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我们肠道中的微生物会定期发生“性行为”，从某个角度来说，这对细菌和我们都是一件好事。
一个细菌伸出了菌毛，连接了另一个细菌（图片来源：UCR） 你可能知道，在我们的肠道中，居住着大量的细菌。而你可能不知道的是，为了更好地生存下去，这些细菌会定期发生“性行为”。 等等，细菌似乎没有严格意义上的生殖器，也没有性别的划分，这样也能有性行为吗？ 在我们的印象中，细菌繁殖靠的是分裂，并没有交配这种“世俗的烦恼”。但在生物学的定义下，性的本质是遗传物质的交换过程。最近发表于《细胞报告》（Cell Reports）的一项研究显示，我们肠道中的细菌可以伸出一根名为菌毛（pilus）的管子，将自己的 DNA “注入”另一个细菌体内，从而帮助其他细菌拥有获取维生素 B12 的能力。对于这些看似简单的生命形式来说，尽管与繁殖过程无关，但这就是它们的“性生活”了。 细菌的“性生活” 其实，细菌也有“性生活”这件事，科学家很早就发现了。1946 年，爱德华·塔特姆（Edward Tatum）和约书亚·莱德伯格（Joshua Lederberg）首先发现，细菌之间也存在基因的交换。 塔特姆和莱德伯格通过化学物质诱导，获得了大肠杆菌（Escherichia coli）K12 菌株的两种突变体。这两种突变体都不能合成某些必需的营养物质，因此无法在自然环境中生存，只能在提供了相应营养物质的实验室环境中生长。不过，它们不能合成的营养物质并不相同。 而将两种突变体一起培养一段时间后，一些大肠杆菌的后代居然重新获得了合成这些营养物质的能力。在经过一系列实验排除了其他可能性后，研究者得出了结论：大肠杆菌能将遗传物质传递给其他细菌，莱德伯格将这个过程称为“接合”（conjugation）。 这个发现迅速震惊了遗传学界，并让莱德伯格分享了 1958 年的诺贝尔生理学或医学奖。如今，我们知道了关于这个过程的更多细节：细菌表面存在一类像管子一样的，特殊的菌毛。它会用这种菌毛，将自己附着在另一个细菌上，并且射出一份“打包好”的 DNA——质粒。这样一来，不同细菌，甚至是不同物种的细菌就能“共享”遗传物质。 甚至长出菌毛的能力也是通过这种方法传播开来的。大肠杆菌长出菌毛是依靠体内的 F 质粒（F plasmid），能长出菌毛的大肠杆菌会和没有这种能力的细菌接合，并让双链 F 质粒的其中一链经由菌毛通道转移至另一个细菌内，再合成互补链。这样一来，接收方的细菌也能长出菌毛，转身又成为了新的供应方。
通过菌毛的接合过程，其他细菌也可以获得长出菌毛的能力（图片来源：Adenosine - Own work, CC BY-SA 3.0） 但令人担忧的是，经菌毛通道转移的，除了和菌毛形成有关的基因以外，还有大量的抗生素抗性基因。科学家很快意识到，通过这种方式，细菌可以把其他细菌的抗性基因“拿过来”据为己有，帮助自己躲过抗生素的攻击。这也成为了耐药性在细菌中广泛传播和持续存在的主要原因。 搜刮同伴的“尸体” 对细菌来说，接合甚至不是唯一一种获得 DNA 的方式：除了从活着的伙伴那里获得 DNA，它们还能从体外“掠夺”其他细菌的“尸体”。 当细菌死亡时，它们会裂开并释放出体内的 DNA，这些 DNA 就成了其他细菌的“宝藏”。2018 年，美国印第安纳大学的研究者就记录下了霍乱弧菌（Vibrio cholerae）伸出菌毛，勾住一段 DNA 并带回体内的场景。
绿色的菌毛像是一根触手，一把“抓住”红色的DNA并拽回体内。（图片来源：Ankur Dalia/Indiana University） 菌毛是一种极其纤细的结构，只有头发丝的万分之一细。为了看到这些细微的结构，研究者专门开发出了一种独特的染料，帮细菌把菌毛“染成绿的”。在显微镜下，绿色的菌毛像是一根触手，一把“抓住”红色的 DNA 并拽回体内。“这就像是在穿针引线一样。”这项研究的第一作者，考特尼·埃利森（Courtney Ellison）说，据估计，DNA 穿过的小孔直径可能只有 7-8 nm，而被抓住的 DNA 有大概 50 nm 长，“如果不是这些菌毛在，DNA 自然通过这个小孔进入细菌体内的几率可以说是微乎其微。” 在正常显微镜下看似安静的细菌，其实正在伸展菌毛。（图片来源：Ankur Dalia/Indiana University） 肠道细菌助消化 说到这，你可能会觉得细菌诡计多端。但其实细菌的这些共享行为也只是为了更好地生存下去，而这对人类来说，也并不一定全是坏消息。 在最新发表于《细胞报告》的这项研究中，研究者特别关注了拟杆菌门（Bacteroidetes）的细菌。拟杆菌是人体肠道菌群的重要成员，在某些人体内，甚至占到了整个微生物组的 80%。这些拟杆菌是膳食多糖的主要代谢者，“如果没有它们，你就无法消化红薯、豆类、蔬菜等食物内那些大而长的分子。它们分解了这些食物，我们才可以从中获得能量。”论文第一作者帕特里克·德根南（Patrick Degnan）这样解释。
在正常的人体微生物组中，拟杆菌属的细菌可以占到30%（图片来源：NOAA/OpenStax Microbiology） 然而，要在人类的肠道中定居，并（顺便）帮我们消化碳水化合物并不容易。为此，这些细菌必须与肠道中的其他微生物争夺有限的资源，其中就包括维生素 B12 和相关化合物。 是的，你的肠道细菌和你一样，需要维生素 B12，它在细菌的新陈代谢和蛋白质合成中都起到了关键作用。问题是，肠道中的大多数微生物——包括大多数的拟杆菌——没有能力自行合成 B12 和相关化合物，这就意味着它们需要准备好有效的运输系统，来从环境中吸收 B12。 这时，细菌间的共享就派上了用场：研究人员发现，拟杆菌门的细菌也会通过接合这种方式，共享 B12 转运蛋白的相关基因。 B12 转运蛋白 在正式开展这项研究前，德根南曾和同事确定了一种重要的转运蛋白，负责帮助肠道微生物吸收 B12。随后，德根南开始思考，这些微生物是如何获得 B12 转运蛋白的呢？这个过程是否也和细菌的接合有关呢？ 为了证明这个猜测，德根南和研究团队将可以吸收 B12 的细菌和无法吸收 B12 的细菌一起培养，就像莱德博格 70 多年前的实验那样。一段时间后，那些无法吸收 B12 的细菌依然存活了下来，并且获得了吸收 B12 的能力。 为了明确这个基因的来源，研究者检查了细菌的整个基因组。“对给定的生物来说，它们的 DNA 条带就像指纹一样。显然，DNA 的接受者已经整合了一条来自供体的额外 DNA，显示它们从捐赠者那里获得了新的 DNA。”德根南说。 在小鼠体内的实验也得到了类似的结果，当研究者将两种拟杆菌（一种能转运 B12，另一种不能）移植到小鼠肠道后，仅过了 5-9 天，前者的基因就“跳跃”到了后者体内。“这就相当于两个（发色不同的）人发生了性关系，现在他们都有了红头发。”德根南说。 另外一个有趣的新发现是，论文中指出，在同一物种之间的基因转移会比两个不同物种之间稍快，这说明即使是细菌的性行为，可能也会存在轻微的“生殖隔离”。不过相比多数真核生物，这种性行为还是“狂野”了许多。 进入二十一世纪以来，通过引入新的培养和分析方法，特别是第二代和第三代测序，我们对肠道微生物作用的理解取得了突破性进展（Rodríguez，2015）。最引人注目的也许是有关肠道微生物的下列发现：
尽管新技术使人们能够更深入、更详细地了解宿主与微生物之间的关系，但这些主要反应了时间与空间的短暂的片段。例如，微生物的代时和肠道内的代谢流这些基本知识，在很大程度上仍然未知。我们也缺乏关于肠道相关细菌的生态学和与宿主相互作用的基本知识。最后，我们对肠道微生物群中的可移动的遗传元件了解非常有限。基于以上问题的探索，对从机理上了解我们肠道中的微生物，并最终建立起因果关系的机理模型都至关重要。 有一种观念认为，人生病，是因为细菌病毒等这些人体外部不好的东西，进入了人体，所以，“保护”意味着“消灭”。其实，人生病时表现出的症状，都是在保护自己。比如咳嗽、呕吐、腹泻等，都是人体自我保护的反应。医生应该在此基础上帮助你把不好的东西排出体外，让身体更好、更快恢复健康。科学研究表明，每个人身上的细菌病毒，加起来都有2~3斤重。肠道、呼吸道、泌尿生殖道，有“道”就有细菌；口腔、鼻腔，有“腔”就有细菌。我们要学会与生物共生，与微生物共生共赢。所以，自我保护力，不是人类消灭细菌病毒，而是一种平衡状态下的共生能力。 |
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