黃昏降臨在坦桑尼亞平原上。天空的紫色更深了，一條雌斑鬣狗獨自醒來。它巡視著家族領地，用尾下的酸味粘性物劃出界限。它試圖從微風中嗅出發(fā)情雄性的氣味，而無視了前夜的殘羹令肚子發(fā)出的咕咕聲和身側的瘙癢。這只形單影只的鬣狗正在為了生存而選擇接下來的行動。

但它并不孤獨。它分泌的粘性物并不僅僅是它自己的功勞，也歸功于成千上萬居住在它香腺中的細菌。微風中潛在異性的氣味也來自于獨特的微生物群。它腸道里的各種細菌幫助它消化食物，還有一些細菌則幫助它的免疫系統(tǒng)抵御寄生蟲和病菌對皮膚和其他組織的入侵。

那么，在坦桑尼亞平原上掙扎求生的究竟是誰？應當把斑鬣狗和它體內(nèi)的微生物分開看待嗎？它們的相互作用是否形成了一種新的形式，超越了它們獨立的存在？

“幾十年甚至幾個世紀以來，我們都低估了微生物對個體特征的潛在貢獻，” 韋恩州立大學的微生物學家凱文·泰斯（Kevin Theis）說，他研究幫助鬣狗分泌黏液的微生物，“如果決定重要特征的基因是來自于微生物而非動物本身，那么我們需要采取系統(tǒng)的觀念，將宿主-微生物系統(tǒng)看作一個整體。”

凱文·泰斯

— 韋恩州立大學的微生物學家凱文·泰斯

仔細觀察任一動植物，你都會發(fā)現(xiàn)一大群細菌、真菌、病毒，它們形成了一個復雜而相互關聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)。近期激增的一系列研究展示了我們?nèi)绾胃叨纫蕾囘@些微生物來維持身體機能，為“何為個體”這一課題帶來了眾多疑問。

消化和免疫等生命功能長久以來都被認為是在自然選擇，即差異化生存繁衍作用下，在單個有機體范圍內(nèi)發(fā)展和完善的。但如果我們的身體不是由同種細胞獨裁統(tǒng)治，而是多種細胞的聯(lián)合國，我們又該怎么解釋它們的演化呢？

一些生物學家呼吁對演化論進行全面升級，稱過去由研究更大、更易理解的生物而發(fā)展出來的想法已經(jīng)過時了。另一些人則認為現(xiàn)存理論只是需要更謹慎地使用。所有人都同意，宏觀和微觀世界不可避免地相互依賴，而生物學家必須探索其相互關系的前沿。

從不孤單

“我們從不是獨立的個體，”在2002年發(fā)表于《生物學評論季刊》（The Quarterly Review of Biology ）上的一篇論文中，史瓦茲摩爾學院的發(fā)展生物學家斯科特·基爾伯特（Scott Gilbert）及其同事發(fā)出了這樣的宣言。這篇大膽的文章回應了先前重新將復雜有機體定義為一種新個體——“全生物”（holobiont）的呼吁。全生物這個術語包括了宿主動植物和它身上全部的組成微生物。一個全生物體內(nèi)的所有基因，包括宿主的基因和微生物的基因，組成了“全基因組”（hologenome）。

泰斯及其同事在期刊《mSystems》上寫道：“全生物和全基因組是 ‘自然界無可爭議的事實’?！?strong>全基因組不只包括了宿主基因，由于至少有一部分微生物基因對宿主的存活和繁殖有重要影響，因此如果我們想要理解全生物的進化，就需要將全基因組作為潛在選擇的一環(huán)。

“首先并且最重要的是，我認為全生物和全基因組是結構定義，”范德堡大學的演化生物學家賽斯·波登斯坦（Seth Bordenstein）說道。波登斯坦和其他一些研究者認為，由于自然界中普遍存在這種與宿主相關的微生物，需要有新的詞匯來指代它?！拔覀兘邮軐⑷旧w或基因組作為結構基礎，而下一級結構就是全基因組。”他說。

賽斯·波登斯坦

— 范德堡大學的演化生物學家賽斯·波登斯坦

“第二個問題是：全基因組重要嗎?”他繼續(xù)說道。沒人知道微生物中有多大比例可以影響宿主的適應性，某些微生物顯然只是搭便車的。但假如存在某種程度的合作，如宿主提供居所或營養(yǎng)換得微生物為其生產(chǎn)其自身無法合成的代謝產(chǎn)物，那么它們就不僅僅是占據(jù)同一空間的兩個有機體，而是某種程度上二者功能的集成。這就引出了一個問題：全基因組在演化上占有一席之地嗎？

功能集成越緊密，宿主和微生物的命運越是緊密關聯(lián)。波登斯坦說，對于這種全生物，你不能單獨考慮宿主或微生物基因組的演化，因為個體特征是有機體們共同塑造的。“我們需要理解微生物扮演著怎樣的角色，宿主扮演著怎樣的角色，它們?nèi)绾喂餐\作，”他說。波登斯坦還認為，全生物超出了宿主與微生物的簡單加和。它們的相互作用還產(chǎn)生了一個自洽的實體，自然選擇可以像對單獨的個體或基因那樣，以同樣的方式作用于這個實體。

全基因組進化論的擁護者認為，如果宿主和微生物之間存在著世代相傳的忠誠合作，那么全生物就將眾多不同的、分離的進化譜系融為一體，形成一個由許多物種組成的聯(lián)盟，其中的成員對整體功能均有貢獻。只有當把全生物看作一個單一的實體、一個能夠被自然選擇塑造的整體時，我們才能理解它的復雜性。

變異和遺傳

全生物通過自然選擇演化代表著什么呢？全生物是如何形成整體特征，而不是某一類細胞經(jīng)自然選擇后散布到整個種群？經(jīng)典自然選擇演化論認為在一個擁有不同特征個體的種群中，其特征影響著可能擁有的后代的數(shù)量。這些特征必須是可遺傳的，即穩(wěn)定地代代相傳。假設某個特征可能使某些幸運個體的生命周期或后代數(shù)量增倍，但除非它可以遺傳，否則就是走進了演化的死胡同。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

全生物是否符合演化實體的標準？微生物和宿主的基因組可以以深度影響宿主適應性的方式互相作用。但我們是否像遺傳基因組那樣遺傳微生物還尚無定論。

親代確實會將微生物組傳遞給子代。例如，一些雌性臭蟲會在剛產(chǎn)下的卵附近留下一個糞球，作為幼蟲的第一餐，從而將母親的腸道微生物群傳給它們。通常，非剖宮產(chǎn)所生的人類嬰兒在分娩中會獲得母親的陰道微生物。母親的微生物也會通過親密接觸和母乳喂養(yǎng)而傳遞給嬰兒。盡管最終微生物群落會隨著兒童在世界上的活動更自由而改變，但這些早期微生物在免疫系統(tǒng)發(fā)育中扮演了極其重要的角色。

并不是整個微生物組都會從親代傳給子代，但波登斯坦說這沒有必要。“據(jù)我所知，從來沒有人認為微生物組會被完全遺傳?！钡推渌苏J為如果其中重要的一部分被遺傳了，那么其相互作用和演化需要被作為一個整體來研究。

揭開全基因組中的漏洞

其他研究者認為，演化中全基因組的概念將可被選擇的單位的概念擴展成了不一致的?！?strong>僅僅因為微生物某時某地出現(xiàn)在一個有機體身上并不代表它們就是選擇的一個單位，尤其在它們還不能被垂直傳播的情況下，”圣路易斯華盛頓大學研究微生物的演化生物學家瓊·施特萊斯曼（Joan Strassmann）說道。

賓夕法尼亞大學和紐約城市學院的生物哲學家德雷克·斯基林斯（Derek Skillings）說：“我不想明確聲明垂直傳播是必要的，但這是最可能解釋搭檔關系作為整體一起逐步演化的機制了?！?br>
斯基林斯和其他評論家認為，寄生體的垂直傳播還沒有足夠的證據(jù)，不足以讓全生物成為演化的一致個體。許多宿主的微生物都是從外界環(huán)境獲得的，而非其親代。即使共享同一環(huán)境，也沒什么理由假設親代的微生物會轉移到子代身上。即使微生物的種類是一樣的，直接的垂直傳播對形成演化個體也是必要的。

斯基林斯繼續(xù)說道，自然中物種的重復同時出現(xiàn)并不代表它們就有共同利益。試想一對被困在永恒斗爭中的宿主和寄生蟲：它們每一代都共同出現(xiàn)并試圖顛覆對方。你甚至可以想象同一族系的宿主世代被同一族系的寄生蟲感染。然而，斯特林斯認為，即使穩(wěn)固如這段關系，只有分開考慮各族的利益才能明白其間關系。而全基因組概念的支持者認為合作、競爭甚至中性關系都可以影響全生物的演化，這使得爭論偏向了如何厘清這段關系的方向，而遠離了事實本質(zhì)。

施特萊斯曼認為僅關注全生物會導致許多對微生物的忽略。許多與宿主相關的微生物也會在宿主外度過一大部分生命周期，面對著全然不同的選擇壓力。她說，全生物的概念遮蔽了我們對這些微生物演化的理解，讓我們只關注宿主環(huán)境，而忽略了其他棲息地也可以影響微生物的特征。

— 圣路易斯華盛頓大學的演化生物學家瓊·施特萊斯曼

全生物中心論的批評者并不是輕視研究微生物和宿主相互關系的重要性，而是認為全生物的框架幾乎總會誤導方向。他們將全生物看作生態(tài)群落，而非演化中的個體。微生物的寄生關系很重要，但這并不代表“我們需要全部忘記已知的演化和自然選擇如何作用?！笔┨厝R斯曼說。

但將已存生態(tài)和演化理論應用到新的微生物世界說起來容易，做起來難，加州大學伯克利分校的生物學家布里特·科斯凱拉（Britt Koskella）提醒我們。許多這些理論都是為解釋動植物如何相互作用和共存而建立的，“許多已被研究透徹的微生物生態(tài)學理論都無法適用于此，”她說。

而圣路易斯華盛頓大學的演化生物學家瓊·施特萊斯曼認為，演化中的全基因組概念離可被選擇單位的想法相差甚遠。

以生態(tài)演替為例，它是一個評估某群落如何隨時間聚集的框架。例如，一個新島上植物群落的狀態(tài)可能更多取決于物種抵達的順序和它們填補的生態(tài)位，而非植物的本地演化，因為演化總是很慢。

但細菌演化得比動植物快得多，而且它們可以通過水平基因轉移瞬間交換基因?！艾F(xiàn)在你得考慮微生物抵達，和通過變異或空間轉移在其他物種出現(xiàn)前填補空缺生態(tài)位的可能性，”科斯凱拉說。細菌演替可能以與傳統(tǒng)演替不同的、反直覺的方式進行。

科斯凱拉還說，其他要考慮到的區(qū)別包括宿主免疫系統(tǒng)對微生物的影響，以及微生物積極改造環(huán)境的能力。她認為理論家們需要全面考慮他們模型下的基本假設，以及它們是否平等地適用于微生物；而實驗者們則需要檢驗這些模型的預測結果。“飾演者和理論家的對話很重要，”科斯凱拉說，“數(shù)據(jù)太復雜了，而且我們很快會遇到超出直覺的狀況?！?br>
解決經(jīng)驗問題，比如大部分全生物被遺傳的幾率、群落在世代遺傳中究竟有多穩(wěn)定，可以幫助人們形成更敏銳的直覺，并為理論工作提供信息?？扑箘P拉說：“我們可以繼續(xù)提出問題和搜集數(shù)據(jù)，但沒有理論，你就無從得知如何著手理解或檢驗這些復雜性?！?br>

關鍵在歌曲，而不是歌手

一種激進想法試圖通過完全改寫問題來開辟第三條道路。它的擁護者呼吁忘掉那些是什么微生物在相互作用，或者它們是垂直傳播還是水平傳播的細枝末節(jié)，轉而關注相互作用，即各種微生物參與實施的穩(wěn)定代謝過程。

“關鍵在歌曲，而不是歌手，”加拿大達爾豪斯大學的演化生物學家W.福特·杜利特爾（W. Ford Doolittle）說。他和在達爾豪斯的前同事奧斯汀·布斯（Austin Booth）將滾石樂隊的一首歌“The Singer Not The Song”的標題顛倒過來，為他們的原創(chuàng)想法命名，縮寫為ITSNTS。他們認為這個想法抓住了全生物理論吸引人的精髓，即將全生物視為不同種系間相互作用形成的穩(wěn)定網(wǎng)絡，而不分別賦予它們在演化中的獨立身份。相反，是過程本身形成了某種演化譜系。

— 達爾豪斯大學的演化生物學家W.福特·杜利特爾

W.福特·杜利特爾

杜立特爾和布斯首先觀察到腸道微生物群包含橫跨許多細菌種類的物種和菌株，但是這些微生物的核心功能被顯著保留了。這些擁有不同參與者的網(wǎng)絡在代謝循環(huán)中起作用，其中一些細菌將營養(yǎng)轉化為代謝產(chǎn)物，其他細菌再將它們的代謝產(chǎn)物轉化為另一種代謝產(chǎn)物給宿主利用，如此循環(huán)。這些功能步驟中的許多可以由腸道中存在的無數(shù)菌株來執(zhí)行，使得任何特定菌株都可能顯得冗余。但是循環(huán)本身能夠持續(xù)運行，不管參與的是哪些細胞。

杜立特爾用氮循環(huán)來解釋該想法。大氣中的氮通過各種各樣的細菌、植物和分解者，比如真菌，發(fā)生一系列化學態(tài)轉變。循環(huán)中的每一步都可以由無數(shù)屬于同種“功能集團”的物種來完成，但過程本身保持驚人的穩(wěn)定。

一旦這些網(wǎng)絡存在，就會制造出可供其他微生物占據(jù)的生態(tài)位。循環(huán)變成了一個可供不同譜系生活的結構。“如果你上一個臺階，將這些相互作用的網(wǎng)絡想作實體種群，你就會明白它們是演化的單位?！辈妓拐f，“這將顛覆傳統(tǒng)的演化觀點。譜系的物質(zhì)基礎無關緊要?！?br>
杜利特爾和布斯把這比作歌曲作為文化實體而持續(xù)存在的方式。杜利特爾說：“有些歌已經(jīng)持續(xù)存在了很長時間，主要是因為其被萬口傳唱。”各個歌手來來往往，但即使在不存在樂譜和錄音的文化中，這些歌曲通過合適的天才歌手傳唱而在新一代中存活下來。類似地，一旦新陳代謝網(wǎng)絡存在，不同譜系的有機體就可以演化以執(zhí)行一些定義其的相互作用和過程。演化支持這種關聯(lián)，因為這對于不同譜系的“自私的”個體或基因來說是有利的。

通過差異延續(xù)來對過程進行選擇當然是一個不尋常的觀念，但并非無前例。觀念以“模因”的形式在文化中演化，雖然仍有爭議，但許多人認為其并非不可信（模因概念本身就是受基因生物學概念啟發(fā)的）。同樣，將觀念或模因換成新陳代謝的相互作用，它的延續(xù)取決于其招募微生物來執(zhí)行它的能力。

這個框架對于研究全生物有多大用處還有待觀察，且還有許多重要的問題亟待解決。對于許多進化生物學家來說，將差異延續(xù)類比于差異性繁殖的觀點略顯奇怪，同時如何定義代謝網(wǎng)絡也尚無定論。

肥沃的土地

關于演化究竟如何運作的激烈爭論從未停息?！翱纯囱莼^念的歷史，你會發(fā)現(xiàn)它幾乎始終處于這種辯論中，”布斯說，他提到了早期關于進化是逐漸進行還是間歇進行的爭論。

“可以肯定地說，微生物演化之所以影響深遠，是因為它拋棄了那么多的傳統(tǒng)觀念，或者至少重塑了它們?！?br>
“我認為我們才剛剛開拓一個新領域，”波登斯坦說。他以遺傳學誕生的早期為例，“這些早期的問題都很基礎：什么是基因？基因如何遺傳？”如今，生物學家才剛開始解決這些關于微生物-宿主相互作用的基本問題。“誰在那里？全生物的復雜性是什么？它的各個部分是如何結合在一起的？這些問題值得我們花上一個世紀的功夫來解決?！?/p>

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