年轻人缺乏竞争力?别说了,我们都不如适应力超强的肠道菌!--《科学月刊》

文/陈俊尧|生命科学系助理教授,热爱细菌的细菌人,研究领域为微生物生态,对环境微生物社会的兴趣远大于对人类社会的兴趣,近年来亦致力于科普写作的实践与推广。

适应力就是竞争力?那细菌肯定是胜利组!

在美国念书时每隔一阵子总是会想念起家乡的食物。虽然在国外各大都市都有中国餐馆,甚至是台菜料理,但是进了餐馆常常端上来的都不是自己想念的那个味道。为了要招揽美国本地人的生意,餐厅里的师父总是要为他们调整口味,放一些当地有而台湾没有的食材。于是同样挂着中国菜的招牌,在各大都市里尝到的味道都混有对新环境的妥协。

图/By William Murphy @ Flickr, (CC BY-SA 2.0)

生物常常也得做这样入境随俗的事。细菌如果想在一个新环境安身立命就要改变自己去适应和使用当地资源。早年纽西兰的兰尼(Paul Rainey)教授就用实验证明了细菌会调整自己适应环境。

他把萤光假单胞菌(Pseudomonas uorescens)养在培养液里等了几天,当培养基里的养份耗尽,原本悬浮在液体的细菌开始发生改变。一群突变者沉到试管底部,避开竞争,另一群突变者,分泌多糖跟同伴黏成一片,霸占氧气充足的液面。

在这小小3 公分高的世界里,细菌改变自己,利用试管里不同的物理化学环境,这是生态学里辐射性适应的经典例子。

想在动物肠道中生活,肠球菌有什么必备技能?

而最近发表的一篇研究更是精彩,主角是我们肠子里也有的肠球菌(Enterococcus)。肠球菌是群经常在陆地动物肠子里出现的细菌,有的时候也会出现在河水泥巴里。

我们看到八哥、麻雀多半在城市里,而不在森林里出现,会猜测这些鸟儿应该是适应了城市里的生活。那总在动物肠道出现的肠球菌呢?它们也得到了什么特殊能力,变得比较适应在动物肠道里的生活,最后变成在肠道生活的专家?如果真的是这样的话,那到底在肠子里会需要些什么样的生活能力呢?

肠球菌是怎么跑到肠子里去的呢?图/By Pete Wardell, USCDCP @pixnio

这群哈佛大学的研究人员想知道是什么推动肠球菌演化。他们收集了24株各种肠球菌,先进行基因体解序,再由得到的基因来推论细菌在能力上的改变。首先研究人员盘点每株菌的基因,找到了所有肠球菌都有的1037个核心基因。接着他们把这些基因与肠球菌的近亲徘徊球菌(Vagococcus)比对,发现126个徘徊球菌没有、只在肠球菌这个演化分支才出现的基因。这些基因带来的新能力区隔开了肠球菌和徘徊球菌。

到底这些基因是做什么用的呢?经过比对后,发现这些基因负责的功能是修改细胞壁结构、合成嘌呤以及对抗逆境。如果搭配上肠球菌总是在动物肠道里出现的事实,这结果其实挺合理的,肠道里的渗透压比水里高,还有胆盐和消化酵素会杀死细菌,因此改造细胞壁的确可能有助于细菌在肠道里的存活。

肠球菌啊肠球菌,你的祖先哪里来?

如果我们能知道肠球菌开始朝向肠道专家演化的时间点,那就更有趣了。细菌没有化石可以定年,只能利用DNA 序列上的改变,来推测这些变化发生的时间。

我们知道粒线体和叶绿体都是共生细菌形成的胞器,前人曾利用它们与其它细菌间的序列差异,推算出大肠杆菌与沙门氏菌分开的时间。如果用他们估算的时间当尺,配合序列上的差异可以推论,肠球菌大约是在5 亿年前自创门派和别的菌种分道扬镳。

那在这个时间点地球生物圈里有发生什么大事吗?

原来大约4.25 亿年前刚好是脊椎动物上陆地的时间,肠球菌可能搭上了动物的便车,往陆地上去讨生活了。少了水的保护细菌想传播到另一只宿主身上就困难得多,得让自己能耐旱、耐饿一段时间才有机会,难怪对抗逆境的基因变得重要了。

当年脊椎动物上陆地时,肠球菌也一起上岸了。图/By Efraimstochter @pixabay

肠球菌是超强的捉迷藏高手,抗药性成严重隐患

目前肠球菌各菌种分布在不同的动物肠道里,有的只爱哺乳类、有的选鸟、有的选昆虫,各有各的喜好。如果要在不同动物肠道住下来,需要做什么调整呢?为了回答这个问题,研究人员以这些菌种在演化树的位置为基础,追踪每个菌种比祖先多了什么或少了什么基因。

结果发现:在改变的基因里,影响利用糖类能力的基因占最大宗(占37%);影响利用胺基酸能力的基因也占了12%,说明了菌种之间最大的差异是改变了养份利用的策略,进入一个新的宿主就丢掉旧栖地需要的基因,换成新栖地需要的基因。这项发现显示,当它们的生活型态被局限在肠道里后,必须善用能取得的养份来存活,才能在新宿主身上住下来,成为地头蛇。

如果把估算所得各种肠球菌出现的时间,搭配地球上的动物演化史,可以看到在4.25 亿年前动物上陆地的时间后,肠球菌出现第一波新种发生潮。3 亿年前进入古生代二叠纪,肠球菌沉寂了一阵子,没有增加新成员。接着进入古生代末的大灭绝,2.5 亿年前三叠纪时动物多样性开始上升,这时肠球菌又开始出现新种。整个肠球菌演化史显然就是跟着动物走,一直把新的动物肠道纳入这个属的势力范围。

肠球菌能躲在人的肠子里,不容易被发现和消除,正开始以多重抗药性细菌的身份挑战人类。图/By 3217138 @ pixabay

过去千百万年,动物改造了肠球菌的养份摄取策略,而到了人类的时代,我们带给肠球菌的改变是什么呢?因为肠球菌能躲在人的肠子里,不容易被发现和消除,也有本事在干燥没养份的床单或地面存活一段时间等待机会。肠球菌带着先天的生理优势,能入侵接受抗生素治疗的病人肠道,大量复制,再以这个病人为基地扩散到其他病人身上。这让它们容易在医院里扩散,开始以多重抗药性细菌的身份挑战人类的存在,我们得小心对付它们。

延伸阅读

  • Rainey PB and Travisano M., Adaptive radiation in a heterogeneous environment, Nature , Vol. 394(6688): 69-72, 1998.
  • Lebreton F. et al., Gilmore MS. Tracing the Enterococci from Paleozoic Origins to the Hospital, Cell , Vol. 169(5): 849-861, 2017.
  • OchmanH.andWilsonA.C., Evolutioninbacteria:evidenceforauniversal substitution rate in cellular genomes, J Mol Evol , Vol. 26(4): 74-86, 1987.

本文选自《科学月刊》2017 年8 月号

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