黃昏降臨在坦桑尼亞平原上。天空的紫色更深了，一條雌斑鬣狗獨自醒來。它巡視著家族領(lǐng)地，用尾下的酸味粘性物劃出界限。它試圖從微風(fēng)中嗅出發(fā)情雄性的氣味，而無視了前夜的殘羹令肚子發(fā)出的咕咕聲和身側(cè)的瘙癢。這只形單影只的鬣狗正在為了生存而選擇接下來的行動。

但它并不孤獨。它分泌的粘性物并不僅僅是它自己的功勞，也歸功于成千上萬居住在它香腺中的細(xì)菌。微風(fēng)中潛在異性的氣味也來自于獨特的微生物群。它腸道里的各種細(xì)菌幫助它消化食物，還有一些細(xì)菌則幫助它的免疫系統(tǒng)抵御寄生蟲和病菌對皮膚和其他組織的入侵。

那么，在坦桑尼亞平原上掙扎求生的究竟是誰？應(yīng)當(dāng)把斑鬣狗和它體內(nèi)的微生物分開看待嗎？它們的相互作用是否形成了一種新的形式，超越了它們獨立的存在？

“幾十年甚至幾個世紀(jì)以來，我們都低估了微生物對個體特征的潛在貢獻(xiàn)，” 韋恩州立大學(xué)的微生物學(xué)家凱文·泰斯（Kevin Theis）說，他研究幫助鬣狗分泌黏液的微生物，“如果決定重要特征的基因是來自于微生物而非動物本身，那么我們需要采取系統(tǒng)的觀念，將宿主-微生物系統(tǒng)看作一個整體?！?br>

凱文·泰斯

— 韋恩州立大學(xué)的微生物學(xué)家凱文·泰斯

仔細(xì)觀察任一動植物，你都會發(fā)現(xiàn)一大群細(xì)菌、真菌、病毒，它們形成了一個復(fù)雜而相互關(guān)聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)。近期激增的一系列研究展示了我們?nèi)绾胃叨纫蕾囘@些微生物來維持身體機(jī)能，為“何為個體”這一課題帶來了眾多疑問。

消化和免疫等生命功能長久以來都被認(rèn)為是在自然選擇，即差異化生存繁衍作用下，在單個有機(jī)體范圍內(nèi)發(fā)展和完善的。但如果我們的身體不是由同種細(xì)胞獨裁統(tǒng)治，而是多種細(xì)胞的聯(lián)合國，我們又該怎么解釋它們的演化呢？

一些生物學(xué)家呼吁對演化論進(jìn)行全面升級，稱過去由研究更大、更易理解的生物而發(fā)展出來的想法已經(jīng)過時了。另一些人則認(rèn)為現(xiàn)存理論只是需要更謹(jǐn)慎地使用。所有人都同意，宏觀和微觀世界不可避免地相互依賴，而生物學(xué)家必須探索其相互關(guān)系的前沿。

從不孤單

“我們從不是獨立的個體，”在2002年發(fā)表于《生物學(xué)評論季刊》（The Quarterly Review of Biology ）上的一篇論文中，史瓦茲摩爾學(xué)院的發(fā)展生物學(xué)家斯科特·基爾伯特（Scott Gilbert）及其同事發(fā)出了這樣的宣言。這篇大膽的文章回應(yīng)了先前重新將復(fù)雜有機(jī)體定義為一種新個體——“全生物”（holobiont）的呼吁。全生物這個術(shù)語包括了宿主動植物和它身上全部的組成微生物。一個全生物體內(nèi)的所有基因，包括宿主的基因和微生物的基因，組成了“全基因組”（hologenome）。

泰斯及其同事在期刊《mSystems》上寫道：“全生物和全基因組是 ‘自然界無可爭議的事實’。”全基因組不只包括了宿主基因，由于至少有一部分微生物基因?qū)λ拗鞯拇婊詈头敝秤兄匾绊?，因此如果我們想要理解全生物的進(jìn)化，就需要將全基因組作為潛在選擇的一環(huán)。

“首先并且最重要的是，我認(rèn)為全生物和全基因組是結(jié)構(gòu)定義，”范德堡大學(xué)的演化生物學(xué)家賽斯·波登斯坦（Seth Bordenstein）說道。波登斯坦和其他一些研究者認(rèn)為，由于自然界中普遍存在這種與宿主相關(guān)的微生物，需要有新的詞匯來指代它。“我們接受將染色體或基因組作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而下一級結(jié)構(gòu)就是全基因組?！彼f。

賽斯·波登斯坦

— 范德堡大學(xué)的演化生物學(xué)家賽斯·波登斯坦

“第二個問題是：全基因組重要嗎?”他繼續(xù)說道。沒人知道微生物中有多大比例可以影響宿主的適應(yīng)性，某些微生物顯然只是搭便車的。但假如存在某種程度的合作，如宿主提供居所或營養(yǎng)換得微生物為其生產(chǎn)其自身無法合成的代謝產(chǎn)物，那么它們就不僅僅是占據(jù)同一空間的兩個有機(jī)體，而是某種程度上二者功能的集成。這就引出了一個問題：全基因組在演化上占有一席之地嗎？

功能集成越緊密，宿主和微生物的命運越是緊密關(guān)聯(lián)。波登斯坦說，對于這種全生物，你不能單獨考慮宿主或微生物基因組的演化，因為個體特征是有機(jī)體們共同塑造的。“我們需要理解微生物扮演著怎樣的角色，宿主扮演著怎樣的角色，它們?nèi)绾喂餐\作，”他說。波登斯坦還認(rèn)為，全生物超出了宿主與微生物的簡單加和。它們的相互作用還產(chǎn)生了一個自洽的實體，自然選擇可以像對單獨的個體或基因那樣，以同樣的方式作用于這個實體。

全基因組進(jìn)化論的擁護(hù)者認(rèn)為，如果宿主和微生物之間存在著世代相傳的忠誠合作，那么全生物就將眾多不同的、分離的進(jìn)化譜系融為一體，形成一個由許多物種組成的聯(lián)盟，其中的成員對整體功能均有貢獻(xiàn)。只有當(dāng)把全生物看作一個單一的實體、一個能夠被自然選擇塑造的整體時，我們才能理解它的復(fù)雜性。

變異和遺傳

全生物通過自然選擇演化代表著什么呢？全生物是如何形成整體特征，而不是某一類細(xì)胞經(jīng)自然選擇后散布到整個種群？經(jīng)典自然選擇演化論認(rèn)為在一個擁有不同特征個體的種群中，其特征影響著可能擁有的后代的數(shù)量。這些特征必須是可遺傳的，即穩(wěn)定地代代相傳。假設(shè)某個特征可能使某些幸運個體的生命周期或后代數(shù)量增倍，但除非它可以遺傳，否則就是走進(jìn)了演化的死胡同。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

全生物是否符合演化實體的標(biāo)準(zhǔn)？微生物和宿主的基因組可以以深度影響宿主適應(yīng)性的方式互相作用。但我們是否像遺傳基因組那樣遺傳微生物還尚無定論。

親代確實會將微生物組傳遞給子代。例如，一些雌性臭蟲會在剛產(chǎn)下的卵附近留下一個糞球，作為幼蟲的第一餐，從而將母親的腸道微生物群傳給它們。通常，非剖宮產(chǎn)所生的人類嬰兒在分娩中會獲得母親的陰道微生物。母親的微生物也會通過親密接觸和母乳喂養(yǎng)而傳遞給嬰兒。盡管最終微生物群落會隨著兒童在世界上的活動更自由而改變，但這些早期微生物在免疫系統(tǒng)發(fā)育中扮演了極其重要的角色。

并不是整個微生物組都會從親代傳給子代，但波登斯坦說這沒有必要?！皳?jù)我所知，從來沒有人認(rèn)為微生物組會被完全遺傳?！钡推渌苏J(rèn)為如果其中重要的一部分被遺傳了，那么其相互作用和演化需要被作為一個整體來研究。

揭開全基因組中的漏洞

其他研究者認(rèn)為，演化中全基因組的概念將可被選擇的單位的概念擴(kuò)展成了不一致的?！?strong>僅僅因為微生物某時某地出現(xiàn)在一個有機(jī)體身上并不代表它們就是選擇的一個單位，尤其在它們還不能被垂直傳播的情況下，”圣路易斯華盛頓大學(xué)研究微生物的演化生物學(xué)家瓊·施特萊斯曼（Joan Strassmann）說道。

賓夕法尼亞大學(xué)和紐約城市學(xué)院的生物哲學(xué)家德雷克·斯基林斯（Derek Skillings）說：“我不想明確聲明垂直傳播是必要的，但這是最可能解釋搭檔關(guān)系作為整體一起逐步演化的機(jī)制了。”

斯基林斯和其他評論家認(rèn)為，寄生體的垂直傳播還沒有足夠的證據(jù)，不足以讓全生物成為演化的一致個體。許多宿主的微生物都是從外界環(huán)境獲得的，而非其親代。即使共享同一環(huán)境，也沒什么理由假設(shè)親代的微生物會轉(zhuǎn)移到子代身上。即使微生物的種類是一樣的，直接的垂直傳播對形成演化個體也是必要的。

斯基林斯繼續(xù)說道，自然中物種的重復(fù)同時出現(xiàn)并不代表它們就有共同利益。試想一對被困在永恒斗爭中的宿主和寄生蟲：它們每一代都共同出現(xiàn)并試圖顛覆對方。你甚至可以想象同一族系的宿主世代被同一族系的寄生蟲感染。然而，斯特林斯認(rèn)為，即使穩(wěn)固如這段關(guān)系，只有分開考慮各族的利益才能明白其間關(guān)系。而全基因組概念的支持者認(rèn)為合作、競爭甚至中性關(guān)系都可以影響全生物的演化，這使得爭論偏向了如何厘清這段關(guān)系的方向，而遠(yuǎn)離了事實本質(zhì)。

施特萊斯曼認(rèn)為僅關(guān)注全生物會導(dǎo)致許多對微生物的忽略。許多與宿主相關(guān)的微生物也會在宿主外度過一大部分生命周期，面對著全然不同的選擇壓力。她說，全生物的概念遮蔽了我們對這些微生物演化的理解，讓我們只關(guān)注宿主環(huán)境，而忽略了其他棲息地也可以影響微生物的特征。

— 圣路易斯華盛頓大學(xué)的演化生物學(xué)家瓊·施特萊斯曼

全生物中心論的批評者并不是輕視研究微生物和宿主相互關(guān)系的重要性，而是認(rèn)為全生物的框架幾乎總會誤導(dǎo)方向。他們將全生物看作生態(tài)群落，而非演化中的個體。微生物的寄生關(guān)系很重要，但這并不代表“我們需要全部忘記已知的演化和自然選擇如何作用?！笔┨厝R斯曼說。

但將已存生態(tài)和演化理論應(yīng)用到新的微生物世界說起來容易，做起來難，加州大學(xué)伯克利分校的生物學(xué)家布里特·科斯凱拉（Britt Koskella）提醒我們。許多這些理論都是為解釋動植物如何相互作用和共存而建立的，“許多已被研究透徹的微生物生態(tài)學(xué)理論都無法適用于此，”她說。

而圣路易斯華盛頓大學(xué)的演化生物學(xué)家瓊·施特萊斯曼認(rèn)為，演化中的全基因組概念離可被選擇單位的想法相差甚遠(yuǎn)。

以生態(tài)演替為例，它是一個評估某群落如何隨時間聚集的框架。例如，一個新島上植物群落的狀態(tài)可能更多取決于物種抵達(dá)的順序和它們填補(bǔ)的生態(tài)位，而非植物的本地演化，因為演化總是很慢。

但細(xì)菌演化得比動植物快得多，而且它們可以通過水平基因轉(zhuǎn)移瞬間交換基因?！艾F(xiàn)在你得考慮微生物抵達(dá)，和通過變異或空間轉(zhuǎn)移在其他物種出現(xiàn)前填補(bǔ)空缺生態(tài)位的可能性，”科斯凱拉說。細(xì)菌演替可能以與傳統(tǒng)演替不同的、反直覺的方式進(jìn)行。

科斯凱拉還說，其他要考慮到的區(qū)別包括宿主免疫系統(tǒng)對微生物的影響，以及微生物積極改造環(huán)境的能力。她認(rèn)為理論家們需要全面考慮他們模型下的基本假設(shè)，以及它們是否平等地適用于微生物；而實驗者們則需要檢驗這些模型的預(yù)測結(jié)果?！帮椦菡吆屠碚摷业膶υ捄苤匾?，”科斯凱拉說，“數(shù)據(jù)太復(fù)雜了，而且我們很快會遇到超出直覺的狀況。”

解決經(jīng)驗問題，比如大部分全生物被遺傳的幾率、群落在世代遺傳中究竟有多穩(wěn)定，可以幫助人們形成更敏銳的直覺，并為理論工作提供信息。科斯凱拉說：“我們可以繼續(xù)提出問題和搜集數(shù)據(jù)，但沒有理論，你就無從得知如何著手理解或檢驗這些復(fù)雜性?！?br>

關(guān)鍵在歌曲，而不是歌手

一種激進(jìn)想法試圖通過完全改寫問題來開辟第三條道路。它的擁護(hù)者呼吁忘掉那些是什么微生物在相互作用，或者它們是垂直傳播還是水平傳播的細(xì)枝末節(jié)，轉(zhuǎn)而關(guān)注相互作用，即各種微生物參與實施的穩(wěn)定代謝過程。

“關(guān)鍵在歌曲，而不是歌手，”加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的演化生物學(xué)家W.福特·杜利特爾（W. Ford Doolittle）說。他和在達(dá)爾豪斯的前同事奧斯汀·布斯（Austin Booth）將滾石樂隊的一首歌“The Singer Not The Song”的標(biāo)題顛倒過來，為他們的原創(chuàng)想法命名，縮寫為ITSNTS。他們認(rèn)為這個想法抓住了全生物理論吸引人的精髓，即將全生物視為不同種系間相互作用形成的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，而不分別賦予它們在演化中的獨立身份。相反，是過程本身形成了某種演化譜系。

— 達(dá)爾豪斯大學(xué)的演化生物學(xué)家W.福特·杜利特爾

W.福特·杜利特爾

杜立特爾和布斯首先觀察到腸道微生物群包含橫跨許多細(xì)菌種類的物種和菌株，但是這些微生物的核心功能被顯著保留了。這些擁有不同參與者的網(wǎng)絡(luò)在代謝循環(huán)中起作用，其中一些細(xì)菌將營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，其他細(xì)菌再將它們的代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為另一種代謝產(chǎn)物給宿主利用，如此循環(huán)。這些功能步驟中的許多可以由腸道中存在的無數(shù)菌株來執(zhí)行，使得任何特定菌株都可能顯得冗余。但是循環(huán)本身能夠持續(xù)運行，不管參與的是哪些細(xì)胞。

杜立特爾用氮循環(huán)來解釋該想法。大氣中的氮通過各種各樣的細(xì)菌、植物和分解者，比如真菌，發(fā)生一系列化學(xué)態(tài)轉(zhuǎn)變。循環(huán)中的每一步都可以由無數(shù)屬于同種“功能集團(tuán)”的物種來完成，但過程本身保持驚人的穩(wěn)定。

一旦這些網(wǎng)絡(luò)存在，就會制造出可供其他微生物占據(jù)的生態(tài)位。循環(huán)變成了一個可供不同譜系生活的結(jié)構(gòu)。“如果你上一個臺階，將這些相互作用的網(wǎng)絡(luò)想作實體種群，你就會明白它們是演化的單位?！辈妓拐f，“這將顛覆傳統(tǒng)的演化觀點。譜系的物質(zhì)基礎(chǔ)無關(guān)緊要?！?br>
杜利特爾和布斯把這比作歌曲作為文化實體而持續(xù)存在的方式。杜利特爾說：“有些歌已經(jīng)持續(xù)存在了很長時間，主要是因為其被萬口傳唱?！备鱾€歌手來來往往，但即使在不存在樂譜和錄音的文化中，這些歌曲通過合適的天才歌手傳唱而在新一代中存活下來。類似地，一旦新陳代謝網(wǎng)絡(luò)存在，不同譜系的有機(jī)體就可以演化以執(zhí)行一些定義其的相互作用和過程。演化支持這種關(guān)聯(lián)，因為這對于不同譜系的“自私的”個體或基因來說是有利的。

通過差異延續(xù)來對過程進(jìn)行選擇當(dāng)然是一個不尋常的觀念，但并非無前例。觀念以“模因”的形式在文化中演化，雖然仍有爭議，但許多人認(rèn)為其并非不可信（模因概念本身就是受基因生物學(xué)概念啟發(fā)的）。同樣，將觀念或模因換成新陳代謝的相互作用，它的延續(xù)取決于其招募微生物來執(zhí)行它的能力。

這個框架對于研究全生物有多大用處還有待觀察，且還有許多重要的問題亟待解決。對于許多進(jìn)化生物學(xué)家來說，將差異延續(xù)類比于差異性繁殖的觀點略顯奇怪，同時如何定義代謝網(wǎng)絡(luò)也尚無定論。

肥沃的土地

關(guān)于演化究竟如何運作的激烈爭論從未停息?！翱纯囱莼^念的歷史，你會發(fā)現(xiàn)它幾乎始終處于這種辯論中，”布斯說，他提到了早期關(guān)于進(jìn)化是逐漸進(jìn)行還是間歇進(jìn)行的爭論。

“可以肯定地說，微生物演化之所以影響深遠(yuǎn)，是因為它拋棄了那么多的傳統(tǒng)觀念，或者至少重塑了它們?！?br>
“我認(rèn)為我們才剛剛開拓一個新領(lǐng)域，”波登斯坦說。他以遺傳學(xué)誕生的早期為例，“這些早期的問題都很基礎(chǔ)：什么是基因？基因如何遺傳？”如今，生物學(xué)家才剛開始解決這些關(guān)于微生物-宿主相互作用的基本問題。“誰在那里？全生物的復(fù)雜性是什么？它的各個部分是如何結(jié)合在一起的？這些問題值得我們花上一個世紀(jì)的功夫來解決?！?/p>

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