Derwin挑戰Darwin

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澳大利亞小伙子Derek來到中國已經兩年了，是中山大學的一名研究生，大學本科時就開始了與化學相關的研究。剛開始讀研，Derek對于生物學，尤其是生物實驗并不熟悉，但隨著研究逐漸深入，他不僅適應了生物學的研究節奏，還因為自己的科研背景找到了獨特的研究方向。說起自己目前的研究狀態，他用一句話生動地形容：“My brain cells are dancing.” （我的大腦細胞在跳舞。）

小鼠身上的意外發現

Derek的導師是學校微生物研究小組的關鍵人物，在領域內頗有成就，Derek對于微生物研究也有著同樣的熱情。果蠅、小鼠是Derek開始生物學研究后最親密的小伙伴。化學背景出身的Derek一開始研究的就是小鼠體內的微生物群。

在研究小白鼠發育生長過程的時候，Derek有了一個特別的發現，小鼠的腦部發育似乎跟它的腸道菌群有著不可分割的關系。這讓Derek非常興奮：“這意味著動物體內的微生物不僅僅與動物存在共生關系，還有可能就是動物生命體的一部分。”針對這個想法，Derek展開了研究。

對于微生物群的研究和著作，國外要先進很多，對于來自澳大利亞的Derek來說，英文閱讀要比國內的同學更加輕而易舉，查閱起來也事半功倍。“我翻閱了很多文獻資料，找到了許多科學家關于寄生菌群的研究。”其中，理查德?杰斐遜的理論吸引了他的注意：“杰斐遜的研究表明，我們體內的細菌絕不僅僅是消極被動的食客，還在某些關鍵進程中扮演者關鍵角色。”正是被這個觀點觸動，Derek開始了微生物作用的研究。

為了印證杰斐遜的理論，Derek設計了一套實驗。他選用兩組白蟻，對其中一組，用抗生素Rifampicin（利福平）殺死了它們體內的某些微生物。觀察發現，這一組白蟻的腸道菌群被破壞了，從而降低了白蟻從食物中獲取營養的能力，對比沒做過處理的參照組，這些白蟻產出的后代數量要少得多。“這完全可以論證，原本被我們認為是共生關系的微生物與動物之間，確實有著更緊密的聯系！”

發光的烏賊

“前期的實驗設計，主要是為了多方面地了解微生物群與宿主之間究竟有什么樣的聯系。”而說起最有意思的一個實驗，Derek不假思索地脫口而出：“烏賊的發光研究！”

對烏賊的研究，是Derek想通過更多的案例來論證微生物對動物發育和基因表達的影響。在一次澳大利亞校友的聚會上，Derek認識了一位師兄，他是動物學的研究者。師兄非常癡迷于動物發光機理，在他的宿舍里總是能看到各種發光的魚類，但Derek卻被烏賊的獨具一格吸引了。

“我第一次在師兄宿舍見到的就是夏威夷短尾烏賊，”Derek說，“師兄把它撈出來的時候看上去像是一顆榛果松露，小小的，身上布滿了小斑點，但是輕輕一抖，這些斑點就脫落下來了，只有拇指大小。中國并沒有這種烏賊，師兄是托朋友從夏威夷帶過來的。”師兄告訴他，這只烏賊的身體下面含有一個兩腔的發光器官，里面充滿了費氏弧菌，這是一種發光細菌，在野外，這些細菌發出的光亮可以與月光媲美。聽起來那么神奇，Derek馬上來了精神，讓師兄給自己詳細地上了一課。“烏賊孵化出來的幾個小時內，費氏弧菌就會寄生上去，控制烏賊的發光系統，而且只有晚上才發光！”

剛孵化出來就可以寄生，晚上才發光！這兩個關鍵點讓Derek產生了思考。“直覺告訴我，這些費氏弧菌與烏賊的免疫系統和生物鐘有很大的關聯。”

于是，Derek通過師兄的幫助，也拿到了幾只烏賊，并設計了一系列的實驗，觀察費氏弧菌的寄生過程和影響過程。他用熒光蛋白來追蹤細菌的軌跡，同時觀察烏賊體內生命系統的變化。他發現，寄生的過程開始于烏賊的身體下部，布滿粘液的纖毛產生了一股可以將細菌吸引過來的“洪流”，更令人驚訝的是，當費氏弧菌首次接觸烏賊的時候，它就會改變很多基因的表達。其中一些基因能產生混合在一起的抗菌物質，從而創造出一種不適合大多數微生物生存的環境，唯獨費氏弧菌不會受到傷害，其他基因則釋放了一種酶，能分解烏賊粘液以產生吸引更多細菌的物質，這種物質后來分析為二糖。而要引起這些變化，只需要5個費氏弧菌細胞，所以，這種微生物能很快占領烏賊纖毛區。

進一步觀察后，Derek又發現，烏賊體內也存在不發光的費氏弧菌株，但它會利用光學器官中的光敏蛋白質在上百萬個發光的細菌中探測出來，并將其驅逐出去。“而且，烏賊和費氏弧菌的關系在一天之中會有所變化，從而控制后者只在夜晚產生光亮。”這些觀察結果都證明了Derek的直覺是對的，這些微生物在烏賊發育的過程中，完成了對烏賊發光系統的“催化”作用，同時也受烏賊生物鐘的影響，調整著自身的機能。

“這些實驗都證明了，早期寄生的微生物能在宿主的基因表達上產生關鍵性的影響，這讓我不禁想到，這些微生物是否也間接影響了生物的遺傳，甚至進化？”Derek的大膽假設，果然讓他在接下來的研究中，又有了另外的驚喜。

挑戰進化論

把生物和寄生于其上的菌群分開，只是為了研究方便而采用的一種方式，在自然選擇的眼里，它們是一個整體，這也是Derek提出他假設的原因。但這個假設的確太具有挑戰性，它所強調的動物與微生物間的“合作”與達爾文“物競天擇”的理論有極大的差別。物競天擇以宿主本身為單位，核心是不同種群的“競爭”，而Derek的假設，重點則是宿主與微生物群的合作與影響。雖然有難度，但具有“騎士精神”的Derek卻再次因此而“腦細胞舞動起來”。

“在澳大利亞時，導師就經常引導我們找出一些與眾不同的想法，并論證它。所以，越有挑戰性，越不容易被論證的，甚至是挑戰權威的，就越有研究的價值。”

在中國導師的幫助下，Derek了解到羅森博格的遺傳學觀點，他將生命體視為一個“超有機體”，或者說是“全功能體”，認為微生物對于宿主的繁殖和擇偶非常重要。“也就是說，微生物對于宿主的調節，影響了宿主的繁殖能力和擇偶條件，這就影響了宿主整個種群的存活數量和演變方向。”Derek認識到，自己先前研究的白蟻實驗也已經證實了微生物對宿主在繁殖上的影響，因此Derek很有信心：“我覺得這假設是成立的，只要能夠證明微生物的確影響了種群演變方向即可。”

可是，要怎么證明呢？Derek對此苦無對策，而且由于不知道何種微生物會對何種生物產生明顯的影響，查找文獻也沒有方向。這時，導師的建議如同及時雨一般到達：“我們實驗的果蠅有乳糖果蠅和淀粉果蠅，而且繁殖速度較快，不然用它們實驗看看。”實驗對象有了，那么又該如何驗證呢？

Derek搜索前人的各類研究時，又一個問題來了，國內文獻資料有限，始終沒能為Derek提供靈感。于是他到一個澳大利亞研究者網站上發布了一個帖子，希望國外的同學們能幫忙一起找素材。終于，在帖子發布后兩個星期里，Derek收到了好友發來的1989年耶魯大學博士后黛安·多德的文章，他在其中發現了這樣一個描述：“改變果蠅的飲食之后，只需要兩代，就可以改變果蠅的擇偶標準。”Derek簡直樂瘋了！“一定是腸道菌群的影響！”

Derek重復了黛安·多德的實驗，他發現正如論文中描述的那樣，以糖漿為食的果蠅在兩代之后不再與以淀粉為食的果蠅交配。接下來，他對果蠅使用了利福平，結果，淀粉果蠅和糖漿果蠅又幸福地在一起了。這表明，的確是細菌在起作用。

經過多重實驗，Derek終于證明了自己的假設，微生物可以通過影響宿主的基因表達、繁殖和擇偶改變了物種演變的方向。Derek也因此在實驗室里有了“Derwin”的昵稱。這個“named after Darwin（達爾文）”的稱呼雖然有時會讓Derek覺得不好意思，不過他現在的精力依然放在了修改即將發表在美國一本生物學重點期刊的論文上。

責任編輯：曹曉晨