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Derwin挑戰(zhàn)Darwin

2015-05-30 10:48:04echo
大學(xué)生 2015年8期
關(guān)鍵詞:費(fèi)氏烏賊師兄

echo

澳大利亞小伙子Derek來到中國已經(jīng)兩年了,是中山大學(xué)的一名研究生,大學(xué)本科時(shí)就開始了與化學(xué)相關(guān)的研究。剛開始讀研,Derek對(duì)于生物學(xué),尤其是生物實(shí)驗(yàn)并不熟悉,但隨著研究逐漸深入,他不僅適應(yīng)了生物學(xué)的研究節(jié)奏,還因?yàn)樽约旱目蒲斜尘罢业搅霜?dú)特的研究方向。說起自己目前的研究狀態(tài),他用一句話生動(dòng)地形容:“My brain cells are dancing.” (我的大腦細(xì)胞在跳舞。)

小鼠身上的意外發(fā)現(xiàn)

Derek的導(dǎo)師是學(xué)校微生物研究小組的關(guān)鍵人物,在領(lǐng)域內(nèi)頗有成就,Derek對(duì)于微生物研究也有著同樣的熱情。果蠅、小鼠是Derek開始生物學(xué)研究后最親密的小伙伴。化學(xué)背景出身的Derek一開始研究的就是小鼠體內(nèi)的微生物群。

在研究小白鼠發(fā)育生長過程的時(shí)候,Derek有了一個(gè)特別的發(fā)現(xiàn),小鼠的腦部發(fā)育似乎跟它的腸道菌群有著不可分割的關(guān)系。這讓Derek非常興奮:“這意味著動(dòng)物體內(nèi)的微生物不僅僅與動(dòng)物存在共生關(guān)系,還有可能就是動(dòng)物生命體的一部分?!贬槍?duì)這個(gè)想法,Derek展開了研究。

對(duì)于微生物群的研究和著作,國外要先進(jìn)很多,對(duì)于來自澳大利亞的Derek來說,英文閱讀要比國內(nèi)的同學(xué)更加輕而易舉,查閱起來也事半功倍。“我翻閱了很多文獻(xiàn)資料,找到了許多科學(xué)家關(guān)于寄生菌群的研究?!逼渲校聿榈?杰斐遜的理論吸引了他的注意:“杰斐遜的研究表明,我們體內(nèi)的細(xì)菌絕不僅僅是消極被動(dòng)的食客,還在某些關(guān)鍵進(jìn)程中扮演者關(guān)鍵角色?!闭潜贿@個(gè)觀點(diǎn)觸動(dòng),Derek開始了微生物作用的研究。

為了印證杰斐遜的理論,Derek設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)。他選用兩組白蟻,對(duì)其中一組,用抗生素Rifampicin(利福平)殺死了它們體內(nèi)的某些微生物。觀察發(fā)現(xiàn),這一組白蟻的腸道菌群被破壞了,從而降低了白蟻從食物中獲取營養(yǎng)的能力,對(duì)比沒做過處理的參照組,這些白蟻產(chǎn)出的后代數(shù)量要少得多。“這完全可以論證,原本被我們認(rèn)為是共生關(guān)系的微生物與動(dòng)物之間,確實(shí)有著更緊密的聯(lián)系!”

發(fā)光的烏賊

“前期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),主要是為了多方面地了解微生物群與宿主之間究竟有什么樣的聯(lián)系?!倍f起最有意思的一個(gè)實(shí)驗(yàn),Derek不假思索地脫口而出:“烏賊的發(fā)光研究!”

對(duì)烏賊的研究,是Derek想通過更多的案例來論證微生物對(duì)動(dòng)物發(fā)育和基因表達(dá)的影響。在一次澳大利亞校友的聚會(huì)上,Derek認(rèn)識(shí)了一位師兄,他是動(dòng)物學(xué)的研究者。師兄非常癡迷于動(dòng)物發(fā)光機(jī)理,在他的宿舍里總是能看到各種發(fā)光的魚類,但Derek卻被烏賊的獨(dú)具一格吸引了。

“我第一次在師兄宿舍見到的就是夏威夷短尾烏賊,”Derek說,“師兄把它撈出來的時(shí)候看上去像是一顆榛果松露,小小的,身上布滿了小斑點(diǎn),但是輕輕一抖,這些斑點(diǎn)就脫落下來了,只有拇指大小。中國并沒有這種烏賊,師兄是托朋友從夏威夷帶過來的?!睅熜指嬖V他,這只烏賊的身體下面含有一個(gè)兩腔的發(fā)光器官,里面充滿了費(fèi)氏弧菌,這是一種發(fā)光細(xì)菌,在野外,這些細(xì)菌發(fā)出的光亮可以與月光媲美。聽起來那么神奇,Derek馬上來了精神,讓師兄給自己詳細(xì)地上了一課?!盀踬\孵化出來的幾個(gè)小時(shí)內(nèi),費(fèi)氏弧菌就會(huì)寄生上去,控制烏賊的發(fā)光系統(tǒng),而且只有晚上才發(fā)光!”

剛孵化出來就可以寄生,晚上才發(fā)光!這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)讓Derek產(chǎn)生了思考?!爸庇X告訴我,這些費(fèi)氏弧菌與烏賊的免疫系統(tǒng)和生物鐘有很大的關(guān)聯(lián)。”

于是,Derek通過師兄的幫助,也拿到了幾只烏賊,并設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn),觀察費(fèi)氏弧菌的寄生過程和影響過程。他用熒光蛋白來追蹤細(xì)菌的軌跡,同時(shí)觀察烏賊體內(nèi)生命系統(tǒng)的變化。他發(fā)現(xiàn),寄生的過程開始于烏賊的身體下部,布滿粘液的纖毛產(chǎn)生了一股可以將細(xì)菌吸引過來的“洪流”,更令人驚訝的是,當(dāng)費(fèi)氏弧菌首次接觸烏賊的時(shí)候,它就會(huì)改變很多基因的表達(dá)。其中一些基因能產(chǎn)生混合在一起的抗菌物質(zhì),從而創(chuàng)造出一種不適合大多數(shù)微生物生存的環(huán)境,唯獨(dú)費(fèi)氏弧菌不會(huì)受到傷害,其他基因則釋放了一種酶,能分解烏賊粘液以產(chǎn)生吸引更多細(xì)菌的物質(zhì),這種物質(zhì)后來分析為二糖。而要引起這些變化,只需要5個(gè)費(fèi)氏弧菌細(xì)胞,所以,這種微生物能很快占領(lǐng)烏賊纖毛區(qū)。

進(jìn)一步觀察后,Derek又發(fā)現(xiàn),烏賊體內(nèi)也存在不發(fā)光的費(fèi)氏弧菌株,但它會(huì)利用光學(xué)器官中的光敏蛋白質(zhì)在上百萬個(gè)發(fā)光的細(xì)菌中探測出來,并將其驅(qū)逐出去?!岸?,烏賊和費(fèi)氏弧菌的關(guān)系在一天之中會(huì)有所變化,從而控制后者只在夜晚產(chǎn)生光亮。”這些觀察結(jié)果都證明了Derek的直覺是對(duì)的,這些微生物在烏賊發(fā)育的過程中,完成了對(duì)烏賊發(fā)光系統(tǒng)的“催化”作用,同時(shí)也受烏賊生物鐘的影響,調(diào)整著自身的機(jī)能。

“這些實(shí)驗(yàn)都證明了,早期寄生的微生物能在宿主的基因表達(dá)上產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響,這讓我不禁想到,這些微生物是否也間接影響了生物的遺傳,甚至進(jìn)化?”Derek的大膽假設(shè),果然讓他在接下來的研究中,又有了另外的驚喜。

挑戰(zhàn)進(jìn)化論

把生物和寄生于其上的菌群分開,只是為了研究方便而采用的一種方式,在自然選擇的眼里,它們是一個(gè)整體,這也是Derek提出他假設(shè)的原因。但這個(gè)假設(shè)的確太具有挑戰(zhàn)性,它所強(qiáng)調(diào)的動(dòng)物與微生物間的“合作”與達(dá)爾文“物競天擇”的理論有極大的差別。物競天擇以宿主本身為單位,核心是不同種群的“競爭”,而Derek的假設(shè),重點(diǎn)則是宿主與微生物群的合作與影響。雖然有難度,但具有“騎士精神”的Derek卻再次因此而“腦細(xì)胞舞動(dòng)起來”。

“在澳大利亞時(shí),導(dǎo)師就經(jīng)常引導(dǎo)我們找出一些與眾不同的想法,并論證它。所以,越有挑戰(zhàn)性,越不容易被論證的,甚至是挑戰(zhàn)權(quán)威的,就越有研究的價(jià)值?!?/p>

在中國導(dǎo)師的幫助下,Derek了解到羅森博格的遺傳學(xué)觀點(diǎn),他將生命體視為一個(gè)“超有機(jī)體”,或者說是“全功能體”,認(rèn)為微生物對(duì)于宿主的繁殖和擇偶非常重要?!耙簿褪钦f,微生物對(duì)于宿主的調(diào)節(jié),影響了宿主的繁殖能力和擇偶條件,這就影響了宿主整個(gè)種群的存活數(shù)量和演變方向?!盌erek認(rèn)識(shí)到,自己先前研究的白蟻實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)證實(shí)了微生物對(duì)宿主在繁殖上的影響,因此Derek很有信心:“我覺得這假設(shè)是成立的,只要能夠證明微生物的確影響了種群演變方向即可?!?/p>

可是,要怎么證明呢?Derek對(duì)此苦無對(duì)策,而且由于不知道何種微生物會(huì)對(duì)何種生物產(chǎn)生明顯的影響,查找文獻(xiàn)也沒有方向。這時(shí),導(dǎo)師的建議如同及時(shí)雨一般到達(dá):“我們實(shí)驗(yàn)的果蠅有乳糖果蠅和淀粉果蠅,而且繁殖速度較快,不然用它們實(shí)驗(yàn)看看?!睂?shí)驗(yàn)對(duì)象有了,那么又該如何驗(yàn)證呢?

Derek搜索前人的各類研究時(shí),又一個(gè)問題來了,國內(nèi)文獻(xiàn)資料有限,始終沒能為Derek提供靈感。于是他到一個(gè)澳大利亞研究者網(wǎng)站上發(fā)布了一個(gè)帖子,希望國外的同學(xué)們能幫忙一起找素材。終于,在帖子發(fā)布后兩個(gè)星期里,Derek收到了好友發(fā)來的1989年耶魯大學(xué)博士后黛安·多德的文章,他在其中發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)描述:“改變果蠅的飲食之后,只需要兩代,就可以改變果蠅的擇偶標(biāo)準(zhǔn)。”Derek簡直樂瘋了!“一定是腸道菌群的影響!”

Derek重復(fù)了黛安·多德的實(shí)驗(yàn),他發(fā)現(xiàn)正如論文中描述的那樣,以糖漿為食的果蠅在兩代之后不再與以淀粉為食的果蠅交配。接下來,他對(duì)果蠅使用了利福平,結(jié)果,淀粉果蠅和糖漿果蠅又幸福地在一起了。這表明,的確是細(xì)菌在起作用。

經(jīng)過多重實(shí)驗(yàn),Derek終于證明了自己的假設(shè),微生物可以通過影響宿主的基因表達(dá)、繁殖和擇偶改變了物種演變的方向。Derek也因此在實(shí)驗(yàn)室里有了“Derwin”的昵稱。這個(gè)“named after Darwin(達(dá)爾文)”的稱呼雖然有時(shí)會(huì)讓Derek覺得不好意思,不過他現(xiàn)在的精力依然放在了修改即將發(fā)表在美國一本生物學(xué)重點(diǎn)期刊的論文上。

責(zé)任編輯:曹曉晨

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