第二章  我們的微生物地球

第三節(jié)

       微生物的生存是一部傳奇史詩，充滿著無盡的沖突與合作。鑒于大多數(shù)人對達(dá)爾文的演化理論（物競天擇、適者生存）耳熟能詳，我們不妨就從這里開始講起。

       達(dá)爾文敏銳地觀察到，在所有物種中，不同個體之間總是存在著差異，從鳥類到人類都是如此。他進(jìn)一步推斷，當(dāng)個體間的差異存在時，大自然總是會“選擇”那些最能適應(yīng)環(huán)境的個體（即“最適者"）——演化理論正是由此推論發(fā)展而來?！白钸m者”能更好地完成生命的循環(huán)并留下后代，在生存競爭中勝過其他個體。隨著時間的推移，“最適者” 會比其他競爭者繁衍出更多的后代，直至后者滅絕。正是這 種自然選擇導(dǎo)致了通常所說的“適者生存”。但達(dá)爾文并不知道這些原則同樣適用于微生物。像我們一樣，他主要關(guān)注于可見的動植物，但是事實(shí)上，支持自然選擇最強(qiáng)有力的證據(jù)來自于對微生物的觀察與實(shí)驗(yàn)。

       例如，我可以培養(yǎng)一種常見的腸道細(xì)菌——大腸埃希菌。我需要做的只是將極小的一團(tuán)大腸埃希菌細(xì)胞接種在培養(yǎng)基上，然后放在溫暖的培養(yǎng)箱中過夜培養(yǎng)。大腸埃希菌會迅速生長、繁殖，第二天它們的數(shù)量就超過了100億個，整個培養(yǎng)皿都被一層大腸埃希菌覆蓋。它們生長得如此密集， 以至于無法辨別單個的菌落?，F(xiàn)在，假設(shè)我將同樣多的細(xì)菌 接種在另外一個培養(yǎng)基上，但是其中添加了鏈霉素——這種 抗生素可以殺滅大多數(shù)大腸埃希菌菌株。這次，第二天早上 檢查培養(yǎng)皿的時候，我只能看到10個孤零零的菌落，而不再是100億個細(xì)胞組成的“菌苔”。每個菌落不過小丘疹一般大，大約包含了100萬個大腸埃希菌細(xì)胞。每個菌落都是從最初的單個細(xì)胞形成的，這些細(xì)胞沒有被抗生素殺死，于是在培養(yǎng)基上繁衍。把細(xì)菌接種到含有或者不含有抗生素的培養(yǎng)基上得到的結(jié)果截然不同，我們該如何解釋這一差異？

首先，我們看到，抗生素的確起作用了。從100億降到 1000萬，是原來的千分之一?；蛘咭部梢赃@么理解，抗生 素殺滅了99.9%的細(xì)胞，只留下了 0.1%的幸存者。我們也可以認(rèn)為抗生素在某種程度上失敗了，因?yàn)楫吘褂行┘?xì)胞活過來了。為什么有些細(xì)胞可以挺過來而其他的卻不行呢？純粹是撞了大運(yùn)嗎？回答：是，也不是。

之所以說是，是因?yàn)檫@些耐藥細(xì)菌里一個基因突變了，改變了細(xì)菌核糖體的結(jié)構(gòu)，使得耐藥菌株生存繁衍。對鏈霉素敏感的細(xì)菌之所以死掉，是因?yàn)榭股貢蓴_正常的核糖體合成蛋白質(zhì)，從而阻礙了細(xì)胞的生長。

       這些引起了細(xì)菌耐藥的基因突變是怎么來的呢？這個過程頗值得玩味。有可能，在最初10億個細(xì)胞的培養(yǎng)基中只有少數(shù)細(xì)胞（在這個例子中，準(zhǔn)確來說是10個）具有這種變異的基因。它們事先就存在了。倘若用達(dá)爾文的術(shù)語來 解釋這些實(shí)驗(yàn)的話，就是，鏈霉素“選擇”出了種群中具有耐藥性的基因變異，而沒有鏈霉素的環(huán)境則“選擇”出了通常的基因版本，這一版本在生長繁衍中更有效率，但是對鏈霉素敏感。大腸埃希菌中有鏈霉素耐受基因的比例取決于它們接觸鏈霉素的頻繁程度以及最近一次的接觸時間。這只是關(guān)于自然選擇的一個簡單的例子。競爭永無止息，唯有最適應(yīng)者方能勝出。

       細(xì)菌里有無數(shù)彼此競爭、捕食或者互相剝削的例子，當(dāng)然也有無數(shù)協(xié)同與合作的情況。舉例而言，如果腸道里有一種類桿菌屬的細(xì)菌，可以幫助大腸埃希菌把它棲居環(huán)境中的一種有毒化合物清除掉，那么大腸埃希菌將因此獲益。這種單一方向的幫助關(guān)系，被稱為偏利共生(commensal, 一方因此獲益，另一方并不因此受損)。

       互惠互利的合作將更加強(qiáng)大。試想，如果大腸埃希菌的主要代謝廢物恰好是另一種細(xì)菌的食物來源-——在這種情況下，兩個物種將傾向于聚集在同一個環(huán)境里。對每一個物種來說，它們所做的僅僅是執(zhí)行自己的遺傳程序，結(jié)果卻對彼此都有利，豈不妙哉？這是一種互利共生(symbiosis) o

       在其他情況下，許多不同的細(xì)菌相互幫助：在快速流動的溪水中，細(xì)菌甲吃掉了細(xì)菌乙排出的廢物，并黏附在巖石上。與此同時，細(xì)菌丙本來不能黏附于巖石，卻可以附著于細(xì)菌甲而避免被沖刷走，并幫助甲錨定在巖石上。 而乙又能生產(chǎn)岀對丙來說富有營養(yǎng)的化合物。這種情形下，細(xì)菌甲、乙、丙就傾向于聚集在一起，因?yàn)檫@對它們?nèi)?都有利。

       在40多億年的演化史中，細(xì)菌不斷分裂，新細(xì)胞不斷產(chǎn)生——這個過程最快每12分鐘就進(jìn)行一次。這期間出現(xiàn)過的細(xì)菌數(shù)不勝數(shù)，包含了無數(shù)種可能的變異。在這個近乎永恒的進(jìn)程中，新的細(xì)菌不斷出生、繁衍，逐漸占盡了地球的每一個角落。

      有時候，細(xì)菌可以穩(wěn)定地生活在一起，形成一個聯(lián)盟。這些合作互助型的集體在環(huán)境中屢見不鮮 在土壤里、溪流中、腐朽的木頭上和熱泉里——生命幾乎無處不在。關(guān)于遠(yuǎn)古生命，目前已知的最古老的證據(jù)來自于澳大利亞發(fā)現(xiàn)的“微生物墊”化石，它們已有35億年之久。這些微生物墊里包含了巨大的片狀結(jié)構(gòu)，好似一整個微型生態(tài)系統(tǒng)。很有可能，有些層的微生物執(zhí)行光合作用，有些層呼吸氧氣，有些進(jìn)行發(fā)酵，還有一些負(fù)責(zé)攝入不尋常的無機(jī)物質(zhì)。正所謂甲之砒霜，乙之蜜糖，一個物種排出的廢物可能恰好是另外一個物種的食物。它們分層而居，團(tuán)結(jié)協(xié)作，最終結(jié)果則惠及全體。

       有些細(xì)菌可以向周圍分泌出類似于明膠的層狀結(jié)構(gòu)，這層厚厚的膠質(zhì)稱為生物膜(biofilms)。不同細(xì)菌生物膜的組成不同，但是功能一致——保護(hù)細(xì)菌以避免干燥、高溫或者免疫系統(tǒng)的攻擊。正是有了生物膜的保護(hù)，細(xì)菌在惡劣的條件下也可以存活下來。

       細(xì)菌結(jié)成了聯(lián)盟和網(wǎng)絡(luò)來相互幫助，它們不僅分布在土壤、海洋、巖石表面，也存在于動物之中以及人類身體里——與人體相關(guān)的細(xì)菌將是本書的主角。偉大的生物學(xué)家斯蒂芬?杰伊?古爾德(Stephen Jay Gould)曾為地球上所有的生命形式描繪了一個更宏大的參照系，他寫道："……這是微生物的時代，過去如此，現(xiàn)在如此，將來還是如此, 直至世界終結(jié)……”前不見古人，后不見來者，念天地之悠悠，獨(dú)微生物而不朽！

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載《消失的微生物》作者馬丁·布萊澤。