互动科普

乌贼和发光细菌的奇妙共生促使科学家重新认识动物与体内微生物间的关系。

看起来空空如也的水族箱里其实隐藏了某种东西。箱底的沙子中，有一对眼睛伸了出来。把眼睛的主人捞到玻璃碗中，抖掉沙粒，一只拇指大小的夏威夷短尾乌贼（bobtail squid，学名Euprymna scolopes）就现身了。当它在碗里游动时，身上的色素不停闪烁，就像一幅活的点彩画。

碗里没有其他动物，但这只乌贼并不孤独。在它的腹部有一个两腔发光器，里面长满了一种发光细菌——费氏弧菌（Vibrio fischeri）。一般认为，在野生环境中，乌贼的荧光可以模拟从天上照下的月光，抵消乌贼的阴影，使其不易被捕食者发现。从下方看，乌贼是隐形的；从上方看，它很迷人。“它们实在太美了，”威斯康星大学麦迪逊分校的动物学家玛格丽特·麦克福尔－恩盖尔（Margaret McFall－Ngai）说，“它们是绝佳的实验动物。”

很少有东西能比夏威夷短尾乌贼和费氏弧菌的合作更让麦克福尔－恩盖尔感到兴奋——她研究这种关系已有26年了，兴趣依然不减。在这段时间里，她发现，这种共生关系比任何人想的都要紧密。她发现费氏弧菌战胜了其他微生物，和自己唯一的宿主建立了忠诚的关系。它们和乌贼的免疫系统相互作用，引导乌贼的生物钟，通过改变乌贼的身体影响乌贼的早期发育。

这些发现让麦克福尔－恩盖尔开创了自己的研究领域。当她在1978年开始自己的研究生涯时，微生物学家的注意力几乎完全集中在病原体和疾病上。但在过去10年里，基因测序领域的进展使得科学家可以从人或其他动物体内鉴别出数千亿个微生物，并发现这些微生物是如何帮助动物发育和消化，甚至影响行为的。对这些微生物的研究统称为微生物组学（microbiome），现在已经成为生物学最热门的领域之一，而麦克福尔－恩盖尔的研究为这一领域铺平了道路。美国加州理工学院的地理生物学家戴安娜·纽曼（Dianne Newman）说：“早在微生物组学变成了如此吸引人的课题之前，麦克福尔－恩盖尔就开始研究动物与微生物相互作用，远远领先于其他人。”

微生物组学的繁荣既是祝福又是诅咒。所有的注意力和资金都集中到了微生物基因组测序（尤其是人体微生物测序）项目和理解这些微生物如何影响健康上。在资金越来越紧张的时候，乌贼和它发光的小伙伴可能会变得黯然失色。但即使是最杰出的微生物组研究者也很重视麦克福尔－恩盖尔和她的“乌贼—细菌”共生研究，因为对这种简单关系的理解，有助于研究更复杂的微生物群落。“我认为，利用从这些系统中获得的知识是很重要的，”人类微生物组研究的领军人物之一、圣路易斯华盛顿大学的杰夫·戈登（Jeff Gordon）表示。

也许，乌贼代表了不同寻常的道路，而麦克福尔－恩盖尔总被这样的道路吸引。“当我刚遇到她时，我们都在洛杉矶，经常开车，”她的研究合作伙伴内德·鲁比（Ned Ruby）回忆道，“如果她想驾车从A到B，即使显然有一条最方便的路，她还是会把所有的路线都尝试一遍。而大多数路都要更长一些。我问她：‘为什么我们要这么走？’她回答：‘你永远不知道什么时候高速公路会封路，我想把绕行路线找出来。’这也是她做科研的方式。 她喜欢另辟蹊径。”

挑战传统

麦克福尔－恩盖尔在读研究生时走上了科学之路。当时，她被生物发光现象吸引，开始研究一种携带发光细菌的鱼类——鲾鱼（ponyfish）。她想了解鱼和细菌的合作是怎么开始的，但沮丧地发现鲾鱼不能在实验室中饲养。后来，一位同事向她介绍了一种生活在夏威夷的乌贼。此前，只有一些胚胎学家对这种乌贼感兴趣，没人注意到它们和细菌间的关系——直到1988年，麦克福尔－恩盖尔飞往夏威夷去一探究竟。

首先，麦克福尔－恩盖尔得学会怎么抓乌贼。在齐膝深的水中，她只用手电筒和网就能迅速抓住几十只乌贼。1989年，在南加利福尼亚大学有了自己的实验室后，麦克福尔－恩盖尔开始饲养乌贼。她发现，8~10对乌贼一年可以产生60 000只后代。而且，与需要共生生物提供必需营养的动物不同，乌贼没有费氏弧菌也能生存。这意味着麦克福尔－恩盖尔可以分别饲养乌贼和费氏弧菌，介绍它们相识，然后观察它们的首次约会。

但首先，麦克福尔－恩盖尔需要一位了解细菌的合作者。“我想我是她找的第三位微生物学家，也是第一个同意和她合作的人，”鲁比说。他们是在洛杉矶上课时认识的。自麦克福尔－恩盖尔开始研究乌贼以后，他们就一直是合作伙伴，很快还变成了生活伴侣。德国马普海洋微生物研究所的尼科尔·杜比利埃（Nicole Dubilier）说：“我想他们俩是真正的共生关系。”

麦克福尔－恩盖尔和鲁比开始着手分析乌贼－细菌共生关系中的各个方面。他们知道，费氏弧菌在乌贼身上出现后的短短几个小时内就能形成群落。但这些细菌是怎么进入发光器官的？海洋中其他细菌的数量是它们的1 000倍，为什么只有它们进入了乌贼体内？为了找到答案，麦克福尔－恩盖尔仔细地解剖了发光器管，而鲁比则为细菌植入了荧光蛋白，并借此追踪细菌的运动。

共生关系中的某些细节尚未完全明朗，但两位科学家现在知道，这种关系始于新出生乌贼的腹部。在那里，内含黏液的、成行排列的纤毛可以产生吸引细菌接近的水流。然后，物理作用让位于化学反应。当费氏弧菌接触到乌贼时，能改变乌贼一系列基因的表达——这一现象是当时的博士后研究员娜塔莎·克雷默（Natacha Kremer）在2013年发现。一些基因可以制造出数种抗菌物质，让大多数细菌难以生存，而费氏弧菌却不受影响。还有一些基因可以合成某种酶，分解乌贼的黏液，制造出壳二糖（chitobiose）。这种物质可以吸引更多的费氏弧菌。只需要5个费氏弧菌细胞就能激发这些反应，然后，这种微生物很快就会占据纤毛区（见“乌贼身体里的细菌”）。

壳二糖还能刺激细菌，让它们开始向乌贼发光器里的3个隐窝（crypt，一开始，隐窝的一端开放，一端封闭）迁移。当它们到达目的地后，会导致隐窝里的柱状细胞长大、变密，紧紧地把费氏弧菌包裹住。隐窝关闭起来，在乌贼余下的3~10个月生命中一直把费氏弧菌封在乌贼体内。

2004年，麦克福尔－恩盖尔的团队发现，细菌携带的两种分子肽聚糖和脂多糖是导致这种变化的原因。这个发现出人意料。当时，科学界只知道这两种化学物质在疾病中的作用——它们被称为病原相关分子模式（pathogen－associated molecular patterns，简称PAMP，病原微生物表面存在的、结构恒定的分子结构），这些分子可以向动物的免疫系统发出感染正在扩大的警报。麦克福尔－恩盖尔修改了PAMP这个简写，把代表病原体的“P”换成了代表微生物的“M”，改成了MAMP。她提出，这些分子既可以引发有损健康的炎症，但也可以开始一段共生友谊：没有它们，乌贼的发光器官永远都不会成熟。

在麦克福尔－恩盖尔看来，这些结果表明，生物学中存在一种更为普遍的现象：影响动物成长的不仅仅是写在基因组中的“建筑蓝图”，它们体内的微生物也会从中发挥重要作用。“大多数人会说，这真有趣。而麦克福尔－恩盖尔会说：是很有趣……微生物在发育中发挥了作用，”安吉拉·道格拉斯（Angela Douglas）说，“她提出的不是个小问题。”道格拉斯是昆虫学家和微生物学家，在康奈尔大学工作。其他科学家证实了麦克福尔－恩盖尔在1991年提出的这个概念。他们发现，从舌蝇到哺乳动物，许多动物的身体和免疫系统都必须接触细菌才能充分发育——有时候，动物的身体是对相同的MAMP产生了反应。

例如，夏威夷大学的海洋生物学家迈克尔·哈德菲尔德（Michael Hadfield）发现，有些海洋软体动物的幼虫只有接触了细菌分子后才能变态为成虫。考虑到最早的动物诞生于充满细菌的海洋，哈德菲尔德认为这是理所当然的。他说：“在进化中，海洋动物很可能把细菌当成了发育信号。”

麦克福尔－恩盖尔也开创了其他理论。其中一个是她在思考后天免疫系统（adaptive immune system）时想到的。后天免疫系统是脊椎动物的特有标志，它可以用特异性的抗体攻击进入身体的微生物，还能记住曾经入侵的微生物。而包括乌贼在内的无脊椎动物只能依赖先天免疫系统（innate immunity）。组成先天免疫系统的是更简单的防御细胞，这些细胞寿命短暂，而且需要常驻体内。很多免疫学家认为，脊椎动物之所以进化出了后天免疫系统，是因为它们活得比无脊椎动物更久，而更复杂的免疫系统可以帮它们在更长的生存时间内更好地抵御病原体。

2007年，当科学界对微生物组的兴趣越来越大的时候，麦克福尔－恩盖尔提出了一个新的解释。她在《自然》杂志的评论文章中写道，相比于无脊椎动物，脊椎动物需要控制更复杂的微生物组，因此后天免疫系统出现了。脊椎动物要用后天免疫系统援助有益微生物，遏制有害微生物。

不是所有人都同意她的假说。美国圣迭戈州立大学的免疫学家福里斯特·罗韦尔（Forest Rohwer）指出，珊瑚虫没有后天免疫系统，但作为宿主，珊瑚虫带有世界上最复杂的微生物组。不过，罗韦尔也同意，利用后天免疫系统，脊椎动物可以精细调节庞大的微生物组。

生物学的新革命？

麦克福尔－恩盖尔既有女政治家的自信，又有科学家的活力。朋友们都形容她是女王。她对动物－微生物相互作用的重要性非常有信心，这让她的表达方式近乎传教。“我们已经知道微生物对生物圈的多样性做出了最大的贡献，而和微生物间的相互作用也塑造了动物的生物学特性，”她说，“在我心里，这是生物学自达尔文进化论以来最重大的革命。”

麦克福尔－恩盖尔一直在广泛传播她的这一观点。2005年，当传染病领域的科学家在美国微生物学会占据主导地位时，她说服学会组织了第一次有益微生物的会议——这一会议直到今天还很受欢迎。她加入了美国国家科学院委员会，为美国21世纪的生物学发展寻找方向。2012年，她帮助纽曼开设了一门以微生物为切入点介绍生物学原理的本科课程。她在自己的假日定期从麦迪逊飞到帕萨迪纳去教这门课。

她对乌贼的热情催生了一个学术王朝。鲁比和麦克福尔－恩盖尔已经训练了几十个科学家，其中有16人仍在研究乌贼和费氏弧菌的共生关系，并且都有了自己的实验室。不过，他们两人却不赞成同领域内的竞争。“我曾看到许多领域内的老师击垮了自己的学生，我不想这么做，”麦克福尔－恩盖尔说。她和鲁比邀请已有自己实验室的博士后研究员确定他们研究共生的方向。每年，他们会组织一次带有聚会性质的讨论会，名叫Pow－Wow。在聚会中，所有人聚在一起，分享自己的结果和计划。“如果有人说，‘我也想做这个’，那他们就要单独讨论一下这个问题，”鲁比说。

尽管聚会是快乐的，但所有人都知道他们必须为有限的经费展开竞争。“有人对我说，‘我们已经资助了麦克福尔－恩盖尔或内德，我们还能资助多少人？’”麦克福尔－恩盖尔早期的学生斯潘塞·尼霍姆（Spencer Nyholm）说。他现在在康涅狄格大学斯托斯分校工作。尼霍姆说：“我无法想象，如果有人申请经费研究果蝇、线虫或老鼠的话，他们还会这么问。”

麦克福尔－恩盖尔表示，自己和学生的工作才刚刚开始。在最近的一项研究中，她正在验证一个进化理论。这个理论预言，所有微生物组中都有浑水摸鱼的骗子——从宿主身上获益，却不会提供任何回报的微生物。的确，一些不会发光的费氏弧菌有时也会寄居到乌贼体内。麦克福尔－恩盖尔的团队发现，乌贼可以利用发光器官中的光敏蛋白从数百万个发光的细菌中找到少数几个不发光的细菌，选择性地把它们驱逐出去。研究团队现在想知道乌贼是怎么做到这点的——这个问题的答案有助于解释人类和其他脊椎动物管理复杂微生物组的方法。

研究团队还发现，乌贼和费氏弧菌的关系在一天之中会有所变化。乌贼可以控制费氏弧菌只在晚上发光。2013年，麦克福尔－恩盖尔以前的学生伊丽莎白·希斯－赫克曼（Elizabeth Heath－Heckman）发现，费氏弧菌可以通过表达隐花色素（cryptochrome）蛋白的基因反过来影响乌贼的生物钟。隐花色素蛋白可以影响很多动物的生物节律，通常会被环境中的光线激活，但希斯－赫克曼发现，乌贼的一个隐花色素基因会对费氏弧菌的蓝光作出反应，进而增加蛋白质的合成量。

在这项工作的基础之上，希斯－赫克曼的研究团队预测，人和微生物的相互作用可能也会随着日夜交替变化——很快，就有证据指向了这一预测。2014年，以色列的一个研究组发现，人体肠道中有很多微生物的数量会在24小时起起落落，倒时差就会因打乱这一节奏而导致体重增加。

麦克福尔－恩盖尔和鲁比将返回乌贼的故乡夏威夷，领导火奴鲁鲁的太平洋生物科学研究中心。这是一份理想的工作，也让她有机会纵情于自己昔日的爱好——滑板和冲浪，以及在月光下观察乌贼。

 “这曾经是一个非常冷门的研究领域，”她说。“现在已经成了前沿科学。看到人们意识到微生物才是宇宙的中心，看到这一领域蓬勃发展，我感到非常高兴。”