在一种约拇指大小的夏威夷短尾乌贼（bobtail squid，学名Euprymna scolopes）的腹部有一个两腔发光器，里面充满了被称为费氏弧菌（Vibrio fischeri）的发光细菌。威斯康星大学麦迪逊分校的动物学家玛格丽特·麦克福尔-恩盖尔（Margaret McFall-Ngai）研究这两种生物间的紧密关系已有26年了。她发现费氏弧菌战胜了其他微生物，和自己唯一的宿主建立了忠诚的关系。它和乌贼的免疫系统相互作用，引导其生物钟，并通过改变乌贼的身体影响其早期发育。

在过去的10年间，基因测序领域的技术发展使得科学家可以从人或其他动物体内辨别出数千亿种微生物，并能够发现这些微生物是如何帮助动物发育、消化甚至影响其行为的。现在，这些被统称为微生物组学的研究已经成为生物学最热门的领域之一，而麦克福尔-恩盖尔在这一领域所作的开创性研究也为其打下了基础。她对这种简单共生关系的理解，有助于研究更复杂的微生物群落。

挑战传统

麦克福尔-恩盖尔在研究生阶段就被生物发光现象吸引。经同事介绍，她开始研究一种生活在夏威夷的乌贼。1989年，麦克福尔-恩盖尔开始在南加利福尼亚大学自己的实验室中饲养乌贼。她发现，乌贼与需要共生生物提供必需营养的动物不同，它们没有费氏弧菌也能生存。这意味着麦克福尔-恩盖尔可以分别饲养乌贼和费氏弧菌，介绍它们相识，然后观察它们的首次“约会”。

麦克福尔-恩盖尔团队随即开始着手分析乌贼-细菌共生关系中的各个方面。他们知道费氏弧菌在乌贼身上出现后的短短几小时内就能形成群落，但这些细菌是如何进入乌贼发光器官的？海洋中有多于其数量1000倍的其他细菌，为什么只有费氏弧菌进入了乌贼体内？为了找到答案，麦克福尔-恩盖尔仔细解剖了乌贼的发光器官，其合作者鲁比则在细菌中植入荧光蛋白以借此追踪细菌的运动。

两位科学家发现，共生关系始于新生乌贼的腹部。内含黏液的、成行排列的纤毛可以产生一股吸引细菌接近的水流，当费氏弧菌接触到乌贼时，便会改变乌贼一系列基因的表达。其中一些基因可以制造出数种抗菌物质，让除费氏弧菌以外的大多数细菌难以生存。还有一些基因可以合成某种酶，能分解乌贼的黏液以产生吸引更多费氏弧菌的物质——壳二糖。因此这种微生物很快就占领了乌贼的纤毛区。

壳二糖还能刺激费氏弧菌，让它们向乌贼发光器里的3个隐窝迁移。当到达目的地后，费氏弧菌会导致隐窝里的柱状细胞长大、变密，并紧紧地将其包裹住。

2004年，麦克福尔-恩盖尔团队发现该细菌携带的两种分子——肽聚糖和脂多糖是引发致这种变化的原因，这个发现出人意料。当时，这两种化学物质贝克学界描述为病原相关分子模式（简称PAMP），它们会就迅速发展的感染向动物的免疫系统发出警报。麦克福尔-恩盖尔将代表“病原体”的首字母“P”替换为代表微生物的首字母“M”，将其改成为MAMP。她提出，这些分子既可以引发有损健康的炎症，也可以开始一段共生友谊。没有它们，乌贼的发光器官永远都不会成熟。

在麦克福尔-恩盖尔看来，这些结果表明生物学中存在一种更为普遍的现象——影响动物成长的不仅只有基因组中的“建筑蓝图”，寄居在其体内的微生物也会发挥重要作用。其他科学家随后证实了麦克福尔-恩盖尔在1991年提出的这个概念。他们发现，从舌蝇到哺乳动物，许多动物的身体和免疫系统都必须接触细菌才能充分发育——有时候，动物的身体是对相同的MAMP产生了反应。

生物学的新革命？

在麦克福尔-恩盖尔和鲁比教授的几十个科学家中，有16人仍在研究乌贼和费氏弧菌的共生关系，并且都有了自己的实验室。他们每年会组织一次带有聚会性质的讨论会，让大家相聚于此分享自己的结果和计划。

麦克福尔-恩盖尔表示，自己和学生的工作才刚刚开始。她正在最近的一项研究中验证一个进化理论。该理论认为有一些微生物会从宿主身上获取利益，但不会提供任何回报。的确，一些不会发光的费氏弧菌有时也寄居在乌贼体内。麦克福尔-恩盖尔团队发现，乌贼能利用发光器官中的光敏蛋白从数百万个发光的细菌中找到少数几个不发光的细菌并选择性地将其驱逐出去。研究这一问题将有助于解释人类和其他脊椎动物管理复杂微生物组的方法。

研究团队还发现，乌贼和费氏弧菌的关系会在一天之中有所变化，从而控制后者只在晚上发光。2013年，麦克福尔-恩盖尔以前的学生伊丽莎白·希斯-赫克曼发现，费氏弧菌可以通过一个制造隐花色素蛋白的基因反过来影响乌贼的生物钟。隐花色素蛋白是一类影响很多动物生物节律的蛋白质，通常会被环境中的光线激活，但希斯-赫克曼发现，乌贼的一个隐花色素基因会对费氏弧菌的蓝光作出反应，进而增加蛋白质的合成量。

基于该研究，希斯-赫克曼的研究团队预测人和微生物的相互作用可能也会随着日夜交替变化——很快就有证据指向了这一预测。2014年，以色列的一个研究组发现人体肠道中有很多微生物的数量会在24小时起起落落，经常倒时差就会因打乱这一节奏而导致体重增加。

“这曾经是一个非常冷门的研究领域，” 麦克福尔-恩盖尔说，“但它现在已经成为了前沿科学。人们也将逐渐意识到微生物才是宇宙的中心，这一领域也将蓬勃发展。”

本文由《环球科学》（《科学美国人》中文版）供稿，编者有删改。

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