看不見的微觀世界

袁越

地球上到處生活著各種各樣的微生物，它們看不見摸不著，人類對(duì)于這個(gè)微觀世界的情況幾乎一無(wú)所知。

先來(lái)問(wèn)個(gè)問(wèn)題：大地球上生活著的微生物總數(shù)和宇宙中恒星的數(shù)量相比，哪個(gè)大？答案是：前者的數(shù)量大。

再問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：前者到底比后者大多少呢？10倍？100倍？

根據(jù)目前的估算，地球上的微生物總數(shù)大約是1030，而宇宙中大約有1022個(gè)恒星。也就是說(shuō)，地球上的微生物總數(shù)不僅比宇宙中恒星的總數(shù)還要多，而且多1億倍！

微生物的總數(shù)比較容易估算，但種類就不那么容易統(tǒng)計(jì)了，因?yàn)槲⑸锏捏w積實(shí)在太小，分辨起來(lái)十分困難。如果把一頭大象比作一個(gè)細(xì)菌，再把體積的差別換算成距離的話，那么微生物學(xué)家們就相當(dāng)于站在月球的位置上回望地球上的這頭大象，那時(shí)恐怕就連它是公是母都很難辨別。

在這超出人類想象的距離之外進(jìn)行科學(xué)研究，需要超出常規(guī)的研究思路與工具。說(shuō)到工具，很多人肯定會(huì)首先想到顯微鏡，但顯微鏡只適合觀察，如果要進(jìn)行生化分析的話，瓊脂的作用更加重要。如果你去過(guò)微生物實(shí)驗(yàn)室，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大家最常用的一個(gè)實(shí)驗(yàn)工具就是培養(yǎng)皿，里面鋪著一層富含營(yíng)養(yǎng)的瓊脂。每一個(gè)細(xì)菌都能在瓊脂表面單獨(dú)長(zhǎng)成一個(gè)肉眼可見的菌斑，每個(gè)菌斑里含有成千上萬(wàn)個(gè)完全一樣的細(xì)菌，這在生物學(xué)術(shù)語(yǔ)里叫做一個(gè)“克隆”。因?yàn)榄傊前牍虘B(tài)的，細(xì)菌的位置被固定住了，無(wú)法在菌斑之間自由往來(lái)，這就等于將一個(gè)細(xì)菌克隆并擴(kuò)增到足夠大的量，卻沒有遭受其它細(xì)菌的污染。只有這樣科學(xué)家們才能對(duì)其進(jìn)行生化分析，包括測(cè)量其DNA的順序。

這個(gè)研究模式已經(jīng)持續(xù)了幾十年。事實(shí)上，分子生物學(xué)迄今為止所取得的絕大部分成就都來(lái)自對(duì)于大腸桿菌的研究?？蓡?wèn)題在于，自然界還有很多微生物是沒法在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的，因此也就沒法被克隆?？茖W(xué)家拿不到足夠多的克隆細(xì)菌，很多生化檢測(cè)手段都無(wú)法應(yīng)用。

最早意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題的是美國(guó)科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家諾爾曼·佩斯（Norman Pace），他把從土壤中采集到的樣本全部打碎，提取出里面含有的全部DNA，測(cè)量16S核糖體RNA的基因序列。這個(gè)16S RNA是蛋白質(zhì)合成過(guò)程中必須用到的一種核酸分子，所有細(xì)菌里都有它。不同的細(xì)菌之間的16S RNA順序有點(diǎn)不同，因此可以用來(lái)鑒定細(xì)菌的種類。讓佩斯吃驚的是，測(cè)序結(jié)果表明絕大多數(shù)土壤細(xì)菌都是以前從來(lái)不知道的新品種。他曾經(jīng)懷疑這是DNA測(cè)序技術(shù)本身產(chǎn)生的誤差，但后來(lái)證明不是這樣，土壤微生物確實(shí)種類繁多，但因?yàn)樗鼈兇蠖紱]法在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，所以科學(xué)家們一直沒有任何辦法去研究它們。

根據(jù)最新的估計(jì)，自然界所有的微生物當(dāng)中超過(guò)99%都是無(wú)法被人工培養(yǎng)的，因此也就暫時(shí)沒有任何辦法加以鑒定。

說(shuō)了半天，我們只說(shuō)到了細(xì)菌。其實(shí)微生物當(dāng)中還包括病毒，它們寄生在細(xì)菌的身體內(nèi)，是細(xì)菌的寄生蟲。研究顯示，地球上的病毒總數(shù)大約為1031，也就是說(shuō)每個(gè)細(xì)菌周圍平均有10個(gè)病毒伺機(jī)入侵。每毫升海水當(dāng)中最多可以找到5000萬(wàn)個(gè)病毒，這些病毒平均每天都會(huì)把海洋中所有細(xì)菌的五分之一殺死，可見它們對(duì)于海洋生物的新陳代謝有著多么重要的作用。

你想研究一下這些病毒嗎？更難！既然絕大多數(shù)細(xì)菌都沒辦法人工培養(yǎng)，更別說(shuō)病毒了。所以說(shuō)，人類對(duì)于這個(gè)由微生物組成的微觀世界一無(wú)所知，甚至連線索都找不到。

大家都知道生物多樣性對(duì)于保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境是非常重要的，但我們的眼光都被那些肉眼可見的動(dòng)植物所吸引了，完全忘記了地球上最大的生物多樣性寶庫(kù)其實(shí)是屬于微生物的，而且它們的作用要比動(dòng)植物大得多。舉例來(lái)說(shuō)，海洋吸收了至少一半的大氣二氧化碳，這一吸收過(guò)程非常復(fù)雜，有大量微生物和病毒的參與，但人類對(duì)它們的情況了解得極少，因此也就很難預(yù)測(cè)它們會(huì)對(duì)氣候變化做出怎樣的反應(yīng)。

幸運(yùn)的是，隨著DNA測(cè)序技術(shù)的改進(jìn)，科學(xué)家們終于開始進(jìn)入這個(gè)神秘的微觀世界了。目前有兩種新的技術(shù)手段和思路可以用來(lái)研究這些無(wú)法人工培養(yǎng)的微生物。第一種方法叫做“環(huán)境基因組學(xué)”（Metagenomics），其思路和前文提到的佩斯教授的方法類似，就是利用超強(qiáng)的DNA測(cè)序能力，把環(huán)境樣本中的所有相關(guān)DNA序列都測(cè)出來(lái)，然后再利用超強(qiáng)的計(jì)算能力對(duì)這些序列進(jìn)行分析，找出所有具備某種功能（比如光合作用）的基因，這樣就可以對(duì)樣本的某種性質(zhì)（比如光合作用）進(jìn)行定量研究了。

第二種方法更先進(jìn)，就是想辦法把微生物一個(gè)一個(gè)單獨(dú)分離出來(lái)，然后對(duì)每一個(gè)細(xì)胞單獨(dú)進(jìn)行DNA序列分析。這個(gè)方法如果能實(shí)現(xiàn)的話，顯然效果更好。目前科學(xué)家們已經(jīng)掌握了測(cè)量單個(gè)細(xì)胞DNA序列的方法，我們有理由相信，在不久的將來(lái)，人類將會(huì)對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)有個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。

與此同時(shí)，科學(xué)家們正在把目光轉(zhuǎn)向人體自身，希望通過(guò)這項(xiàng)新技術(shù)，揭開隱藏在人體內(nèi)的秘密。

眾所周知，人身上生活著很多細(xì)菌，皮膚表面、呼吸道和腸道內(nèi)都有。它們大都沒有名字，沒有戶口，沒有編制，終日寄生在人體內(nèi)一些犄角旮旯的地方，靠“偷竊”為生，稍微管理不嚴(yán)就會(huì)跑出來(lái)惹是生非。

以上就是人們對(duì)于人體寄生細(xì)菌的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。但是，當(dāng)科學(xué)家們開始認(rèn)真研究它們時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)真實(shí)情況要復(fù)雜得多。首先，人體寄生細(xì)菌的數(shù)量之多令人乍舌。據(jù)估計(jì)，人體內(nèi)的細(xì)菌數(shù)量是人體細(xì)胞總數(shù)的10倍，也就是說(shuō)，每一個(gè)人體細(xì)胞都要供養(yǎng)10個(gè)細(xì)菌！其次，大多數(shù)人體寄生細(xì)菌都是沒辦法人工培養(yǎng)的。如前文所述，一種細(xì)菌如果沒法人工培養(yǎng)，就很難進(jìn)行研究，這就是為什么人類至今對(duì)這個(gè)微觀世界的情況所知甚少的主要原因。

基因測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步解決了這個(gè)難題。最近，美國(guó)華盛頓大學(xué)的遺傳學(xué)家杰弗里·戈登（Jeffrey Gordon）博士和他領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用了這項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)人體腸道細(xì)菌的分布和演化進(jìn)行了研究。

研究人員從南美洲委內(nèi)瑞拉的一個(gè)亞馬遜部落，非洲馬拉維的一個(gè)土著部落，以及美國(guó)的幾個(gè)大城市找到了531名身體健康的志愿者，獲得了他們的糞便樣本，并用新的基因測(cè)序法測(cè)量了其中含有的16S RNA的基因序列。測(cè)量結(jié)果顯示，這3個(gè)地方的人雖然生活環(huán)境極為不同，但環(huán)境微生物入侵人體的過(guò)程卻十分相似。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，新生兒在剛出生的時(shí)候腸道內(nèi)沒有細(xì)菌，出生后頭6個(gè)月內(nèi)有幾百種細(xì)菌開始在腸道內(nèi)落戶，此后數(shù)量不斷增加，3歲時(shí)腸道菌群的數(shù)量和分布模式就和成人相差不大了。

一個(gè)人嬰兒期和成人時(shí)的腸道菌群種類分布相差很大，但這種變化似乎都是為了滿足人體的需要，仿佛細(xì)菌們聽從了人的指揮。比如，葉酸是一種既可以從食物中來(lái)，又可以由腸道細(xì)菌合成出來(lái)的維生素。嬰兒期食物成分單一，只能依靠細(xì)菌，因此嬰兒腸道內(nèi)的細(xì)菌含有的葉酸合成酶數(shù)量較多。而成人的食物來(lái)源豐富，不必依靠細(xì)菌合成，因此成人腸道內(nèi)含有更多的專門利用葉酸的細(xì)菌，葉酸合成酶的含量反而較低。與此相反，維生素B12只能通過(guò)細(xì)菌合成，無(wú)法從食物中獲取，而人體對(duì)B12的需求量隨著年齡增長(zhǎng)而增加，因此腸道中的B12合成酶的數(shù)量也隨著年齡的增長(zhǎng)而增加。

另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，美國(guó)人的腸道微生物多樣性比另外兩個(gè)國(guó)家的人都要低，雖然美國(guó)人所吃的食物種類肯定要比后者更多。研究人員猜測(cè)，這可能是因?yàn)槊绹?guó)人衛(wèi)生條件較好的緣故，或者是源于抗生素的大量使用。至于說(shuō)這種多樣性的差異到底對(duì)健康有何影響，還有待進(jìn)一步研究。

戈登教授將研究結(jié)果寫成論文，發(fā)表在今年5月9日出版的《自然》（Nature）雜志上。戈登教授表示，這項(xiàng)研究只能算是關(guān)于人類腸道菌群基因組分析的初步嘗試，但是僅僅從這個(gè)初步的研究結(jié)果里我們已經(jīng)得到了很多以前不知道的有趣信息，這說(shuō)明該領(lǐng)域的前景非常光明。事實(shí)上，這項(xiàng)研究屬于一個(gè)叫做“人類微生物組計(jì)劃”（Human Microbiome Project）的一部分，該計(jì)劃由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）牽頭，利用新的基因測(cè)序技術(shù)把人體寄生細(xì)菌全部檢測(cè)出來(lái)。目前該計(jì)劃已經(jīng)完成了178個(gè)細(xì)菌的基因組測(cè)序工作，從中找到了超過(guò)50萬(wàn)個(gè)新的基因。該計(jì)劃的最終目的是至少測(cè)量出900個(gè)重要寄生細(xì)菌的基因組，徹底揭開隱藏在人體內(nèi)的這個(gè)微觀世界的秘密。