微生物能告诉我们什么?
2019-07-31 11:02

微生物能告诉我们什么?

本文来自微信公众号:李子的人间博物馆(ID:museumofus),作者: 李子李子短信(佐治亚理工大学科学、技术与社会研究 PhD 在读,果壳特邀主笔,科学松鼠会成员,科学作者、译者)。原文标题为《欢迎来到这个刷新你三观的世界》,头图来自视觉中国


微生物是什么?


17世纪,荷兰的玻璃匠人列文虎克第一次从他亲手打磨的、不足2毫米的镜片中,窥见了这个奇妙的世界。那随意取自代尔夫特郊区的一滴湖水里,竟然充盈着云彩般丰富的生命。这是人类第一次真正看见单细胞原生动物。而要到一百多年后,巴斯德等人的研究,才让人们真正认识到微生物的力量,看见这个微观世界于我们的重要性。


微生物,指的就是那些我们肉眼无法看见的真菌、原生生物和原核生物,以及病毒这种处于生物和非生物之间的有机物。不管是课本还是科学读物,都将重点放在了动物、植物和部分真菌上;数量浩繁的微生物却少有提及。


我翻译了一本精彩的微生物科普读物,叫《我包罗万象》(I Contain Multitude)。作者是《大西洋周刊》主笔、科学记者出身的埃德·扬(Ed Yong)。如果你对微生物世界有好奇,我在这里把它郑重地推荐给你。


1


“从宏观到微观,从“自身”到“共生”,这就是“视角转换”的力量”


人类的文明,从来都和微生物脱不开干系。真菌酵母从九千年前就开始帮人类酿酒,乳酸菌帮助人们把牛奶变成酸奶和奶酪;肆虐的鼠疫杆菌在十四世纪的风卷残云让三分之一的欧洲人死于非命,而亚历山大·弗莱明手中的青霉菌又在二战中拯救了成千上万的生命。人们害怕真菌、细菌和病毒带来疾病和死亡,却又离不开微生物——人们在发霉的水果前皱起眉头,却因“发霉”的奶酪和腐乳而喜笑颜开;而当人们为了消灭各类病毒而殚精竭虑时,病毒的兄弟——噬菌体——却是人类对抗许多细菌的钥匙。


不过,我们和微生物的关系,还远不及此。


人体体内和体表的微生物数目,和人体本身的细胞数一样多;而微生物与我们的关系,远远不能简单地用朋友或者敌人来概括。“我”,不是指的这个DNA里拥有23对染色体的智人种生物,而是这种生物以及他/她所共生的微生物组。而微生物与人类、与动物和植物的关系,近年来才慢慢被前沿的研究所揭示。《我包罗万象》(I contain Multitude)中的“万象”,就是无处不在的微生物组,在我们生命的方方面面所呈现出的丰富面相。


这是一场旅行记录,将人带到一个从未踏足的世界,而这个世界,与我们的日常生活产生着紧密却十分隐秘联系。从宏观到微观,从“自身”到“共生”,这就是“视角转换”的力量。


2


“人类和微生物在漫长的演化过程中,早就形成了紧密的同盟关系。”


比如,婴儿刚出生时,母亲的母乳里含有大量婴儿无法消化的糖类,叫“人乳低聚糖”(HMO)。一直以来,科学家都无法理解——毕竟,生产母乳需要耗费大量的能量,为什么要将这些能量,浪费在婴儿无法消化的分子之上?为什么自然选择没有淘汰这种吃力不讨好的做法?


其实,这些低聚糖能够完好无损地通过婴儿的胃和小肠,最后抵达大肠,然后在大肠滋养了婴儿的肠道菌群。一种叫做“婴儿双歧杆菌”的细菌能够消化这些低聚糖,成为肠道的优势菌群;这些菌,又反过来释放短链脂肪酸,养育婴儿的同时,刺激肠道制造粘附蛋白,密封肠道之间间隙,制造调节免疫系统的抗炎分子。


这种细菌,有且仅有在母乳滋养的时候,才能释放其全部潜能;母乳喂养的好处,有一部分是通过微生物来实现的。


人类和微生物在漫长的演化过程中早就形成了紧密的同盟关系。而这本书中,还有相当多这样的例子——不仅仅是人,甚至生命的源始、演化的展开,都有微生物的身影,其中更有令人大呼“意想不到”的自然设定,而这种关系的复杂与微妙,也让人时不时发出感叹。


比如,原核生物到真核生物的演化,是一场近乎“巧合”的事件:能够为细胞提供能量的线粒体,实际上是一枚古菌将一枚细菌“吞下”的结果。古菌提供了真核细胞的基本架构,而细菌最终变成了线粒体。这种被“驯服”的细菌为细胞提供了更多能量,让真核细胞长得更大、聚集更多的基因,变得更加复杂。


然而线粒体一旦裂开,或者出现在了错误的地方,它能产生的伤害也是极其巨大的——你的免疫系统依然会将它识别为入侵者,产生剧烈的免疫反应,甚至可以危及生命。人和微生物的关系,也是这样微妙——“你和它们之间不是一段美妙的姻缘,只是一幕纯粹的生物学场景”


地球上最成功的微生物,要数和昆虫“相爱相杀”的沃尔巴克氏体,它们定殖了超过40%的昆虫,散布到了全世界每个角落。这也是本书作者埃德·扬“最喜欢的微生物”——完美地表现了微生物与动物之间的关系。它是寄生体,会操纵昆虫的性生活,杀死雄性或者改变雄性的精子,让黄蜂通过克隆来繁殖(只有卵才能携带沃尔巴克氏体);然而,它也保护着宿主,为宿主提供营养,使它们免受一些病原体的侵扰。最神奇的是一种蛾子,它的幼虫住在苹果树的叶片里,而某种寄生的沃尔巴克氏体能够释放激素,阻止叶片枯萎,为蛾子的幼虫和它们自身都获取生存空间。


原始的单细胞生物,很可能通过微生物的“催化”作用,而聚集成为多细胞生物、并产生了功能的分化;海底热泉里的管虫,能够通过微生物,从硫化物里摄取能量;一种能够依靠发光而躲避海底捕食者的乌贼,其发光的功能也是因为一种细菌而得来。


一些微生物因为长时间和宿主待在一起,慢慢地也和宿主融为了一体,微生物甚至会丢失自己的部分基因,成为宿主基因组的一部分。对于动物来说,演化的速度是比较慢的,需要通过生殖将随机突变出来的性状传给下一代,再经受环境选择的考验。然而,微生物的繁殖异常迅速,且拥有彼此交换基因的“超能力”(所谓的基因水平转移),因此动物便与微生物结成了“同盟”,通过摄取微生物的方式,更快地适应环境。


3


“其中有80%都是从未发现、从未命名的未知物种。”


然而,如果你认为这本书是一本微生物的赞歌,从演化起源讲到灵丹妙药,那你就错了。


科学探索中还有着大量的不确定性,而人类目前只是揭开了微生物领域的小小一角,才刚开始窥得这个巨大世界的奇妙之处。这本书带给你的,更多是启发,而不是确定的结论——在埃德·扬看来,这也是科学写作不可分割的一部分,也是这本书不同于其它许多介绍性质的科普作品的一点。


比如,人们现在能为微生物定种和命名的依据,绝大部分还是需要将微生物分离,并在培养皿中培养出纯净的菌种。然而,随着基因测序技术的成熟,人们能够从自然界中提取一些样本——比如一滴热泉水、一口唾沫、一捧泥土等等,然后对里面的微生物基因进行直接测序。2005年,研究人员从志愿者的肠道中的不同部位收集了一些样本,鉴别出了近400种细菌和1种古菌,其中有80%都是从未发现、从未命名的未知物种。它们究竟有什么用?扮演着什么样的角色?和我们人类有着怎样的关系?我们现在还未曾知晓。


每天,我们都会看到各种各样的研究面世:肠道菌群在影响着我们的情绪,在左右着我们的食欲;使用粪便移植等方法,我们能够治愈许多疾病,能够根治肥胖和营养不良,能够驯化免疫系统,或许以后我们能够从粪便中开发药品……现在谈这些,还太早。


然而这种未知、不确定,乃至研究中的挫折与徘徊,都是科学必不可少的一部分。“事情远比我们想象的更复杂。不过好在,我们的读者也喜欢这样的故事。”在一次演讲活动结束之后,埃德·扬对我说。在他看来,科普关于微生物研究的困难,也是写作必不可少的一方面。


至少在现在,我们还远不能说我们了解了微生物世界。“见微知著”的视角为我们打开了一扇门,一扇让许多科研人员感到兴奋、看到希望的门,而每个科学家都在使用自己手头的微生物武器,解决一个个具体的问题。比如,用沃尔巴克氏体消灭传播登革热的蚊子;比如,用微生物的视角改善我们建筑的环境。


当然,对我们每个人来说,我们可以做的还很少——还没有一剂来自微生物工程的灵丹妙药能够解决我们的现实困难。但这本书一定能够改变你对身边环境的看法,让你开始关注这个能够“包罗万象”的自己。


4


“如果写作者足够出色,一个基因,一颗星星都能成为主角。”


那么,讲述这个奇妙世界的人,又是怎样的?


在亚特兰大卡特中心博物馆的演讲厅外,我第一次看到了埃德·杨本人。瘦瘦高高、精神十足的他,和照片中的形象几乎没有差距,而且也如我想象的一般,说话有着抑扬顿挫的兴奋劲儿,时不时抖点小机灵。


“写这本书,最大的挑战是,你要让读者感兴趣。”埃德告诉我,“为什么是微生物?很多人可能对微生物并不感冒,可能还会认为微生物等于可怕的病菌。所以,要写微生物,就必须建立读者和微生物之间的联系。这个故事从动物园开始——这是许多人儿时的回忆。”


所有的一切都是如此令人着迷。而更令同样作为科学作者的我惊叹的是,原来科学的故事可以这么精彩。埃德的文字和演讲仿佛有种与生俱来的故事感,能够把对于自己所热爱的事物,流畅又生动地表达出来;在此之上,他又能和读者建立联系,让读者知道“这个很重要”。“如果一个研究能够让你‘喔’地惊叹,那么很有可能你的读者也会这么想。”这种敏锐,来源于他13年来的经验以及训练。“这大概是我唯一擅长的事。”埃德笑言。


对于大部分科研工作者而言,科学存在于细致的实验和严谨的推论之中,充满了定义、限制条件与技术细节。而这本讲微生物最前沿研究的书,却连一个表格都没有。这之中的转换与诠释的难度,不亚于我将它从英文翻译为中文。在埃德看来,丰富的故事与情感是一切的关键——科学之所以能够打动人,除了它的严谨与有用,还有面对未知的兴奋和好奇,不断探索求真的执着,探索路程上的茅塞顿开。


这本书里有科学,更有科学家们上山、下地、出海的身影,你闻得到医院的消毒水,感受得到咸味的海风扑面,听得到实验室里的喧闹。借着他灵动且充满热情的语言,这些重要的、惊人的、耐人寻味的发现被他一一道来。像任何其他的故事一样,科学的故事有角色,有惊喜,有一波三折;而不仅仅是人,动物也可以成为主角。“如果写作者足够出色,一个基因,一颗星星都能成为主角。”


埃德花了一年半的时间写这本书,其中有半年像一个研究生一样翻遍了这个领域前沿的论文,理解前沿领域的话题,寻找值得采访的对象。他亲自去了世界各地的10处实验室,通过面对面和电话采访的方式与超过100多个科学家对话(有的并没有出现在书里,这太正常了),然后花了10个月的时间,把这些东西细细地串起来。这本书融合了科普的平易言语、非虚构的扎实调查以及作为创作者的文字艺术,但也告诉我们,优质的科学写作背后一定是扎实的耕耘。


而对于读者你来说,只要简单地享受这个旅程,就已经是对创作者们最大的鼓励——欢迎来到这个能刷新你三观的世界。


注:本文前半部分来自我给“信睿周报”撰写的《我包罗万象》书评。后半部分来自我给此书撰写的译后记节选。


本文来自微信公众号:李子的人间博物馆(ID:museumofus),作者: 李子李子短信(佐治亚理工大学科学、技术与社会研究 PhD 在读,果壳特邀主笔,科学松鼠会成员,科学作者、译者)

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