物理學(xué)家給生態(tài)學(xué)帶來(lái)全新的見(jiàn)解

編譯 喬琦

物理學(xué)家杰夫·戈?duì)柾ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了有關(guān)微生物群落的理論，并且發(fā)現(xiàn)了約束生態(tài)穩(wěn)定性的新規(guī)則。

2019年，杰夫·戈?duì)枺↗eff Gore）大步走過(guò)一條不長(zhǎng)的走廊，從他的辦公室來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，后者位于馬薩諸塞州坎布里奇市科技廣場(chǎng)的一棟大學(xué)建筑內(nèi)。嗡嗡作響的機(jī)器、淡淡的氯氣味讓人很是心安，因?yàn)檫@些現(xiàn)象表明實(shí)驗(yàn)室的物品很準(zhǔn)確地保存在無(wú)菌環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)室的計(jì)數(shù)器上到處都是移液管和約莫智能手機(jī)大小的塑料盤(pán)。每個(gè)塑料盤(pán)上有8×12，共96個(gè)直徑約0.5厘米的半球形孔槽。戈?duì)柲闷鹌渲幸粋€(gè)塑料盤(pán)說(shuō)道：“這就像是我們的世界。”

戈?duì)栐诼槭±砉W(xué)院實(shí)驗(yàn)室的成員成天忙著創(chuàng)造、戳弄、刺激塑料盤(pán)每個(gè)孔槽內(nèi)由細(xì)菌或酵母構(gòu)成的孤島?？撞蹆?nèi)，各個(gè)物種要么相互競(jìng)爭(zhēng)，要么需要面對(duì)高溫、低溫或食物短缺的不利條件。與此同時(shí)，一種叫作“血細(xì)胞計(jì)數(shù)器”的設(shè)備始終都在一個(gè)孔槽接一個(gè)孔槽（有時(shí)甚至是一個(gè)細(xì)胞接一個(gè)細(xì)胞）地記錄成千上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。戈?duì)栒f(shuō)：“你真的可以把細(xì)胞一個(gè)一個(gè)數(shù)出來(lái)?！?/p>

從研究環(huán)境和研究對(duì)象看，戈?duì)枱o(wú)疑是個(gè)生物學(xué)家。然而，無(wú)論是從接受的訓(xùn)練來(lái)說(shuō)，還是從自我認(rèn)識(shí)來(lái)說(shuō)，戈?duì)柖际莻€(gè)物理學(xué)家。物理學(xué)家們總是非常大膽，這個(gè)特質(zhì)既讓他們備受尊崇，有時(shí)又會(huì)在他們“入侵”其他領(lǐng)域時(shí)招來(lái)忌恨。正是憑著這份勇氣，戈?duì)栠@位快人快語(yǔ)、始終樂(lè)觀(guān)積極的物理學(xué)家在過(guò)去十年里不斷“入侵”著生態(tài)學(xué)領(lǐng)域。他希望自己的這番跨界行動(dòng)能給這個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)助益。

戈?duì)柕难芯恐饕峭ㄟ^(guò)操控極為簡(jiǎn)化的微生物生態(tài)系統(tǒng)尋找那種普適的基本原理。這類(lèi)原理既是物理學(xué)家研究非生命世界時(shí)的方向，也一直是生態(tài)學(xué)家在研究生命世界時(shí)渴望找到的目標(biāo)。同事們說(shuō)，戈?duì)栄芯糠椒ǖ牟煌幵谟趯?duì)可重復(fù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的追求——而生態(tài)學(xué)家在傳統(tǒng)上一直認(rèn)為，在生態(tài)學(xué)研究中，這兩點(diǎn)就算不是完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)，起碼也很可能不太接近現(xiàn)實(shí)，會(huì)起到誤導(dǎo)作用。

然而，這種研究方法卻取得了令人驚喜的成果。戈?duì)栆呀?jīng)發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)則，通過(guò)它們就能預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單微生態(tài)系統(tǒng)的未來(lái)，其中包括實(shí)驗(yàn)室蠕蟲(chóng)的腸道微生物以及土壤樣本中的細(xì)菌群落。即便是那些不太愿意信任這些“入侵者”的生物學(xué)家和生態(tài)學(xué)家，都對(duì)戈?duì)枏氖逻@一領(lǐng)域的尊重態(tài)度贊賞有加，并且表示，戈?duì)柕拇_在長(zhǎng)期困擾他們及同事的問(wèn)題上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

“戈?duì)柨梢蕴岢瞿欠N困擾了人們幾十年的真正意義深遠(yuǎn)的問(wèn)題，”芝加哥大學(xué)理論生態(tài)學(xué)教授斯蒂法諾·阿列西納（Stefano Allesina）說(shuō)，“他可以將理論提煉并應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)里，你可以從中得到?jīng)]有干擾的信號(hào)和數(shù)據(jù)?！?/p>

戈?duì)柆F(xiàn)在正在開(kāi)拓新領(lǐng)域。掌握了操控實(shí)驗(yàn)室微生物的技術(shù)后，他希望能發(fā)現(xiàn)適用現(xiàn)實(shí)世界生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)則，畢竟那才是人們真正關(guān)心的。掌握各個(gè)物種聚集的方式和在群落中生存的方式，有助于醫(yī)生治療胃腸道疾病，有助于農(nóng)學(xué)家改良出更有養(yǎng)分的土壤，也有助于自然環(huán)境保護(hù)主義者保護(hù)或恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)。

不過(guò)，物理學(xué)和生物學(xué)兩邊的同行雖然都很支持戈?duì)柕呐?，但也都想知道他的激進(jìn)而嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)策略在面對(duì)真實(shí)生命世界的全部復(fù)雜性時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么效果。

解釋“樹(shù)木交錯(cuò)的河岸”

在思索自身領(lǐng)域內(nèi)最深刻的問(wèn)題之時(shí)，物理學(xué)家會(huì)問(wèn)：為什么那里會(huì)有這些東西，而不是什么都沒(méi)有？而生態(tài)學(xué)家則常常會(huì)問(wèn)：為什么有那么多物種，而不是只有一些？

傳奇生態(tài)學(xué)家伊夫林·哈欽森（G.Evelyn Hutchinson）稱(chēng)這個(gè)現(xiàn)象為“浮游生物悖論”，但他本來(lái)也可以稱(chēng)其為“草原悖論”或“熱帶雨林悖論”或“消化菌群悖論”。在你能看到的幾乎所有地方，大自然都選擇了復(fù)雜而非簡(jiǎn)單，選擇了混合而非單一。地球充斥著各種物種，但我們還不清楚其中的原因：在任何特定的環(huán)境中，為什么都不是單一物種（或者，最多一些物種）取得生存優(yōu)勢(shì)，勝過(guò)其他所有物種？自從達(dá)爾文在《物種起源》中深思這個(gè)著名的“樹(shù)木交錯(cuò)的河岸”問(wèn)題以來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)被其困擾了150多年。

理論生態(tài)學(xué)家面臨的困境在于，全世界有成千上萬(wàn)種的生態(tài)系統(tǒng)，很難從一般角度上證偽生態(tài)學(xué)理論。阿列西納開(kāi)玩笑地說(shuō)，物理學(xué)教科書(shū)的篇幅基本上保持穩(wěn)定，不會(huì)因時(shí)間的推移而大幅增減，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)和觀(guān)測(cè)在證偽舊理論的同時(shí)也催生了新理論。然而，生態(tài)學(xué)的教科書(shū)只會(huì)越來(lái)越厚，因?yàn)榧幢阈吕碚撘呀?jīng)堆積成山了，也無(wú)法擺脫生態(tài)學(xué)的那些舊理論。我們還不清楚支撐著生態(tài)學(xué)的統(tǒng)一理論是否能揭示——這個(gè)理論的地位應(yīng)該相當(dāng)于熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)在物理學(xué)中的地位——因?yàn)楝F(xiàn)在既沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)這些理論，也沒(méi)有人能證明不存在這類(lèi)原理。

戈?duì)柡退耐聡?yán)格且系統(tǒng)地檢視了96孔槽培養(yǎng)板中微生物的各種組合結(jié)果，以探尋決定不同組合結(jié)果的規(guī)則

檢驗(yàn)宏大而優(yōu)美的理論

戈?duì)栐谏眢w和智力上都不安分，他在嘗試了其他數(shù)個(gè)科學(xué)領(lǐng)域后最終加入了生態(tài)學(xué)研究的行列。20世紀(jì)90年代末，戈?duì)栠€是麻省理工學(xué)院本科生時(shí)，就在沃夫?qū)た颂乩眨╓olfgang Ketterle）的幫助下開(kāi)發(fā)了一套研究玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)裝置。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚是理論早已預(yù)言的物質(zhì)第五態(tài)，而克特勒率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)正是率先得到這種狀態(tài)的團(tuán)隊(duì)之一，他也因此榮獲2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在加州大學(xué)伯克利分校攻讀研究生期間，戈?duì)柕难芯糠较蜣D(zhuǎn)向了生物物理學(xué)，主要工作是探索DNA分子的復(fù)雜機(jī)制。之后，他又在麻省理工學(xué)院展開(kāi)博士后工作，這一次，他突破了傳統(tǒng)生物物理學(xué)的邊界，用酵母做實(shí)驗(yàn)，探索合作行為的演化。

隨著時(shí)間的推移，戈?duì)栔饾u為他所稱(chēng)的生物學(xué)的“宏大而優(yōu)美的理論”所吸引，這個(gè)理論的內(nèi)容是解釋生物為何能在復(fù)雜群落中生存。不過(guò)，戈?duì)栆餐瑯幼⒁獾健袄碚摵蛯?shí)驗(yàn)并不總能最大限度地互相充實(shí)”。他看到了清晰、明確且可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)可以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仳?yàn)證假說(shuō)，或許還能解決阿列西納哀嘆的理論堆積問(wèn)題。在戈?duì)柨磥?lái)，這意味著要對(duì)大自然施加一定程度的控制，而很多生物學(xué)家都會(huì)認(rèn)為這種控制帶有極度人為色彩。戈?duì)栭_(kāi)始將微生物放到嚴(yán)格控制的環(huán)境中，并且運(yùn)用最為先進(jìn)的工具準(zhǔn)確追蹤每一個(gè)個(gè)體的命運(yùn)。他解釋說(shuō)，這么做可以擺脫大自然的部分干擾和混亂，好讓他多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并且得到那種足以說(shuō)服物理學(xué)家并使他們信服的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

“戈?duì)柕南敕ㄊ沁@樣的：我們先研究最簡(jiǎn)單的這些生物群落，然后再看看我們對(duì)它們的測(cè)量能到什么程度?！贝饲霸诟?duì)枌?shí)驗(yàn)室做過(guò)研究，如今在波士頓大學(xué)“自立門(mén)戶(hù)”的物理學(xué)家基里爾·科洛列夫（Kirill Korolev）如是說(shuō)，“這么做確實(shí)損失了復(fù)雜性，但也有好處?！?/p>

戈?duì)枏淖詈?jiǎn)單的生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)始研究，那就是只有一個(gè)物種的生態(tài)系統(tǒng)。事實(shí)證明，即便是這樣一個(gè)極為簡(jiǎn)單的生態(tài)系統(tǒng)也能得到很有意思的結(jié)果。戈?duì)柡退膶?shí)驗(yàn)室成員（包括科洛列夫在內(nèi)）設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，他們稀釋了在含糖溶液中生長(zhǎng)的啤酒酵母菌。啤酒酵母菌可以將不可食用的糖轉(zhuǎn)化為可食用的糖，因此，酵母菌越是集中，對(duì)個(gè)體的好處就越多，而稀釋則意味著整個(gè)酵母菌種群將處于饑餓狀態(tài)。研究人員從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中識(shí)別出了能夠讓他們預(yù)測(cè)酵母菌種群究竟是繁榮滋長(zhǎng)還是崩潰消亡的信號(hào)。這項(xiàng)研究的結(jié)果于2012年發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上，那篇論文也是到目前為止戈?duì)枌?shí)驗(yàn)室被引用最多的論文。它最大的特點(diǎn)是包含了一張分叉圖，這張圖精確地標(biāo)注出了生態(tài)系統(tǒng)會(huì)在何種情況下保持穩(wěn)定，又會(huì)在何種情況下越過(guò)臨界點(diǎn)走向?yàn)?zāi)難性的崩潰。

“這類(lèi)圖對(duì)大多數(shù)數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)家來(lái)說(shuō)，一目了然。”阿列西納說(shuō)。已故的羅伯特·梅（Robert May）是從物理學(xué)轉(zhuǎn)攻生態(tài)學(xué)的先驅(qū)，他發(fā)現(xiàn)一個(gè)用來(lái)模擬昆蟲(chóng)種群數(shù)量增長(zhǎng)的方程會(huì)產(chǎn)生一種分叉圖，這一發(fā)現(xiàn)也開(kāi)啟了混沌理論這一研究領(lǐng)域。戈?duì)柕膱F(tuán)隊(duì)則把這個(gè)想法從計(jì)算機(jī)和黑板上搬運(yùn)到了實(shí)驗(yàn)室里。

“那篇論文非常震撼，”阿列西納說(shuō)，“文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，單物種群落的發(fā)展和理論預(yù)測(cè)完全一致。正是這篇論文讓我非常清晰地了解了戈?duì)査麄兊墓ぷ鳌！?/p>

二和無(wú)窮之間

有一個(gè)笑話(huà)是這么說(shuō)的：物理學(xué)家可以描述含有1個(gè)、2個(gè)或無(wú)窮個(gè)個(gè)體元素的系統(tǒng)，但對(duì)于個(gè)體元素在2和無(wú)窮之間的系統(tǒng)，他們就無(wú)能為力了。于是，在證明自己的勇氣確實(shí)為單一物種生態(tài)系統(tǒng)的研究帶來(lái)了啟示之后，戈?duì)栍珠_(kāi)始研究起了兩物種生態(tài)系統(tǒng)。在當(dāng)時(shí)還是博士后的喬納森·弗里德曼（Jonathan Friedman）領(lǐng)導(dǎo)的工作中，戈?duì)枌?shí)驗(yàn)室的成員從土壤中分離出8株細(xì)菌，然后以各種組合把它們放到96孔槽板上，讓它們互相競(jìng)爭(zhēng)。研究人員從結(jié)果中總結(jié)出了一套簡(jiǎn)單的規(guī)則：A戰(zhàn)勝了B，B戰(zhàn)勝了C，C和D能共存，等等。

耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的喬納森·弗里德曼在戈?duì)枌?shí)驗(yàn)室做博士后工作時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)確定了8株菌株兩兩配對(duì)互相競(jìng)爭(zhēng)后的結(jié)果

接著，這群科學(xué)家又研究起了三物種生態(tài)系統(tǒng)。戈?duì)柕膱F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)物種一對(duì)一競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們能以90%的準(zhǔn)確率預(yù)測(cè)某一物種是否能在更為復(fù)雜的系統(tǒng)中生存下來(lái)。換句話(huà)說(shuō)，如果A在與B的一對(duì)一對(duì)決中取勝，B又在與C的對(duì)決中取勝，那么A幾乎肯定可以打敗B和C。

饒是如此，以8種微生物為對(duì)象展開(kāi)的研究得到的結(jié)論也很難說(shuō)一定具有普遍意義。于是，這個(gè)研究小組又朝著真實(shí)世界邁了一步。研究生羅根·希金斯（Logan Higgins）到實(shí)驗(yàn)室外麻省理工學(xué)院科技廣場(chǎng)的草坪上鏟了一些滿(mǎn)是微生物的土壤回來(lái)。研究團(tuán)隊(duì)分離出了其中每種微生物的菌株，并且得到了它們兩兩配對(duì)競(jìng)爭(zhēng)之后的規(guī)律，也即知道了哪些微生物能打敗哪些微生物，哪些微生物能和哪些微生物共存。接著，研究人員又在他們的塑料板孔槽內(nèi)考察了差不多1 000組三種微生物放在一起生活的情況。

這些實(shí)驗(yàn)的靈感部分來(lái)自20世紀(jì)70年代的某些觀(guān)點(diǎn)，也即認(rèn)為，在由多個(gè)物種組成的混合社群中，各個(gè)物種之間的競(jìng)爭(zhēng)平衡可以讓每一個(gè)物種都穩(wěn)定下來(lái)。這類(lèi)“高階”穩(wěn)定相互作用的一個(gè)例子有點(diǎn)像是剪刀-石頭-布的游戲，也即3個(gè)物種中的每一個(gè)都會(huì)被其中另一個(gè)物種壓制，但也能壓制剩下那個(gè)物種，由此達(dá)到共存狀態(tài)。理論生態(tài)學(xué)家認(rèn)為，這類(lèi)組合可能是一種產(chǎn)生多樣化生態(tài)系統(tǒng)的絕佳方式，因?yàn)樗屜到y(tǒng)內(nèi)任何一個(gè)物種都無(wú)法戰(zhàn)勝其余所有物種。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)甚至已經(jīng)成功構(gòu)建出了這種由剪刀-石頭-布關(guān)系穩(wěn)定下來(lái)的三微生物系統(tǒng)。

然而，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匱乏讓我們還是難以判斷這類(lèi)組合在野生世界中究竟有多重要?！拔液芟矚g剪刀-石頭-布這種關(guān)系，”阿列西納說(shuō)，“但這并不意味著它在自然界中很常見(jiàn)?！?/p>

在這些從泥土中分離出來(lái)的菌株中，戈?duì)枅F(tuán)隊(duì)只發(fā)現(xiàn)了一組剪刀-石頭-布關(guān)系。與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣，一對(duì)一競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果似乎也適用于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，也即若A在與B的一對(duì)一對(duì)決中取勝，B又在與C的對(duì)決中取勝，那么A幾乎肯定可以打敗B和C。只有在一個(gè)案例中，出現(xiàn)了C能打敗A的情況，從而完成了剪刀-石頭-布的循環(huán)。當(dāng)研究人員把全部20種微生物都一起放到孔槽中后，只有3種成為主導(dǎo)菌，與此前得到的規(guī)律預(yù)測(cè)的一樣。但這個(gè)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)土壤社群的情況相去甚遠(yuǎn)。由于此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幾乎完全沒(méi)有出現(xiàn)剪刀-石頭-布的關(guān)系，戈?duì)枅F(tuán)隊(duì)總結(jié)說(shuō)，土壤物理基質(zhì)中的微小環(huán)境條件變化很可能會(huì)在自然環(huán)境下起到穩(wěn)定社群多樣性的作用，因?yàn)?種及以上微生物之間的相互關(guān)系似乎與實(shí)驗(yàn)室里得到的結(jié)論并不相同。

真實(shí)的生態(tài)系統(tǒng)恰恰處于物理學(xué)家不擅長(zhǎng)的2與無(wú)窮之間，而上述這些研究則表明戈?duì)柕姆椒▽?duì)這一領(lǐng)域的研究具有一定意義?！拔也挥X(jué)得我們的發(fā)現(xiàn)必然就體現(xiàn)了所有真實(shí)生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，”現(xiàn)在已經(jīng)擔(dān)任耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)（位于以色列雷霍沃特）高級(jí)講師的弗里德曼說(shuō)，“但這是在究明生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)作方式之路上最有成效的努力。”

“我們真的在不斷收獲……方式類(lèi)似于物理學(xué)家研究量子力學(xué)和原子時(shí)使用的那種。”戈?duì)栒f(shuō)，“我們先努力研究清楚氫原子的情況。這并不是說(shuō)物理學(xué)家癡迷于氫原子本身，而是如果你連氫原子都弄不明白，那繼續(xù)深入下去，處境就有點(diǎn)危險(xiǎn)了……這就是我的看法。我們?cè)谘芯可鷳B(tài)學(xué)時(shí)也相當(dāng)于從氫原子開(kāi)始，現(xiàn)在差不多到了研究氦原子和甲烷的階段?！?/p>

不斷收獲

微生物對(duì)自然界非常重要。土壤中的細(xì)菌和真菌支撐著我們食用的植物，也支撐著保證氣候穩(wěn)定和地球生物多樣性的雨林。在我們的腸道里，細(xì)菌幫助我們消化食物?，F(xiàn)在還有觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，它們對(duì)我們的免疫系統(tǒng)（甚至很可能還有認(rèn)知系統(tǒng)）也有貢獻(xiàn)。不過(guò)，微生物群落也可能造成破壞。這方面最出名的例子或許是，一種叫作艱難梭菌（Clostridiumdifficile）的細(xì)菌入侵腸道后，會(huì)引起疼痛，有時(shí)甚至還會(huì)導(dǎo)致致命的結(jié)腸炎。這類(lèi)微生物入侵事件很難預(yù)測(cè)，也很難根治。我們現(xiàn)在越來(lái)越多地通過(guò)“糞便移植”來(lái)應(yīng)對(duì)這種情況。

“對(duì)于微生物，我們其實(shí)什么都不了解，所以，我們選擇將整個(gè)群落移植過(guò)來(lái)，然后祈求好運(yùn)?！卑⒘形骷{說(shuō)，“你真的覺(jué)得自己需要全部5 000種細(xì)菌嗎？很可能我們并不需要那么多。很有可能只含有少量細(xì)菌種類(lèi)的、規(guī)模更小的微生物群落產(chǎn)生的效果也并不會(huì)有什么不同。”

受到這一系列大有希望的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的鼓舞，戈?duì)栕罱呀?jīng)把目光放到了腸道微生物群上。在2020年2月發(fā)表的一項(xiàng)研究中，戈?duì)枅F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)由兩種微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)短暫受到第三種微生物的入侵時(shí)，優(yōu)勢(shì)方往往會(huì)發(fā)生改變。文章作者認(rèn)為，艱難梭菌的致病原理可能與這個(gè)機(jī)制類(lèi)似。

然而，戈?duì)栐谝匀祟?lèi)腸道菌群為研究對(duì)象，努力探尋具有普遍意義的物種聚集規(guī)則時(shí)，卻遇到了復(fù)雜性陡然上升的巨大困難。在我們的腸道內(nèi)，無(wú)論何時(shí)都有種類(lèi)上千、數(shù)量超過(guò)1萬(wàn)億的細(xì)菌在競(jìng)爭(zhēng)、共存。當(dāng)時(shí)，剛開(kāi)始博士后工作的尼克·維加（Nic Vega）給戈?duì)枌?shí)驗(yàn)室?guī)?lái)的一條小蟲(chóng)為這項(xiàng)研究的進(jìn)展開(kāi)辟了一條新的道路。這條小蟲(chóng)名叫秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)（Caenorhabditiselegans），是成千上萬(wàn)生物學(xué)家開(kāi)展研究的模型生物。和我們一樣，秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)也有腸道和腸道微生物群，只是它們的腸道微生物群只有大約10萬(wàn)個(gè)細(xì)菌。

維加改進(jìn)了之前土壤實(shí)驗(yàn)的方法，給秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)喂食成對(duì)細(xì)菌，每對(duì)細(xì)菌中，一個(gè)做紅色標(biāo)記，另一個(gè)做綠色標(biāo)記。待細(xì)菌在線(xiàn)蟲(chóng)腸道內(nèi)折騰一番后，再將線(xiàn)蟲(chóng)碾碎，查看每種細(xì)菌存活下來(lái)的數(shù)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種細(xì)菌在線(xiàn)蟲(chóng)體內(nèi)存活率的隨機(jī)波動(dòng)會(huì)對(duì)線(xiàn)蟲(chóng)整個(gè)微生物群的組成造成顯著差異。維加表示，對(duì)這類(lèi)差異進(jìn)行解釋的想法對(duì)微生物群研究者來(lái)說(shuō)“有點(diǎn)陌生”。

在后續(xù)研究中，維加和研究生安東尼·洛佩茲（Anthony Ortiz Lopez）考察了11種細(xì)菌在秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)腸道內(nèi)兩兩配對(duì)競(jìng)爭(zhēng)后的結(jié)果，接著便又給線(xiàn)蟲(chóng)一起喂食其中的3種細(xì)菌。同土壤實(shí)驗(yàn)一樣，兩兩競(jìng)爭(zhēng)的勝負(fù)規(guī)律在大多數(shù)案例中都能比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)3種細(xì)菌一起競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。研究人員把這篇論文的初稿上傳到了biorxiv.org預(yù)印本服務(wù)平臺(tái)上，同時(shí)也投稿一份期刊進(jìn)行同行評(píng)審。

戈?duì)柋硎荆@項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，雖然外部因素的確相當(dāng)重要，但就預(yù)言各種環(huán)境中微生物群落的演化結(jié)果而言，“由一對(duì)一競(jìng)爭(zhēng)得到的規(guī)律才是有效的手段”。

與戈?duì)栆粯?，現(xiàn)在已經(jīng)是亞特蘭大埃默里大學(xué)教授的維加也認(rèn)為，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果強(qiáng)有力地證明了戈?duì)柕难芯糠椒ㄍ瑯舆m用于現(xiàn)實(shí)世界中的生物。“當(dāng)然，就人體腸道生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，我們肯定不可能讓所有存在于腸道中的微生物都來(lái)一場(chǎng)兩兩配對(duì)競(jìng)爭(zhēng)?！本S加說(shuō)，“我們現(xiàn)在想要弄清楚的是……究竟需要哪些信息才能預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)最后的演化結(jié)果？獲取這些信息的最佳方式又是什么？”截至目前，維加等人看到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果令他們頗為樂(lè)觀(guān)?！拔蚁Ｍ磥?lái)有一天，我們能夠完全掌握哺乳動(dòng)物體內(nèi)微生物群的特性，并且能夠有目的地重新加以編排。”

不過(guò)，并不是所有人都對(duì)這個(gè)前景篤信不疑。除了數(shù)量和多樣性帶來(lái)的困難之外，細(xì)菌還經(jīng)常會(huì)分泌一些能改變自身和周遭一切環(huán)境的化合物。戈?duì)柤捌渌魏稳四壳暗某晒歼€不能捕捉這些細(xì)微差異。

“我覺(jué)得，要想在實(shí)驗(yàn)室里完全復(fù)制人類(lèi)體內(nèi)的微生物群非常困難。”研究微生物群療法的麻省理工學(xué)院生物學(xué)家塔米·利伯曼（Tami Lieberman）說(shuō)。不過(guò)，她也強(qiáng)調(diào)，這并不意味著這番努力不值得。實(shí)際上，作為朝著這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)的第一步，利伯曼和戈?duì)栒谟懻撻_(kāi)展一項(xiàng)合作實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)兩兩競(jìng)爭(zhēng)的勝負(fù)規(guī)律對(duì)人體腸道內(nèi)微生物相互作用結(jié)果的預(yù)測(cè)究竟有多準(zhǔn)確。

研究微生物群落的波士頓理論物理學(xué)家潘卡·梅塔，他尊重戈?duì)枴白韵露稀笔降难芯糠椒?，但?duì)這種方法是否適用于更為復(fù)雜的自然生態(tài)學(xué)持懷疑態(tài)度

在波士頓大學(xué)（與麻省理工學(xué)院只隔了一條查爾斯河）理論物理學(xué)家潘卡·梅塔（Pankaj Mehta）看來(lái)，戈?duì)柕难芯糠椒ㄈ〉玫某晒呀?jīng)超過(guò)了預(yù)期。起初，梅塔認(rèn)為戈?duì)柡鲆暳擞嘘P(guān)微生物環(huán)境的重要細(xì)節(jié)，但他后來(lái)坦承，事實(shí)證明，那些細(xì)節(jié)沒(méi)他原來(lái)認(rèn)為的那么重要。“這項(xiàng)工作的有趣且令人印象深刻之處在于，它證明至少在那些所含物種種類(lèi)不多的系統(tǒng)中，很多很多各不相同的現(xiàn)象——pH變化、養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)等——都可以通過(guò)這些簡(jiǎn)單的現(xiàn)象模型來(lái)描述?！泵匪f(shuō)，“這是一種真實(shí)且久經(jīng)考驗(yàn)的還原理論，在物理學(xué)研究中表現(xiàn)良好。”

然而，梅塔同樣對(duì)戈?duì)柲茏叨噙h(yuǎn)持懷疑態(tài)度。他打了一個(gè)比方：當(dāng)物理學(xué)家想要描述任意時(shí)刻在房間內(nèi)飄蕩的1023個(gè)空氣分子時(shí)，他們不會(huì)寫(xiě)下每個(gè)分子的方程。相反，他們尋找的是那些能夠描述這些粒子平均行為的參數(shù)——于是就有了“一、二和無(wú)窮”這個(gè)笑話(huà)里的無(wú)窮。對(duì)于氣體來(lái)說(shuō)，事實(shí)證明，的確存在這樣一種能夠描述粒子平均行為的參數(shù)，那就是：溫度。看看溫度計(jì)，你就能知道很多有關(guān)身邊這么多氣體分子的有價(jià)值的信息。

梅塔認(rèn)為，這種“自上而下”式的研究方法也能在微生物研究中起作用。在他的團(tuán)隊(duì)及其他一些科研小組共同開(kāi)展的研究中，像營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)獲取率以及各種細(xì)菌對(duì)彼此分泌物的依賴(lài)程度這樣的高階參數(shù)，在沒(méi)有微生物群落成員數(shù)量以及內(nèi)部相互作用這些信息的情況下，也能體現(xiàn)有關(guān)微生物群落工作方式的重要特征。

梅塔說(shuō)，戈?duì)枌?shí)際上是在用科學(xué)家口中的“自下而上”式方法努力解釋每個(gè)微生物的行為。雖然這一方法到目前為止非常奏效，但“我的確認(rèn)為，要想把這種方法應(yīng)用到復(fù)雜程度很高的系統(tǒng)中無(wú)疑會(huì)非常困難，”梅塔說(shuō)，“我絕對(duì)相信，到那個(gè)時(shí)候，戈?duì)柕倪@套方法作出的預(yù)測(cè)只會(huì)越來(lái)越不準(zhǔn)確?！?/p>

阿列西納在開(kāi)展自己的工作時(shí)也更喜歡自上而下式的方法。在2018年的一項(xiàng)模擬研究中，他將100種受到刺激的微生物放在一起研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論各種微生物之間的內(nèi)部相互作用細(xì)節(jié)如何，總能形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。不過(guò)，阿列西納認(rèn)為，這兩種策略都是研究之路所必需的?！拔蚁矚g自上而下式的研究方法……那更有趣一些，”阿列西納說(shuō)，“但我覺(jué)得問(wèn)題的答案，藏在這兩種方法中間?！?/p>

普林斯頓理論生態(tài)學(xué)家西蒙·列文（Simon Levin）則提到了另一項(xiàng)戈?duì)柋仨毭鎸?duì)的挑戰(zhàn)：與化學(xué)元素和亞原子粒子不同，微生物始終在演化。因此，當(dāng)你對(duì)所研究的系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，它們已經(jīng)發(fā)生了改變?！皩?duì)生物學(xué)中的所有預(yù)測(cè)性理論來(lái)說(shuō)，那是一個(gè)擺脫不了的困境，”列文說(shuō)，“有外部因素出現(xiàn)時(shí)，就很難建立目標(biāo)理論了?！?/p>

未來(lái)幾年將會(huì)見(jiàn)證戈?duì)柺欠衲軌驅(qū)崿F(xiàn)自己定下的崇高目標(biāo)。他生性就不喜安逸，總是在不斷追求進(jìn)步。最近，他又同弗里德曼和博德研究所的保羅·布萊內(nèi)（Paul Blainey）展開(kāi)了合作，這令他興奮不已。布萊內(nèi)此前為高通量藥物篩選設(shè)計(jì)制造了一塊納米流體芯片，戈?duì)柵c他的合作則賦予了這塊芯片全新的目標(biāo)。他們最近使用這塊芯片研究了20種土壤細(xì)菌在40種環(huán)境下的180 000類(lèi)相互作用，并且發(fā)現(xiàn)某種微生物因另一種微生物的存在而獲益的相互作用要遠(yuǎn)比預(yù)期的多——這個(gè)結(jié)果又一次沖擊了我們對(duì)細(xì)菌在群落中行為的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

列文表示，戈?duì)栆蜃鰧?duì)了一件重要的事情而提升了行業(yè)成功的概率?！八粫?huì)像很多物理學(xué)家那樣就這么闖入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，然后說(shuō)，‘我是物理學(xué)家，來(lái)這里幫你們’，”列文說(shuō)，“戈?duì)栔苯影炎约鹤兂闪苏嬲纳飳W(xué)家。他對(duì)這一領(lǐng)域原有的思想和方法表達(dá)了尊重。”

阿列西納也同意這種說(shuō)法：“他決定投身生態(tài)學(xué)研究，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一件幸事?！?/p>

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