我们的微生物地球

地球的历史开始于45亿年前。彼时，它是一块灼热的熔岩，没有任何生命的迹象；但10亿年后，海洋里充满了自由活动的细胞。我们目前尚不清楚生命是如何从原始海洋里出现的。有人认为第一块生命元件来自于太空飘落的星尘，即所谓的泛种论假说。另有人争论说自我复制的分子出现于大洋底部的沉积黏土，或深海热泉，或出现于波浪冲击海岸形成的浪花泡沫里。关于生命起源，我们仍然没有一个圆满的解释。

尽管如此，我们已经大体上了解了生命的运行规律，它们如何从简单变得复杂，并最终产生出了今天地球上丰富的生物多样性。所有的生命形式、所有的生命现象都依赖于原始海洋里形成的永恒法则——演化、竞争与合作。

在这个地球上，真正的主宰者是肉眼看不到的微小之物——细菌。在近30亿年的时间里，细菌是地球上唯一的生命形式。它们占据了陆地、天空、水体的每一个角落，推动着化学反应，创造了生物圈，并为多细胞生命的演化创造了条件。它们制造了我们呼吸的氧气，支撑了我们耕耘的土壤，提供了海洋生态系统赖以维系的食物网。在漫长的岁月中，它们经过不断地试错，最终创造出复杂而稳定的反馈系统，并造就了今天的生命形式。这个过程无比缓慢，但势不可挡。

对人类的心智来说，要理解久远的岁月（deeptime）非常困难，更难理解的是数十亿年微生物的活动如何将无机物转变成了有机物。“久远的岁月”这一概念来源于地质学，来源于我们对大陆板块如何活动的理解——大陆板块形成、分裂、漂移、相互撞击、山脉隆起，而这些山脉在数十亿年的风吹雨打中渐渐销蚀。然而早在今天大陆架的前身——大约5亿年前的劳亚大陆与冈瓦那大陆——出现之前，细菌就已经在地球上活动了。

约翰·麦克斐（John McPhee）在他的经典文章《盆地与山峦》里，以一个出色的类比刻画了我们在历史长河中的位置：“倘若地球的全部历史有古英格兰的一码长，即从国王的鼻尖到他伸展开的手臂末端那么长，那么当他在指甲锉上打磨一下指甲盖的时候，就抹去了人类的全部历史。”

或者考虑另外一个类比：假如将地球过去37亿年的生命史压缩成24小时，那么，我们的类人祖先将在午夜前47～96秒出现，而我们自己——灵长类智人属则在午夜前2秒登上舞台。

为了理解浩瀚无垠的微生物世界，我们需要理解一个概念——绝大多数微生物都非常微小，100万个微生物也不过针眼大小。但是假如你把地球上所有的微生物都聚拢起来，它们的数目将超过所有哺乳动物、鸟类、昆虫、树木等肉眼可见的生命形式的总和。此外，微生物的总质量也将远远超过这些肉眼可见的生命形式的总和。请记住这个事实：不可见的微生物组成了地球上生物量（biomass）的主体，超过海洋与森林中所有的鱼类、哺乳动物、爬行动物。

没有微生物，我们将无法消化，无法呼吸；没有我们，绝大多数微生物将安然无恙。

“微生物”这个术语包含了好几种类型的生物体。在本书中，我主要论及的是细菌域，它们也称作原核生物，即没有细胞核的单细胞生物。但是这并不意味着它们很低级。细菌细胞完整，而且自给自足——它们可以呼吸、运动、进食、清除废物、抵御天敌，还有，最重要的，繁衍生息。它们大小不一，形状各异——有的像皮球、胡萝卜、回飞棒、逗号、蛇、砖头，甚至三脚架。所有这些形状都天衣无缝地适应于它们的生活方式，包括在人体内繁衍的方式。在接下来的篇章里我将就此展开论述。一旦它们擅离职守，我们就有麻烦了。

另一种微生物属于古菌域，它们看起来与细菌差不多。但是，顾名思义，它们是生命之树上非常古老的一支，有着独特的遗传性质与代谢能力，而且具有独立的演化历史。古菌最初发现于极端环境，比如热泉和盐湖，但是实际上它们在许多环境中都有分布，包括人类的肠道和肚脐眼。

第三种微生物形式属于真核生物域。这些单细胞具有细胞核及各种细胞器，可以组成更复杂的多细胞生命形式。在过去的6亿多年里，真核细胞产生了昆虫、鱼类、植物、两栖类、爬行动物、鸟类、哺乳动物等所有可见的“大型”生物。然而，有些原始的真核生物仍然被归类于微生物，包括真菌、原始藻类、一些阿米巴变形虫和黏液菌。

衡量微生物还需要另外一个尺度。你可能很熟悉形如树状的家谱——你的祖先按辈分从长往幼排列，从辈分最长的曾祖父母，到祖父母，依次类推，家族成员的数目不断增长。现在试想一下地球上所有生命的家谱——由于生命形式是如此之多，以至于它不像一棵树，而像一片树丛，树枝向各个方向伸展。试想一下这是一片圆形类似表盘的树丛，起源靠近中心，之后的树枝向外伸展。接下来，让我们把人类放入这个树丛，比如说放在大约8点钟的位置上。

现在来考考你：玉米在这个树丛的什么地方？不出意外的话，我们一般不会认为人类跟玉米有多么接近——玉米嘛，毕竟是一种绿色植物，也许它在树丛中间的某个地方？错，它位于8点01分的地方。如果人类和玉米是如此接近，那么树丛的其他部分是些什么生物呢？回答：基本上都是微生物。譬如说，大肠埃希菌与梭状芽孢杆菌这两种常见细菌之间的距离比我们与玉米之间的距离还要远。人类在浩瀚的微生物世界面前只是一个微不足道的斑点。我们需要习惯这种想法。

然后还有病毒呢。严格说起来，病毒算不上生物，因为它们必须入侵并利用其他活细胞才能实现繁殖。一提起病毒，我们想到的往往是流感病毒、肝炎病毒、艾滋病毒，总之都是给我们添乱的家伙。事实上，世界上大多数病毒与我们都不相干——它们入侵的是细菌细胞，而不是动物细胞。在海洋中，病毒颗粒的数目不计其数，比宇宙中所有星辰的数目还多，它们依赖于海洋中无数的细菌而生活。在数十亿年的时间里，病毒与微生物鏖战不休，演化出了无数攻防的招数，这让我想起了《疯狂》杂志里间谍对抗间谍的经典系列漫画。事实上，针对人体细菌性疾病的一种可能治疗方案，正是利用这些病毒（又称为噬菌体）来杀死细菌。这个想法我将在本书的第十六章谈到。

许多类型的微生物栖居在地球上，并参与塑造了地球。不过，本书主要关注的是细菌，以及当我们用强效药物杀灭它们的时候会发生些什么。许多真核生物（比如疟原虫，它是导致疟疾的主要原因之一）都给我们带来了深重的灾难，但那是另一个性质的问题。同样的，许多病毒——比如艾滋病病毒——也危害着人类，但是它们对抗生素没有反应，因此本书也不会讨论它们。

环顾我们周围，处处都有微生物在繁衍生息。海洋里有不计其数的微生物，有人对此作了估算：海洋中至少有2000万种（一说是10亿种）微生物，占据了海洋生物总重量的50%～90%。海洋微生物的细胞数量超过1030，这相当于2400亿头非洲象的重量。

为期10年的国际海洋微生物普查计划，对全球1200多个采样点进行了取样分析。结果表明，实际存在的微生物种类可能是传统观点认为的100多倍。无论放眼何处，总有些微生物在数量与功能上占据统治地位。说到意外发现，他们也发现了许多物种只有不到1万个个体（对细菌来说这真是微乎其微），包括许多只存活一次的“独生子”（singletons）。他们得出结论，海洋中有许多罕见的细菌在韬光养晦，等候合适的时机爆发。这些概念同样适用于寄居在我们体内的微生物。微生物的一个重要特色在于它们可以长时间、低数量地“潜伏”，等到机会合适才突然爆发。

许多海洋微生物都是所谓的“极端微生物”。例如，有一些微生物生活在海底热泉附近。在那里，地壳之下喷涌而出的沸腾海水富含硫、甲烷、氢气。当这些热泉遇到冰冷的海水就形成圆柱形的“烟囱”。这些“烟囱”里含有多种酸类及重金属化合物。在黑暗缺氧、类似地狱的海底世界，许多微生物正是靠着热泉中的化学物质繁衍生息。在美国黄石国家公园的地热喷泉、特立尼达的加勒比海岛上的沸腾湖中，我们也可以见到同样的情形。在南极大陆的巨型冰川之中与北冰洋厚厚的冰层之下，同样也有细菌在生活着。

占据了地球60%表面积的海洋地壳，由海底幽暗的火山岩组成，它滋养了也许是地球上最大规模的微生物群体。在它上面栖居的微生物，依赖于水和岩石之间的化学反应而获得生存所需的能量。

最近，人们发现有些细菌依靠海上漂浮的塑料颗粒为生。虽然该进程非常缓慢，但是上千种不同的微生物都参与了将“塑料圈”降解回生物圈的过程。除了往海洋里丢塑料垃圾，我们没有“专门照顾”过这些细菌。然而在海上漂浮着的无数种微生物中，有一些偏偏就好塑料这一口，慢慢地，它们的规模就越来越大——你看，这就是自然选择（其实是塑料选择）。

最近，在地球最深处的马里亚纳海沟，人们也发现了活跃的微生物群落，其中的细菌数量比周围海底平原沉积物中的10倍还多。在南美洲的西海岸，一块大小与希腊国土面积相当的巨型微生物垫依赖于硫化氢而生活。

大量的微生物随着风，特别是飓风，上了高空。然后它们就滞留在天上，甚至安顿下来。它们帮助形成了卷积云，并作为成核颗粒形成冰晶，促进降雪。它们既改变了天气又影响了气候，还促进了营养物质的循环与污染物的分解。

在陆地上，微生物主宰着我们最珍贵的资源之一——土壤。目前，多项对世界各地土壤微生物取样的计划正在进行之中，有专家称之为“探寻地球上的暗物质”，将其与探索宇宙中的暗物质相提并论。

微生物使地球变得适宜人类栖居。它们分解死尸残骸——这对其他生物来讲相当重要。它们可以将空气中惰性的氮元素转化或者“固定”成活细胞可以利用的游离氮的形式，造福于所有的动植物。在墨西哥湾深海原油泄漏之后，细菌消化了许多污染物。它们可以利用石油里的营养物质，再辅以从空气中得到的氮源，饕餮一餐。

微生物也生活在岩石里。例如，在南非的埃姆博能金矿里，一些细菌在放射性衰变的帮助下繁衍生息。铀裂解水分子时会释放出氢元素，这些细菌就利用游离氢与硫酸盐的结合为生。它们甚至可以帮助我们发掘金矿。代尔夫特食酸菌（Delftiaaci dovorans）使用特殊的蛋白质将对细菌有毒的游离金离子转变成无毒的惰性金属形态，使得固体金从溶液中沉淀出来，聚集成沉积金矿床。此外，也许是世界上最强悍的细菌——耐辐射球菌（Deinococcusra diodurans）竟然能生活在放射性废物里。

我最爱的微生物几年前才见诸报道。它是由地质学家们在勘探钻井，并研究提取出来的岩芯时发现的。从取自1600米深处的岩芯里，他们发现了三种成分：玄武岩（岩床的一种形式）、水和许多细菌。这些细菌依靠岩石和水就可以维生。

最后，许多工业都有赖于微生物为我们服务——从发酵面包、酿酒，到利用生物工程技术生产现代药物。我们尽可以放心地假定，细菌可以执行我们给它们安排的任何化学反应。它们无穷无尽的多样性里肯定还隐藏着我们目前尚不了解的能力。我们需要做的是明确问题，并找到合适的微生物来解决问题。或者，我们可以改造它们的基因。限于篇幅，这些令人激动的可能性就不展开了。

微生物的生存是一部传奇史诗，充满着无尽的冲突与合作。鉴于大多数人对达尔文的演化理论（物竞天择、适者生存）耳熟能详，我们不妨就从这里开始讲起。

达尔文敏锐地观察到，在所有物种中，不同个体之间总是存在着差异，从鸟类到人类都是如此。他进一步推断，当个体间的差异存在时，大自然总是会“选择”那些最能适应环境的个体（即“最适者”）——演化理论正是由此推论发展而来。“最适者”能更好地完成生命的循环并留下后代，在生存竞争中胜过其他个体。随着时间的推移，“最适者”会比其他竞争者繁衍出更多的后代，直至后者灭绝。正是这种自然选择导致了通常所说的“适者生存”。但达尔文并不知道这些原则同样适用于微生物。像我们一样，他主要关注于可见的动植物，但是事实上，支持自然选择最强有力的证据来自于对微生物的观察与实验。

例如，我可以培养一种常见的肠道细菌——大肠埃希菌。我需要做的只是将极小的一团大肠埃希菌细胞接种在培养基上，然后放在温暖的培养箱中过夜培养。大肠埃希菌会迅速生长、繁殖，第二天它们的数量就超过了100亿个，整个培养皿都被一层大肠埃希菌覆盖。它们生长得如此密集，以至于无法辨别单个的菌落。现在，假设我将同样多的细菌接种在另外一个培养基上，但是其中添加了链霉素——这种抗生素可以杀灭大多数大肠埃希菌菌株。这次，第二天早上检查培养皿的时候，我只能看到10个孤零零的菌落，而不再是100亿个细胞组成的“菌苔”。每个菌落不过小丘疹一般大，大约包含了100万个大肠埃希菌细胞。每个菌落都是从最初的单个细胞形成的，这些细胞没有被抗生素杀死，于是在培养基上繁衍。把细菌接种到含有或者不含有抗生素的培养基上得到的结果截然不同，我们该如何解释这一差异？

首先，我们看到，抗生素的确起作用了。从100亿降到1000万，是原来的千分之一。或者也可以这么理解，抗生素杀灭了99.9%的细胞，只留下了0.1%的幸存者。我们也可以认为抗生素在某种程度上失败了，因为毕竟有些细胞活过来了。为什么有些细胞可以挺过来而其他的却不行呢？纯粹是撞了大运吗？回答：是，也不是。

之所以说是，是因为这些耐药细菌里一个基因突变了，改变了细菌核糖体的结构，使得耐药菌株生存繁衍。对链霉素敏感的细菌之所以死掉，是因为抗生素会干扰正常的核糖体合成蛋白质，从而阻碍了细胞的生长。

这些引起了细菌耐药的基因突变是怎么来的呢？这个过程颇值得玩味。有可能，在最初有10亿个细胞的培养基中只有少数细胞（在这个例子中，准确来说是10个）具有这种变异的基因。它们事先就存在了。倘若用达尔文的术语来解释这些实验的话，就是，链霉素“选择”出了种群中具有耐药性的基因变异，而没有链霉素的环境则“选择”出了通常的基因版本，这一版本在生长繁衍中更有效率，但是对链霉素敏感。大肠埃希菌中有链霉素耐受基因的比例取决于它们接触链霉素的频繁程度以及最近一次的接触时间。这只是关于自然选择的一个简单的例子。竞争永无止息，唯有最适应者方能胜出。

细菌里有无数彼此竞争、捕食或者互相剥削的例子，当然也有无数协同与合作的情况。举例而言，如果肠道里有一种类杆菌属的细菌，可以帮助大肠埃希菌把它栖居环境中的一种有毒化合物清除掉，那么大肠埃希菌将因此获益。这种单一方向的帮助关系，被称为偏利共生（commensal，一方因此获益，另一方并不因此受损）。

互惠互利的合作将更加强大。试想，如果大肠埃希菌的主要代谢废物恰好是另一种细菌的食物来源——在这种情况下，两个物种将倾向于聚集在同一个环境里。对每一个物种来说，它们所做的仅仅是执行自己的遗传程序，结果却对彼此都有利，岂不妙哉？这是一种互利共生（symbiosis）。

在其他情况下，许多不同的细菌相互帮助：在快速流动的溪水中，细菌甲吃掉了细菌乙排出的废物，并黏附在岩石上。与此同时，细菌丙本来不能黏附于岩石，却可以附着于细菌甲而避免被冲刷走，并帮助甲锚定在岩石上。而乙又能生产出对丙来说富有营养的化合物。这种情形下，细菌甲、乙、丙就倾向于聚集在一起，因为这对它们三者都有利。

在40多亿年的演化史中，细菌不断分裂，新细胞不断产生——这个过程最快每12分钟就进行一次。这期间出现过的细菌数不胜数，包含了无数种可能的变异。在这个近乎永恒的进程中，新的细菌不断出生、繁衍，逐渐占尽了地球的每一个角落。

有时候，细菌可以稳定地生活在一起，形成一个联盟。这些合作互助型的集体在环境中屡见不鲜——在土壤里、溪流中、腐朽的木头上和热泉里——生命几乎无处不在。关于远古生命，目前已知的最古老的证据来自于澳大利亚发现的“微生物垫”化石，它们已有35亿年之久。这些微生物垫里包含了巨大的片状结构，好似一整个微型生态系统。很有可能，有些层的微生物执行光合作用，有些层呼吸氧气，有些进行发酵，还有一些负责摄入不寻常的无机物质。正所谓甲之砒霜，乙之蜜糖，一个物种排出的废物可能恰好是另外一个物种的食物。它们分层而居，团结协作，最终结果则惠及全体。

有些细菌可以向周围分泌出类似于明胶的层状结构，这层厚厚的胶质称为生物膜（biofilms）。不同细菌生物膜的组成不同，但是功能一致——保护细菌以避免干燥、高温或者免疫系统的攻击。正是有了生物膜的保护，细菌在恶劣的条件下也可以存活下来。

细菌结成了联盟和网络来相互帮助，它们不仅分布在土壤、海洋、岩石表面，也存在于动物之中以及人类身体里——与人体相关的细菌将是本书的主角。伟大的生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德（Stephen Jay Gould）曾为地球上所有的生命形式描绘了一个更宏大的参照系，他写道：“……这是微生物的时代，过去如此，现在如此，将来还是如此，直至世界终结……”前不见古人，后不见来者，念天地之悠悠，独微生物而不朽！

注释

12【关于生命起源，我们仍然没有一个圆满的解释：事实上，就生命起源这个大谜团，特别是关于远古的生物体如何捕获能量这一核心问题，生物学在过去的几十年里取得了不少进展。参见Nick Lane, TheVitalQuestion：Energy, Evolution, andtheOriginsof ComplexLife（New York：W.W.Norton&Company，2015）——译者注】

13“就抹去了人类的全部历史”：参见J.McPhee, Basinand Range, book1inAnnalsoftheFormer World（New York：Farrar, Straus&Giroux，1998）。

13【地球过去37亿年的生命史压缩成24个小时：宇宙日历（TheCosmic Calender）的概念最初由卡尔·萨根提出，参见C.Sagen, TheDragonsofEden：SpeculationsontheEvolutionofHu-manIntelligence（New York：Random House，1977）——译者注】

13少数例外情况：参见H.N.Schulzetal.，“Densepopulations ofagiantsulfurbacteriuminNamibianshelfsediments”，Science284[1999]：493-495.但是这样巨大的微生物对于这些微观尺度的生命而言显然是个例外。

15我们与玉米之间的距离：参见N.Pace，“A molecularviewof microbialdiversityandthebiosphere”，Science276[1997]：734-740.在CarlWoese、NormanPace以及其他许多人看来，微生物是地球上最早出现的生命。

15【演化出了无数攻防的招数：病毒入侵微生物的例子在教科书里屡见不鲜，而微生物“免疫”病毒的手段我们知之甚少，最近几年特别火的Crispr/Cas系统其实正是微生物用来“免疫”病毒的手段之一——译者注】。

16相当于2400亿头非洲象的重量：参见W. B.Whitmanetal.，“Prokaryotes：Theunseenmajority”，Pro-ceedingsofthe NationalAcademyof Sciences 95[1998]：6578-6583；

J. S.Lippetal.，“SignificantcontributionofArchaeatoextantbio-massinmarinesubsurfacesediments”，Nature454[2008]：991-994；

M. L.Soginetal.，“Microbialdiversityinthedeepseaandtheun-derexplored‘rarebiosphere’，”ProceedingsoftheNationalAcademy ofSciences103[2006]：12115-12120.

17这就是自然选择（其实是塑料选择）：参见T.Suyamaetal.，“Phylogeneticaffiliationofsoilbacteriathatdegradealiphaticpolyesters availablecommerciallyasbiodegradableplastics”，Appliedand Envi-ronmentalMicrobiology64[1998]：5008-5011；

E. R.Zettleretal.，“Lifeinthe‘plastisphere’：microbialcommu-nitiesonplasticmarinedebris”，EnvironmentalScienceandTechnology 47[2013]：7137-7146.

18水和许多细菌：参见T.O.Stevens and J.P.McKinley，“Lithoautotrophicmicrobialecosystemsindeepbasaltaquifers”，Science 270[1995]：450-454。

19一种常见的肠道细菌——大肠埃希菌：大肠埃希菌的全名是埃希氏大肠杆菌，为的是纪念德国医生西奥多·埃希（TheodorEs-chrich）。他于1885年从健康人的粪样里筛选到了这种细菌，并称之为共生肠杆菌（Bacteriumcolicommune）。到了20世纪早期，该细菌更名为埃希氏大肠杆菌（Escherichiacoli）。虽然它们是人类肠道中知名度最高的细菌，但是它们在所有的细菌里只占了不到1/1000。大多数大肠埃希菌都是无害的，有少数几株可以引发不同类型的疾病。由于它们容易培养，很快就成了研究生物学、生物化学，以及细胞遗传学的模式生物。在大肠埃希菌的5000多个基因里，许多都能在人类中找到它们的同源基因。

19【回答：是，也不是：作者在文中谈了“是”的理由。那么“不是”的理由呢？一个规模巨大的微生物群体里含有各种各样的突变基因，可以说，总会有一两个突变基因可以赋予细菌某种耐受抗生素的能力。此外，还有一些细菌也可以经受抗生素处理而生存下来，它们被称为persisters（目前尚没有统一的中文译名，可以理解为休眠细胞）——译者注】。

21“……将来还是如此，直至世界终结”：1993年，斯蒂芬·古尔德为爱德华·威尔逊（E.O.Wilson）刚出版的著作《生命的多样性》（TheDiveristyofLife）写了一篇书评，发表在《自然》杂志上。其中，古尔德提到（大意如此），威尔逊应该知道，根本没有什么两栖动物或者哺乳动物的时代，这些不过都是永恒的细菌时代的一部分，所以他说了这段话（S.J.Gould，“ProphetfortheEarth：Review of E.O.Wilson's‘Thediversityoflife’”，Nature361[1993]：311-312）。