令人驚奇的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室②專門(mén)鉆洞穴的師生

劉致用

一群 “挑剔”的探洞者

巴頓探索洞穴

哈澤爾·巴頓教授

我們說(shuō)，一個(gè)人要是腳踏實(shí)地，這個(gè)人就是一個(gè)踏實(shí)的人。照這種說(shuō)法，美國(guó)阿克倫大學(xué)巴頓實(shí)驗(yàn)室的師生們肯定是一群極其“踏實(shí)”的人，因?yàn)樗麄円荒陜?nèi)就能“腳踏”許多人跡罕至的“實(shí)地”——從美國(guó)新墨西哥州峽谷深處的勒楚古拉山洞，到委內(nèi)瑞拉高原上的特皮伊洞穴，再到巴西叢林深處的鐵質(zhì)洞穴，他們探索洞穴的足跡遍布了五大洲。

沒(méi)錯(cuò)，他們是一群洞穴探秘者！不踏實(shí)還真干不了他們這份工作呢——作為老師和學(xué)生，他們理應(yīng)穿著干凈的衣服，在明亮整潔的教室里交流知識(shí)，但很多時(shí)候，他們就像是寫(xiě)實(shí)電視節(jié)目《荒野求生》里的主人公一樣，在叢林、河流、山地等各種危險(xiǎn)的野外環(huán)境中穿行。他們不怕苦不怕累，一旦踏上征途，便堅(jiān)持到底。他們對(duì)于探索洞穴的熱愛(ài)超乎常人，而這一份熱愛(ài)，傳承自他們的導(dǎo)師——生物學(xué)教授哈澤爾·巴頓。

巴頓生于英國(guó)，是一位極具冒險(xiǎn)精神的女生物學(xué)家，被稱為生物學(xué)界的勞拉·克勞馥——著名動(dòng)作和冒險(xiǎn)電影《古墓麗影》里的女主角。為什么這么說(shuō)呢？因?yàn)榘皖D探索的洞穴的危險(xiǎn)性極大！巴頓師生是挑剔的，不用說(shuō)人類足跡涉及，哪怕只要有生物能輕易到達(dá)的洞穴，都不是他們的目的地。他們的目標(biāo)，往往是遠(yuǎn)離地表或者是山脈中綿延幾十甚至上百千米的與世隔絕的洞穴。

那么，他們?yōu)槭裁匆剿鬟@些洞穴呢？

與世隔絕的微生物家園

原來(lái)他們認(rèn)為，只有在這些地方，才可能生存著許多我們?nèi)祟悘奈匆?jiàn)過(guò)的微生物，因?yàn)樵谶h(yuǎn)離陽(yáng)光的黑暗深處，由于缺乏光合作用，食物匱乏，氧氣含量也低，大多數(shù)生物基本不會(huì)選擇在那些區(qū)域生存。

那么這些微生物——主要是細(xì)菌，是怎么在這些地方存活的呢？原來(lái)，有些細(xì)菌屬于自養(yǎng)型的細(xì)菌，它們能夠利用碳的化合物或者是硫的化合物作為原料，合成生命所需要的養(yǎng)分，這些自養(yǎng)型細(xì)菌充當(dāng)了一般生態(tài)系統(tǒng)里植物的角色。有些細(xì)菌屬于異養(yǎng)型的細(xì)菌，它們則以這些自養(yǎng)型的細(xì)菌或是其他異養(yǎng)型細(xì)菌為食——通過(guò)捕食關(guān)系，細(xì)菌在極端貧瘠的洞穴深處構(gòu)筑了它們自己的食物鏈。

由于環(huán)境的閉塞，很多身居洞穴深處的細(xì)菌從未離開(kāi)過(guò)山洞，這意味著這些細(xì)菌對(duì)人類來(lái)說(shuō)就是全新的品種。如果人們?cè)趤嗰R遜叢林發(fā)現(xiàn)5種新物種，生物學(xué)家們會(huì)欣喜若狂，此事件也將被爆為大新聞，但僅在一個(gè)與世隔絕的山洞，也許你就能找到幾十種甚至上百種細(xì)菌的新品種。而這樣的山洞，在世界上數(shù)不勝數(shù)。有統(tǒng)計(jì)稱，地球上大約有1萬(wàn)億種不同的微生物種，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的微生物數(shù)量所占的比例僅為其百萬(wàn)分之一。

美國(guó)勒楚古拉山洞

由于洞穴內(nèi)的資源極其匱乏，細(xì)菌之間面臨著激烈而殘酷的生存斗爭(zhēng)。細(xì)菌們會(huì)相互攻擊，也會(huì)相互防范，于是它們進(jìn)化出來(lái)非常先進(jìn)的細(xì)菌界的“矛”——抗生素，和細(xì)菌界的“盾”——抗生素耐藥性。洞穴內(nèi)的細(xì)菌都會(huì)分泌抗生素——從定義上說(shuō)，抗生素是由各種微生物（包括細(xì)菌、真菌、放線菌屬）產(chǎn)生的，能殺滅或抑制其他微生物的一類物質(zhì)。與此相對(duì)應(yīng)的，為了使自己在生存競(jìng)爭(zhēng)中不落下風(fēng)，洞穴內(nèi)的細(xì)菌基本都進(jìn)化出了強(qiáng)大的抗生素耐藥性。

巴頓和她的學(xué)生走進(jìn)洞穴，便是為了采集這些具有強(qiáng)大耐藥性的細(xì)菌。實(shí)際上，他們承擔(dān)著一個(gè)非常大的使命——幫助人類度過(guò)抗生素失效的危機(jī)。

抗生素失效危機(jī)

從20世紀(jì)40年代第一種抗生素藥物——青霉素投入臨床使用以來(lái)，人類服用抗生素的歷史已經(jīng)接近80年?？股鼐哂泻軓?qiáng)的抑菌和殺菌作用，作用機(jī)理主要是針對(duì)細(xì)菌特有的生理機(jī)制進(jìn)行破壞——包括抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成、破壞細(xì)菌細(xì)胞膜、干擾細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成以及抑制細(xì)菌核酸的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄這5種方式。目前，人類和獸類經(jīng)常使用的抗生素多達(dá)幾十種，但是自從20世紀(jì)80年代以來(lái)，卻基本沒(méi)有新的抗生素被發(fā)現(xiàn)。這導(dǎo)致了目前流行在市面上的各種抗生素的使用年齡，基本已經(jīng)超過(guò)30年，這引發(fā)了一個(gè)可怕的后果——細(xì)菌逐漸產(chǎn)生了抗生素耐藥性。

細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生迫使人們加大了抗生素的使用量，調(diào)查顯示：與2000年相比，2015年全球抗生素使用量增加了65%，中低收入國(guó)家的使用量增加了114%。然而，增大藥量并不一定就會(huì)起作用——據(jù)報(bào)道，僅在印度，每年就有5.8萬(wàn)名兒童死于耐藥細(xì)菌感染。隨著細(xì)菌耐藥性的增強(qiáng)，人類的抗生素即將失效。而最近幾年出現(xiàn)的一些“超級(jí)細(xì)菌”——即人類目前所有的抗生素藥物均不能殺死的細(xì)菌，更引起了人類恐慌。如何破解細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生之謎，是一項(xiàng)非常緊迫的工作。

人們一直以為細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生是由于抗生素藥物的廣泛使用導(dǎo)致的，巴頓洞穴探究的一個(gè)重要成果就是證明了這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的。巴頓的研究告訴人們，細(xì)菌的耐藥性是天然存在的——巴頓在某洞穴收集了93種菌株，她將這些菌株帶回實(shí)驗(yàn)室并用26種抗生素進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：70%的菌株能抵抗3到4種抗生素，3種菌株能抵抗14種抗生素，還有一種菌株能抵抗全部26種抗生素?？梢?jiàn)，這些從未接觸抗生素藥物的“隱居者”，早就在生存競(jìng)爭(zhēng)中產(chǎn)生了耐藥性。

細(xì)菌耐藥性是進(jìn)化出來(lái)的，那么什么機(jī)制能促使細(xì)菌發(fā)生這種進(jìn)化呢？巴頓表示，某些細(xì)菌能產(chǎn)生特定的分子，這些分子能夠促使細(xì)菌快速進(jìn)化成為耐藥細(xì)菌，進(jìn)而擁有抵抗抗生素的本領(lǐng)。如果人們能夠弄清那些分子是什么（這些分子的產(chǎn)生和細(xì)菌的某些基因有關(guān)），就可以阻斷它們，使細(xì)菌無(wú)法進(jìn)化。通過(guò)研究洞穴細(xì)菌的耐藥性，巴頓的最終目的就是找到細(xì)菌進(jìn)化的機(jī)制。目前的情況是，只要一有新藥上市，很快，細(xì)菌便會(huì)擁有對(duì)該藥的耐藥性，至今人們還無(wú)法得知細(xì)菌是怎么進(jìn)化成耐藥細(xì)菌的。

美國(guó)歐若恩多加洞穴

巴頓團(tuán)隊(duì)在洞穴細(xì)菌的研究方面取得了初步進(jìn)展。除了發(fā)現(xiàn)成百上千種新的細(xì)菌外，巴頓還在這些與世隔絕的細(xì)菌身上發(fā)現(xiàn)了新的耐藥性基因。例如巴頓在美國(guó)新墨西哥州列楚基耶洞穴發(fā)現(xiàn)了一種名為“Paenibacillus sp LC231”的一種超級(jí)細(xì)菌，在這種細(xì)菌身上，除了目前已經(jīng)知道的12種耐藥性基因外，巴頓又發(fā)現(xiàn)了5種新的耐藥基因。新的耐藥性基因的發(fā)現(xiàn)使得細(xì)菌耐藥性的研究方向變得更加多樣化。

當(dāng)然，細(xì)菌耐藥性基因的表達(dá)機(jī)制或許還需要科學(xué)家們花很長(zhǎng)時(shí)間去鉆研，這項(xiàng)工作無(wú)疑是非常艱苦的，但充滿激情的巴頓和她的學(xué)生，將繼續(xù)奮斗，直到破解細(xì)菌的耐藥性機(jī)制為止。