科學(xué)家們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到，腸道菌和其他微生物對(duì)我們健康的重要性，但是，加州大學(xué)伯克利分校的生物學(xué)家在問：這些微生物——我們的微生物組，是否通過操縱進(jìn)化，而在塑造我們自己的過程中，發(fā)揮一定作用呢？

 

生物學(xué)家收集的證據(jù)表明，動(dòng)物及其共生體（通常是生活在體表或體內(nèi)的細(xì)菌）之間的相互依存，對(duì)這兩者的進(jìn)化有影響。但是，加州大學(xué)伯克利分校的綜合生物學(xué)助理教授Michael Shapira認(rèn)為，我們身體的不同微生物群，有著更為深刻的影響，為了生存，它們以一種親密的協(xié)作，顯著加劇了進(jìn)化。

 

最近在《Trends in Ecology and Evolution》發(fā)表的一項(xiàng)研究中，Shapira——致力于研究秀麗隱桿線蟲的腸道微生物，有證據(jù)顯示，微生物群通過與宿主一起進(jìn)化，或通過在關(guān)鍵時(shí)刻介入以幫助宿主適應(yīng)一個(gè)新的環(huán)境挑戰(zhàn)，影響并有助于宿主的進(jìn)化。

 

他說，這些例子，支持相對(duì)較新的全基因組（hologenome）概念，該術(shù)語指，宿主及其微生物的基因組，也許包括皮膚上、腸道中甚至生殖器官中成千上萬不同種類的細(xì)菌。在他最近的一篇論文中，Shapira闡述了特拉維夫大學(xué)研究人員在2008年的一項(xiàng)提議：進(jìn)化對(duì)全基因組起作用，而不是單獨(dú)地對(duì)宿主及其微生物群的基因組起作用。這意味著，隨著宿主進(jìn)化以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，其微生物群在指導(dǎo)和參與其進(jìn)化的過程中，發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

 

Shapira說：“當(dāng)我看到Ilana Zilber-Rosenberg和Eugene Rosenberg描述全基因組概念的文章時(shí)，這出乎我的意料。動(dòng)物可能不完全基于自己的基因組進(jìn)行選擇，而是借助于更多，從而為以前人們想象不到的進(jìn)化路徑，開啟了大門。”Shapira進(jìn)一步闡述了這個(gè)概念，包括關(guān)于生物體之間共生關(guān)系的一些驚人發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈儽舜艘蕾?，結(jié)合在一起。

 

蚜蟲和它們的腸道細(xì)菌

 

Shapira說，宿主及其共生體共進(jìn)化的例子，在我們身邊到處都是。據(jù)證明，蚜蟲依靠細(xì)菌，提供蚜蟲不能制造、并無法輕易從飲食獲得的必需氨基酸，而細(xì)菌——叫做Buchnera的一個(gè)集群，以樹葉來源的糖的形式，可得到這些氨基酸。

 

研究人員檢測(cè)了不同種類蚜蟲及其腸道細(xì)菌的基因，他們發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)化過程中新蚜蟲物種的出現(xiàn)，反映在昆蟲的Buchnera共生體中的物種形成事件。這演示了這兩個(gè)物種的命運(yùn)相連如何引起了共進(jìn)化。但Buchnera并不孤單。后續(xù)工作還表明，蚜蟲還具有其他不那么重要的共生體，或依賴它們的宿主，但是幫助昆蟲在不斷變化的環(huán)境中適應(yīng)新的生態(tài)位。

 

Shapira表明，總之，這些物種代表了一個(gè)基本的全基因組，具有必不可少的、共同進(jìn)化的共生體，但也具有龐大的微生物，用于靈活適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。適應(yīng)新環(huán)境，可能導(dǎo)致人口分散、隔離，和隨后一個(gè)新物種的進(jìn)化。Shapira說，這是與共生體一起生活的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果，他相信，微生物群，包括許多類型的共生體，代表了這種蚜蟲-共生體關(guān)系的擴(kuò)展版本。

 

在果蠅進(jìn)行的一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示了這一點(diǎn)。當(dāng)喂食不同類型的食物時(shí)，果蠅發(fā)展出不同的腸道微生物群，可更善于處理可用的食物。

 

然而，他說：“令人驚訝的結(jié)果是，在一代的時(shí)間內(nèi)，果蠅對(duì)自己的類群發(fā)展出了擇偶偏好，忽略了其他類群，這依賴于幫助它們利用食物的腸道微生物。實(shí)際上，這導(dǎo)致了兩個(gè)種群的生殖隔離，并可能促進(jìn)未來的物種形成。”

 

線蟲的肚子不適

 

在他自己的實(shí)驗(yàn)室里，他在富含不同類型產(chǎn)物的土壤上養(yǎng)線蟲——例如，含糖和纖維，他們發(fā)現(xiàn)，無論什么食物來源，以及隨之而來的環(huán)境微生物多樣性，線蟲在其腸道也有類似的細(xì)菌。不同食物的平衡變化，也出現(xiàn)在人類身上。例如，與素食者相比，高脂肪含量飲食的人，有不同的微生物群，雖然在人類中，確定一個(gè)核心的微生物群更難。

 

研究表明，這些腸道細(xì)菌有助于宿主生活的許多方面，包括發(fā)育、生育、新陳代謝、免疫和行為。例如，無微生物的小鼠不能發(fā)展出強(qiáng)大的免疫系統(tǒng)，而線蟲則依靠一些腸道微生物來抵抗細(xì)菌。

 

Shapira在他的論文中提出，動(dòng)物和一套核心細(xì)菌一起進(jìn)化，它們可以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，也許，隨著時(shí)間的推移，會(huì)成為新的物種。在我們腸道中游來游去的其他細(xì)菌，與我們的基本功能關(guān)系不大，但受到不斷變化的環(huán)境的影響，理想上可作為一種資源，來幫助我們適應(yīng)飲食的突然改變或毒素。

 

在考慮這些可能性時(shí)，Shapira借鑒了共生的不同例子。例如，最近的一個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示，一種昆蟲——寬頭臭蟲，由于獲得了一種可解毒的腸道微生物，因此它們能在接觸農(nóng)藥后生存下來。

 

他說：“在我看來，這是有許多靈活的微生物的優(yōu)勢(shì)的一個(gè)例子。你可以交換它們的環(huán)境,你可以得到能夠更好保護(hù)自己的菌株。這是實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性的一種方式。”

 

Shapira的提議也意味著，某些微生物群——也就是說，核心微生物群，可能被傳遞給一個(gè)人的后代，但是其他部分，屬于靈活的微生物部分，可以與環(huán)境交換。宿主或微生物的變化，會(huì)改變整個(gè)全基因組。

 

他說：“科學(xué)家們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到，事實(shí)上所有的動(dòng)物都與復(fù)雜的微生物群落形成一種共生關(guān)系，應(yīng)該擴(kuò)大我們考慮‘共生互動(dòng)關(guān)系如何影響宿主進(jìn)化’的框架”。

 

Shapira計(jì)劃未來開展秀麗隱桿線蟲的實(shí)驗(yàn)，來檢驗(yàn)這些想法，并澄清宿主及其微生物群之間的互利關(guān)系。