编者按：

近期的研究进展表明了微生物组对宿主的重要性，而这让我们对微生物对宿主究竟意味着什么产生了深深的疑问。我们常常说，肠道中的微生物与人类一起共同进化相伴了数万年，那么它们是否会影响人类进化呢？是否应该将其与宿主作为整体来研究进化过程呢？

今天我们特别编译了发表在 Quanta 杂志上关于微生物与宿主进化的文章。希望该文能为诸位读者带来一些启发。

微生物与宿主

坦桑尼亚平原上，夜幕渐渐降临。当暮色开始变得昏暗时，一只孤独的斑鬣狗醒来了。它游走在自己的领地边缘，用尾巴下的分泌物标记领地边界。它努力嗅着空气中流动着的发情期公斑鬣狗的气味，而丝毫未注意到肚子因为前一天晚上狩猎的食物残渣发出的咕噜声，或者腹部两侧的瘙痒。这只孤独的鬣狗要选择下一步做什么来谋生。

但是，它并不孤单。它留下的分泌物并不是它自己的细胞产生的，而是得益于气味腺体中封存的数十亿细菌。空气中弥漫的发情期公斑鬣狗的气味，也包含着它们独特的微生物。它们肠道里寄宿着各种各样的细菌，帮助宿主对食物进行分解。其他细菌则有助于增强机体免疫力，抵御寄生虫和病原体入侵皮肤和其他组织。

那么，在坦桑尼亚平原上生存的到底是什么呢？我们能把斑鬣狗和它们带有的微生物分别对待么？还是应该认为这二者相互作用，产生出了一个作用大于它们各自作用的新整体。

韦恩州立大学的微生物学家 Kevin Theis，对斑鬣狗上产生分泌物的细菌进行了研究。他说：“在我们几十年来乃至几个世纪的研究中，都低估了微生物对宿主的潜在影响。如果决定生物形状特征的基因实际上是存在于微生物中，而不是动物本身。那么我们就需要用系统性的方法，用整体角度来看待宿主-微生物共生系统。”

如果近距离观察任何一种动植物，我们都会发现一个由细菌、真菌和病毒构成的错综复杂的生态系统。近期的研究进展表明了微生物组对人类宿主的重要性。这让我们对微生物对宿主究竟意味着什么产生了深深的疑问。

长期以来，一些重要的身体机能，如消化、免疫，都被认为是生物体份内的功能。因为机体是通过自然选择（个体生存率和繁衍率不同）的演化，功能才得以不断进化和完善。但是如果我们机体不是由相同的细胞组成的独裁政权，而是由众多细胞组成的联盟，那么，我们要如何解释它们的进化呢？

一些生物学家呼吁对进化论进行更新修订，因为目前从更大、更容易理解的生物体研究中得出的主流观点，并不符合这个新世界；另一些学者认为，目前的进化论只需要在应用时注意一些就可以；不过，所有人都同意微观世界和宏观世界紧密相连，生物学家必须对它们之间的相互作用进行探索。

图.Seth Bordenstein 范德堡大学的进化生物学家

从不孤单

2012 年，斯沃斯莫尔大学的生物学家 Scott Gilbert 等人在 The Quarterly Review of Biology 上发表了一篇论文，文中声称：“我们从来就不是一个独立个体”。这个大胆的论断，与之前将复杂生物体重新定义为新个体——全生物（holobionts）的呼声一致。术语“全生物”涵盖了宿主动物或植物及其所有微生物组成。“全生物”中所包含的宿主或微生物的所有基因组成全基因组“hologenome”。

Theis 及其同事在杂志 mSystems 中表示，“全生物”和“全基因组”的存在是自然界中无可争议的事实。“全基因组”中包含的基因远多于宿主的基因，其中至少有一部分微生物基因影响着宿主的生存和繁衍。如果想了解全生物是如何进化的，则需要将全基因组作为可能的自然选择研究单位。

范德堡大学进化论生物学家 Seth Bordenstein 及其同事表示：“首先，我认为全生物和全基因组是一种结构性概念。我们知道染色体或基因组机体组成结构，全基因组是一种更高层次的结构”。Bordenstein 认为，鉴于自然界中与宿主相关的微生物无处不在，需要全新的语言指代这部分实体。

Bordenstein 说：“另一个观点就是全基因真的很重要吗？”没有人知道什么样的微生物组组成会影响宿主健康，很多人觉得只是顺其自然。

但是如果存在某种程度上的合作，例如，如果宿主为一些微生物提供庇护或营养物质，而这些微生物反过来为宿主提供一些自身无法合成的代谢产物，那么它们就不再仅仅是生活在同一空间的两个独立机体了。

在某种程度上，它们是一个功能整合，这就提出一个新的问题：全基因组对进化过程是否也起着重要作用？这种整合越紧密，宿主和微生物的命运交联就越密切。

Bordenstein 表示，对于“全生物”而言，我们无法孤立地看待宿主和微生物的进化进程，因为其与微生物组作为一个整体，共同塑造了个体的行为特征。

此外，我们需要了解微生物的产物是什么、宿主的产物是什么及这些产物是如何协同发挥作用的。Bordenstein 认为，“全生物”加起来远远超过了宿主和微生物的总和，这些相互作用过程形成了一个连贯的统一体，自然选择可能作用于其它选择单位，如个体或基因。

这种全基因组进化概念的支持者认为，如果宿主和微生物之间存在可跨越物种的保真度，那么全生物就体现了众多不同进化谱系融合为一种单一的生物，一个有助于实现功能完整性的生物联合体。只有将全生物作为一个被自然选择造就的单一实体，我们才能搞清楚其中的复杂性。

Lucy Reading-Ikkanda/量子杂志

变异和遗传

对于全生物而言，通过自然选择进化意味着什么呢？全生物作为一个整体而不是个别细胞系决定的生物特质，是如何被自然选择“选中”并在人群中进行传播的？自然选择进化的经典秘诀始于一群具有不同特质的群体，这些特质决定了可能存活的后代数量。

除此之外，这些特质必须是可遗传的，即以某种程度上的保真度实现代代相传。假设一种特质可以让一些幸运个体的寿命和后代数量翻倍，但如果这种特质不能遗传，这就是进化的尽头。

全生物是否可以满足个体进化的标准？微生物和宿主基因组能够以对宿主健康产生重要影响的方式相互作用。但是，人类能否像遗传基因组一样遗传微生物组，仍然是争论的焦点。

亲本确实可以将微生物传给后代。例如，某些品种的雌性椿象，会在新孵蛋的附近放置一粒粪屎团，作为幼虫的第一餐，完成亲本肠道微生物组的接种。通常，非剖腹产出生的人类幼婴，在出生过程中会获得母亲阴道的微生物。

此外，母亲还可以通过密切接触和哺乳，将微生物传给婴儿。尽管随着接触环境的变化，婴儿的微生物群也会逐渐发生变化，但是这些最初获得的微生物在免疫系统的发育过程中发挥了重要作用。

Bordenstein 表示，并非所有的微生物都遗传自父母，实际上这也不是必需的。Bordenstein 说：“据我所知，没有人认为微生物组可以完全保真地被遗传”。但是如果可遗传的占比确实很大，那么可以将这些相互作用和进化理解为自然选择的单元。

图. Joan Strassman 圣路易斯华盛顿大学的进化生物学家

戳穿全基因组的漏洞

另外一些研究学者认为，进化论中全基因组的概念，是对自然选择单元观点的延伸，但是这种延伸存在问题。

圣路易斯华盛顿大学的微生物进化学家 Joan Strassmann 表示：“虽然微生物与有机体同时存在，但这并不意味着它们就是一个自然选择的单元，尤其是当它们不能垂直遗传时。”

此外，宾夕法尼亚大学和纽约城市学院生物学哲学家 Derek Skillings 也表示：“我并不是想极力宣称垂直传播是绝对必要的，但是这一定是宿主和微生物联合导致进化累积最可能的机制。”

Skillings 和其他的评论家认为，并没有足够的证据表明共生微生物的垂直遗传能够使全生物成为一个连贯的进化个体。宿主的多数微生物是从外界环境获得的，而不是直接从亲本遗传来的。即便是共享同一个环境，也没有理由认为亲本的微生物可以传给后代。即便具有相同种类的微生物，垂直传播途径仍然是个体进化的必须条件。

Skillings 进一步指出，自然界中物种共存现象重复出现，并不意味着它们有共同的利益。比如，宿主和寄生虫世世代代都存在生存冲突：每一代宿主和寄生虫都尝试打败另一方。我们甚至还可以想象某一个宿主家族，可以被同一家族的寄生虫感染。然而，这种共存关系持续存在，Skillings 认为只有分别考虑各个物种的需求，才有可能理解其中的关窍。

全基因组的支持者承认，物种间存在的合作、冲突甚至中立现象确实可以影响全生物的进化，使得争论的焦点不再是既定事实是什么，而是如何理解这种关系。

Strassmann 认为，仅仅关注全生物，会遗漏掉很多关于微生物的影响。很多宿主相关的微生物，在宿主以外的环境中生存了很长时间，经受了生活环境的重重考验。全生物的想法，会阻碍人类对微生物进化的理解，将注意力集中在宿主环境，而忽略可能导致微生物特征变化的其他栖息地。

那些全生物中心理论的批判者，并没有忽略微生物和宿主之间相互作用的重要性。但是他们认为全生物是一个会误导人的理论框架。他们将全生物作为一个生态系统，而不是一个进化的个体。Strassmann 认为，宿主和微生物的共生关系确实重要，但是这并不意味着要把已有的进化论和自然选择理论抛诸脑后。

加州大学伯克利分校的生物学家布 Britt Koskella 表示，将现有的生态学和进化论应用到微生物世界还有一些难度。目前这些理论都是建立在如何解释动植物的共生共存关系，“很多已研究透彻的微生物生态学理论并不适用”。

生态演替，一个评估一种生态系统类型随着时间的推移，被另一种生态系统类型替代的理论框架。例如，一个岛屿上植物群落很可能取决于物种到来的顺序以及占据的生态位置，而不是当地物种的进化，因为进化是一个很漫长的过程。

但是细菌比植物和动物进化速度快的多，甚至可以实现同代横向基因交换。Koskella 表示：“现在我们需要考虑一种微生物可能的转移方式（无论是通过基因突变，还是横向转移），在其它物种出现之前填满所有可利用的空间。”与传统演替方式不同，细菌演替可能以反直觉的方式进行。

Koskella 认为其它需要考虑的因素包括宿主免疫系统对微生物组的影响，以及微生物不断改变环境的能力。Koskella 认为，理论研究者需要仔细搞清楚其模式的基本假设是否成立，以及该模式是否适用于微生物；同时经验主义者需要对模型的预测结果进行检验。“在经验主义者和理论研究者之间建立对话非常重要，因为数据太复杂了，我们很快就会超越直觉。”

解决经验性问题，如全生物大部分被遗传的频率以及世代之间群落的稳定性，将有助于增强直觉的敏锐性和指导理论工作。Koskella 说：“我们可以通过不断提问的方式获取数据，但是如果没有理论支持，我们就无法了解如何着手解释或测验这些复杂性。”

图. W. FordDoolittle 新斯科舍省的达尔豪斯大学进化生物学家

It’s the song, not the singer

一个激进的想法，试图开辟第三条道路来彻底解决问题。该想法的支持者认为，应该忽略微生物相互作用的细节，或者微生物到底是横向还是垂直传播的，而是应该关注这些相互作用——由各种微生物参与者实施的稳定代谢过程。

新斯科舍省的达尔豪斯大学进化生物学家 W. Ford Doolittle 认为 “It’s the song，not the singer”。他和他的前同事 Austin Booth 一起提出了这个概念，并将其命名缩写为 ITSNTS（他们将一首摇滚歌曲的名称“The Singer Not The Song”反过来了）。

他们认为，这个概念攫取了全生物概念的精髓，即不同族系之间稳定的相互作用模式，而不是将某种进化归属于特定的生物种类。相反，这些交互作用过程本身就形成了一种特定的演化谱系。

Doolittle 和 Booth 首先从观察到的现象入手，即肠道微生物组包含多种细菌分类群的种类和菌株，但是这些微生物核心功能却表现出明显的保守性。

这些循环代谢作用网络中，一些细菌将营养物质转化为代谢产物，这些代谢产物被其他细菌利用产生出不同的代谢产物，然后再被宿主吸收利用，如此周而复始的循环。

这些功能过程中，许多步骤是由肠道中存在的无数菌株完成的，这使得每种单一菌株都可能是“多余”的。不管是哪种细胞在起作用，循环本身会持续发挥作用。

Doolittle 利用氮循环对此观点进行阐释。大气中的氮可以被处于不同化学状态的、功能各异的细菌、植物和真菌分解物重复利用。该循环中的每一步都可以由无数隶属于同一“功能工会”的物种来完成，但是这个过程本身保持稳定。

一旦建立了这些循环网络，就为微生物创造了生存空间。这些循环网络已经成为各微生物谱系进化结构之一，或者说是一种谋生的方式。Booth 说：“如果我们转变一下思维方式，将这些相互作用作为研究实体，那么就可以理解细菌是自然选择的单元。这是对传统进化论思维方式的挑战，这些谱系的物质基础并不是研究的重点。”

Doolittle 和 Booth 利用歌曲，通过文化实体传播做出了形象的类比。Doolittle 说：“经典歌曲经久不衰，主要是一直有喜欢唱它们的人”。音乐家来去匆匆、沧桑变幻，但是即便是在无书面或录音文化的年代，这些歌曲仍然能世代流传、经久不衰。

同样地，一旦存在一个代谢网络，不同的生物谱系就可以在参与这些相互作用和过程中得到进化，同时进化也可以加强这些交互作用，因为可以满足不同谱系个体或基因的“利己优势”。

通过持续性差异化自然选择过程确实是一个不寻常的想法，但并不是前所未有的。以“模因（meme）”形式出现的文化进化虽然存在争议，但很多人认为它至少是合理的（“模因”概念本身是受到基因生物学概念的启发）。既然如此，这种观点或“模因”就是一种代谢相互作用，通过“招募”大量的微生物来持续运作。

不过上述框架在全生物研究中有多大作用还有待观察，重要的问题还有待解决。对许多进化论生物学家来说，持续性差异化的概念与差异再生概念类似的说法很奇怪，而且目前还不清楚要如何定义代谢网络。

全新的研究领域

关于进化论的基本原理的争执本来就不少。Booth 认为：“如果我们仔细看一下进化论的历史，你会发现进化过程一直伴随着各种各样的争论”，注意这里主要是指早期关于进化是渐进的，还是间歇性进化的争论。他补充道：“但是可以肯定的是，微生物革命具有巨大的作用，它抛弃了许多传统观念，或者至少打开了一些研究的新视角。”

Bordenstein 说：“我认为我们开启了一个全新的研究领域。”他提到了早期遗传学研究，那时的问题也很基本——什么是基因？基因是如何遗传的？生物学家刚刚开始掌握微生物和宿主相互作用的基本问题。“都有哪些参与者？全生物的复杂性如何，各部分是如何协调工作的？要解决这个问题，我们还有很多工作要做。”

Strassmann 同意上述说法。而他表示：“生物学家保持对话很重要，我们还有很多工作要做。”

原文链接：https://www.quantamagazine.org/should-evolution-treat-our-microbes-as-part-of-us-20181120/

作者｜Jonathan Lambert

编译｜ninety

审校｜617