衡和良好的管理，而不是防御和破坏。

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30 人们通常认为婴儿此时的免疫系统尚不成熟，但事实并非如此，是它故意给微生物敞开了一扇可以自由进入的窗口，让后者得以生存生长。但是，没有免疫系统的选择能力，哺乳动物的婴儿如何确保获得正确的微生物菌群呢？ 母亲会帮助他们。母乳中富含控制成年人微生物菌群的抗体，婴儿通过母乳摄取这些抗体。

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每种哺乳动物都会分泌乳汁，但出于某种原因，人类的母亲混合出了一种特殊的母乳——截至目前，科学家已经识别出了200多种人乳低聚糖，简称 HMO 。32 这是人乳中继乳糖和脂肪后的第三大组成部分，它们理应是婴儿成长过程中丰富的能量来源之一。 但是，婴儿并不能消化它们。 杰曼第一次听说人乳低聚糖时，简直目瞪口呆。为什么母亲要耗上大量能量制造这些复杂的物质，但没办法为婴儿消化，也因而无助于其成长？为什么自然选择没有淘汰这种吃力不讨好的做法？线索在这里：这些低聚糖能够完好无损地通过胃和小肠，最后抵达大肠——那里生活着大多数细菌。那么，低聚糖也许并不是给婴儿的食物，而是给微生物的食物？

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婴儿双歧杆菌占据地盘，也赚取相应的回报。它消化 HMO 时，会释放短链脂肪酸（SCFAs）喂养婴儿的肠道细胞。因此，当母亲用母乳滋养这种微生物时，后者也会反过来养育婴儿。通过直接接触肠道细胞，婴儿双歧杆菌还刺激它们制造黏附蛋白，密封肠道细胞间的间隙，另外也会制造调整免疫系统的抗炎分子。这些变化，只在婴儿双歧杆菌食用 HMO 而生长时才会发生。如果它得到的是其他乳糖，那么也能生存下来，但不会参与和婴儿细胞相关的任何互动。它只有在接受母乳喂养时才能释放出全部的有益潜能。同样，对一个孩子而言，母乳可以提供的所有好处也必须经由婴儿双歧杆菌才能实现。36 因此，与杰曼合作的微生物学家大卫·米尔斯（David Mills），实际上是把婴儿双歧杆菌视为母乳的一部分，尽管这一部分并不由乳房分泌。

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在所有的哺乳动物中，人类的母乳脱颖而出：它含有的 HMO 种类是牛奶的5倍，数量更是后者的几百倍之多，就连黑猩猩的母乳也远不及人乳丰富。没有人知道为什么会存在这种差异，不过米尔斯提供了几种可靠的猜想，其中一项与我们的大脑有关。以人类这样的灵长类动物而言，与我们的身长相比，大脑的尺寸可以说非常惊人，而且其快速生长阶段主要集中在我们出生后的第一年内。这种快速生长，部分取决于一种名为唾液酸的营养物质，而它恰巧也是婴儿双歧杆菌食用 HMO 时所释放出来的。如果好好喂养这种细菌，母亲的确可能喂养出更聪明的宝宝。这可能解释了，为什么与独来独往的猿猴相比，社会性强的猿猴，其母乳中的低聚糖含量更高，所含种类也更多样。如果生活在更大的群体中，个体需要记住更多的社会关系、管理更多的伙伴关系、与更多的对手过招。许多科学家认为，这些需求驱动了灵长类动物的智力演化，也许也促进了 HMO 的多样发展。 另一种猜想与疾病有关。病原体可以很容易地从一个宿主跳到另一个宿主身上，所以群居动物需要保护自己免受传染病感染。HMO 提供了这样一道防御机制。当病原体感染我们的肠道时，它们几乎总是第一时间缠住附着在肠道细胞表面的多糖。但是，HMO 与这些肠道中的多糖具有惊人的相似之处，因此病原体有时会转而缠住它们。它们可以作为诱饵，转移攻击婴儿自身细胞的火力。它们可以阻止一连串在肠道内为非作歹的 “坏菌”：沙门氏菌（Salmonella ）、李斯特菌（Listeria ）、霍乱弧菌（Vibrio cholerae ，导致霍乱的罪魁祸首）、空肠弯曲菌（Campylobacter jejuni ，细菌性腹泻的最常见诱因）、痢疾内变形虫（Entamoeba histolytica ，一种凶残的变形虫，会引起痢疾，每年致死10万人），以及许多大肠杆菌强毒株。它们甚至可能阻止艾滋病毒——这也许解释了，为什么大多数携带 HIV 病毒的母亲用母乳喂养时不会感染婴儿，尽管母乳本身携带病毒。每当有 HMO 存在时，即使科学家散播了病原体，培养出来的细胞也总是毫发无损。这有助于解释，与用奶粉喂养的婴儿相比，为什么用母乳喂养的婴儿更少发生肠道感染，以及其体内为什么存在这么多种 HMO。“这是有原因的，因为只有足够多样的 HMO 才能针对包括病毒和细菌在内的不同病原体，”米尔斯表示，“我认为，这种惊人的多样性为我们提供了一整套保护措施。”

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母乳到底是什么？杰曼是对的：它远不止是一袋化学成分；它同时滋养着婴儿和婴儿双歧杆菌。这是一个初步的免疫系统，可以防止更邪恶的微生物入侵。母亲正是通过这种方式，从第一天开始就确保宝宝能交上正确的伙伴。39 母乳帮助宝宝为迎战未来的生活挑战做好准备。

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从短期来看，它们相安无事；但从长期来看……谁知道呢？如果霍奇金氏菌继续分裂成越来越小的碎片，而且所有碎片都至关重要，那么整个菌群将陷入难以置信的危险境地，一处细微的损失就可能令整体走向灭亡。“这就像眼睁睁地看着火车撞得粉碎，或是目睹一起放慢镜头的灭绝事件，”麦卡琴说道，“它让我对共生有了不同的看法。”他之前总是把共生视为一种积极的力量，认为共生能为合作伙伴提供好处与机会，但现在却发现它也可以是一个陷阱，合作伙伴在依赖共生的过程中变得越来越脆弱。麦卡琴的前导师南希·莫兰（Nancy Moran）称这是一个“演化的兔子洞”（《爱丽丝漫游仙境》中的隐喻），意思是，这是“踏上了一场不可逆转的旅程，进入了一个非常奇怪的世界，普通的规则均不再适用”。47 一旦合作双方不慎跌入兔子洞，二者都很难再度逃离。洞的底部没有奇迹 ，等待它们的只有灭绝。

珊瑚的身体只有这么多地方可供微生物生存，只有这么多食物来源。如果有益的物种填充了这些生态位，危险的物种便不能侵入，如此多样的微生物群落只要简简单单地存在，就可以搭建起封锁疾病的网络。这种效应便是定植抗性（colonization resistance）。珊瑚一旦遭到破坏，就很容易感染疾病。

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一些藻类是珊瑚的盟友。它们住在珊瑚的细胞里，为珊瑚提供食物，或形成珊瑚坚固的粉红色外壳，把分散的珊瑚群落连成一片坚固的整体。但肉质藻是与珊瑚竞争生存空间的敌人。如果肉质藻数量上升，珊瑚数量就会下降，反之亦然。大多数珊瑚礁中生活着龙舌鱼和鹦嘴鱼这样的食草鱼类，它们会像修建草坪一样啃食这些肉质藻，使它们保持在一定数量以下。但是，人类用矛、钩子和网杀死了这些食草鱼类。不仅如此，我们还杀死了鲨鱼这样的顶级捕食者，导致中型捕食者的群体数量急剧增加，进而捕食这些食草鱼类。无论如何，藻类都占了便宜。修剪好的草坪变成了杂草丛生之地，附近的珊瑚开始死亡。

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事实证明，导致这一切的是溶解在海水中的有机碳（简写为 DOC），从本质上而言，就是水中的糖和碳水化合物。藻类在珊瑚礁上茂密生长时，会产生大量的 DOC，并为珊瑚的微生物提供充足的食物。这些藻糖通常会沿着食物链向上流动，被食草鱼类摄入，最后进入鲨鱼体内；一条鲨鱼体内含有数吨藻类储存的能量。但是如果鲨鱼死亡，这些糖类就不再为鱼类供能，而是滞留在食物链的底层，成为微生物细胞的组成部分。微生物大快朵颐，因为爆炸性地增长而消耗完了周围的氧气，也继而窒息了珊瑚。

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人类可以通过意想不到的方式开启这种恶性循环。2007年，一艘长约26米的渔船在金曼礁上搁浅，原因可能是发动机起火。这艘渔船从哪儿来、是什么号、船员怎样了，我们都不知道。出乎意料的是，它造成了令人瞩目的影响。船舶解体后，碎片落在底下的礁石上，制造出了长达一千米的“死亡区”。这些珊瑚并没有变成常见的白色碎块，而是覆满了深色的藻类，周围的海水也变得极其浑浊。这就是 “黑礁”，就仿佛海底版的托尔金笔下的“魔多”① 。铁矿落在营养不良的生态系统中后，通常会导致这一场景。作为肉质藻类的肥料，铁能使其疯狂生长，甚至连食草鱼类都没法在短时间内把它们吃回正常数量。接着，这些藻类会触发罗威尔的恶性循环：更多的 DOC，更多的微生物，更多的病原体，更多的疾病，更多的死珊瑚。

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该疾病没有一个明显的罪魁祸首，4 病状均由微生物菌群引起，后者从健康的构型转变为损害宿主的构型。单个细菌本身并不是病原体，但整个菌群合在一起就转入了致病状态。可以用一个词来描述这种状态：生态失调（dysbiosis）。5 该术语描述的是不平衡与不和谐代替了和谐与合作的状态。这是共生的黑暗面，也是迄今为止我们关注过的所有主题的黑暗面。

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一种名为嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila ）③ 的细菌是一种较为常见的肠道细菌，在正常小鼠体内的数量比遗传性易胖小鼠多了近3,000倍。肥胖的小鼠摄入这种细菌后，体重会下降，且较少显示出 II 型糖尿病的患病迹象。肠道微生物也部分解释了胃旁路手术为什么能取得显著成功：这是一种根治肥胖的手术，把胃缩到鸡蛋大小，并直接连到小肠。术后，患者通常会掉几十千克体重。人们通常认为，这与胃部缩小有关。但这一手术也重组了肠道微生物组，增加了各种微生物的数量，包括上面提到的嗜黏蛋白阿克曼氏菌。如果把这些重组的菌群移植到无菌小鼠体内，它们的体重也会下降。

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苏珊·林奇（Susan Lynch）收集了16个家庭的灰尘，发现那些没有毛茸茸宠物的家庭堪称“微生物沙漠”，而那些养猫养狗的家庭会有更多的微生物物种。23 原来，宠物作为人类最好的朋友，也让人类的老朋友微生物搭了便车。 狗把微生物从户外带入室内，为我们提供了一个更大的物种库，丰富了正在发展的微生物组。林奇把这些与狗相关的尘埃中的微生物喂给小鼠，发现这些啮齿动物变得对各种过敏原都不那么敏感。这些灰尘大餐让小鼠的肠道增加了100多种细菌，且其中至少有一种可以保护小鼠免受过敏原侵害。这便是卫生假说及其衍生学说的言下之意：接触更广泛的微生物种群可以改变生物体内的微生物组，并抑制过敏性炎症。至少，这在小鼠实验中成立。

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膳食纤维则具有相反的效果。膳食纤维是一个统称，即指我们的微生物可以消化的各种复杂植物碳水化合物。

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从郊区度完假回到实验室的英国化学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）注意到一个霉菌落在了他的细菌培养皿里，发现它杀死了周围的微生物。弗莱明从那个霉菌中分离出了一种化学物质，并将其命名为青霉素。十几年后，霍华德·弗洛里（Howard Florey）和恩斯特·查因（Ernst Chain）发明了一种大规模生产该物质的方法，继而把这种毫不起眼的化学物质变成了第二次世界大战期间无数盟军的救星。

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但米尔斯还是提供了一个推断。他指出，婴儿双歧杆菌似乎在成年阶段从肠道中消失，这意味着母亲可能无法把它传递给孩子。这在人类历史中的大多数时候都不成问题，因为女性常常会互相帮助，喂养彼此的婴儿。米尔斯说：“（一个大家族中）总有需要喂奶的婴儿，婴儿双歧杆菌在他们和他们的母亲之间传递。”但是，随着现代家庭的育婴过程变得更加孤立，传递细菌的链条被打破了。也许，这就是为什么微生物开始从西方国家的人群中消失，即使通过母乳喂养的婴儿也难以幸免。如果婴儿双歧杆菌一开始就不存在，母乳也无法滋养它。无论这个推断是否正确，可以肯定的是，婴儿双歧杆菌正一步步地趋近濒危微生物的名单。

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即使微生物组发生变化，其中的原因也可能十分令人费解。阴道内的菌群可以在一天之内迅速变化，时而呈现出致病状态，时而又恢复正常，但却没有明确的成因或不良影响。如果试图通过分析阴道微生物来确定一位女性的健康状况，那将很难解释测得的结果，并且该结果可能已经过时。针对身体其他部位的测试也是如此。

你不需要用树枝刺穿自己。可以通过交配接触微生物：蚜虫交配时可以通过微生物来帮助彼此防御寄生虫或忍受高温。吃东西也可以：木虱可以通过捕食同类来获取微生物。小鼠可以通过吃掉其他小鼠的粪便来获取对方的细菌。如果两只臭虫恰好在吸食同一株植物，那么它们可以通过回流的消化物传递微生物。每个人每吞下一克食物，平均会吞下约100万个微生物。正因为微生物无处不在，无论是水、植物的茎或是另一种动物的肉，几乎所有食物都是新共生体的潜在来源。

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马丁·卡尔滕波特（Martin Kaltenpoth）在研究狼蜂的行为时，注意到有白色的液体从一个标本的触角中流出来。他以前看到过这种物质。为了产卵，雌蜂会挖一个洞穴，而在往里产卵之前，它会把触角按压在泥土上，像挤牙膏一样从中挤出一些白色物质，然后摇晃头部，把分泌物涂抹在洞穴顶部。经过涂抹的位置标志着出口，可以告诉新孵化的狼蜂，离开这个洞穴时应该从哪儿开始挖掘。卡尔滕波特在显微镜下观察这些分泌物时，惊讶地发现里面充满了细菌。狼蜂是用触角分泌微生物的蜂类？此前还没人听说过这样的奇闻。更神奇的是，每只狼蜂分泌的都是同一种细菌：链霉菌（Streptomyces ）菌株。 这是一条极其重要的线索。链霉菌十分擅长杀死其他微生物，我们使用的抗生素有2/3都来源于这种细菌。一只幼小的狼蜂肯定需要抗生素。它吃完母亲为它储备的蜜蜂后，会织茧过冬。整整九个月，它都困在一个温暖、潮湿的房间内，而这恰恰是滋养病原真菌和细菌的完美环境。卡尔腾波特认为，母亲的抗生素分泌物，可能可以帮助幼虫免遭致命的感染。实际上，当他仔细观察幼虫时，他发现它们能把这种含有细菌的分泌物掺入茧的纤维中，就相当于给自己织了一床抗生素棉被。卡尔滕波特移除这种白色分泌物后，几乎所有狼蜂都在一个月内死于真菌感染。7 如果有白色分泌物，它们通常都能存活下来。春天一到，成年狼蜂破茧而出，之后再次通过触角分泌的链霉菌，守卫自己过冬。它们自己挖洞、捕捉蜜蜂，并把这些救命的微生物传给后代。

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最可靠且能打造出最亲密共生关系的传播途径，是直接向卵细胞中添加微生物。为我们提供能量的线粒体，其前身也是一种细菌；它已经存在于动物的卵细胞中，所以母亲不需要采取额外的手段就能把它们传递给孩子。而深海蛤、海扁虫和无数昆虫等都采用“进口”策略引入其他微生物。从成为受精卵的那一刻起，微生物就伴随着动物的成长发育。动物从不孤独。

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近年来的一些研究显示，在羊水、脐带血和胎盘等所谓的无菌组织中，都发现过微生物 DNA 的痕迹。这大大挑战了“无菌子宫”这一概念（但这些研究还极具争议）。12 目前尚不清楚微生物是如何到达这些地方的，以及它们的存在是否重要，甚至是否真的存在。因为这些 DNA 可能来自死去的细胞，或是某些污染了实验的细菌。蒂西耶的“无菌子宫”假说可能是错的，但肯定还没有被彻底推翻。

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即使动物不从亲本身上垂直地遗传微生物，它们仍有办法在水平方向上“捕捉”合适的共生体。许多动物通过排出微生物而把周围打造成充满微生物的环境，使后代可以拾取它们。13 其他动物甚至会采取更直接的方式。比如白蚁，用格雷格·赫斯特（Greg Hurst）的话来说，“（幼虫）直接舔舐肛门，或者换用较为专业的术语，它们进行‘直肠交哺’（proctodeal trophollaxis）。”考拉这样的动物需要微生物来消化食物（即木质纤维素），它们通过吸收母体分泌的半流质体达成目标。但是白蚁不像考拉，它每次蜕皮都会失去肠道内衬和其上的所有微生物，所以经常需要舔舐兄弟姐妹的“后门”来补充微生物。我们可能觉得这种习惯令人生理不适，但放眼动物世界，我们对粪便的厌恶反而显得很不寻常。牛、大象、熊猫、大猩猩、老鼠、兔子、狗、鬣蜥、葬甲、蟑螂和苍蝇等许多我们熟知的动物都具有粪食性（coprophagy），即经常吃彼此的粪便。

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以美国一群轮滑对抗赛（Roller Derby，一种有大量身体接触的轮滑比赛）球员为对象开展的研究，为这种趋同现象提供了一例最好的说明。球员与队友分享皮肤细菌，不同的队伍有自己独特的菌群。但在比赛中，两队会在赛道上发生冲撞，所以他们的皮肤微生物会暂时趋同。“接触”孕育了“相同”。在这曲漫长的华尔兹中，不同的人也会撞到彼此。

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《延伸的表现型》（Extended Phenotype ）是理查德·道金斯（Richard Dawkins）的代表作之一，他在那本书中提出了一个想法，即动物的基因（基因型）不仅仅塑造了它的身体（表现型），也间接地塑造了动物的生境。河狸的基因构建了河狸的身体，而河狸会筑造水坝，因此可以说是这些基因改径了河道。鸟的基因造就了一只鸟，鸟又会筑巢；我的基因塑造了我的眼睛、手和大脑，我写出了这本书。水坝、鸟巢和书，这些都是道金斯所说的“延伸的表现型”。它们是一种生物的基因延伸出其身体之外的产物。从一定程度上而言，我们的微生物组也是如此。基因塑造了促进特定微生物生长的环境，因此可以说它们也受到动物基因的形塑。虽然微生物在宿主体内，但它们也是一个延伸的表现型，与河狸筑的水坝没什么不同。 但这种比较并不能完全说明问题，因为不似河狸坝或者本书，微生物本身是鲜活的生命。它们有自己的基因，其中一些对它们自身而言很重要，甚至是必不可少的。它们是宿主基因组的延伸，反过来，宿主也是微生物基因组的延伸！所以一些科学家认为，从概念上分离它们没有意义。动物挑选微生物，微生物也挑选宿主，二者世世代代都组成伙伴关系，彼此紧密联结，可能把它们视为统一的实体更能说明问题。也许，我们应该把它们想象成整体。

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内共生贯穿了马古利斯的职业生涯，也影响了她对世界的看法。她为生物之间的联系所吸引。她意识到，每个生物都生活在一个群落中，与其他许多生物相关联。1991年，她创造了一个词来描述这种关系：全功能体（holobiont）② 。该词来源于希腊语，意为“整个生命单位”。22 它指的是一个有机体的集合，它们于生命中的重要阶段集中在一起生活。狼蜂的“全功能体”是狼蜂自己加上触角中所有的细菌；本人的“全功能体”是我，埃德·扬，再加上我身上的细菌、真菌、病毒，等等。 以色列夫妇尤金·罗森伯格（Eugene Rosenberg）和伊拉娜·齐尔伯-罗森伯格（Ilana Zilber-Rosenberg）听到这个词时就被迷住了。他们一直在研究珊瑚，把这些动物视为一个集合体，认为它们的命运取决于细胞中的藻类，以及周围的其他微生物。视它们为统一的集群是有意义的。他们意识到，只有解释清楚整个珊瑚全功能体的运作，才能彻底理解珊瑚礁的健康状况。 罗森伯格把全功能体的概念推广到基因界。演化生物学家已经开始把动物和其他生物体视为它们各自的基因载体（vehicles）。创造最优载体的基因，比如最快的猎豹、最硬的珊瑚或最美丽的天堂鸟，更有可能传递给下一代。随着时间的推移，这些基因变得更加常见。虽然相应的动物载体也变得常见，但基因才是自然选择的核心，或者用专业术语来说，基因是“选择的单位”。但是我们说的是谁的基因呢？动物不仅依赖于自身的基因，还依赖于微生物的基因，而微生物的基因数量通常是动物自身基因数量的好几倍。同样，微生物也依赖宿主的基因：创建合适的机体，并把相应的性状遗传给自己的后代。对于罗森伯格而言，单独考虑这些 DNA 的集合没有意义。他认为，这些基因也作为单一的实体运作，可以称其为“全基因体”（hologenome），应该被视为自然选择的基本单位。

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这意味着什么呢？请记住，经由自然选择的演化取决于三个条件：个体间必须存在差异（variation）；差异必须是可遗传的（heritable）；各差异必须具有影响其适应性（fitness）——生存和繁殖能力——的潜力。“差异”“遗传”“适应性”，如果满足这三个条件，演化的引擎便会开启，选择出能够连续且更好地适应环境的下一代。动物的基因肯定符合这三个标准。但罗森伯格指出，动物的微生物也是如此。不同的个体可以携带不同的菌群、菌种或菌株，所以存在差异。正如我们前面看到的，动物可以通过许多方法把微生物传给后代，所以，可遗传的条件也满足了。另外我们也将在下文中看到，微生物具有让宿主生存得更好的重要能力，因此，它们也可以影响宿主的适应性。第一个条件满足，第二个满足，第三个也满足，演化引擎启动！随着时间的推移，最能满足生存挑战的全功能体，将把它们的全基因体，即动物加上微生物的基因总和，传递给下一代。动物与微生物以一个整体而演化。这是看待演化的更整体化（holistic）的视角，重新定义了“个体”，并强调了微生物对于动物生命而言的不可分割性。

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然而，全基因体学说的支持者无法使用定量的数学方法，这也让他们的论点处于不利位置。博登施坦因表示：“我们现在还处在早期阶段，人们认为这还是一个偏感性的主题，缺乏严谨的计算。”他也承认，这样的指责是合理的，也希望后来人能弥补这一缺陷。

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现在看来，“共生创造了新物种”仍是一个可能性很高且令人兴奋的想法，但还是需要证明其正确性。已经发现的少数案例本身就拥有非比寻常的意义。

除了半翅目，还有很多其他动物也拥有营养共生体。大约10%至20%的昆虫都依赖这种微生物：它们为昆虫提供维生素、制备蛋白质所需的氨基酸，以及合成激素所需的固醇。8 所有这些活性补充剂，都能让宿主在只能食用缺乏营养的食物（比如植物汁液和血液等）的条件下存活。

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但在深海，生命无法选择依靠阳光生存。它们可以选择过滤海水，捞得那么一点点从海上像落雪一般沉下的有机物碎屑，但若想旺盛地生存，那就需要一个不同的能量来源。对于管虫体内的细菌来说，这种能量来源便是硫，或者更确切地说，是从热液喷口喷出的硫化物。细菌氧化这些化学物质，用氧化所释放的能量固碳，这就是化学合成（chemosynthesis），即使用化学能而不是光或太阳能来合成食物。进行光合作用的植物会把氧气作为一种废弃产物排出体外，进行化学合成的细菌则会排出纯硫，并在管虫的营养体内留下黄色的结晶。

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事实证明，很多动物体内都有进行化学合成的细菌，均使用硫化物或甲烷来固碳。

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地球上的生命起源于深海热液喷口，一开始的存在形式便是能进行化学合成的微生物。（加拉帕戈斯裂谷的一处地点名为“伊甸园”，真是起得恰如其分。）最终，这些微生物先祖精彩地演化成了数不尽的美丽生命，它们从深海发迹，来到浅海。其中一些演化出了更复杂的生命形式，例如动物；还有一些则通过与进行化学合成的细菌合作，又找回了落回深海、抵达另一个世界的演化之路——如果不这么做，深海极其贫瘠的营养氛围根本没办法支持它们的生存。今天包括管虫在内的所有生活在热液喷口处的动物，都是从浅海物种演化而来的，而它们最终成了深海微生物的宿主。通过内化这些细菌，这些动物拿到了返回冥古的车票。那里既是冥古，也是所有生命的源头。

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发酵室的位置还会影响哺乳动物已有的微生物种类。莱发现，前肠发酵动物的微生物组彼此相似，与后肠发酵动物的微生物组差别较大，反之亦然。这些相似之处，甚至超越了物种祖先之间的边界。袋鼠是一种蹦跳在澳大利亚土地上的有袋动物，身穿“条纹裤”、长相与长颈鹿相仿的㺢㹢狓则来自非洲——但这二者都是前肠发酵动物，从广义上而言，它们的微生物组非常相似。后肠发酵动物中也存在类似的现象。17 换言之，微生物左右了哺乳动物肠道的演化，哺乳动物肠道的形态也影响了微生物的演化。

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莫哈韦沙漠上首次出现石炭酸灌木时，可能发生了类似的事：一只林鼠窜入灌丛并决定啃上一口，结果这一口东西让它很不好受；但是冬天食物稀缺，没得挑，于是只好再咬一口。咬下去的每一口中都含有一些微生物，它们存在于石炭酸灌木的表面，也许这些微生物已经演化出分解这些树脂毒素的方法。林鼠吃下这些微生物后，也具有了分解毒素的能力。然后，它在身后留下了充满这种微生物的便便，再被另一只林鼠发现并吃下。分解毒素的能力自此得到传播。石炭酸灌木很快成了莫哈韦沙漠中最常见的植物，而林鼠也获得了食用这种植物的能力。林鼠随时都能从彼此身上获得新的微生物，这也许解释了它们为何能适应得如此成功。

细菌正生活在这样的世界之中。它们可以像交换电话号码、金钱或想法般轻松地交换 DNA。有时它们会侧身靠近，创建一个物理链接，然后在彼此间“运输” DNA：这一过程就相当于它们在交配。它们还可以从周围的环境中捡起其他有机体因为死亡或者腐烂而丢弃的 DNA。它们甚至可以依靠病毒把基因从一个细胞转移到另一个细胞。DNA 自由地在它们之间流动，使得细菌本身特定的基因组总是与其他同类的基因混杂在一起。即使是亲缘关系相近的菌株，也可能存在显著的遗传差异。1 几十亿年来，细菌一直在进行基因的水平转移（horizontal gene transfers，简称 HGT），但直到20世纪20年代，科学家才意识到这个现象的存在。

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“偷取”海洋中的酶的微生物，不只拟杆菌一种。因为一直吃海苔，日本人的肠道微生物已经含有来自海洋物种的消化基因。这样的基因转移不太可能还在进行：现在的厨师会烘烤和烹煮海苔，会消灭任何搭便车的微生物。几个世纪以来，食客只能通过生吃海苔而把这些微生物送入肠道，接着再由大人把含有紫菜多糖酶基因的肠道微生物传递给孩子。直到今天，黑埃曼仍能观察到同样的遗传现象。他的其中一个研究对象是一个没有断奶的女婴，出生之后一口寿司都没吃过；然而与她的母亲一样，她的肠道细菌中含有紫菜多糖酶的基因。女婴体内的微生物一开始就拥有了消化海苔的能力。

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有人认为，城市是创新的中心，因为是城市把人才集中到了同一个地方，让想法与信息可以更自由地流动。同样，动物的身体是遗传创新中心，大量微生物挤在一起，使 DNA 更自由地在彼此之间流动。闭上眼睛，想象一束束基因如何缠在你的体内穿梭，从一个微生物到另一个微生物。我们的身体就是一处繁华的市场，细菌在这里交易遗传物质。

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蚜虫通过性行为获取汉氏抗菌，但并没有把细菌的基因分股注入自己的基因组，而是直接选取了整套“原装”的细菌基因。这与 HGT 很相似，只不过这里的 G 代表基因组（genome），而非基因（gene）。与 HGT 一样，它能使动物很快地，甚至是立刻适应新挑战。

简单的加减逻辑驱动了许多现代的医学思想。相比之下，微生物组的运作逻辑更复杂，因为它们涉及一张不断变化的巨大网络，网络内部相互联结、相互作用。控制微生物组仿佛运行一整个世界，听着就很困难。请记住，微生物菌群具有天然的弹性：被“击中”后会反弹。它们也是不可预测的：如果你改变、调整它们，最终结果可能一发不可收拾。添加一个所谓“有益”的微生物，很可能会挤掉我们同样依赖着的另一些微生物；而丢失一个据说“有害”的微生物，可能会让更糟糕的机会主义者趁机取而代之。这就是为什么塑造整个微生物世界的尝试至今都鲜获成功，令人费解的挫折却频频遭遇。

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以草酸盐为例。甜菜根、芦笋和大黄等食物中都含有这种化学物质。高浓度的草酸盐能够阻止人体吸收钙，并让钙元素凝结成一个硬块。这也是肾结石的一种形成方式。我们不能消化草酸盐，只有微生物才能。一种名为产甲酸草酸杆菌（Oxalobacter formigenes ）的肠道细菌就非常擅长消化草酸盐，草酸是它唯一的能量来源。粗略一看，这与银合欢的消化问题相同：有一种化学物质（草酸盐），明确地引起了一个问题（肾结石），并且可以被一种微生物（产甲酸草酸杆菌）分解。如果你快得肾结石了，解决方案莫过于摄取这种益生菌。不幸的是，这样的益生菌虽然存在，却不是很有效。23 为什么呢？ 有两种可能的答案为我们提供了宝贵的教训。首先，如果只给动物注入细菌，然后坐等其发挥作用，这远远不够。微生物是活物，它们需要食物。产甲酸草酸杆菌只吃草酸盐，而得了肾结石的人通常都吃不含草酸盐的东西。他们当然可以摄取这种细菌，但细菌会立即陷入饥饿状态。24 澳大利亚农民的做法恰恰相反，他们被要求用银合欢喂养牲畜一周以上，再给它们灌食穷氏互养菌。这样，移植的细菌才有足够的食物可以消化。

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即使对于艰难梭菌感染而言，也不能随随便便进行粪便移植，必须对粪便进行严格的筛查，排除诸如肝炎或艾滋病病毒等病原体。一些医生还会拒绝部分捐赠人，因为他们患有与微生物组相关的病症，比如过敏、自身免疫疾病或肥胖等。这个耗时的过程排除了许多人选，最后可能很难找到捐赠者。一些医疗机构已经采取冷冻的办法，把符合标准的粪便样本冷冻起来。37 非营利组织“开放生物群”（OpenBiome）就运营着这样一家粪便银行。潜在的捐赠者如果通过了一系列筛选测试，他们的粪便就会经过过滤、胶囊包装，最后被冷冻起来，陆续送到有需求的医院。38 寇拉茨在明尼苏达州经营着类似的服务。2011年，当他的病人丽贝卡因为新的艰难梭菌感染而回来求助治疗时，寇拉茨用冷冻的粪便样本治愈了她。而2014年她再次返回时，寇拉茨给了她一粒口服胶囊：“她不止一次地试验了新开创的粪便疗法。” 吞下冷冻大便胶囊的行为，也正呼应了粪便移植的奇怪性质。这看起来是一颗普通药丸，但其包装在很大程度上毫无典型特征。每颗药丸都出自一名志愿者之手，而非工厂的流水线，每一次生产都各有不同。这些胶囊之间的差异之大，惊动了美国食品药品监督管理局（FDA）。2013年5月，他们决定把粪便作为一种药物来管理。而这一举动迫使医生在执行粪便移植治疗之前需要填写一份长长的申请。患者和医生均纷纷抱怨，漫长的申请过程让患者无法得到及时的治疗。39 六周后，FDA 把艰难梭菌病例的治疗作为例外，省去了这一程序，但应用于治疗其他疾病时依旧要遵循既定的流程。一些研究人员认为，这些管制非常不必要，且令人沮丧。另一些人则认为，此举恰好给这一产业提供了一次喘息的机会。近年来，人们对粪便移植的兴趣呈指数级增长，针对在各种疾病上尝试该技术的呼声也不断地为研发人员增加压力。 但问题是，还没有人清楚这种做法的长期风险。40 动物实验明确表明，移植微生物组会让接受者更容易肥胖，也容易发展出炎性肠症、糖尿病、精神病、心脏病，甚至癌症等；然而，就任何特定的微生物菌群是否会给人类带来这些健康风险，我们仍然无法准确预测。

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微生物菌群还会影响许多其他药物发挥作用。47 易普利姆玛（Ipilimumab）是目前最热门的一种新型癌症药物，它通过刺激免疫系统攻击肿瘤来发挥作用，但只有存在肠道微生物时才能发挥作用。用于治疗类风湿性关节炎和炎性肠症的柳氮磺胺吡啶（Sulfasalazine），需要肠道微生物将其转化到活性状态才能发挥作用。伊立替康（Irinotecan）用于治疗结肠癌，但一些细菌会加强它的毒性，造成严重的副作用。即使人们目前最熟悉的扑热息痛（有效化学成分是对乙酰氨基酚，acetaminophen），用在不同人身上的效果也不同，因为人们各自携带的微生物不同。我们一次又一次地看到，微生物组的不同会显著改变药物的有效性，哪怕是由单一、性质分明、无生命的化学品构成的药物，也是遇到如此的状况。益生菌或采取粪便移植等治疗手段中包含了极其复杂、人类尚未了解清楚，且自身不断发展变化的多种有机体。

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这个团队改用了另一种名为 wMel 的菌株。根据记录，它可以通过野生昆虫种群传播，但是比 “爆米花”更温和，所以作为昆虫伴侣，不像前者那样会折损昆虫的寿命，也不会破坏大脑或阻止产卵。它能有效地传播吗？为了确认这一点，奥尼尔的团队建造了两个供昆虫使用的鸟舍，在巨大的步入式笼子里装满蚊子。他们每放入一只未受感染的蚊子，就会配以两只携带 wMel 菌株的蚊子。他们还搭了一个临时的门廊，挂上一堆吸满汗水的健身房毛巾，吸引蚊子在下面聚集。每天，他们会送几个人去里面待上15分钟，喂养这些被感染了沃尔巴克氏体的蚊子。每隔几天，该团队会从笼子里收集蚊卵，检查它们是否感染了沃尔巴克氏体。他们发现，三个月内，每只蚊子的幼虫都感染了这种 wMel 菌株。63 一切的一切都表明，他们的宏大理想是可行的。所有的迹象都在召唤他们：行动吧。

居住在俄勒冈州的生态学家杰西卡·格林（Jessica Green）是工程师出身，她在漂浮于医院空调房内的微生物中发现了类似的模式。7 “我原本以为，室内空气中的微生物群落是室外空气中微生物群落的一个‘子集’，”她说道，“然而真相让我大吃一惊，二者之间很少甚至没有重叠的部分。”室外空气中充满了来自植物和土壤的无害微生物，室内空气中则含有大量不成比例的潜在病原体，主要来自患者的口腔和皮肤，通常在室外非常罕见。可以说，患者把自己浸泡在了自己的“微生物汤”里。而解决这个问题的最佳方式很简单：开窗通风。

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正如温斯顿·丘吉尔说过的：“我们塑造了建筑，而建筑也塑造了我们。”格林认为，通过她口中的“生物信息化设计”（bioinformed design），我们可以控制这个过程。也就是说，我们可以塑造建筑物，从而选择与我们共同生活的微生物。同样，我们可以在其他领域看到类似的实践：农民可以在田垄边缘种一排野花，从而增加授粉昆虫的数量。格林希望开发出类似的建筑设计窍门，从而提高有益微生物的多样性。她表示：“未来十年内，建筑师就可以实践我们的研究结果。”

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他和奈特、简妮特·简森（Janet Jansson）一起组织了地球微生物组计划（Earth Microbiome Project）。这是一项雄心勃勃的计划，旨在充分利用地球上的微生物。9 该团队正在接触研究海洋、草原或洪泛区的科学家，试图说服他们共享样本和数据。他们的终极目标是通过给定温度、植被、风速或光照条件等基本变量，来预测生活在某个生态系统中的微生物种类。他们想预测这些物种将如何应对环境变化，比如洪水涨退、日夜交替等。这个目标看起来雄心勃勃得有些荒唐，有人会说根本不可能。但是吉尔伯特和他的同事们却十分坚定。他们最近甚至到白宫请愿，倡议发起一个“统一微生物组织”（Unified Microbiome Initiative），希望推动各方的协调，促成不同领域科学家间的合作，开发出能更好用于微生物组研究的工具。

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所有的努力都出自好奇心，出于对生命的敬畏，以及探索的愉悦。这是一种不可遏制的强烈冲动，促使我们更多地了解自然与自己所处的环境。