令人惊奇的大学实验室②专门钻洞穴的师生

刘致用

一群 “挑剔”的探洞者

巴顿探索洞穴

哈泽尔·巴顿教授

我们说，一个人要是脚踏实地，这个人就是一个踏实的人。照这种说法，美国阿克伦大学巴顿实验室的师生们肯定是一群极其“踏实”的人，因为他们一年内就能“脚踏”许多人迹罕至的“实地”——从美国新墨西哥州峡谷深处的勒楚古拉山洞，到委内瑞拉高原上的特皮伊洞穴，再到巴西丛林深处的铁质洞穴，他们探索洞穴的足迹遍布了五大洲。

没错，他们是一群洞穴探秘者！不踏实还真干不了他们这份工作呢——作为老师和学生，他们理应穿着干净的衣服，在明亮整洁的教室里交流知识，但很多时候，他们就像是写实电视节目《荒野求生》里的主人公一样，在丛林、河流、山地等各种危险的野外环境中穿行。他们不怕苦不怕累，一旦踏上征途，便坚持到底。他们对于探索洞穴的热爱超乎常人，而这一份热爱，传承自他们的导师——生物学教授哈泽尔·巴顿。

巴頓生于英国，是一位极具冒险精神的女生物学家，被称为生物学界的劳拉·克劳馥——著名动作和冒险电影《古墓丽影》里的女主角。为什么这么说呢？因为巴顿探索的洞穴的危险性极大！巴顿师生是挑剔的，不用说人类足迹涉及，哪怕只要有生物能轻易到达的洞穴，都不是他们的目的地。他们的目标，往往是远离地表或者是山脉中绵延几十甚至上百千米的与世隔绝的洞穴。

那么，他们为什么要探索这些洞穴呢？

与世隔绝的微生物家园

原来他们认为，只有在这些地方，才可能生存着许多我们人类从未见过的微生物，因为在远离阳光的黑暗深处，由于缺乏光合作用，食物匮乏，氧气含量也低，大多数生物基本不会选择在那些区域生存。

那么这些微生物——主要是细菌，是怎么在这些地方存活的呢？原来，有些细菌属于自养型的细菌，它们能够利用碳的化合物或者是硫的化合物作为原料，合成生命所需要的养分，这些自养型细菌充当了一般生态系统里植物的角色。有些细菌属于异养型的细菌，它们则以这些自养型的细菌或是其他异养型细菌为食——通过捕食关系，细菌在极端贫瘠的洞穴深处构筑了它们自己的食物链。

由于环境的闭塞，很多身居洞穴深处的细菌从未离开过山洞，这意味着这些细菌对人类来说就是全新的品种。如果人们在亚马逊丛林发现5种新物种，生物学家们会欣喜若狂，此事件也将被爆为大新闻，但仅在一个与世隔绝的山洞，也许你就能找到几十种甚至上百种细菌的新品种。而这样的山洞，在世界上数不胜数。有统计称，地球上大约有1万亿种不同的微生物种，人类已经发现的微生物数量所占的比例仅为其百万分之一。

美国勒楚古拉山洞

由于洞穴内的资源极其匮乏，细菌之间面临着激烈而残酷的生存斗争。细菌们会相互攻击，也会相互防范，于是它们进化出来非常先进的细菌界的“矛”——抗生素，和细菌界的“盾”——抗生素耐药性。洞穴内的细菌都会分泌抗生素——从定义上说，抗生素是由各种微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）产生的，能杀灭或抑制其他微生物的一类物质。与此相对应的，为了使自己在生存竞争中不落下风，洞穴内的细菌基本都进化出了强大的抗生素耐药性。

巴顿和她的学生走进洞穴，便是为了采集这些具有强大耐药性的细菌。实际上，他们承担着一个非常大的使命——帮助人类度过抗生素失效的危机。

抗生素失效危机

从20世纪40年代第一种抗生素药物——青霉素投入临床使用以来，人类服用抗生素的历史已经接近80年。抗生素具有很强的抑菌和杀菌作用，作用机理主要是针对细菌特有的生理机制进行破坏——包括抑制细菌细胞壁的合成、破坏细菌细胞膜、干扰细菌蛋白质的合成以及抑制细菌核酸的复制和转录这5种方式。目前，人类和兽类经常使用的抗生素多达几十种，但是自从20世纪80年代以来，却基本没有新的抗生素被发现。这导致了目前流行在市面上的各种抗生素的使用年龄，基本已经超过30年，这引发了一个可怕的后果——细菌逐渐产生了抗生素耐药性。

细菌耐药性的产生迫使人们加大了抗生素的使用量，调查显示：与2000年相比，2015年全球抗生素使用量增加了65%，中低收入国家的使用量增加了114%。然而，增大药量并不一定就会起作用——据报道，仅在印度，每年就有5.8万名儿童死于耐药细菌感染。随着细菌耐药性的增强，人类的抗生素即将失效。而最近几年出现的一些“超级细菌”——即人类目前所有的抗生素药物均不能杀死的细菌，更引起了人类恐慌。如何破解细菌耐药性产生之谜，是一项非常紧迫的工作。

人们一直以为细菌耐药性的产生是由于抗生素药物的广泛使用导致的，巴顿洞穴探究的一个重要成果就是证明了这种说法是错误的。巴顿的研究告诉人们，细菌的耐药性是天然存在的——巴顿在某洞穴收集了93种菌株，她将这些菌株带回实验室并用26种抗生素进行测试。结果表明：70%的菌株能抵抗3到4种抗生素，3种菌株能抵抗14种抗生素，还有一种菌株能抵抗全部26种抗生素。可见，这些从未接触抗生素药物的“隐居者”，早就在生存竞争中产生了耐药性。

细菌耐药性是进化出来的，那么什么机制能促使细菌发生这种进化呢？巴顿表示，某些细菌能产生特定的分子，这些分子能够促使细菌快速进化成为耐药细菌，进而拥有抵抗抗生素的本领。如果人们能够弄清那些分子是什么（这些分子的产生和细菌的某些基因有关），就可以阻断它们，使细菌无法进化。通过研究洞穴细菌的耐药性，巴顿的最终目的就是找到细菌进化的机制。目前的情况是，只要一有新药上市，很快，细菌便会拥有对该药的耐药性，至今人们还无法得知细菌是怎么进化成耐药细菌的。

美国欧若恩多加洞穴

巴顿团队在洞穴细菌的研究方面取得了初步进展。除了发现成百上千种新的细菌外，巴顿还在这些与世隔绝的细菌身上发现了新的耐药性基因。例如巴顿在美国新墨西哥州列楚基耶洞穴发现了一种名为“Paenibacillus sp LC231”的一种超级细菌，在这种细菌身上，除了目前已经知道的12种耐药性基因外，巴顿又发现了5种新的耐药基因。新的耐药性基因的发现使得细菌耐药性的研究方向变得更加多样化。

当然，细菌耐药性基因的表达机制或许还需要科学家们花很长时间去钻研，这项工作无疑是非常艰苦的，但充满激情的巴顿和她的学生，将继续奋斗，直到破解细菌的耐药性机制为止。