物理学家给生态学带来全新的见解

编译 乔琦

物理学家杰夫·戈尔通过实验检验了有关微生物群落的理论，并且发现了约束生态稳定性的新规则。

2019年，杰夫·戈尔（Jeff Gore）大步走过一条不长的走廊，从他的办公室来到实验室，后者位于马萨诸塞州坎布里奇市科技广场的一栋大学建筑内。嗡嗡作响的机器、淡淡的氯气味让人很是心安，因为这些现象表明实验室的物品很准确地保存在无菌环境中。实验室的计数器上到处都是移液管和约莫智能手机大小的塑料盘。每个塑料盘上有8×12，共96个直径约0.5厘米的半球形孔槽。戈尔拿起其中一个塑料盘说道：“这就像是我们的世界。”

戈尔在麻省理工学院实验室的成员成天忙着创造、戳弄、刺激塑料盘每个孔槽内由细菌或酵母构成的孤岛。孔槽内，各个物种要么相互竞争，要么需要面对高温、低温或食物短缺的不利条件。与此同时，一种叫作“血细胞计数器”的设备始终都在一个孔槽接一个孔槽（有时甚至是一个细胞接一个细胞）地记录成千上万次实验的结果。戈尔说：“你真的可以把细胞一个一个数出来。”

从研究环境和研究对象看，戈尔无疑是个生物学家。然而，无论是从接受的训练来说，还是从自我认识来说，戈尔都是个物理学家。物理学家们总是非常大胆，这个特质既让他们备受尊崇，有时又会在他们“入侵”其他领域时招来忌恨。正是凭着这份勇气，戈尔这位快人快语、始终乐观积极的物理学家在过去十年里不断“入侵”着生态学领域。他希望自己的这番跨界行动能给这个领域带来助益。

戈尔的研究主要是通过操控极为简化的微生物生态系统寻找那种普适的基本原理。这类原理既是物理学家研究非生命世界时的方向，也一直是生态学家在研究生命世界时渴望找到的目标。同事们说，戈尔研究方法的不同之处在于对可重复实验和数据统计分析的追求——而生态学家在传统上一直认为，在生态学研究中，这两点就算不是完全无法实现，起码也很可能不太接近现实，会起到误导作用。

然而，这种研究方法却取得了令人惊喜的成果。戈尔已经发现了一些规则，通过它们就能预测简单微生态系统的未来，其中包括实验室蠕虫的肠道微生物以及土壤样本中的细菌群落。即便是那些不太愿意信任这些“入侵者”的生物学家和生态学家，都对戈尔从事这一领域的尊重态度赞赏有加，并且表示，戈尔的确在长期困扰他们及同事的问题上取得了长足的进步。

“戈尔可以提出那种困扰了人们几十年的真正意义深远的问题，”芝加哥大学理论生态学教授斯蒂法诺·阿列西纳（Stefano Allesina）说，“他可以将理论提炼并应用到实验里，你可以从中得到没有干扰的信号和数据。”

戈尔现在正在开拓新领域。掌握了操控实验室微生物的技术后，他希望能发现适用现实世界生态系统的规则，毕竟那才是人们真正关心的。掌握各个物种聚集的方式和在群落中生存的方式，有助于医生治疗胃肠道疾病，有助于农学家改良出更有养分的土壤，也有助于自然环境保护主义者保护或恢复生态系统。

不过，物理学和生物学两边的同行虽然都很支持戈尔的努力，但也都想知道他的激进而严格的实验策略在面对真实生命世界的全部复杂性时会产生什么效果。

解释“树木交错的河岸”

在思索自身领域内最深刻的问题之时，物理学家会问：为什么那里会有这些东西，而不是什么都没有？而生态学家则常常会问：为什么有那么多物种，而不是只有一些？

传奇生态学家伊夫林·哈钦森（G.Evelyn Hutchinson）称这个现象为“浮游生物悖论”，但他本来也可以称其为“草原悖论”或“热带雨林悖论”或“消化菌群悖论”。在你能看到的几乎所有地方，大自然都选择了复杂而非简单，选择了混合而非单一。地球充斥着各种物种，但我们还不清楚其中的原因：在任何特定的环境中，为什么都不是单一物种（或者，最多一些物种）取得生存优势，胜过其他所有物种？自从达尔文在《物种起源》中深思这个著名的“树木交错的河岸”问题以来，科学家们已经被其困扰了150多年。

理论生态学家面临的困境在于，全世界有成千上万种的生态系统，很难从一般角度上证伪生态学理论。阿列西纳开玩笑地说，物理学教科书的篇幅基本上保持稳定，不会因时间的推移而大幅增减，因为实验和观测在证伪旧理论的同时也催生了新理论。然而，生态学的教科书只会越来越厚，因为即便新理论已经堆积成山了，也无法摆脱生态学的那些旧理论。我们还不清楚支撑着生态学的统一理论是否能揭示——这个理论的地位应该相当于热力学与统计力学在物理学中的地位——因为现在既没有人发现这些理论，也没有人能证明不存在这类原理。

戈尔和他的同事严格且系统地检视了96孔槽培养板中微生物的各种组合结果，以探寻决定不同组合结果的规则

检验宏大而优美的理论

戈尔在身体和智力上都不安分，他在尝试了其他数个科学领域后最终加入了生态学研究的行列。20世纪90年代末，戈尔还是麻省理工学院本科生时，就在沃夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）的帮助下开发了一套研究玻色-爱因斯坦凝聚的实验装置。玻色-爱因斯坦凝聚是理论早已预言的物质第五态，而克特勒率领的团队正是率先得到这种状态的团队之一，他也因此荣获2001年诺贝尔物理学奖。在加州大学伯克利分校攻读研究生期间，戈尔的研究方向转向了生物物理学，主要工作是探索DNA分子的复杂机制。之后，他又在麻省理工学院展开博士后工作，这一次，他突破了传统生物物理学的边界，用酵母做实验，探索合作行为的演化。

随着时间的推移，戈尔逐渐为他所称的生物学的“宏大而优美的理论”所吸引，这个理论的内容是解释生物为何能在复杂群落中生存。不过，戈尔也同样注意到“理论和实验并不总能最大限度地互相充实”。他看到了清晰、明确且可重复的实验可以严谨地验证假说，或许还能解决阿列西纳哀叹的理论堆积问题。在戈尔看来，这意味着要对大自然施加一定程度的控制，而很多生物学家都会认为这种控制带有极度人为色彩。戈尔开始将微生物放到严格控制的环境中，并且运用最为先进的工具准确追踪每一个个体的命运。他解释说，这么做可以摆脱大自然的部分干扰和混乱，好让他多次重复实验，并且得到那种足以说服物理学家并使他们信服的统计数据。

“戈尔的想法是这样的：我们先研究最简单的这些生物群落，然后再看看我们对它们的测量能到什么程度。”此前在戈尔实验室做过研究，如今在波士顿大学“自立门户”的物理学家基里尔·科洛列夫（Kirill Korolev）如是说，“这么做确实损失了复杂性，但也有好处。”

戈尔从最简单的生态系统开始研究，那就是只有一个物种的生态系统。事实证明，即便是这样一个极为简单的生态系统也能得到很有意思的结果。戈尔和他的实验室成员（包括科洛列夫在内）设计了一个实验。实验中，他们稀释了在含糖溶液中生长的啤酒酵母菌。啤酒酵母菌可以将不可食用的糖转化为可食用的糖，因此，酵母菌越是集中，对个体的好处就越多，而稀释则意味着整个酵母菌种群将处于饥饿状态。研究人员从实验数据中识别出了能够让他们预测酵母菌种群究竟是繁荣滋长还是崩溃消亡的信号。这项研究的结果于2012年发表在《科学》（Science）期刊上，那篇论文也是到目前为止戈尔实验室被引用最多的论文。它最大的特点是包含了一张分叉图，这张图精确地标注出了生态系统会在何种情况下保持稳定，又会在何种情况下越过临界点走向灾难性的崩溃。

“这类图对大多数数学生态学家来说，一目了然。”阿列西纳说。已故的罗伯特·梅（Robert May）是从物理学转攻生态学的先驱，他发现一个用来模拟昆虫种群数量增长的方程会产生一种分叉图，这一发现也开启了混沌理论这一研究领域。戈尔的团队则把这个想法从计算机和黑板上搬运到了实验室里。

“那篇论文非常震撼，”阿列西纳说，“文中的实验数据表明，单物种群落的发展和理论预测完全一致。正是这篇论文让我非常清晰地了解了戈尔他们的工作。”

二和无穷之间

有一个笑话是这么说的：物理学家可以描述含有1个、2个或无穷个个体元素的系统，但对于个体元素在2和无穷之间的系统，他们就无能为力了。于是，在证明自己的勇气确实为单一物种生态系统的研究带来了启示之后，戈尔又开始研究起了两物种生态系统。在当时还是博士后的乔纳森·弗里德曼（Jonathan Friedman）领导的工作中，戈尔实验室的成员从土壤中分离出8株细菌，然后以各种组合把它们放到96孔槽板上，让它们互相竞争。研究人员从结果中总结出了一套简单的规则：A战胜了B，B战胜了C，C和D能共存，等等。

耶路撒冷希伯来大学的乔纳森·弗里德曼在戈尔实验室做博士后工作时，领导了一项实验。这项实验确定了8株菌株两两配对互相竞争后的结果

接着，这群科学家又研究起了三物种生态系统。戈尔的团队发现，通过物种一对一竞争的实验结果，他们能以90%的准确率预测某一物种是否能在更为复杂的系统中生存下来。换句话说，如果A在与B的一对一对决中取胜，B又在与C的对决中取胜，那么A几乎肯定可以打败B和C。

饶是如此，以8种微生物为对象展开的研究得到的结论也很难说一定具有普遍意义。于是，这个研究小组又朝着真实世界迈了一步。研究生罗根·希金斯（Logan Higgins）到实验室外麻省理工学院科技广场的草坪上铲了一些满是微生物的土壤回来。研究团队分离出了其中每种微生物的菌株，并且得到了它们两两配对竞争之后的规律，也即知道了哪些微生物能打败哪些微生物，哪些微生物能和哪些微生物共存。接着，研究人员又在他们的塑料板孔槽内考察了差不多1 000组三种微生物放在一起生活的情况。

这些实验的灵感部分来自20世纪70年代的某些观点，也即认为，在由多个物种组成的混合社群中，各个物种之间的竞争平衡可以让每一个物种都稳定下来。这类“高阶”稳定相互作用的一个例子有点像是剪刀-石头-布的游戏，也即3个物种中的每一个都会被其中另一个物种压制，但也能压制剩下那个物种，由此达到共存状态。理论生态学家认为，这类组合可能是一种产生多样化生态系统的绝佳方式，因为它让系统内任何一个物种都无法战胜其余所有物种。实验室内甚至已经成功构建出了这种由剪刀-石头-布关系稳定下来的三微生物系统。

然而，经验数据的匮乏让我们还是难以判断这类组合在野生世界中究竟有多重要。“我很喜欢剪刀-石头-布这种关系，”阿列西纳说，“但这并不意味着它在自然界中很常见。”

在这些从泥土中分离出来的菌株中，戈尔团队只发现了一组剪刀-石头-布关系。与之前的实验结果一样，一对一竞争的结果似乎也适用于整个生态系统，也即若A在与B的一对一对决中取胜，B又在与C的对决中取胜，那么A几乎肯定可以打败B和C。只有在一个案例中，出现了C能打败A的情况，从而完成了剪刀-石头-布的循环。当研究人员把全部20种微生物都一起放到孔槽中后，只有3种成为主导菌，与此前得到的规律预测的一样。但这个结果与现实土壤社群的情况相去甚远。由于此次实验过程中几乎完全没有出现剪刀-石头-布的关系，戈尔团队总结说，土壤物理基质中的微小环境条件变化很可能会在自然环境下起到稳定社群多样性的作用，因为3种及以上微生物之间的相互关系似乎与实验室里得到的结论并不相同。

真实的生态系统恰恰处于物理学家不擅长的2与无穷之间，而上述这些研究则表明戈尔的方法对这一领域的研究具有一定意义。“我不觉得我们的发现必然就体现了所有真实生态系统的运作方式，”现在已经担任耶路撒冷希伯来大学（位于以色列雷霍沃特）高级讲师的弗里德曼说，“但这是在究明生态系统运作方式之路上最有成效的努力。”

“我们真的在不断收获……方式类似于物理学家研究量子力学和原子时使用的那种。”戈尔说，“我们先努力研究清楚氢原子的情况。这并不是说物理学家痴迷于氢原子本身，而是如果你连氢原子都弄不明白，那继续深入下去，处境就有点危险了……这就是我的看法。我们在研究生态学时也相当于从氢原子开始，现在差不多到了研究氦原子和甲烷的阶段。”

不断收获

微生物对自然界非常重要。土壤中的细菌和真菌支撑着我们食用的植物，也支撑着保证气候稳定和地球生物多样性的雨林。在我们的肠道里，细菌帮助我们消化食物。现在还有观点认为，它们对我们的免疫系统（甚至很可能还有认知系统）也有贡献。不过，微生物群落也可能造成破坏。这方面最出名的例子或许是，一种叫作艰难梭菌（Clostridiumdifficile）的细菌入侵肠道后，会引起疼痛，有时甚至还会导致致命的结肠炎。这类微生物入侵事件很难预测，也很难根治。我们现在越来越多地通过“粪便移植”来应对这种情况。

“对于微生物，我们其实什么都不了解，所以，我们选择将整个群落移植过来，然后祈求好运。”阿列西纳说，“你真的觉得自己需要全部5 000种细菌吗？很可能我们并不需要那么多。很有可能只含有少量细菌种类的、规模更小的微生物群落产生的效果也并不会有什么不同。”

受到这一系列大有希望的实验结果的鼓舞，戈尔最近已经把目光放到了肠道微生物群上。在2020年2月发表的一项研究中，戈尔团队发现，当一个由两种微生物组成的生态系统短暂受到第三种微生物的入侵时，优势方往往会发生改变。文章作者认为，艰难梭菌的致病原理可能与这个机制类似。

然而，戈尔在以人类肠道菌群为研究对象，努力探寻具有普遍意义的物种聚集规则时，却遇到了复杂性陡然上升的巨大困难。在我们的肠道内，无论何时都有种类上千、数量超过1万亿的细菌在竞争、共存。当时，刚开始博士后工作的尼克·维加（Nic Vega）给戈尔实验室带来的一条小虫为这项研究的进展开辟了一条新的道路。这条小虫名叫秀丽隐杆线虫（Caenorhabditiselegans），是成千上万生物学家开展研究的模型生物。和我们一样，秀丽隐杆线虫也有肠道和肠道微生物群，只是它们的肠道微生物群只有大约10万个细菌。

维加改进了之前土壤实验的方法，给秀丽隐杆线虫喂食成对细菌，每对细菌中，一个做红色标记，另一个做绿色标记。待细菌在线虫肠道内折腾一番后，再将线虫碾碎，查看每种细菌存活下来的数量。结果发现，两种细菌在线虫体内存活率的随机波动会对线虫整个微生物群的组成造成显著差异。维加表示，对这类差异进行解释的想法对微生物群研究者来说“有点陌生”。

在后续研究中，维加和研究生安东尼·洛佩兹（Anthony Ortiz Lopez）考察了11种细菌在秀丽隐杆线虫肠道内两两配对竞争后的结果，接着便又给线虫一起喂食其中的3种细菌。同土壤实验一样，两两竞争的胜负规律在大多数案例中都能比较准确地预测3种细菌一起竞争的结果。研究人员把这篇论文的初稿上传到了biorxiv.org预印本服务平台上，同时也投稿一份期刊进行同行评审。

戈尔表示，这项实验证明，虽然外部因素的确相当重要，但就预言各种环境中微生物群落的演化结果而言，“由一对一竞争得到的规律才是有效的手段”。

与戈尔一样，现在已经是亚特兰大埃默里大学教授的维加也认为，这项实验的结果强有力地证明了戈尔的研究方法同样适用于现实世界中的生物。“当然，就人体肠道生态系统来说，我们肯定不可能让所有存在于肠道中的微生物都来一场两两配对竞争。”维加说，“我们现在想要弄清楚的是……究竟需要哪些信息才能预测生态系统最后的演化结果？获取这些信息的最佳方式又是什么？”截至目前，维加等人看到的实验结果令他们颇为乐观。“我希望未来有一天，我们能够完全掌握哺乳动物体内微生物群的特性，并且能够有目的地重新加以编排。”

不过，并不是所有人都对这个前景笃信不疑。除了数量和多样性带来的困难之外，细菌还经常会分泌一些能改变自身和周遭一切环境的化合物。戈尔及其他任何人目前的成果都还不能捕捉这些细微差异。

“我觉得，要想在实验室里完全复制人类体内的微生物群非常困难。”研究微生物群疗法的麻省理工学院生物学家塔米·利伯曼（Tami Lieberman）说。不过，她也强调，这并不意味着这番努力不值得。实际上，作为朝着这个目标迈进的第一步，利伯曼和戈尔正在讨论开展一项合作实验，以检验两两竞争的胜负规律对人体肠道内微生物相互作用结果的预测究竟有多准确。

研究微生物群落的波士顿理论物理学家潘卡·梅塔，他尊重戈尔“自下而上”式的研究方法，但对这种方法是否适用于更为复杂的自然生态学持怀疑态度

在波士顿大学（与麻省理工学院只隔了一条查尔斯河）理论物理学家潘卡·梅塔（Pankaj Mehta）看来，戈尔的研究方法取得的成果已经超过了预期。起初，梅塔认为戈尔忽视了有关微生物环境的重要细节，但他后来坦承，事实证明，那些细节没他原来认为的那么重要。“这项工作的有趣且令人印象深刻之处在于，它证明至少在那些所含物种种类不多的系统中，很多很多各不相同的现象——pH变化、养分的竞争等——都可以通过这些简单的现象模型来描述。”梅塔说，“这是一种真实且久经考验的还原理论，在物理学研究中表现良好。”

然而，梅塔同样对戈尔能走多远持怀疑态度。他打了一个比方：当物理学家想要描述任意时刻在房间内飘荡的1023个空气分子时，他们不会写下每个分子的方程。相反，他们寻找的是那些能够描述这些粒子平均行为的参数——于是就有了“一、二和无穷”这个笑话里的无穷。对于气体来说，事实证明，的确存在这样一种能够描述粒子平均行为的参数，那就是：温度。看看温度计，你就能知道很多有关身边这么多气体分子的有价值的信息。

梅塔认为，这种“自上而下”式的研究方法也能在微生物研究中起作用。在他的团队及其他一些科研小组共同开展的研究中，像营养物质获取率以及各种细菌对彼此分泌物的依赖程度这样的高阶参数，在没有微生物群落成员数量以及内部相互作用这些信息的情况下，也能体现有关微生物群落工作方式的重要特征。

梅塔说，戈尔实际上是在用科学家口中的“自下而上”式方法努力解释每个微生物的行为。虽然这一方法到目前为止非常奏效，但“我的确认为，要想把这种方法应用到复杂程度很高的系统中无疑会非常困难，”梅塔说，“我绝对相信，到那个时候，戈尔的这套方法作出的预测只会越来越不准确。”

阿列西纳在开展自己的工作时也更喜欢自上而下式的方法。在2018年的一项模拟研究中，他将100种受到刺激的微生物放在一起研究，结果发现，无论各种微生物之间的内部相互作用细节如何，总能形成稳定的生态系统。不过，阿列西纳认为，这两种策略都是研究之路所必需的。“我喜欢自上而下式的研究方法……那更有趣一些，”阿列西纳说，“但我觉得问题的答案，藏在这两种方法中间。”

普林斯顿理论生态学家西蒙·列文（Simon Levin）则提到了另一项戈尔必须面对的挑战：与化学元素和亚原子粒子不同，微生物始终在演化。因此，当你对所研究的系统做实验的时候，它们已经发生了改变。“对生物学中的所有预测性理论来说，那是一个摆脱不了的困境，”列文说，“有外部因素出现时，就很难建立目标理论了。”

未来几年将会见证戈尔是否能够实现自己定下的崇高目标。他生性就不喜安逸，总是在不断追求进步。最近，他又同弗里德曼和博德研究所的保罗·布莱内（Paul Blainey）展开了合作，这令他兴奋不已。布莱内此前为高通量药物筛选设计制造了一块纳米流体芯片，戈尔与他的合作则赋予了这块芯片全新的目标。他们最近使用这块芯片研究了20种土壤细菌在40种环境下的180 000类相互作用，并且发现某种微生物因另一种微生物的存在而获益的相互作用要远比预期的多——这个结果又一次冲击了我们对细菌在群落中行为的传统认识。

列文表示，戈尔因做对了一件重要的事情而提升了行业成功的概率。“他不会像很多物理学家那样就这么闯入生态学领域，然后说，‘我是物理学家，来这里帮你们’，”列文说，“戈尔直接把自己变成了真正的生物学家。他对这一领域原有的思想和方法表达了尊重。”

阿列西纳也同意这种说法：“他决定投身生态学研究，这对我们来说是一件幸事。”

资料来源QuantaMagazine