Derwin挑戰(zhàn)Darwin

echo

澳大利亞小伙子Derek來(lái)到中國(guó)已經(jīng)兩年了，是中山大學(xué)的一名研究生，大學(xué)本科時(shí)就開始了與化學(xué)相關(guān)的研究。剛開始讀研，Derek對(duì)于生物學(xué)，尤其是生物實(shí)驗(yàn)并不熟悉，但隨著研究逐漸深入，他不僅適應(yīng)了生物學(xué)的研究節(jié)奏，還因?yàn)樽约旱目蒲斜尘罢业搅霜?dú)特的研究方向。說(shuō)起自己目前的研究狀態(tài)，他用一句話生動(dòng)地形容：“My brain cells are dancing.” （我的大腦細(xì)胞在跳舞。）

小鼠身上的意外發(fā)現(xiàn)

Derek的導(dǎo)師是學(xué)校微生物研究小組的關(guān)鍵人物，在領(lǐng)域內(nèi)頗有成就，Derek對(duì)于微生物研究也有著同樣的熱情。果蠅、小鼠是Derek開始生物學(xué)研究后最親密的小伙伴?；瘜W(xué)背景出身的Derek一開始研究的就是小鼠體內(nèi)的微生物群。

在研究小白鼠發(fā)育生長(zhǎng)過(guò)程的時(shí)候，Derek有了一個(gè)特別的發(fā)現(xiàn)，小鼠的腦部發(fā)育似乎跟它的腸道菌群有著不可分割的關(guān)系。這讓Derek非常興奮：“這意味著動(dòng)物體內(nèi)的微生物不僅僅與動(dòng)物存在共生關(guān)系，還有可能就是動(dòng)物生命體的一部分?！贬槍?duì)這個(gè)想法，Derek展開了研究。

對(duì)于微生物群的研究和著作，國(guó)外要先進(jìn)很多，對(duì)于來(lái)自澳大利亞的Derek來(lái)說(shuō)，英文閱讀要比國(guó)內(nèi)的同學(xué)更加輕而易舉，查閱起來(lái)也事半功倍?！拔曳喠撕芏辔墨I(xiàn)資料，找到了許多科學(xué)家關(guān)于寄生菌群的研究?！逼渲?，理查德?杰斐遜的理論吸引了他的注意：“杰斐遜的研究表明，我們體內(nèi)的細(xì)菌絕不僅僅是消極被動(dòng)的食客，還在某些關(guān)鍵進(jìn)程中扮演者關(guān)鍵角色。”正是被這個(gè)觀點(diǎn)觸動(dòng)，Derek開始了微生物作用的研究。

為了印證杰斐遜的理論，Derek設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)。他選用兩組白蟻，對(duì)其中一組，用抗生素Rifampicin（利福平）殺死了它們體內(nèi)的某些微生物。觀察發(fā)現(xiàn)，這一組白蟻的腸道菌群被破壞了，從而降低了白蟻從食物中獲取營(yíng)養(yǎng)的能力，對(duì)比沒做過(guò)處理的參照組，這些白蟻產(chǎn)出的后代數(shù)量要少得多?！斑@完全可以論證，原本被我們認(rèn)為是共生關(guān)系的微生物與動(dòng)物之間，確實(shí)有著更緊密的聯(lián)系！”

發(fā)光的烏賊

“前期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要是為了多方面地了解微生物群與宿主之間究竟有什么樣的聯(lián)系?！倍f(shuō)起最有意思的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，Derek不假思索地脫口而出：“烏賊的發(fā)光研究！”

對(duì)烏賊的研究，是Derek想通過(guò)更多的案例來(lái)論證微生物對(duì)動(dòng)物發(fā)育和基因表達(dá)的影響。在一次澳大利亞校友的聚會(huì)上，Derek認(rèn)識(shí)了一位師兄，他是動(dòng)物學(xué)的研究者。師兄非常癡迷于動(dòng)物發(fā)光機(jī)理，在他的宿舍里總是能看到各種發(fā)光的魚類，但Derek卻被烏賊的獨(dú)具一格吸引了。

“我第一次在師兄宿舍見到的就是夏威夷短尾烏賊，”Derek說(shuō)，“師兄把它撈出來(lái)的時(shí)候看上去像是一顆榛果松露，小小的，身上布滿了小斑點(diǎn)，但是輕輕一抖，這些斑點(diǎn)就脫落下來(lái)了，只有拇指大小。中國(guó)并沒有這種烏賊，師兄是托朋友從夏威夷帶過(guò)來(lái)的?！睅熜指嬖V他，這只烏賊的身體下面含有一個(gè)兩腔的發(fā)光器官，里面充滿了費(fèi)氏弧菌，這是一種發(fā)光細(xì)菌，在野外，這些細(xì)菌發(fā)出的光亮可以與月光媲美。聽起來(lái)那么神奇，Derek馬上來(lái)了精神，讓師兄給自己詳細(xì)地上了一課?！盀踬\孵化出來(lái)的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，費(fèi)氏弧菌就會(huì)寄生上去，控制烏賊的發(fā)光系統(tǒng)，而且只有晚上才發(fā)光！”

剛孵化出來(lái)就可以寄生，晚上才發(fā)光！這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)讓Derek產(chǎn)生了思考?！爸庇X告訴我，這些費(fèi)氏弧菌與烏賊的免疫系統(tǒng)和生物鐘有很大的關(guān)聯(lián)。”

于是，Derek通過(guò)師兄的幫助，也拿到了幾只烏賊，并設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn)，觀察費(fèi)氏弧菌的寄生過(guò)程和影響過(guò)程。他用熒光蛋白來(lái)追蹤細(xì)菌的軌跡，同時(shí)觀察烏賊體內(nèi)生命系統(tǒng)的變化。他發(fā)現(xiàn)，寄生的過(guò)程開始于烏賊的身體下部，布滿粘液的纖毛產(chǎn)生了一股可以將細(xì)菌吸引過(guò)來(lái)的“洪流”，更令人驚訝的是，當(dāng)費(fèi)氏弧菌首次接觸烏賊的時(shí)候，它就會(huì)改變很多基因的表達(dá)。其中一些基因能產(chǎn)生混合在一起的抗菌物質(zhì)，從而創(chuàng)造出一種不適合大多數(shù)微生物生存的環(huán)境，唯獨(dú)費(fèi)氏弧菌不會(huì)受到傷害，其他基因則釋放了一種酶，能分解烏賊粘液以產(chǎn)生吸引更多細(xì)菌的物質(zhì)，這種物質(zhì)后來(lái)分析為二糖。而要引起這些變化，只需要5個(gè)費(fèi)氏弧菌細(xì)胞，所以，這種微生物能很快占領(lǐng)烏賊纖毛區(qū)。

進(jìn)一步觀察后，Derek又發(fā)現(xiàn)，烏賊體內(nèi)也存在不發(fā)光的費(fèi)氏弧菌株，但它會(huì)利用光學(xué)器官中的光敏蛋白質(zhì)在上百萬(wàn)個(gè)發(fā)光的細(xì)菌中探測(cè)出來(lái)，并將其驅(qū)逐出去?！岸?，烏賊和費(fèi)氏弧菌的關(guān)系在一天之中會(huì)有所變化，從而控制后者只在夜晚產(chǎn)生光亮?！边@些觀察結(jié)果都證明了Derek的直覺是對(duì)的，這些微生物在烏賊發(fā)育的過(guò)程中，完成了對(duì)烏賊發(fā)光系統(tǒng)的“催化”作用，同時(shí)也受烏賊生物鐘的影響，調(diào)整著自身的機(jī)能。

“這些實(shí)驗(yàn)都證明了，早期寄生的微生物能在宿主的基因表達(dá)上產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響，這讓我不禁想到，這些微生物是否也間接影響了生物的遺傳，甚至進(jìn)化？”Derek的大膽假設(shè)，果然讓他在接下來(lái)的研究中，又有了另外的驚喜。

挑戰(zhàn)進(jìn)化論

把生物和寄生于其上的菌群分開，只是為了研究方便而采用的一種方式，在自然選擇的眼里，它們是一個(gè)整體，這也是Derek提出他假設(shè)的原因。但這個(gè)假設(shè)的確太具有挑戰(zhàn)性，它所強(qiáng)調(diào)的動(dòng)物與微生物間的“合作”與達(dá)爾文“物競(jìng)天擇”的理論有極大的差別。物競(jìng)天擇以宿主本身為單位，核心是不同種群的“競(jìng)爭(zhēng)”，而Derek的假設(shè)，重點(diǎn)則是宿主與微生物群的合作與影響。雖然有難度，但具有“騎士精神”的Derek卻再次因此而“腦細(xì)胞舞動(dòng)起來(lái)”。

“在澳大利亞時(shí)，導(dǎo)師就經(jīng)常引導(dǎo)我們找出一些與眾不同的想法，并論證它。所以，越有挑戰(zhàn)性，越不容易被論證的，甚至是挑戰(zhàn)權(quán)威的，就越有研究的價(jià)值。”

在中國(guó)導(dǎo)師的幫助下，Derek了解到羅森博格的遺傳學(xué)觀點(diǎn)，他將生命體視為一個(gè)“超有機(jī)體”，或者說(shuō)是“全功能體”，認(rèn)為微生物對(duì)于宿主的繁殖和擇偶非常重要。“也就是說(shuō)，微生物對(duì)于宿主的調(diào)節(jié)，影響了宿主的繁殖能力和擇偶條件，這就影響了宿主整個(gè)種群的存活數(shù)量和演變方向。”Derek認(rèn)識(shí)到，自己先前研究的白蟻實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)證實(shí)了微生物對(duì)宿主在繁殖上的影響，因此Derek很有信心：“我覺得這假設(shè)是成立的，只要能夠證明微生物的確影響了種群演變方向即可?！?/p>

可是，要怎么證明呢？Derek對(duì)此苦無(wú)對(duì)策，而且由于不知道何種微生物會(huì)對(duì)何種生物產(chǎn)生明顯的影響，查找文獻(xiàn)也沒有方向。這時(shí)，導(dǎo)師的建議如同及時(shí)雨一般到達(dá)：“我們實(shí)驗(yàn)的果蠅有乳糖果蠅和淀粉果蠅，而且繁殖速度較快，不然用它們實(shí)驗(yàn)看看?！睂?shí)驗(yàn)對(duì)象有了，那么又該如何驗(yàn)證呢？

Derek搜索前人的各類研究時(shí)，又一個(gè)問(wèn)題來(lái)了，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)資料有限，始終沒能為Derek提供靈感。于是他到一個(gè)澳大利亞研究者網(wǎng)站上發(fā)布了一個(gè)帖子，希望國(guó)外的同學(xué)們能幫忙一起找素材。終于，在帖子發(fā)布后兩個(gè)星期里，Derek收到了好友發(fā)來(lái)的1989年耶魯大學(xué)博士后黛安·多德的文章，他在其中發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)描述：“改變果蠅的飲食之后，只需要兩代，就可以改變果蠅的擇偶標(biāo)準(zhǔn)?！盌erek簡(jiǎn)直樂(lè)瘋了！“一定是腸道菌群的影響！”

Derek重復(fù)了黛安·多德的實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)正如論文中描述的那樣，以糖漿為食的果蠅在兩代之后不再與以淀粉為食的果蠅交配。接下來(lái)，他對(duì)果蠅使用了利福平，結(jié)果，淀粉果蠅和糖漿果蠅又幸福地在一起了。這表明，的確是細(xì)菌在起作用。

經(jīng)過(guò)多重實(shí)驗(yàn)，Derek終于證明了自己的假設(shè)，微生物可以通過(guò)影響宿主的基因表達(dá)、繁殖和擇偶改變了物種演變的方向。Derek也因此在實(shí)驗(yàn)室里有了“Derwin”的昵稱。這個(gè)“named after Darwin（達(dá)爾文）”的稱呼雖然有時(shí)會(huì)讓Derek覺得不好意思，不過(guò)他現(xiàn)在的精力依然放在了修改即將發(fā)表在美國(guó)一本生物學(xué)重點(diǎn)期刊的論文上。

責(zé)任編輯：曹曉晨