AOMRON

第二章  我们的微生物地球

第三节

       微生物的生存是一部传奇史诗，充满着无尽的冲突与合作。鉴于大多数人对达尔文的演化理论（物竞天择、适者生存）耳熟能详，我们不妨就从这里开始讲起。

       达尔文敏锐地观察到，在所有物种中，不同个体之间总是存在着差异，从鸟类到人类都是如此。他进一步推断，当个体间的差异存在时，大自然总是会“选择”那些最能适应环境的个体（即“最适者"）——演化理论正是由此推论发展而来。“最适者”能更好地完成生命的循环并留下后代，在生存竞争中胜过其他个体。随着时间的推移，“最适者” 会比其他竞争者繁衍出更多的后代，直至后者灭绝。正是这 种自然选择导致了通常所说的“适者生存”。但达尔文并不知道这些原则同样适用于微生物。像我们一样，他主要关注于可见的动植物，但是事实上，支持自然选择最强有力的证据来自于对微生物的观察与实验。

       例如，我可以培养一种常见的肠道细菌——大肠埃希菌。我需要做的只是将极小的一团大肠埃希菌细胞接种在培养基上，然后放在温暖的培养箱中过夜培养。大肠埃希菌会迅速生长、繁殖，第二天它们的数量就超过了100亿个，整个培养皿都被一层大肠埃希菌覆盖。它们生长得如此密集， 以至于无法辨别单个的菌落。现在，假设我将同样多的细菌 接种在另外一个培养基上，但是其中添加了链霉素——这种 抗生素可以杀灭大多数大肠埃希菌菌株。这次，第二天早上 检查培养皿的时候，我只能看到10个孤零零的菌落，而不再是100亿个细胞组成的“菌苔”。每个菌落不过小丘疹一般大，大约包含了100万个大肠埃希菌细胞。每个菌落都是从最初的单个细胞形成的，这些细胞没有被抗生素杀死，于是在培养基上繁衍。把细菌接种到含有或者不含有抗生素的培养基上得到的结果截然不同，我们该如何解释这一差异？

首先，我们看到，抗生素的确起作用了。从100亿降到 1000万，是原来的千分之一。或者也可以这么理解，抗生 素杀灭了99.9%的细胞，只留下了 0.1%的幸存者。我们也可以认为抗生素在某种程度上失败了，因为毕竟有些细胞活过来了。为什么有些细胞可以挺过来而其他的却不行呢？纯粹是撞了大运吗？回答：是，也不是。

之所以说是，是因为这些耐药细菌里一个基因突变了，改变了细菌核糖体的结构，使得耐药菌株生存繁衍。对链霉素敏感的细菌之所以死掉，是因为抗生素会干扰正常的核糖体合成蛋白质，从而阻碍了细胞的生长。

       这些引起了细菌耐药的基因突变是怎么来的呢？这个过程颇值得玩味。有可能，在最初10亿个细胞的培养基中只有少数细胞（在这个例子中，准确来说是10个）具有这种变异的基因。它们事先就存在了。倘若用达尔文的术语来 解释这些实验的话，就是，链霉素“选择”出了种群中具有耐药性的基因变异，而没有链霉素的环境则“选择”出了通常的基因版本，这一版本在生长繁衍中更有效率，但是对链霉素敏感。大肠埃希菌中有链霉素耐受基因的比例取决于它们接触链霉素的频繁程度以及最近一次的接触时间。这只是关于自然选择的一个简单的例子。竞争永无止息，唯有最适应者方能胜出。

       细菌里有无数彼此竞争、捕食或者互相剥削的例子，当然也有无数协同与合作的情况。举例而言，如果肠道里有一种类杆菌属的细菌，可以帮助大肠埃希菌把它栖居环境中的一种有毒化合物清除掉，那么大肠埃希菌将因此获益。这种单一方向的帮助关系，被称为偏利共生(commensal, 一方因此获益，另一方并不因此受损)。

       互惠互利的合作将更加强大。试想，如果大肠埃希菌的主要代谢废物恰好是另一种细菌的食物来源­——在这种情况下，两个物种将倾向于聚集在同一个环境里。对每一个物种来说，它们所做的仅仅是执行自己的遗传程序，结果却对彼此都有利，岂不妙哉？这是一种互利共生(symbiosis) o

       在其他情况下，许多不同的细菌相互帮助：在快速流动的溪水中，细菌甲吃掉了细菌乙排出的废物，并黏附在岩石上。与此同时，细菌丙本来不能黏附于岩石，却可以附着于细菌甲而避免被冲刷走，并帮助甲锚定在岩石上。 而乙又能生产岀对丙来说富有营养的化合物。这种情形下，细菌甲、乙、丙就倾向于聚集在一起，因为这对它们三者 都有利。

       在40多亿年的演化史中，细菌不断分裂，新细胞不断产生——这个过程最快每12分钟就进行一次。这期间出现过的细菌数不胜数，包含了无数种可能的变异。在这个近乎永恒的进程中，新的细菌不断出生、繁衍，逐渐占尽了地球的每一个角落。

      有时候，细菌可以稳定地生活在一起，形成一个联盟。这些合作互助型的集体在环境中屡见不鲜 在土壤里、溪流中、腐朽的木头上和热泉里——生命几乎无处不在。关于远古生命，目前已知的最古老的证据来自于澳大利亚发现的“微生物垫”化石，它们已有35亿年之久。这些微生物垫里包含了巨大的片状结构，好似一整个微型生态系统。很有可能，有些层的微生物执行光合作用，有些层呼吸氧气，有些进行发酵，还有一些负责摄入不寻常的无机物质。正所谓甲之砒霜，乙之蜜糖，一个物种排出的废物可能恰好是另外一个物种的食物。它们分层而居，团结协作，最终结果则惠及全体。

       有些细菌可以向周围分泌出类似于明胶的层状结构，这层厚厚的胶质称为生物膜(biofilms)。不同细菌生物膜的组成不同，但是功能一致——保护细菌以避免干燥、高温或者免疫系统的攻击。正是有了生物膜的保护，细菌在恶劣的条件下也可以存活下来。

       细菌结成了联盟和网络来相互帮助，它们不仅分布在土壤、海洋、岩石表面，也存在于动物之中以及人类身体里——与人体相关的细菌将是本书的主角。伟大的生物学家斯蒂芬•杰伊・古尔德(Stephen Jay Gould)曾为地球上所有的生命形式描绘了一个更宏大的参照系，他写道："……这是微生物的时代，过去如此，现在如此，将来还是如此, 直至世界终结……”前不见古人，后不见来者，念天地之悠悠，独微生物而不朽！

网络转载《消失的微生物》作者马丁·布莱泽。