圖片來源：Lukas Vojir for Quanta Magazine 這是《腸道產業》第 247 篇文章
為了保持健康，人類和其他動物必須依仗腸道中複雜的菌群。但是研究發現這種互利共生的關係並不是一條普世的準則。人類擁有廣泛而豐富的菌群，它們對我們的健康十分重要。但是不是所有的物種都是如此：有一些動物只擁有十分稀少的共生菌群，甚至有一些動物根本沒有長期定植的微生物。
微生物真的像人類微生物組研究中所體現出來的那麼重要嗎？這些微生物的意義究竟是什麼？其它生物的微生物研究對人類微生物組的研究有什麼意義？
今天我們特別編譯了 Quanta 雜誌上關於不同生物微生物組差異的文章，希望該文能夠為各位讀者帶來一些啟發。
微生物真的那麼重要嗎？
2011 年的夏天，當時還是研究生的微生物學家 Jon Sanders 在秘魯的熱帶雨林中帶著 60 多公斤重的裝置——笨重的熒光顯微鏡和它的熒光激發器，沿著亞馬遜河逆流而上探索。這是多年來他第二次到達這個遙遠的地方。
到達目的地後，他立即就開始捕捉各種各樣的螞蟻，渴望去窺探定植在它們腸道中的微生物。Jon 在幾種螞蟻中發現了一團令人驚奇的且濃密的細菌，閃亮得像個微生物的銀河系。Jon 說：“在顯微鏡下，你看它們的時候能夠閃爆你的雙眼。”
這是我們所期待發現的，因為我們是如此的依賴於棲息在我們身上的這些成千上萬的細菌，我們需要透過它們來處理我們所不能消化的食物、提供必需的營養和刺激我們的免疫系統以對抗寄生蟲感染。菌群對於我們的健康和生存是如此重要，以至於有些科學家認為我們本身就是這些微生物累加起來的。
但是當 Sanders 把目光轉向其他品種的螞蟻時，他發現大概其中有三分之二的螞蟻種群根本不含有任何你可以識別為細菌的東西。食物、殘渣、昆蟲的細胞、腸道表層，其他所有的一切都存在，但就是沒有任何的微生物。
我們理所當然地認為這些微生物與動物普遍存在共生關係，但事實並非如此。
隨著菌群分析和檢測技術的日益發展，人們逐漸認識到，在整個動物界，菌群遠沒有人們通常描述的那樣普遍和重要。
許多動物似乎跟微生物有著十分靈活或者說不太穩定的關係，有一些動物甚至根本不需要它們。並且諷刺的是，正是這些動物讓科學家們對微生物如何和為何進化的奧秘有了新的認識，讓他們去重新思考微生物的重要性，也就是菌群給宿主帶來的利和弊的微妙平衡。
不同種類的螞蟻有著不同丰度和型別的腸道菌群： 有些螞蟻有著令人眼花繚亂的“細菌星系”；有些幾乎不含沒有
消失的微生物
在 20 世紀初，生物學家開始發現各種各樣的生物和它們的共生微生物之間的奇妙關係：從沒有口、肛門和腸道的管蟲到吃堅硬木頭的白蟻，再到飲食中缺乏蛋白質的奶牛。這些發現讓人非常興奮，並且引發了後續一系列的實驗。
在那些年裡，動物中缺乏這些共生微生物並不會被認為特別有趣，此類的文獻報道也不會受到太多的關注。1978 年《科學》雜誌上的一篇文章表明，與白蟻不同，有些微小的以木材為食的甲殼類動物沒有穩定的腸道細菌種群。然而就算是發表在《科學》雜誌，這種論調在菌群研究的世界中依然沒有引起一絲關注。
而且人們的期望甚至悄悄轉向了另一種新方向：所有的動物都與微生物有聯絡，沒有微生物它們甚至會滅絕。
有一些聲音抗議這種過分簡單的解讀，早在 1953 年，共生理論的創始人之一 Paul Bucher 憤怒地迴應：“專有固定的功能性共生是一個普遍的概念。但為何還是有很多作者堅持認為共生是所有生物的基本原理”。許多反面的研究範例被淹沒在大量證明宿主共生微生物重要性的研究中，特別是那些建立人類健康和菌群關係的研究。
德克薩斯大學奧斯汀分校生態與進化生物學系的博士後 Tobin hammer 說道：“人體菌群的研究給了我們很多啟示，特別是關於微生物是如何工作的，然而我們總是喜歡以己度人。”
其實，人體菌群的研究對於其他廣泛的物種而言缺少參考價值，譬如說毛毛蟲、蝴蝶、葉蜂、蝦、鳥和蝙蝠（或許甚至是熊貓）。在這些動物中微生物是稀缺的，更是臨時的、不可預測的，並且它們對宿主有的幫助有限。
來自康涅迪格大學的進化與微生物學家 Sarah Hird 說：“這個故事更復雜也更模糊。”
Sanders 在熱帶螞蟻身上發現微生物與宿主之間是一種臨時的甚至是不存在關係的關係。他把這些樣品帶回了他的實驗室（當時在哈佛大學，現在在康奈爾大學）並且對這些昆蟲中的細菌 DNA 進行了測序以量化微生物的數量。
那些有著更加豐富專有菌群的螞蟻擁有的細菌數是他捕獲的其他缺乏菌群的螞蟻的 10，000 倍多。換句話說，如果螞蟻有人類一樣大的體積，那麼一些螞蟻體內大概有一磅重的微生物，和人類擁有的一樣多，而其他螞蟻大概只攜帶一個咖啡豆那麼多的微生物，這真是一個巨大的差異。
這個發現他發表在 2017 年 Integrative & Comparative Biology 雜誌上，這種存在於螞蟻之間的差別似乎跟它們的食物有關係。因為那些樹棲的嚴格食草性螞蟻更有可能擁有豐富的腸道微生物，或許是為了彌補它們飲食中蛋白質的缺乏。雜食性和肉食性的陸棲螞蟻有著更加均衡的飲食，而在它們的腸道中幾乎沒有細菌存在。
然而，這種模式並不一致，在有些素食螞蟻中也十分缺乏腸道微生物。而那些有細菌的螞蟻似乎與特定種類的細菌之間沒有廣泛的、可預測的聯絡（儘管一些微生物對一些屬昆蟲來說是共有的）。這一結果標誌著它們與像我們一樣的哺乳動物的微生物群系有著明顯不同，而哺乳動物的菌群對於它們的宿主而言是特別專一的。
隨著對其他生物的案例研究逐漸深入，其中的原因也會越來越清楚。
德克薩斯大學奧斯汀分校生態與進化生物學系的博士後 Tobin hammer 對他所研究的毛毛蟲中腸道微生物的缺失這
冰山一角
Sanders 在秘魯研究螞蟻的同時，Hammer 在哥斯大黎加研究毛毛蟲的腸道菌群。Sanders 猜想：“還有什麼昆蟲比這些昆蟲世界的‘奶牛’更適合與細菌建立親密關係呢？”不過 Hammer 並沒有從他採集的腸道和糞便樣品中發現特別多的細菌 DNA。他說道：“這真是很奇怪的事情。”
在數個月令人沮喪的實驗室工作之後，他意識到這些動物或許根本就沒有一個穩定的菌群。
“對我來說這種思維上的轉變完全出乎意料，”他說，“像 Sanders 的許多螞蟻一樣，這些毛毛蟲跟預想的不同，它們所具有的微生物十分稀少、相當匱乏。並且這些微生物可能只不過是存在於它們所吃的植物身上微生物的一部分，它們只不過是暫時地經過腸道並且其中一些最終會被消化掉，它們並沒有在腸道內穩定地定居。”Hammer 最終得出了這樣的結論。
為了研究這些穿腸而過的細菌是否對毛毛蟲有益，科學家們用抗生素消除了它們。在有一些昆蟲和動物中，抗生素處理似乎能阻礙宿主的發育或者能直接殺死宿主，但是這對於 Hammer 研究的毛毛蟲而言沒有任何效果。
印度班加羅爾國家生物科學中心的生態學家和進化生物學家 Deepa Agashe 和她的團隊從校園附近的幾個地點收集的昆蟲中發現了類似的現象。
他們在蜻蜓和蝴蝶身上發現的微生物與昆蟲的飲食密切相關，而與特定的昆蟲種類或發育階段無關。絕大多數蜻蜓的細菌群落似乎是偶然聚集在一起的。Agashe 說：“大多數細菌只是因為它們恰巧在那兒才被發現的，昆蟲似乎並沒有選擇特定種類的細菌。”
多次重複實驗表明：干擾蝴蝶的微生物種群沒有對寄主的生長髮育產生任何影響。重新將細菌引入它們的腸道也沒有效果。
Agashe 說：“真的，它們似乎一點也不關心它們體內的微生物。”儘管這些蝴蝶以有毒的植物為食，而且它們似乎是一個成熟的、為它們的食物解毒的功能性微生物群落的完美候選者。
就像 Hammer 和 Sanders 一樣，“一開始我們都摸不著頭腦，” Agashe 說，“這是一個令人驚訝的結果，實際上我們花了一段時間才明白過來。”
然而也許這並不奇怪。正如科學家們所認識到的那樣，當微生物群落存在時，它們通常存在於特定的組織中——它們涉及特定的細菌，而且特定的時間影響特定的特徵。例如，短尾烏賊的共生關係僅限於一種發光細菌，這種細菌被隔離在一個發光器官中，而烏賊的內臟和面板卻沒有微生物。成年蜜蜂與它們的細菌有重要的關係，但幼蟲卻沒有。
因此可能有些動物跟菌群根本沒有這種聯絡，或者它們的關係遵循不同的規則。Agashe 說：“我認為現在人們越來越認識到，我們可能會發現各種各樣的聯絡。” Hammer 同意地說道：“我們只是看到了冰山一角。”
“而且這不是簡單的二分法，”他補充道，“各種各樣的生活方式將會變得非常複雜。“也許短暫的、低丰度的微生物正在做一些更微妙的事情，或者它們代表著形成更穩定的進化關係的早期步驟。也許它們大部分時間保持中立，只在特定的環境中起作用。例如，一些研究人員假設，這些微生物只需要佔據腸道空間並阻擋病原體，就可以保護宿主不受感染。
此外，即使那些只是暫時的被攝取、從未參與過正式的共生關係的細菌，它們適應了有毒植物或其他危害之後也可能是有益的。
“即使短暫的微生物群落與你無關，”德克薩斯大學阿靈頓分校的微生物生態學家和昆蟲學家 Alison Ravenscraft 說，“如果你吞食的是適應了環境的細菌，你還是有可能從它們身上獲得益處，這將更加難以衡量。”
她指出，即使在人類身上，微生物群（包括短暫的微生物）也會隨著飲食或行為的改變而改變。研究不依賴於穩定微生物群的生命系統可能有助於科學家解開這些變化的影響，這也能讓他們更好地確定擁有一個微生物群落的成本，並對其進化有新的認識。
位於印度班加羅爾的國家生物科學中心的生態學家和進化生物學家 Deepa Agashe（右）和她的研究生 Kruttika P
多樣性的經驗
“如果你仔細想想，就會發現有很多原因導致我們無法建立一個完整的微生物群落，” Agashe 說，“有些動物選擇了不同的路線，這並不奇怪，但關鍵的是，我們不知道為什麼，什麼因素導致並促成了微生物群落的形成和維持，以及反過來有什麼因素可能會阻止這些關係。”
毛毛蟲、蜻蜓、某些螞蟻和其他動物提供了一種方法來研究與共生微生物長期共存的潛在缺點，這些缺點往往很難衡量和測試。研究人員懷疑，這些動物可能是在選擇性地避免某些潛在的共生懲罰：例如細菌可能與它們的宿主競爭營養，或惡化免疫系統。
對一些動物來說，這些風險可能會超過潛在的好處。如果它們已經進化出了自己生活所需的任何酶或行為，它們就不再受到選擇性壓力的束縛來獲得微生物群落。這可能是 Hammer 所研究的毛毛蟲的情況，它們靠吃大量的植物來維持食草的生活方式。從理論上講，微生物群落可能會使毛毛蟲產生更多重要的營養物質，或追求更有營養的植被，但昆蟲可以用數量來彌補質量。
另一個可能與微生物的存在與否有關的因素似乎是解剖學（考慮到因果之間的模糊界限，Agashe 並不認為這是一個合理的解釋）。許多攜帶少量細菌的生物都有一個短而簡單的腸道結構，本質上是一個管道，食物透過這個管道被迅速地清掃和處理。這並沒有給微生物足夠的時間和空間來立足和生長。
還有一些生態因素需要考慮。“如果你考慮共生應該或可能如何形成，這實際上是相當令人難以置信的，”Agashe 說，“一代又一代，一個有機體不得不經常遇到另一個物種，從而建立起一種持續的、互利的夥伴關係，即使是在不斷變化的條件下。”
Agashe 推測，因為她的蝴蝶和蜻蜓從一處到另一處掠過，不斷攝入不同位置和季節的食物，它們可能無法足夠頻繁地攝入相同的細菌來建立穩定的微生物群落。
這種生活在哥斯大黎加的毛毛蟲可能不需要一個永久性的腸道微生物群來提供營養，因為它在雨林中吃樹葉的時候
不同的規則
研究人員強調，可能沒有統一的規則或原則來控制微生物群落的進化。Sanders 說：“進化是令人難以置信的，是獨特的，在許多不同的生物體中，它沿著完全不同的路線進行。”
Hird 對此看法表示贊同。“我們對微生物組的大部分假設都是基於對哺乳動物的研究，”她說，“而哺乳動物可能是比較奇怪的一種，一定程度上我們可能也像魚、鳥或毛毛蟲一樣，因為我們也無法一直保持穩定不變。”
即使在哺乳動物中，微生物群落的表現方式也存在多樣性。雖然大多數哺乳動物似乎總是與特定的細菌聯絡在一起，但 Sanders 和他的同事們最近的一項研究發現，蝙蝠不會。
事實上，它們的微生物群落更短暫、更隨機，與其他哺乳動物的微生物群落相比，它們與鳥類的微生物群落更相似。研究人員認為，這一差異可能與蝙蝠和鳥類的進化需求有關，它們都需要儘可能輕的身體來進行強有力飛行。也許它們負擔不起額外的行李。
無論如何，這些發現表明，透過比較物種可以學到很多東西，而過早地假設它們與細菌的關係可能會讓我們失去新發現的可能性。
而這也意味著在果蠅、小鼠和其它生物模型上進行的研究轉化為人類研究時，我們至少要更加謹慎。現在已經有研究發現野生小鼠和實驗室繁育的小鼠的腸道菌群存在顯著的差異，而前者往往被證明是驗證某些實驗藥物效果更精確的模型。
科學家們逐漸意識到動物與微生物之間存在著多種多樣的關係。
“現存的每一種生物背後都有 35 億年的進化史，其中數百萬年、數千萬年或數億年沒有與我們用作模型的生物擁有相同的進化路線。” Sanders 說，“這使得我們在使用果蠅作為腸道菌群重要性或相互作用的模型進行推論時，應該非常謹慎，因為果蠅可能是從一個與人類截然不同的基本出發點出發的，老鼠也是一樣。”
“我們需要保持警惕，”他補充道，“自然變異和多樣性還有很多值得我們學習的地方。”
科學家們開始承認許多情況下，有很多動物腸道菌群的情況跟我們哺乳動物十分不同。但是 Hmmaer 說：“我認為這種情況仍然被視為一種異類，奇異的現象當然是不常見的。”以至於 Sanders 和其他人發現，發表他們的研究遇到了一些挑戰。
這種態度改變得越快，我們就能學得越多。Hird 說：“我們才剛剛開始意識到菌群的複雜性，在非常小的空間裡有成千上萬的物種，不僅它們之間會發生相互作用，它們還會與與環境相互作用，與宿主相互作用，而上述的每一種情況都可能還在討論之中。
