『宿主-微生物系統(tǒng)』
在我們幾十年乃至幾個世紀的研究中临梗,我們低估了微生物的影響。人體體表和體內(nèi)分布的共生微生物稼跳,80%生活在消化道內(nèi)盟庞,其種類超過1000種,重量可達2公斤汤善,細胞總數(shù)超過1014 個什猖,約為人體自身細胞數(shù)量的1.3倍。
如果一些生物形狀特征的基因存在于微生物中红淡,而不是動物身上不狮,那么我們就需要用系統(tǒng)性的方法從整體上來看待宿主-微生物系統(tǒng)了。
“人無完人”在旱,人體的微生物光體重就占了一公斤摇零。2012年,發(fā)育生物學家 Scott Gilbert 和他的同事在《生物學季評》(The Quarterly Review of Biology )上發(fā)表了一篇論文桶蝎,文中他們宣稱:“我們從來就不是什么完整個體驻仅。”如果想了解全生物(holobiont)的演化俊嗽,我們需要把全基因組(hologenome)作為研究單位雾家。
在演化中铃彰,是否應該為微生物所作的貢獻正名绍豁?
全基因組確實能影響到宿主,但是作為宿主之一的我們——人類牙捉,能繼承全基因組嗎竹揍?
這其實是現(xiàn)在爭論的焦點。
很多生物學家持懷疑態(tài)度邪铲,表示微生物僅僅是組成了一個整體芬位,但這并不意味著能將其視為一個可選擇的單元,更何況带到,它們并不能直接遺傳昧碉。并沒有足夠的證據(jù)表明共生微生物的直接遺傳能使得全生物成為一個連續(xù)的演化個體。即便是共享同一個微生物環(huán)境,個體間直接的遺傳也還是掌控演化方向的關鍵被饿。
進一步講四康,自然界中長期存在的共生關系并不意味著他們有共同的利益。批評者們認為全生物是一個會誤導人的理論框架狭握。共生關系是一個生態(tài)群落而不是一個個體闪金,宿主與微生物的共生確實重要但這不意味著我們要把已有的演化論的知識拋在腦后。
紛爭之下论颅,必有蹊徑
“It’s the Song, Not the Singer.”進化生物學家W. Ford Doolittle說到哎垦。他和前同事Austin Booth一起創(chuàng)建了這個顛覆性的概念,并把它命名縮寫為ITSNST(他們將滾石樂隊的這支歌曲“The Singer Not The Song”意義反轉(zhuǎn))恃疯,旨在說明這個理念攫取了全基因組生物學的精華——即不同族系之間穩(wěn)定的交互模式網(wǎng)絡漏设,而這和特定的生物種類無關。其實這些交互過程本身就形成一種特定的“進化脈”(evolutionary lineage)今妄。
論文:
It’s the song, not the singer: an exploration of holobiosis and evolutionary theory
地址:
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10539-016-9542-2
Doolittle 和 Booth 從觀察到的現(xiàn)象入手——腸道微生物組在許多細菌分類群中含有多種多樣的物種和菌株愿题,它們共同參與循環(huán)代謝,其中一些細菌將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為代謝物蛙奖,其他細菌再以此為基礎產(chǎn)生不同的代謝物潘酗,最終這些代謝物能“造福”宿主雁仲,循環(huán)往復仔夺。過程中許多步驟都可以通過腸道中的無數(shù)菌株完成,這使得每種菌株都可能是多余的攒砖。但循環(huán)本身會持續(xù)作用缸兔。
這種循環(huán)網(wǎng)絡所在之處,微生物都會在其中占有一席之地吹艇。這些穩(wěn)定的循環(huán)網(wǎng)絡已經(jīng)成為各微生物譜系(lineages)的(進化)結(jié)構(gòu)之一惰蜜,或者說是它們的一種謀生方式。
“如果你能轉(zhuǎn)變一下思維受神,開始思考它們交互的模式抛猖,當你下一次研究實體的菌落時,可以將這些網(wǎng)絡作為研究的單位鼻听〔浦”Booth 說,“這是對傳統(tǒng)思維的挑戰(zhàn)撑碴,這些譜系(lineages)的物質(zhì)基礎并不是關鍵(它們之間的交互作用才是)撑教。”
Doolittle 和 Booth 形象地用歌曲的文化傳播做類比醉拓,“經(jīng)典歌曲經(jīng)久不衰伟姐,主要是因為一直有喜歡唱它們的人收苏。”Doolittle說愤兵。作為個體的音樂人來去匆匆倒戏,但留下的歌曲卻會在后世代代流傳。類似地恐似,一旦存在代謝網(wǎng)絡杜跷,不同的生物譜系可以通過這些相互作用過程不斷進化,同時進化也加強了這些交互作用矫夷,因為這個網(wǎng)絡的機制滿足了所處個體或者基因?qū)Α白岳钡内呏稹?/p>
通過差異持久性加強選擇的這種模式并不是前所未有的——以“模因”(meme)形式出現(xiàn)的思想文化演變雖然存在爭議葛闷,但很多人認為它至少是合理的(“模因”概念本身受到基因的生物學概念的啟發(fā))。類比一下双藕,代謝相互作用就可以看作是一種“模因”淑趾,并且它通過“招募”大量微生物來持續(xù)運作。
注:模因(meme)源自Richard Dawkins所著《自私的基因》 (The Selfish Gene)一書忧陪,其含義是指“在諸如語言扣泊、觀念、信仰嘶摊、行為方式等的傳遞過程中與基因在生物進化過程中所起的作用相類似的那個東西”⊙有罚現(xiàn)多用于指代快速廣泛傳播的文化現(xiàn)象。
不過這個全生物框架本身還存在著很多問題叶堆,許多進化生物學家目前對差異再生(differential reproduction )的觀點并不贊同阱飘,而且如何定義代謝網(wǎng)絡還不明確。
前景
人體和微生物共同組成一個“超級生物體”虱颗,新一代測序技術(shù)和生物信息學分析沥匈,為腸道微生物相關研究打開了一扇門,從此世界各地的科研人員瘋狂地涌入了腸道微生物與宿主關系的相關研究忘渔,開創(chuàng)了微生物學高帖、生態(tài)學和基因組學等領域的新方向。