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演化让微生物与我们成为一体?

演化让微生物与我们成为一体?

当个体是宿主及其微生物群落组成的生态系统时,适者生存是如何进行的?生物学家正在争论是否应当修正演化论。本文来自神经现实,作者:Jonathan Lambert,翻译:狼顾,编辑:Clover Honey、玛雅蓝,头图来源:视觉中国


黄昏降临在坦桑尼亚平原上。天空的紫色更深了,一条雌斑鬣狗独自醒来。它巡视着家族领地,用尾下的酸味粘性物划出界限。它试图从微风中兴出发情雄性的气味,而无视了前夜的残羹令肚子发出的咕咕声和身侧的瘙痒。这只形单影只的鬣狗正在为了生存而选择接下来的行动。


但它并不孤独。它分泌的粘性物并不仅仅是它自己的功劳,也归功于成千上万居住在它香腺中的细菌。微风中潜在异性的气味也来自于独特的微生物群。它肠道里的各种细菌赞助它消化食物,还有一些细菌则赞助它的免疫系统抵御寄生虫和病菌对皮肤和其他组织的入侵。


那么,在坦桑尼亚平原上挣扎求生的究竟是谁?应当把斑鬣狗和它体内的微生物分开看待吗?它们的相互作用是否形成了一种新的形式,超出了它们独立的存在?


“几十年甚至几个世纪以来,我们都低估了微生物对个体特征的潜在贡献。” 韦恩州立大学的微生物学家凯文·泰斯(Kevin Theis)说,他研究赞助鬣狗分泌黏液的微生物,“如果决定重要特征的基因是来自于微生物而非动物自身,那么我们需要采取系统的观念,将宿主-微生物系统看作一个整体。”


韦恩州立大学的微生物学家凯文·泰斯相信演化科学需要将宿主-微生物系统视作一体。


仔细观察任一动植物,你都会发现一大群细菌、真菌、病毒,它们形成了一个复杂而相互关联的生态系统。近期激增的一系列研究展示了我们如何高度依赖这些微生物来维持身体机能,为“何为个体”这一课题带来了众多疑问。


消化和免疫等生命功能久长以来都被认为是在自然选择,即差别化生存繁衍作用下,在单个有机体范围内发展和完善的。但如果我们的身体不是由同种细胞独裁统治,而是多种细胞的联合国,我们又该怎么解释它们的演化呢?


一些生物学家呼吁对演化论进行全面升级,称过去由研究更大、更易理解的生物而发展出来的想法已经过时了。另一些人则认为现存理论只是需要更谨慎地使用。所有人都同意,宏观和微观世界不可防止地相互依赖,而生物学家必须探索其相互关系的前沿。


从不孤单


“我们从不是独立的个体。”在2002年发表于《生物学评论季刊》(The Quarterly Review of Biology )上的一篇论文中,史瓦兹摩尔学院的发展生物学家斯科特·基尔伯特(Scott Gilbert)及其同事发出了这样的宣言。这篇大胆的文章回应了先前重新将复杂有机体定义为一种新个体——“全生物”(holobiont)的呼吁。全生物这个术语包含了宿主动植物和它身上全部的组成微生物。一个全生物体内的所有基因,包含宿主的基因和微生物的基因,组成了“全基因组”(hologenome)


泰斯及其同事在期刊《mSystems》上写道:“全生物和全基因组是 ‘自然界无可争议的事实’。”全基因组不仅包含了宿主基因,由于至少有一部分微生物基因对宿主的存活和繁殖有重要影响,因此如果我们想要理解全生物的进化,就需要将全基因组作为潜在选择的一环。


“首先并且最重要的是,我认为全生物和全基因组是结构定义。”范德堡大学的演化生物学家赛斯·波登斯坦(Seth Bordenstein)说道。波登斯坦和其他一些研究者认为,由于自然界中普遍存在这种与宿主相关的微生物,需要有新的词汇来指代它。“我们接受将染色体或基因组作为结构基础,而下一级结构就是全基因组。”他说。


范德堡大学的演化生物学家赛斯·波登斯坦认为由于自然界中宿主相关微生物的普遍性,“全生物”应被视作有意义的单位。


“第二个问题是:全基因组重要吗?”他继续说道。没人知道微生物中有多大比例可以影响宿主的适应性,某些微生物显然只是搭便车的。但假如存在某种水平的合作,如宿主提供居所或营养换得微生物为其生产其自身无法合成的代谢产物,那么它们就不仅仅是占据同一空间的两个有机体,而是某种水平上二者功能的集成。这就引出了一个问题:全基因组在演化上占有一席之地吗?


功能集成越紧密,宿主和微生物的命运越是紧密关联。波登斯坦说,对于这种全生物,你不能单独考虑宿主或微生物基因组的演化,因为个体特征是有机体们共同塑造的。“我们需要理解微生物表演着怎样的角色,宿主表演着怎样的角色,它们如何共同运作。”他说。波登斯坦还认为,全生物超出了宿主与微生物的简单加和。它们的相互作用还发生了一个自洽的实体,自然选择可以像对单独的个体或基因那样,以同样的方式作用于这个实体。


全基因组进化论的拥护者认为,如果宿主和微生物之间存在着世代相传的忠诚合作,那么全生物就将众多不同的、分手的进化谱系融为一体,形成一个由许多物种组成的联盟,其中的成员对整体功能均有贡献。只有当把全生物看作一个单一的实体、一个能够被自然选择塑造的整体时,我们才能理解它的复杂性。


变异和遗传


全生物通过自然选择演化代表着什么呢?全生物是如何形成整体特征,而不是某一类细胞经自然选择后散布到整个种群?经典自然选择演化论认为在一个拥有不同特征个体的种群中,其特征影响着可能拥有的后代的数量。这些特征必须是可遗传的,即稳定地代代相传。假设某个特征可能使某些幸运个体的生命周期或后代数量增倍,但除非它可以遗传,否则就是走进了演化的死胡同。


Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine


全生物是否符合演化实体的尺度?微生物和宿主的基因组可以以深度影响宿主适应性的方式互相作用。但我们是否像遗传基因组那样遗传微生物还尚无定论。


亲代确实会将微生物组传递给子代。例如,一些雌性臭虫会在刚产下的卵附近留下一个粪球,作为幼虫的第一餐,从而将母亲的肠道微生物群传给它们。通常,非剖宫产所生的人类婴儿在分娩中会获得母亲的阴道微生物。母亲的微生物也会通过亲密接触和母乳喂养而传递给婴儿。尽管最终微生物群落会随着儿童在世界上的活动更自由而改变,但这些早期微生物在免疫系统发育中表演了极其重要的角色。


并不是整个微生物组都会从亲代传给子代,但波登斯坦说这没有必要。“据我所知,从来没有人认为微生物组会被完全遗传。”但他和其他人认为如果其中重要的一部分被遗传了,那么其相互作用和演化需要被作为一个整体来研究。


揭开全基因组中的漏洞


其他研究者认为,演化中全基因组的概念将可被选择的单位的概念扩展成了不一致的。“仅仅因为微生物某时某地出现在一个有机体身上并不代表它们就是选择的一个单位,尤其在它们还不能被垂直传播的情况下。”圣路易斯华盛顿大学研究微生物的演化生物学家琼·施特莱斯曼(Joan Strassmann)说道。


华盛顿大学的演化生物学家琼·施特莱斯曼认为,演化中的全基因组概念离可被选择单位的想法相差甚远。


宾夕法尼亚大学和纽约城市学院的生物哲学家德雷克·斯基林斯(Derek Skillings)说:“我不想明确声明垂直传播是必要的,但这是最可能解释搭档关系作为整体一起逐步演化的机制了。”


斯基林斯和其他评论家认为,寄生体的垂直传播还没有足够的证据,不足以让全生物成为演化的一致个体。许多宿主的微生物都是从外界环境获得的,而非其亲代。即使共享同一环境,也没什么理由假设亲代的微生物会转移到子代身上。即使微生物的种类是一样的,直接的垂直传播对形成演化个体也是必要的。


斯基林斯继续说道,自然中物种的重复同时出现并不代表它们就有共同利益。试想一对被困在永恒斗争中的宿主和寄生虫:它们每一代都共同出现并试图颠覆对方。你甚至可以想象同一族系的宿主世代被同一族系的寄生虫感染。然而,斯特林斯认为,即使稳固如这段关系,只有分开考虑各族的利益才能明白其间关系。而全基因组概念的支持者认为合作、竞争甚至中性关系都可以影响全生物的演化,这使得争论偏向了如何厘清这段关系的方向,而远离了事实实质。


施特莱斯曼认为仅关注全生物会导致许多对微生物的忽略。许多与宿主相关的微生物也会在宿主外度过一大部分生命周期,面对着全然不同的选择压力。她说,全生物的概念遮蔽了我们对这些微生物演化的理解,让我们只关注宿主环境,而忽略了其他栖息地也可以影响微生物的特征。


全生物中心论的批评者并不是轻视研究微生物和宿主相互关系的重要性,而是认为全生物的框架几乎总会误导方向。他们将全生物看作生态群落,而非演化中的个体。微生物的寄生关系很重要,但这并不代表“我们需要全部忘记已知的演化和自然选择如何作用。”施特莱斯曼说。


但将已存生态和演化理论应用到新的微生物世界说起来容易,做起来难,加州大学伯克利分校的生物学家布里特·科斯凯拉(Britt Koskella)提醒我们。许多这些理论都是为解释动植物如何相互作用和共存而建立的,“许多已被研究透彻的微生物生态学理论都无法适用于此。”她说。


而圣路易斯华盛顿大学的演化生物学家琼·施特莱斯曼认为,演化中的全基因组概念离可被选择单位的想法相差甚远。


以生态演替为例,它是一个评估某群落如何随时间聚集的框架。例如,一个新岛上植物群落的状态可能更多取决于物种抵达的顺序和它们填补的生态位,而非植物的本地演化,因为演化总是很慢。


但细菌演化得比动植物快得多,而且它们可以通过水平基因转移瞬间交换基因。“现在你得考虑微生物抵达,和通过变异或空间转移在其他物种出现前填补空缺生态位的可能性。”科斯凯拉说。细菌演替可能以与传统演替不同的、反直觉的方式进行。


科斯凯拉还说,其他要考虑到的区别包含宿主免疫系统对微生物的影响,以及微生物积极改造环境的能力。她认为理论家们需要全面考虑他们模型下的基本假设,以及它们是否平等地适用于微生物;而实验者们则需要检验这些模型的预测结果。“饰演者和理论家的对话很重要,”科斯凯拉说,“数据太复杂了,而且我们很快会遇到超出直觉的状况。”


解决经验问题,比方大部分全生物被遗传的几率、群落在世代遗传中究竟有多稳定,可以赞助人们形成更敏锐的直觉,并为理论工作提供信息。科斯凯拉说:“我们可以继续提出问题和搜集数据,但没有理论,你就无从得知如何着手理解或检验这些复杂性。”


关键在歌曲,而不是歌手


一种激进想法试图通过完全改写问题来开辟第三条道路。它的拥护者呼吁忘掉那些是什么微生物在相互作用,或者它们是垂直传播还是水平传播的细枝末节,转而关注相互作用,即各种微生物参加实施的稳定代谢过程。


“关键在歌曲,而不是歌手。”加拿大达尔豪斯大学的演化生物学家W.福特·杜利特尔(W. Ford Doolittle)说。他和在达尔豪斯的前同事奥斯汀·布斯(Austin Booth)将滚石乐队的一首歌“The Singer Not The Song”的题目颠倒过来,为他们的原创想法命名,缩写为ITSNTS。他们认为这个想法抓住了全生物理论吸引人的精髓,即将全生物视为不同种系间相互作用形成的稳定网络,而不分别赋予它们在演化中的独立身份。相反,是过程自身形成了某种演化谱系。


达尔豪斯大学的演化生物学家W.福特·杜利特尔是一种新演化概念的提出者之一,在该概念中,演化的单位可能是宿主和微生物间新陈代谢相互作用的稳定模式,而不一定是有机体自身。


杜立特尔和布斯首先观察到肠道微生物群包含横跨许多细菌种类的物种和菌株,但是这些微生物的核心功能被显著保存了。这些拥有不同参加者的网络在代谢循环中起作用,其中一些细菌将营养转化为代谢产物,其他细菌再将它们的代谢产物转化为另一种代谢产物给宿主利用,如此循环。这些功能步骤中的许多可以由肠道中存在的无数菌株来执行,使得任何特定菌株都可能显得冗余。但是循环自身能够持续运行,不管参加的是哪些细胞。


杜立特尔用氮循环来解释该想法。大气中的氮通过各种各样的细菌、植物和分解者,比方真菌,发生一系列化学态转变。循环中的每一步都可以由无数属于同种“功能集团”的物种来完成,但过程自身坚持惊人的稳定。


一旦这些网络存在,就会制造出可供其他微生物占据的生态位。循环变成了一个可供不同谱系生活的结构。“如果你上一个台阶,将这些相互作用的网络想作实体种群,你就会明白它们是演化的单位。”布斯说,“这将颠覆传统的演化观点。谱系的物质基础无关紧要。”


杜利特尔和布斯把这比作歌曲作为文化实体而持续存在的方式。杜利特尔说:“有些歌已经持续存在了很长时间,主要是因为其被万口传唱。”各个歌手来来往往,但即使在不存在乐谱和录音的文化中,这些歌曲通过合适的天才歌手传唱而在新一代中存活下来。类似地,一旦新陈代谢网络存在,不同谱系的有机体就可以演化以执行一些定义其的相互作用和过程。演化支持这种关联,因为这对于不同谱系的“自私的”个体或基因来说是有利的。


通过差别延续来对过程进行选择当然是一个不寻常的观念,但并非无前例。观念以“模因”的形式在文化中演化,虽然仍有争议,但许多人认为其并非不可信(模因概念自身就是受基因生物学概念启发的)。同样,将观念或模因换成新陈代谢的相互作用,它的延续取决于其招募微生物来执行它的能力。


这个框架对于研究全生物有多大用处还有待观察,且还有许多重要的问题亟待解决。对于许多进化生物学家来说,将差别延续类比于差别性繁殖的观点略显奇怪,同时如何定义代谢网络也尚无定论。


肥沃的土地


关于演化究竟如何运作的激烈争论从未停息。“看看演化观念的历史,你会发现它几乎始终处于这种争辩中,”布斯说,他提到了早期关于进化是逐渐进行还是间歇进行的争论。


“可以肯定地说,微生物演化之所以影响深远,是因为它抛弃了那么多的传统观念,或者至少重塑了它们。”


“我认为我们才刚刚开拓一个新领域。”波登斯坦说。他以遗传学诞生的早期为例,“这些早期的问题都很基础:什么是基因?基因如何遗传?”如今,生物学家才刚开始解决这些关于微生物-宿主相互作用的基本问题。“谁在那里?全生物的复杂性是什么?它的各个部分是如何结合在一起的?这些问题值得我们花上一个世纪的功夫来解决。”


本文来自神经现实,作者:Jonathan Lambert,翻译:狼顾,编辑:Clover Honey、玛雅蓝,头图来源:视觉中国

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