共生功能體：生物學認知模式的轉變

“共生功能體”這種超有機體由存在于其中的動物、植物和微生物組成。

“一個人身上有多少細胞？”這聽起來像是個喝了酒以后問的蠢問題，但其實這也是個深奧的哲學問題。一般來說，一個體重70千克的成年人大約擁有37萬億個細胞。這些細胞全部來自那個讓此人誕生在世界上的受精卵。

但從另一個角度來說，如果算上我們身上的全部古菌、細菌、真菌、原生生物，我們身上其實有比37萬億多一倍的細胞。這些生物遍布于我們的口腔、腸道、皮膚、呼吸道，哪怕再微小的角落和皺褶中都有它們的身影。這些小家伙的體積比人體細胞小很多，它們加在一起也僅占人體0.3%的質量，但它們的數量幾乎與人體細胞的數量相等。

這些與人體共存的微生物并不是什么新發現。先前的研究指出，有些微生物是與人體缺乏交流的乘客，而有些則積極地做著好事。“共生關系”是一個在19世紀就已提出的概念，指的是不同物種的生物緊密合作地生存在一起。一開始，這一概念僅包含了個別特殊的案例。但如今，我們發現幾乎所有的多細胞生物和一些單細胞生物都存在于某種共生關系中。

這讓一些生物學家意識到轉變認知模式的時機已經成熟，是時候從一個新的角度認識這個世界了。不同于過去植物和動物“帶有微生物群落”的認知模式，新的認知模式強調不同的生物都是一個統一的超有機體的一小部分。他們相互協調，共同進化，而我們把這種生物的集合稱為“共生功能體”（holobiont）。

共生功能體的基本概念

倫敦帝國理工學院萊弗爾梅共生功能體研究中心于2023年1月創立，其主管托馬斯 · 貝爾（Thomas Bell）博士是“共生功能體”這一新認知模式的支持者。認知模式的轉變有很多原因，而宏基因組學則是推動這一轉變的重要技術。貝爾博士和他的同事們計劃采用這一技術來研究已知和潛在的眾多共生功能體。

宏基因組學能夠同時分析樣本中所有的基因組，不論這些基因組來自土壤、水、落葉還是搗碎的植物或動物。在宏基因組學技術應用之前，我們很難分析出這樣復雜的樣本中究竟有哪些微生物，同時實驗室中能培養的昆蟲和微生物少之又少，所以科學界事實上不清楚涉及其他大多數昆蟲和微生物的共生關系。而如今，我們可以采用宏基因組學技術分析任何我們試圖研究的有機物樣本，并且這些分析結果很有可能以共生功能體的形式呈現。

貝爾博士和他的同事們特別關注昆蟲、兩棲動物和植物。從進化的角度來說，盡管這些生物都是真核生物，都有細胞核并具有復雜結構的細胞器，但除此之外它們幾乎完全不同。考慮到將各類生物視為共生功能體而非單一生物是一種極具啟發性的認知模式，該研究中心對每類物種都開展了研究。

該中心針對昆蟲的研究起始于樹皮甲蟲和蜜蜂。有些樹皮甲蟲進化出了儲菌器，而這一器官很好地展現了樹皮甲蟲共生功能體的性質。這是一種用于攜帶真菌孢子的器官。這些孢子在長出菌絲后能夠將木頭轉化為這些甲蟲能夠吸收并利用的營養成分。但如果這些真菌失控（最常見的一種真菌會造成荷蘭榆樹病），它們可能會摧毀整片森林。

同時，蜜蜂是一種重要的傳粉昆蟲。而傳粉這一行為則可促使不同蜜蜂在蜂巢中交換各自在采集花粉時接觸到的微生物。可能是受到殺蟲劑的影響，一些蜜蜂種群出現了應激的特征。貝爾博士的幾位同事認為這種現象可能源自蜜蜂共生生物體的微生物部分，而非動物部分。

兩棲類動物被列入名單的原因是許多兩棲類動物因皮膚壺菌感染而面臨滅絕的威脅。壺菌是一種由人類從亞洲帶來的真菌。研究中心的科學家正在和倫敦動物園的研究者合作研究兩棲類動物皮膚的微生物群落，試圖找到能夠抵御壺菌感染的群落。

植物則是該研究中心研究的重點。絕大多數植物的根際環境中本就存在伴生的細菌和真菌，有些微生物甚至會直接進入了植物的根內。根際環境中發生的生化反應豐富了整個共生功能體可獲得的營養，而這一共生功能體的植物部分所產生的碳水化合物和其他營養成分又是維持根際環境所必需的。

互惠聯盟

貝爾博士的工作成果向我們展示了研究共生功能體是一項十分有意義且日漸火熱的研究。但在完全接受共生功能體以前，我們需要明確其定義。來自斯沃斯莫爾學院的發育生物學家斯科特 · 吉爾伯特（Scott Gilbert）強調說：“我們一般認為個體僅擁有一個基因組。在個體發育的過程中，這個基因組賦予個體特有的身份，而免疫系統也會確保這一基因組的唯一性。同時這一基因組也是生物在進化過程中選擇的。但共生功能體的概念挑戰且試圖替代我們先前的認知。”這一認知轉變的主張牽涉甚廣。

首當其沖的難題就是個體的延續性。對于一般認知中的生物，父母與后代之間的聯系是明確的。但共生功能體本就是人為推定的，它們與父母后代的聯系并不明確。共生功能體并不來自某一個確切的受精卵，它是由多種生物組裝在一起形成的。有時一些成分會由親代傳給子代，比如一些微生物在嬰兒出生時就已經存在于腸道中了，在生產的過程中也會有一些微生物進入人體，當然更多的微生物會隨母乳進入人體。通過了解這一過程，我們很容易看出共生功能體的眾多部分是如何共同進化出一個具有功能的整體的。

植物一般與土壤中已有的微生物形成橫向聯系來構成共生功能體。這看似削弱了植物與周圍的微生物是同一個進化單元的觀點，但斯坦福大學進化生物學家瓊 · 拉夫拉登（Joan Roughgarden）的計算表明橫向聯系同樣支持共同進化并最終形成真正的共生功能體。

得克薩斯大學奧斯汀分校的生物學家托馬斯 · 尤恩格爾（Thomas Juenger）對柳枝稷的研究同樣支持上述觀點。該研究的出發點是：如果植物的根際環境是一個進化單元，那么植物或許有用于挑選“核心”微生物并促進其增殖的特定基因。北美有三種擁有不同基因的柳枝稷種群。通過比較他們基因和根際環境，尤恩格爾博士發現了植物基因（主要是免疫相關的基因）和受這些基因影響大量繁殖的根際細菌之間的關系。

就像樹皮甲蟲和它儲菌器中的真菌一樣，有時宿主和微生物的共同進化是十分明顯的，甚至不需要基因分析就能確定。達文尼白蟻是一種生活在澳洲的白蟻。作為共生功能體的動物部分，這種白蟻依靠自身腸道中的微生物來降解自己吃掉的木頭并將其轉化為自己能吸收的成分。混毛蟲就是白蟻腸道內消化木質纖維的微生物的一員。它是由一個真核原生生物加四種細菌組成的復合物。在1991年創造了“共生功能體”一詞的美國生物學家林恩 · 馬古利斯（Lynn Margulis）曾稱這種生物為“有五個基因組的怪物”。

蚜蟲也是一種很有趣的生物。所有蚜蟲都攜帶有布氏菌屬的細菌，但這種細菌基本不存在于在其他地方。據估計，蚜蟲和布氏菌的關系可追溯到兩億年前。布氏菌生活在一種名為細菌細胞的特殊蚜蟲細胞內。相比兩億年前，這些細菌已經丟失了大部分基因，只能依靠蚜蟲的細胞來補足缺失的功能。作為交換，布氏菌為蚜蟲合成它們無法制造的氨基酸。

故事還未結束，許多蚜蟲的細菌細胞中還寄宿著防御漢密爾頓菌，而這種細菌同樣依靠布氏菌提供氨基酸。防御漢密爾頓菌能夠殺死寄生蜂的幼蟲，從而防止蚜蟲被寄生蜂吃掉。但這一機制只有在APSE病毒存在時才會被激活，而相比之下這種病毒在整個共生功能體中處于更加渺小的位置。

這些共生功能體的例子讓人想到了一個最極端的案例：葉綠體和線粒體。線粒體存在于所有真核生物中，通過代謝葡萄糖產生能量。葉綠體則僅存在于藻類和植物中并參與光合作用。在十億年前，線粒體和葉綠體都曾是獨立生存的細菌，以獨立的身份開始和細胞打交道。而現如今，細胞成了他們的宿主。（馬古利斯正是因為這兩個案例創造了“共生功能體”一詞。）

人體與共生功能體

共生功能體的邊界十分模糊。有些是體表的乘客，有些則是細胞不可或缺的組成部分。不同案例中差異巨大的關聯程度讓人不禁想問：共生功能體的邊界到底在哪里。但事實上，就像“物種”一樣，生物學中充滿了模糊但有用的概念。或許“共生功能體”這一概念最重要的任務就是提醒生物學家永遠不要忽視微生物在任何現象中都可能起到的作用。比方說他們在研究昆蟲對殺蟲劑的耐藥性時通常會研究昆蟲自己的基因組。但豆蟲對殺螟松（一種殺蟲劑）的耐藥性實際上來自其腸道中的布氏菌。這對于想要去對抗這種耐藥性的人來說是一個重要的信息。

微生物甚至會給共生功能體帶來一些神奇的能力。鑒于有細菌對磁場敏感，研究者懷疑這些細菌可能與鳥類和烏龜建立了共生關系，從而讓這些動物共生功能體得以利用地球磁場導航。更為人熟知的案例來自犬類。狗（以及鬣狗和其他具有肛門腺的食肉動物）正是得益于共生功能體才能夠依靠氣味進行標記和交流。他們留下的氣味實際上是肛門腺分泌物經細菌降解后的味道。

人類是被研究得最清楚的動物共生功能體。從拓撲學上來說，人體是一個三維的環，中間的洞是我們的消化道。這個環的整個表面幾乎都遍布著微生物，不同的地方分布著不同的微生物，而下段腸道中生活的微生物最多。

與達爾文白蟻的案例一樣，這些腸道微生物拓展了人類的消化功能，只是在程度上和白蟻共生功能體有所差別。腸道微生物將纖維狀的植物成分分解為其他37萬億個細胞能夠代謝的小分子。它們也能產生許多其他的分子，而有些分子則用于向共生功能體中的動物細胞發出信號，而動物細胞也會做出回應。

這種信號似乎對人類的部分神經系統影響很大。中樞神經系統和腸神經系統是最大和第二大的神經細胞群，它們依靠腦-腸軸進行持續的交流。腸道細菌分泌的分子包括血清素、γ-羥丁酸和兒茶酚胺。這些物質都是神經遞質，也就是在神經細胞之間傳遞信號的化學物質。因此，這些微生物是腦-腸軸必不可少的組成部分。

宿主和微生物之間的第三大相互作用與免疫系統相關。人類的免疫系統與體內的微生物建立了微妙的平衡，使人類得以正常活動。畢竟管理體內的微生物與抵御傳染性疾病一樣重要。而一個平衡的微生物群落也能幫助人類的免疫系統抑制腸道中致病菌的繁殖。

在人類共生功能體中，腸道微生物群落與哺乳動物這兩部分深度融合。當這種融合出現問題時，整個共生功能體也會出現功能紊亂。截至目前可以肯定的是微生物群落失調至少與肥胖、糖尿病、高血壓、動脈粥樣硬化、哮喘、炎癥性腸病、部分肝病、多種腫瘤、自閉癥、帕金森病以及抑郁癥相關，當然實際有關的疾病可能不止這些。

以這種方式認識人類身上的37萬億個細胞能很好地促進科學研究。舉例來說，以素食為主的飲食會促進那些能夠分解纖維的微生物生長，而以肉類為主的飲食則會促進擅長分解脂肪和蛋白質的微生物生長。植物在腸道中分解后能產生有助于調節炎癥和其他免疫功能的丙酸和丁酸。而肉類在分解后會產生支鏈脂肪酸、酚類和吲哚類分子，這些分子會產生諸如誘發心血管疾病等一系列不良影響。

共生功能體學說的應用

育種專家也開始認真研究共生功能體這一概念。位于馬薩諸塞州波士頓印第農場的農民們在田里搜集了經歷干旱或蟲害后幸存的植物，并將這些植物送去研究。針對這些幸存的植物有人提出了一個假說，認為在這些植物上有某種存在于根際環境的特質使其幸存。

有公司基于這一猜想成功找到了根際環境中的幫助植物幸存的細菌并將其做成了產品。這種細菌能提高小麥、玉米、大豆和棉花的耐旱能力，幫助玉米、大豆和小麥抵御真菌。他們還能抵御線蟲，促進土壤中磷和鉀的釋放，以及將大氣中的氮元素固定并轉化為類似硝酸鹽的分子。植物能夠利用這些經微生物固定的含氮分子直接制造氨基酸，而氨基酸則是蛋白質的基礎成分。

另一家位于加利福尼亞州伯克利的皮沃特生物公司正著眼于固氮技術。該公司的研究者們通過基因編輯技術調整了兩種固氮細菌的基因，使得它們在富氮土壤中也能繼續固氮。這些細菌還能固定比原先更多的氮元素。當我們將這種細菌埋在玉米等作物附近后，少量的細菌就能為每株植物提供即時可利用的氮元素，從而減少1/5的化肥使用量。

威斯康星大學麥迪遜分校的讓-米歇爾 · 阿內（Jean-Michel Ané）是皮沃特公司的科學顧問。他還有另外兩個關于固氮的設想。參考豆類植物會在根上長出特殊的結瘤來容納固氮細菌，他設想通過重塑植物的根（主要目標是水稻）來讓植物在根上長出類似的結瘤。他和他的同事已經找出了兩種相關的豆科植物基因。當這兩種基因被轉導進楊樹（一種常用的實驗植物）時，楊樹就能長出類似的結瘤。

阿內博士的另一個想法基于一些特殊的玉米和高粱植株。這些植株不僅擁有氣生根，還能在根部分泌固氮細菌喜歡的膠質。當這種膠質帶著固氮細菌固定的氮元素滴落到地面之后，這些營養成分就會被植物的根吸收。阿內博士和他的同事已經成功將攜帶有這種基因的玉米植株與商業品種雜交，并培育出了第五代攜帶這種基因的植株。

科學家也對牛和其他牲畜進行了類似的研究。這些動物類似白蟻的消化系統，每年會產生超過1億噸甲烷，占到人類每年排放全部溫室氣體的6%。我們可以通過向飼料中加入3-硝基丙二醇或者紫衫狀海門冬（一種海藻）來減少甲烷的排放。事實上，加入紫衫狀海門冬不僅能夠減少甲烷的排放，同時還能提高相同喂養條件下牛奶和肉的產量。

環保主義者也在共生功能體學說中找到了自己的發展道路，而這也是貝爾博士研究兩棲類動物的動機。同時，其他人也在探尋保護整個生態系統的方法。森林和珊瑚礁都對溫度變化十分敏感，它們都受到了全球變暖的威脅。將森林或珊瑚礁視為共生功能體能夠讓生態學家幫助它們調整自身狀態。

就像印第農場的研究者一樣，威斯康星大學麥迪遜分校的伊莎貝爾 · 喬治（Isabelle George）和理查德 · 蘭卡（Richard Lankau）也在研究土壤中的微生物。他們在威斯康星州和伊利諾伊州南部南北橫跨5.8個緯度的森林中進行采樣，檢查不同植株幼苗。他們發現幼苗生長的土壤中的細菌如果來自氣候相似的地區，那么這些幼苗生長得更快；而如果土壤中的細菌來自氣候不同的地區，植物的生長速度會變慢。盡管我們并不能將整片森林都接種上細菌，但他們希望這一發現能用于處理當地用于恢復森林生態的苗圃樹苗，從而幫助這些小樹存活。

和人類一樣，珊瑚也是一種被深入研究的超有機體。它們吸引游客的顏色來自一種被稱為蟲黃藻的能發生光合作用的原生生物。它們生活在固著動物體內的一種特殊細胞中，負責分泌珊瑚蟲頭部附著的石灰巖。正是這些蟲黃藻為珊瑚共生功能體提供了絕大部分營養。

這一共生功能體的弱點也同樣在于蟲黃藻。如果溫度過高，蟲黃藻的光合作用就會失控，產出有毒的富氧自由基分子。這些珊瑚蟲會因此將蟲黃藻排出體外，而這一過程被稱為“白化”，白化了太久的珊瑚會死亡。而如果環境及時恢復到正常，那么蟲黃藻就可以重新回到珊瑚體內。

一些人試圖通過修改珊瑚共生生物體中動物的基因來提高其對高溫的耐受性。但澳大利亞墨爾本大學的馬德琳 · 范奧本（Madeleine van Oppen）和沙特阿拉伯阿卜杜拉王國大學的拉奎爾 · 佩吉訶多（Raquel Peixoto）卻在各自的項目中試圖通過調整蟲黃藻或者珊瑚共生生物體中其他的細菌來實現這一目標。

盡管這一生態系統工程項目是否能帶來豐碩的成果仍有待觀察，但它們在很大程度上代表了以共生功能體為基礎的認知方式。這無疑證明了基于這一認知的時代已經來臨，并影響甚廣。

資料來源 The Economist