当进化具有传染性时

E类珊瑚微生物学家ugene Rosenberg在21世纪初遇到了一个相当大的问题。在以色列特拉维夫大学工作时，他发现自己无法复制十年前的突破性发现。当时似乎是一场潜在的毁灭性失败，这将使罗森博格对进化论有一种新的思考方式。

20世纪90年代，他发现了一种引发珊瑚疾病的因素。海洋温度上升已开始导致东地中海的珊瑚漂白。没有人真正理解为什么会发生白化，只是如果珊瑚虫长时间没有海藻，它可能会饿死。一些人认为，水螅会驱逐藻类，因为在较高的温度下，受到压力的藻类会停止促进共生。从某种意义上说，他们成为了无生产力的员工，并被立即解雇。

但经过一系列实验，罗森博格得出了不同的结论。他注意到，在珊瑚漂白区域的边缘聚集了成堆的杆状细菌，这表明珊瑚受到了感染。如果他先用抗生素处理海水，杀死细菌，然后提高水箱中珊瑚的温度，珊瑚就永远不会变白。看来，光是高温并不能导致疾病。细菌在某种程度上起了作用。

他分离出一种叫做什洛弧菌-霍乱的远亲，引发了珊瑚病。这是一个机会主义者：在正常温度下无害，但在环境变暖时致病。

1996年，他在自然但十年后的今天，他和他的研究生们试图复制这个实验，却失败了。弧菌似乎不再引起疾病。

罗森博格告诉我：“珊瑚已经开始抵抗了。这是一个打击。”

他开始集思广益，想出可能的解释。人类和其他脊椎动物具有适应性免疫系统。接触病原体后，我们的免疫系统可以学习和记忆。当我们遇到以前见过的病原体时，我们可以在它伤害我们之前将其击退。这是疫苗的基本原理。但珊瑚缺乏适应性免疫系统。他们无法以同样的方式从先前的接触中获得免疫力。

正如传染病可能在人群中传播，导致疾病和死亡一样，有益微生物也可能迅速扩散。

有一天，在早上散步时，罗森伯格向他的妻子Ilana Zilber Rosenberg提到了这个问题。她是一名微生物学家和营养学家，她立刻想到了：益生菌，一种改善健康的微生物。她解释说，在人体内，本土细菌有助于抵御病原体。这就是为什么服用抗生素的人在治疗后可能会出现新的感染，这很矛盾。消灭共生微生物为机会主义者打开了大门。

也许在第一次实验和最后一次实验之间的这段时间里，珊瑚获得了新的微生物，这些微生物现在可以保护它们免受V.shiloi公司.

回到实验室，尤金测试了这个想法。他用抗生素治疗珊瑚，杀死了珊瑚体内的微生物。然后他重复了最初的实验，将珊瑚暴露在V.shiloi公司现在，当他加快加热时，珊瑚变白了。（一些科学家认为感染会导致漂白，因为他们无法从漂白珊瑚中分离出这些弧菌。罗森博格说，无效的发现受到方法缺陷的困扰。他指出，其他研究人员也证实了他的发现。）

珊瑚获得的益生菌是什么？罗森博格分离出一种细菌，他将其命名为EM3。当引入珊瑚时，它对V.shiloi公司可能并非偶然，EM3是一种弧菌，属于一种可动的逗号形细菌，原产于盐水。珊瑚与敌人的一位亲戚交上了朋友。这个新的联盟帮助他们适应了不断变化的环境。

罗森博格意识到他偶然发现了一个重要的生物学原理：适应不是通过基因突变或重组，而是通过微生物调节。这种改变在三年内发生得非常迅速，可能在单个珊瑚的寿命内。他的见解是，正如传染病可以像野火一样在人群中传播，导致疾病和死亡一样，有益的微生物也可以迅速传播，促进健康，促进生存。

他对我说：“如果你能发生疾病流行，为什么不能发生益生菌流行？”

罗森博格称这个更广泛的概念为进化的“全息理论”。1994年，分子生物学家理查德·杰斐逊首次使用了这个术语。（杰斐逊说，在多细胞生物的遗传分析中检测到的微生物不应被视为污染，而应被视为由所研究的有机体所组成。）

罗森博格是独立提出这个术语的，他认为有机体及其相关微生物——“全生物”——是一个单一的进化实体。“我们认为这是进化中的一种选择，”罗森博格说，“我不仅基于我的基因，还基于我的细菌与你竞争。”

一些人认为巴塔哥尼卡棕罗森博格（Rosenberg）研究发现，珊瑚是一种通过船只带入地中海的入侵物种。其他人则声称，由于环境变化，这是一种正在扩大其范围的本土动物。不管怎样，它不断变化的流行程度突显了许多人称之为人类世时代的生活现实：人类活动没有一个生态系统不受影响。这意味着多重新的选择性压力将对从珊瑚到青蛙到我们的各种生命形式产生影响。大规模灭绝是一个有充分理由的担忧。但在生物剧变的这段时期，我们也可能偶尔看到微生物能够快速适应的例子。特别是环保主义者正在密切关注这些动态，这可能是寻求帮助一些野生动物生存的新杠杆点。与此同时，那些研究人类微生物的人已经认为，微生物是影响我们健康和疾病的一个重要而历史上被忽视的因素。

E类自从查尔斯·达尔文告诉我们，生命总是被无数的压力驱动而改变的——物种不是静止的，而是不断变化的——生物学家一直在争论这些变化能以多快的速度发生。达尔文发表一个世纪后基因组的发现论物种起源似乎划定了一个上限。动物的进化速度只能与优势基因的产生和传播速度一样快，而现有的基因组可以通过有性繁殖进行重组。但随后出现了“表观遗传学”：一些适应可能更快发生，而不改变基因本身，而是通过改变现有基因转化为活体的方式。

罗森博格和其他人提出了一种更快的过程——通过切换共生微生物，微生物可以快速适应。正是这一特性使得大流行如此可怕、迅速蔓延，也可能推动大规模适应。

为了支持全基因组理论，罗森博格和其他人着眼于人类微生物组的研究，尤其是艰难梭菌人们倾向于在住院期间以及在用抗生素“清除”了针对另一种感染的本地微生物后获得细菌。艰难梭菌然后开花。患者最终可能会精神错乱和疼痛，并因持续不断的血性腹泻而变得虚弱。据估计，这种微生物每年感染50万美国人，在一个月内杀死约29000人。

艰难梭菌对抗生素的耐药性越来越强，因此每5例患者中就有1例无法进行进一步治疗。对于这个亚群来说，“粪便移植”几乎是奇迹。该程序包括将健康人的粪便通过灌肠或药丸“植入”患者的肠道艰难梭菌。而且它的固化效果为94%艰难梭菌科学家认为，它可以一举恢复一个功能齐全的微生物生态系统。捐赠者紧密团结的社区剥夺了病原体艰难梭菌一个生态位，将其从肠道中挤出。

从技术上讲，粪便移植并不是“益生菌流行病”。但移植所阐明的原则——本地微生物可以预防疾病，而调整这些微生物可以抵御致命感染——正是科学家们认为可能导致益生菌疫情的原因。

两栖真菌已经造成了野生动物最严重的死亡：200种已经灭绝；还有500人被感染。

从珊瑚到人类，动物是如何获得和培育微生物群落的，这仍然是个谜。在一些动物中，微生物可能来自父母、同伴和更大的环境。不同的饮食也会影响微生物群，这表明一个物种所能容纳的微生物具有一定的灵活性。然后是粘液本身，它可以击退一些微生物，同时选择性地喂养其他微生物。

不像哺乳动物的粘膜大多是内部的，珊瑚的内外都有粘液。但同样的原则也可能适用。包括盖恩斯维尔佛罗里达大学科学家马克斯·特普里茨基（Max Teplitski）及其同事在内的研究人员发现，珊瑚黏液似乎能吸引和培养特定的微生物群落。致病性弧菌可能存在，但在正常温度下，其他微生物会对其进行控制。然而，当温度升高时，弧菌开始迅速繁殖，压倒了保护性共生体。珊瑚病就是在这个时候发生的。

Teplitski研究了加勒比海麋鹿珊瑚的这些动态，他将结果描述为“微生态失调”：总是存在的微生物的失衡。青春痘、酵母菌感染和龋齿是人类病症中的益生菌疾病的例子，这些疾病不一定是由新出现的病原体引起的，而是由不断繁殖并危害宿主的微生物引起的。

罗森博格珊瑚的奥秘在于它们如何获得新的微生物，从而能够在较高温度下保护它们。在珊瑚中有一些证据表明，这是一种蓄意的过程——不是细菌，而是藻类。

20世纪90年代，科学家提出珊瑚在漂白过程中驱逐共生藻类后，可能会获得新的藻类，这些藻类能够更好地适应新出现的环境。“这是一个很好的假设，”罗森博格告诉我。在此后的几年里，生物学家观察到加勒比海发生了类似的情况。

珊瑚共生体，称为虫黄藻，主要分为四个分支——“A”到“D”。科学家们注意到，一旦珊瑚从漂白中恢复过来，最耐热的分支D往往占主导地位。这一变化可能代表的不是细菌的调整，而是更适合更高温度的藻类共生体的调整。

为什么这些珊瑚没有耐热的D层呢？特拉华大学的研究科学家泰·佩泰（Tye Pettay）说，一个答案是，拥有这个分支的珊瑚可能比拥有其他分支的珊瑚生长得慢。在奥比切拉他研究的珊瑚中，生长缓慢、耐热的藻类在常温下会付出代价：更容易受到侵蚀力的影响。然而，在高温下，当其他分支开始失效时，分支D的相对劣势消失了。

随着海水温度的升高，D分支似乎正在通过加勒比海前进，这是一种在珊瑚体内繁殖的益生菌潮。但D类不能帮助所有的珊瑚。许多专业珊瑚无法将D分支带进组织中。这意味着气候变暖可能会使多面手珊瑚在短期内存活下来，因为多面手可以培育D分支（从长远来看，各地的珊瑚都面临着海洋酸化的威胁，这一威胁可能比气温上升更大。）

在D组的故事中还有一个额外的转折点。Pettay最近分析了它的基因组，得出结论认为，这种藻类是一种虫黄藻的后代，原产于泰国附近的印度洋-太平洋的一个炎热、浅水、经常浑浊的区域。

根据他的分析，帮助加勒比珊瑚生长的共生体是一种入侵物种。它是如何到达加勒比海的？佩泰说压载水是一种可能的途径。

如果这是一种益生菌波，那是一种由人手意外激活的波。

佩泰说：“具有讽刺意味的是，至少在短期内，这似乎是有益的。”。“我不想说这是一件可怕的事情，但我也不想说它是珊瑚礁的救星。”

许多人认为，我们正在经历地球上第六次大规模灭绝，这是人类活动造成的。撇开栖息地的丧失和过度采伐不谈，一个主要的挑战是气候变暖、病原体的人工传播以及入侵物种在世界各地的传播的速度。生物学家担心植物和动物的基因组变化速度不够快，无法跟上步伐。但在某些情况下，他们的微生物可能会。

我目前尚不清楚导致乳糜菌病（一种有时类似于艾滋病的两栖疾病）的真菌来自何处。研究人员表示，这种青蛙可能来自20世纪初出口用于怀孕测试的南非青蛙；也许是亚洲两栖动物；或者可能来自北美牛蛙。

无论其起源如何，近几十年来，随着这种真菌在全球范围内的发展，没有人了解它是如何传播的，尽管它可能被鸟类传播，甚至在雨滴中传播，它已经造成了有记录以来最严重的野生动物死亡之一。据估计，7000种两栖动物中，有200种已经灭绝；还有500人被感染。旧金山州立大学生态学和进化学教授万斯·弗伦登堡告诉我：“对于一种病原体来说，这太多了。”。

因此，在21世纪初，当Vredenburg注意到他在加利福尼亚州内华达山脉研究的一些两栖动物在壶菌的袭击中幸存下来时，这是有意义的。他想知道，这些人与死亡的人有什么区别？

在佛罗里达州的一次会议上，他发现了一条线索。一位名叫Reid N.Harris的生物学家介绍了蝾螈。他问为什么有些物种成群结队筑巢，而其他物种则独自筑巢。他的研究使他得出了一个不同寻常的解释。群体试验物种共享微生物，而不是导致疾病，保护它们的卵子免受致病真菌的侵扰。换句话说，它们嵌套在一起是为了共享一种益生菌。

谈话结束后，弗伦登堡追赶哈里斯。保护性微生物能解释他在内华达山脉看到的耐药动物吗？这两位科学家开始合作。事实证明，维伦堡研究了抗糜烂蛙黄腿蛙山上的黄蛙往往藏匿着一种特殊的微生物，称为青黄色Janthinobacterium lividum微生物产生抗真菌代谢产物。它并没有完全防止感染，但似乎抑制了真菌的过度生长。基本上，利维杜姆将潜在的病原体变成无害的共生体。

因此，内华达山脉发生了一种奇怪的自然选择。当乳糜菌席卷群山时，携带这些微生物的个体往往会存活下来。乳糜虫大流行是根据青蛙的微生物来选择青蛙的，这是一种选择性的清扫，在这种清扫中，栖息着一个微生物群落的两栖动物比其他所有物种都能存活下来。

从大象到马，各种哺乳动物的幼崽都会摄入父母的粪便，这种行为被称为粪食。

当然，这不是罗森博格在珊瑚中描述的那种“益生菌流行病”。随着时间的推移，一种两栖微生物群可能会占据主导地位，但尚不清楚弗伦登堡的青蛙是否在一代内获得了新的微生物。

问题是，弗伦登堡会故意吗火花益生菌疫情？他能通过加速自然发生的事情来拯救青蛙吗？

这一想法很有吸引力，因为与需要对所有人接种的疫苗不同，微生物是自我繁殖的。理论上，一旦它们“粘住”一只青蛙，它们就可以传播给其他青蛙。如此获得的抗糜烂微生物可能像是一种具有传染性的疫苗。

出于同样的原因，活的微生物可以不受控制地传播——弗伦登堡进行得非常仔细。他和他的同事们发现了一种没有乳糜蛋白酶的青蛙种群紫色J从已经携带这种细菌的个体中排除了引入新疾病的可能性，然后在大桶中培养这种细菌。

在此期间，真菌到来了。第二年，当弗伦登堡回到山区时，他只找到了120只青蛙。他治疗了三分之二的患者，分别用细菌冲泡液清洗每一个患者，并留下三分之一的患者未经治疗。

一年后的2011年，当他再次造访这些动物时，只有经过治疗的个体还活着。

他告诉我：“我不会只是挥舞胜利的旗帜说，‘我们成功了！我们成功了。’”“我们仍然不知道它的确切机制。”。

他指出，两栖类作为一类动物，已有3.6亿年的历史。它们经历了四次大规模灭绝。“我保证，这不是他们第一次感染病原真菌，”他说。微生物可能曾经拯救过它们。

F类或者是一种在进化过程中提高适应性的特性，它必须在代际间传播。对微生物和宿主构成单一进化单位这一全息概念持怀疑态度的人认为，微生物并不总是像传家宝一样代代相传。如果不是，那么全生物真的会在进化过程中持续存在吗？

德克萨斯大学奥斯汀分校的进化生物学家南希·莫兰（Nancy Moran）认为，在推广全基因组概念的过程中存在概念上的草率。她同意微生物可以改善宿主的适应性，甚至可以推动进化。她自己对豌豆蚜虫的研究也表明了这一点。她表明，蚜虫耐受温暖温度的能力取决于它们所携带的细菌共生体菌株。

但她说，这些关系必须得到证明，而不是假设。微生物之间相互竞争，欺骗从一段关系中拿走的比你贡献的更多是一种可行的生存策略。一些微生物必然会采用它。因此，宿主和微生物之间，甚至动物微生物群成员之间的和谐并不是必然的。仅仅因为发现微生物附着在宿主上并不意味着它有助于健康。它可能是寄生虫，或者只是通过。“当然，很明显，其他生物是环境的重要组成部分，”她说。“但从那里到全基因组，这是一个巨大的飞跃——它们是一个选择单位。”

人类从环境中获得微生物，对来自环境的新微生物开放可能有助于我们适应。

同时，全息基因组理论的支持者试图证明微生物可以驱动物种形成。在一项实验中，罗森博格和他在Tel-Avi大学的同事将果蝇分为两组。他们给每一组喂食不同的减肥药或糖，然后在几代之后让苍蝇团聚。尽管在基因上仍然相似，但这些苍蝇现在更喜欢只与前一组的成员交配。他们是怎么知道区别的？当科学家用抗生素治疗苍蝇，消灭其微生物时，他们失去了这种偏好。正是苍蝇的微生物群而非基因促使它们分化成不同的物种。

事实上，许多动物确实在世代之间转移微生物。从大象到马，各种哺乳动物的幼崽都会摄入父母的粪便，这种行为被称为粪食。考拉妈妈更进一步：它们会产生一种叫做“pap”的特殊粪便，供幼崽断奶时食用，这是消化桉树叶子所必需的微生物的遗赠。

人类并没有那么明显地食粪，但即使是我们也会把微生物传给我们的后代。婴儿在通过产道时会从母亲那里得到一块洋娃娃。母乳喂养都能培养出特定的微生物，称为双歧杆菌，并为婴儿接种更多的双歧杆菌。最近的一项研究发现，哺乳期母亲会将独特的家族菌株传给婴儿，这表明，与那些蚜虫一样，人类也可能会将独特微生物传家宝从母亲传给孩子。

然而，人类也从环境中获取微生物，垂直与水平获取的相对重要性尚不完全清楚。事实上，一些证据表明，对环境中新微生物的开放可能有助于我们适应。

几年前，微生物学家发现日本人体内的微生物具有降解海藻的独特能力，海藻是这个岛国饮食中的常见成分。科学家们提出，微生物直接从海藻流菌中获得了这种能力。（细菌可以直接交换少量DNA。）一旦获得这种能力，尚不清楚这些海藻降解细菌是如何在同龄人之间（横向）传播的，还是在母子之间（纵向）传播的。但推断是，这些吞噬海藻的微生物能够从食物中提取更多营养，从而改善了日本祖先的健康状况。今天日本人的祖先可能不是通过基因突变，而是通过微生物创新来适应他们独特的岛上饮食。

同样，大约11000年前，当人类首次开始食用家养动物的牛奶时，绝大多数成年后无法消化乳糖，即牛奶中的一种糖。帮助我们消化糖的基因最终在喝牛奶的人群中传播开来。但即使在今天，某些人群，包括一些非洲牧民，经常饮用奶制品，但“乳糖酶持久性”基因的流行率并不高。一些科学家推测，微生物可能通过在发酵过程中预先消化乳糖来帮助它们，这是一种常见的习惯，也可能通过直接侵染它们的肠道来帮助它们。

这意味着，像乳品业这样的文化实践可能与我们肠道微生物的变化同时发生，并被其所推动。这些假设假设人类微生物组主要局限于我们的肠道，实际上存在于一个延伸到我们身体以外的松散网络中。只有通过与“外来”微生物群落（例如海藻或牛奶中的微生物群落）进行交流，我们的微生物群才能获得新的能力，我们才能茁壮成长。

在19世纪末，当科学家们接受自然选择的概念时，疾病的病菌理论变得更加突出。它认为是微生物而不是“瘴气”导致了疾病和死亡，你可以通过战胜致病微生物来治愈疾病。范德比尔特大学（Vanderbilt University）的进化微生物学家塞斯·博登斯坦（Seth Bordenstein）认为，时间的巧合，以及细菌理论解释天花和肺结核等古代人类灾祸的力量，导致当时的生物学家在很大程度上忽视了微生物如何帮助“大型生物”（他称之为多细胞生命），适应并茁壮成长。

然而，现在，新技术使微生物群落的研究得以蓬勃发展，并充分表明，大型生物并不是，也从来都不是孤独的。在这种情况下，全基因组的想法和益生菌流行病的发生，代表了在进化论中明确包括微生物这一地球上占主导地位的生命形式的尝试。了解微生物如何帮助生存可能具有深远的应用，从野生动物保护的新角度到人类健康的改善。

莫伊斯·贝拉斯奎兹·马诺夫（Moises Velasquez-Manoff）是一名记者，著有缺席的流行：理解变态反应和自身免疫疾病的新方法。