【原】推翻150年的生物学知识！他是如何做到的？

造就Talk 2020-07-21

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我“青苔（睐）”你的样子。

在1995年，如果你告诉托比·斯普利比尔（Toby Spribille），他日后会推翻一项在教科书上存在了150年的科学理论，他肯定会对你报以嗤笑。

在那个时候，他的人生似乎被限制在一条非常不同的轨道上。

斯普利比尔在位于美国蒙大拿州的一个拖车营地被抚养长大，他在家接受教育，按照他的说法，其老师是个“原教旨主义狂热信徒”。

少年时期，斯普利比尔就爱上了科学，但他没有办法去追求这份爱，他渴望摆脱自己出生的环境，并接受正规的教育。

19岁时，斯普利比尔在当地林业机构找到了一份差事。

工作几年后，他攒够了离开家的钱。然而，积蓄微薄和学历全无意味着，没有哪所美国大学会录取他，所以他把目光投向了欧洲。

得益于自己的家庭背景，斯普利比尔会说德语。他听说，德国有很多大学是不收学费的。

可没有学历仍然是一个问题，幸运的是，哥廷根大学（University of Gottingen）肯收他这种学生。“他们说，在某些特殊情况下，他们每年可以破格招收几个没有成绩单的学生。”斯普利比尔说，“那段时期是我人生中的关键瓶颈。”

念完本科和研究生之后，斯普利比尔成为一名地衣专家。

其实在蒙大拿州的森林里工作时，他就已经注意到了这种生物。

想必很多人都见过地衣，但跟斯普利比尔不同的是，你多半会忽视它们的存在。这些生物或是生长在原木上，或是附着在树皮上，或是覆盖在石头上。乍看上去，它们乱七八糟，毫不起眼。

然而，如果更仔细地观察，你就会发现它们拥有惊人的美丽：有的像油漆剥落的碎屑，有的像珊瑚的枝丫，有的像撒开的粉末，有的像莴苣形状的复叶，有的像蜿蜒行进的蠕虫，有的像精灵啜饮的茶盏。

而且，地衣还有着极其顽强的生命力。它们可以生长于这个星球最荒凉的地方，在植物或动物无法立足之地繁荣兴旺。

地衣在生物学中有着重要的地位。

在19世纪60年代，科学家认为它们是植物，但在1868年，瑞士植物学家西蒙·施文德纳（Simon Schwendener）向世人揭示，地衣其实是一种复合生命体，由真菌以及与之共生的微型藻类构成。

这种“双生假说”激怒了当时科学界里的一些人，因为它违背了那时候的一种学术潮流，即对各种生物进行清晰而分明的分门别类。

这种激烈反应最终偃旗息鼓，因为施文德纳和其他研究人员用精密的显微镜和灵巧的双手，成功地从地衣中分离出了这两种共生伙伴。

施文德纳误认为是真菌“奴役”着藻类，但其他人的研究证实，两者其实是合作关系。

藻类利用阳光为真菌制造养分，而真菌则为藻类提供所需的矿物质、水和庇护。

在此之前，人们还从来没有认识到生物之间的这种互利关系，甚至需要为它创造新的词汇。

感谢阿尔伯特·弗兰克（Albert Frank）和安东·德巴里（Anton de Bary）这两位德国人，创造了共生（symbiosis）这个词，它源于希腊语中的“共同”和“生活”。

“

那是一个豁然开朗的时刻，我就在那一刻靠向自己的椅子。

当我们想到影响人类和动物健康的微生物，想到那些为珊瑚礁提供养分的藻类，想到为我们细胞提供能量的线粒体，想到让牛能够消化食物的肠道菌群，想到摆满超市货架的益生菌制品，所有的一切都可以追溯到“共生”这个概念的诞生。而反过来，“共生”这个概念源于对地衣的研究。

在施文德纳之后的150年里，生物学家一直试图在实验室里培植地衣，但却徒劳无功。

不管他们怎样人为地撮合真菌和藻类，这两种生物始终无法完全重现它们在大自然里的共生形态。

这些研究到底漏掉了什么？现在，斯普利比尔或许找到了答案。

他证明，自施文德纳以后的所有科学家都搞错了，地衣大家族中规模最大、种类最多的那个族群并不是两种生物的共生体；相反，它们是三种生物的共生体。

这么长时间以来，第二种类型的真菌一直藏在人们的眼皮子底下。

“人们使用显微镜已经有140年的时间。”斯普利比尔说，“漏掉这么重要的东西，这真是令人震惊。”

斯普利比尔的发现之旅始于2011年，当时已经拿到博士学位的他又回到了蒙大拿州。

他加入了共生学专家约翰·麦卡琴（John McCutcheon）的实验室。

他俩开始研究两种当地的地衣，这些地衣在当地森林里很常见，挂在树枝上就像蓬乱的假发。

其中一种呈黄色，因为它能生成一种叫做狐衣酸（vulpinic acid）的强力毒素；另一种没有这种毒素，呈深褐色。

这两种地衣看起来明显不一样，它们在将近一个世纪里一直被分类为不同的品种。

然而，最近的研究显示，它们当中的真菌是相同的，而与之共生的藻类也是相同的。那么，它们为什么看起来不一样呢？

为了找到答案，斯普利比尔分析了两种地衣所激活的基因，但没有找到任何差异，然后，他意识到，自己搜寻的范围太狭窄了。

地衣学家都认为，处于共生中的真菌属于一个名为“子囊菌”（ascomycetes）的族群。因此，斯普利尔只搜寻了子囊菌的基因。

几乎是一时兴起，他把自己的搜寻范围扩大到了整个真菌世界，结果发现了一些奇怪的事情。

地衣当中大量被激活的基因属于一个完全不同的真菌族群：担子菌（basidiomycetes）。

“那看起来不对劲。”麦卡琴说，“我们花了很长时间才搞清楚。”

起初，他俩觉得可能是担子菌碰巧生长在地衣上面。也许它只是一种污染物，是飘落在实验样本上的一点点微生物碎屑。

或者，它可能是一种病原体，是感染地衣导致其生病的真菌。

又或者，它可能只是错误警报。（这样的事情时有发生：遗传算法曾错误地显示，纽约的地铁上存在黑死病菌，弗吉尼亚州的番茄田里有鸭嘴兽出没，而越南的森林里还住着海豹。）

但是，在斯普利比尔从数据中移除了所有担子菌基因之后，与狐衣酸有关的一切也随之消失了。

“那是一个豁然开朗的时刻。”他说，“我就在那一刻靠向自己的椅子。”正是在那一刻，他开始怀疑担子菌实际也是地衣的组成部分——也许存在于两种类型的地衣，但在黄色有毒的那种当中特别多。

“

托比多年来冒了巨大的风险，他改变了这个领域。

而且，担子菌也不仅仅是存在于这两种地衣。

在整个职业生涯中，斯普利比尔已经收集了大约45,000份地衣样本。

他开始进行一一筛查，这些来自不同大陆的地衣拥有多种不同的谱系，结果，他在几乎所有的“大型地衣”（macrolichen，这是世界上品种最丰富的生物族群）当中都发现了担子菌的基因，它们无处不在。

现在，斯普利比尔需要亲眼在地衣中看到它们。

在显微镜下，地衣看起来就像一个拖鞋面包：它们拥有一层坚硬致密的外壳，而里面则是绵软松散的内芯。藻类就嵌在那厚实的外壳当中。

生物学家熟悉的子囊菌也在那里，但它们是向内分支的，从而构建出了绵软的内芯。

那么，担子菌呢？它们位于外壳的最外层部分，包围着其他两个伙伴。“它们遍布在外层。”斯普利比尔说道。

尽管担子菌的位置看似明显，但找到它们却花了5年左右的时间。它们被嵌入在糖分基质中，就好像被人粉刷上去一样。

为了看到它们，斯普利比尔从沃尔玛买来了洗涤剂，并用它小心翼翼地洗去那些基质。

即便担子菌已经得到充分暴露，但识别它们并不容易，因为它们看起来跟子囊菌菌丝的横断面一模一样。

除非你知道自己在寻找什么，否则你完全没有理由会认为那里存在两种而非一种真菌，这就是为什么150年来没有一个人发现里面的问题。

最后，斯普利比尔用不同的荧光分子对三种生物进行了标记，让三者分别发出红色、绿色和蓝色的荧光，这才让地衣的三位一体形态得以显现出来。

“这些研究发现推翻了双生范式。”来自牛津大学（University of Oxford）的莎拉·沃特金森（Sarah Watkinson）说，“教科书关于地衣的定义可能需要改写了。”

“这让地衣显得更加引人注目。”埃克塞特大学（University of Exeter）的尼克·塔尔博特（Nick Talbot）补充道，“我们现在看到，地衣需要有两种不同的真菌和一种藻类。如果正确的组合在石头或树枝上相遇，那么地衣就会形成，继而生成我们常在树上或石头上看到的巨大复杂的植物状生物。我们对这种共生关系的形成机制一无所知，那仍然是一个真正的谜团。”

基于两种真菌的位置，担子菌可能会影响到另一种真菌的生长，诱导其构建出坚硬的外壳。

或许利用这三种生物，地衣学家将最终能够在实验室中培植出地衣。

在斯普利比尔研究的蒙大拿州地衣中，担子菌显然跟狐衣酸密切相关。

然而，担子菌是在摄入这种酸性物质，还是在制造它，抑或是解锁其他真菌制造它的能力？

如果是最后面一种，沃特金森说，“其意义就超越地衣学的范畴了。”地衣对“生物勘探者”来说是一个诱人的目标，这些人勘探大自然，寻找可能对我们有医学价值的物质。