Derwin挑战Darwin

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澳大利亚小伙子Derek来到中国已经两年了，是中山大学的一名研究生，大学本科时就开始了与化学相关的研究。刚开始读研，Derek对于生物学，尤其是生物实验并不熟悉，但随着研究逐渐深入，他不仅适应了生物学的研究节奏，还因为自己的科研背景找到了独特的研究方向。说起自己目前的研究状态，他用一句话生动地形容：“My brain cells are dancing.” （我的大脑细胞在跳舞。）

小鼠身上的意外发现

Derek的导师是学校微生物研究小组的关键人物，在领域内颇有成就，Derek对于微生物研究也有着同样的热情。果蝇、小鼠是Derek开始生物学研究后最亲密的小伙伴。化学背景出身的Derek一开始研究的就是小鼠体内的微生物群。

在研究小白鼠发育生长过程的时候，Derek有了一个特别的发现，小鼠的脑部发育似乎跟它的肠道菌群有着不可分割的关系。这让Derek非常兴奋：“这意味着动物体内的微生物不仅仅与动物存在共生关系，还有可能就是动物生命体的一部分。”针对这个想法，Derek展开了研究。

对于微生物群的研究和著作，国外要先进很多，对于来自澳大利亚的Derek来说，英文阅读要比国内的同学更加轻而易举，查阅起来也事半功倍。“我翻阅了很多文献资料，找到了许多科学家关于寄生菌群的研究。”其中，理查德?杰斐逊的理论吸引了他的注意：“杰斐逊的研究表明，我们体内的细菌绝不仅仅是消极被动的食客，还在某些关键进程中扮演者关键角色。”正是被这个观点触动，Derek开始了微生物作用的研究。

为了印证杰斐逊的理论，Derek设计了一套实验。他选用两组白蚁，对其中一组，用抗生素Rifampicin（利福平）杀死了它们体内的某些微生物。观察发现，这一组白蚁的肠道菌群被破坏了，从而降低了白蚁从食物中获取营养的能力，对比没做过处理的参照组，这些白蚁产出的后代数量要少得多。“这完全可以论证，原本被我们认为是共生关系的微生物与动物之间，确实有着更紧密的联系！”

发光的乌贼

“前期的实验设计，主要是为了多方面地了解微生物群与宿主之间究竟有什么样的联系。”而说起最有意思的一个实验，Derek不假思索地脱口而出：“乌贼的发光研究！”

对乌贼的研究，是Derek想通过更多的案例来论证微生物对动物发育和基因表达的影响。在一次澳大利亚校友的聚会上，Derek认识了一位师兄，他是动物学的研究者。师兄非常痴迷于动物发光机理，在他的宿舍里总是能看到各种发光的鱼类，但Derek却被乌贼的独具一格吸引了。

“我第一次在师兄宿舍见到的就是夏威夷短尾乌贼，”Derek说，“师兄把它捞出来的时候看上去像是一颗榛果松露，小小的，身上布满了小斑点，但是轻轻一抖，这些斑点就脱落下来了，只有拇指大小。中国并没有这种乌贼，师兄是托朋友从夏威夷带过来的。”师兄告诉他，这只乌贼的身体下面含有一个两腔的发光器官，里面充满了费氏弧菌，这是一种发光细菌，在野外，这些细菌发出的光亮可以与月光媲美。听起来那么神奇，Derek马上来了精神，让师兄给自己详细地上了一课。“乌贼孵化出来的几个小时内，费氏弧菌就会寄生上去，控制乌贼的发光系统，而且只有晚上才发光！”

刚孵化出来就可以寄生，晚上才发光！这两个关键点让Derek产生了思考。“直觉告诉我，这些费氏弧菌与乌贼的免疫系统和生物钟有很大的关联。”

于是，Derek通过师兄的帮助，也拿到了几只乌贼，并设计了一系列的实验，观察费氏弧菌的寄生过程和影响过程。他用荧光蛋白来追踪细菌的轨迹，同时观察乌贼体内生命系统的变化。他发现，寄生的过程开始于乌贼的身体下部，布满粘液的纤毛产生了一股可以将细菌吸引过来的“洪流”，更令人惊讶的是，当费氏弧菌首次接触乌贼的时候，它就会改变很多基因的表达。其中一些基因能产生混合在一起的抗菌物质，从而创造出一种不适合大多数微生物生存的环境，唯独费氏弧菌不会受到伤害，其他基因则释放了一种酶，能分解乌贼粘液以产生吸引更多细菌的物质，这种物质后来分析为二糖。而要引起这些变化，只需要5个费氏弧菌细胞，所以，这种微生物能很快占领乌贼纤毛区。

进一步观察后，Derek又发现，乌贼体内也存在不发光的费氏弧菌株，但它会利用光学器官中的光敏蛋白质在上百万个发光的细菌中探测出来，并将其驱逐出去。“而且，乌贼和费氏弧菌的关系在一天之中会有所变化，从而控制后者只在夜晚产生光亮。”这些观察结果都证明了Derek的直觉是对的，这些微生物在乌贼发育的过程中，完成了对乌贼发光系统的“催化”作用，同时也受乌贼生物钟的影响，调整着自身的机能。

“这些实验都证明了，早期寄生的微生物能在宿主的基因表达上产生关键性的影响，这让我不禁想到，这些微生物是否也间接影响了生物的遗传，甚至进化？”Derek的大胆假设，果然让他在接下来的研究中，又有了另外的惊喜。

挑战进化论

把生物和寄生于其上的菌群分开，只是为了研究方便而采用的一种方式，在自然选择的眼里，它们是一个整体，这也是Derek提出他假设的原因。但这个假设的确太具有挑战性，它所强调的动物与微生物间的“合作”与达尔文“物竞天择”的理论有极大的差别。物竞天择以宿主本身为单位，核心是不同种群的“竞争”，而Derek的假设，重点则是宿主与微生物群的合作与影响。虽然有难度，但具有“骑士精神”的Derek却再次因此而“脑细胞舞动起来”。

“在澳大利亚时，导师就经常引导我们找出一些与众不同的想法，并论证它。所以，越有挑战性，越不容易被论证的，甚至是挑战权威的，就越有研究的价值。”

在中国导师的帮助下，Derek了解到罗森博格的遗传学观点，他将生命体视为一个“超有机体”，或者说是“全功能体”，认为微生物对于宿主的繁殖和择偶非常重要。“也就是说，微生物对于宿主的调节，影响了宿主的繁殖能力和择偶条件，这就影响了宿主整个种群的存活数量和演变方向。”Derek认识到，自己先前研究的白蚁实验也已经证实了微生物对宿主在繁殖上的影响，因此Derek很有信心：“我觉得这假设是成立的，只要能够证明微生物的确影响了种群演变方向即可。”

可是，要怎么证明呢？Derek对此苦无对策，而且由于不知道何种微生物会对何种生物产生明显的影响，查找文献也没有方向。这时，导师的建议如同及时雨一般到达：“我们实验的果蝇有乳糖果蝇和淀粉果蝇，而且繁殖速度较快，不然用它们实验看看。”实验对象有了，那么又该如何验证呢？

Derek搜索前人的各类研究时，又一个问题来了，国内文献资料有限，始终没能为Derek提供灵感。于是他到一个澳大利亚研究者网站上发布了一个帖子，希望国外的同学们能帮忙一起找素材。终于，在帖子发布后两个星期里，Derek收到了好友发来的1989年耶鲁大学博士后黛安·多德的文章，他在其中发现了这样一个描述：“改变果蝇的饮食之后，只需要两代，就可以改变果蝇的择偶标准。”Derek简直乐疯了！“一定是肠道菌群的影响！”

Derek重复了黛安·多德的实验，他发现正如论文中描述的那样，以糖浆为食的果蝇在两代之后不再与以淀粉为食的果蝇交配。接下来，他对果蝇使用了利福平，结果，淀粉果蝇和糖浆果蝇又幸福地在一起了。这表明，的确是细菌在起作用。

经过多重实验，Derek终于证明了自己的假设，微生物可以通过影响宿主的基因表达、繁殖和择偶改变了物种演变的方向。Derek也因此在实验室里有了“Derwin”的昵称。这个“named after Darwin（达尔文）”的称呼虽然有时会让Derek觉得不好意思，不过他现在的精力依然放在了修改即将发表在美国一本生物学重点期刊的论文上。

责任编辑：曹晓晨