劉致用

一群 “挑剔”的探洞者

巴頓探索洞穴

哈澤爾·巴頓教授

我們說，一個人要是腳踏實地，這個人就是一個踏實的人。照這種說法，美國阿克倫大學(xué)巴頓實驗室的師生們肯定是一群極其“踏實”的人，因為他們一年內(nèi)就能“腳踏”許多人跡罕至的“實地”——從美國新墨西哥州峽谷深處的勒楚古拉山洞，到委內(nèi)瑞拉高原上的特皮伊洞穴，再到巴西叢林深處的鐵質(zhì)洞穴，他們探索洞穴的足跡遍布了五大洲。

沒錯，他們是一群洞穴探秘者！不踏實還真干不了他們這份工作呢——作為老師和學(xué)生，他們理應(yīng)穿著干凈的衣服，在明亮整潔的教室里交流知識，但很多時候，他們就像是寫實電視節(jié)目《荒野求生》里的主人公一樣，在叢林、河流、山地等各種危險的野外環(huán)境中穿行。他們不怕苦不怕累，一旦踏上征途，便堅持到底。他們對于探索洞穴的熱愛超乎常人，而這一份熱愛，傳承自他們的導(dǎo)師——生物學(xué)教授哈澤爾·巴頓。

巴頓生于英國，是一位極具冒險精神的女生物學(xué)家，被稱為生物學(xué)界的勞拉·克勞馥——著名動作和冒險電影《古墓麗影》里的女主角。為什么這么說呢？因為巴頓探索的洞穴的危險性極大！巴頓師生是挑剔的，不用說人類足跡涉及，哪怕只要有生物能輕易到達(dá)的洞穴，都不是他們的目的地。他們的目標(biāo)，往往是遠(yuǎn)離地表或者是山脈中綿延幾十甚至上百千米的與世隔絕的洞穴。

那么，他們?yōu)槭裁匆剿鬟@些洞穴呢？

與世隔絕的微生物家園

原來他們認(rèn)為，只有在這些地方，才可能生存著許多我們?nèi)祟悘奈匆娺^的微生物，因為在遠(yuǎn)離陽光的黑暗深處，由于缺乏光合作用，食物匱乏，氧氣含量也低，大多數(shù)生物基本不會選擇在那些區(qū)域生存。

那么這些微生物——主要是細(xì)菌，是怎么在這些地方存活的呢？原來，有些細(xì)菌屬于自養(yǎng)型的細(xì)菌，它們能夠利用碳的化合物或者是硫的化合物作為原料，合成生命所需要的養(yǎng)分，這些自養(yǎng)型細(xì)菌充當(dāng)了一般生態(tài)系統(tǒng)里植物的角色。有些細(xì)菌屬于異養(yǎng)型的細(xì)菌，它們則以這些自養(yǎng)型的細(xì)菌或是其他異養(yǎng)型細(xì)菌為食——通過捕食關(guān)系，細(xì)菌在極端貧瘠的洞穴深處構(gòu)筑了它們自己的食物鏈。

由于環(huán)境的閉塞，很多身居洞穴深處的細(xì)菌從未離開過山洞，這意味著這些細(xì)菌對人類來說就是全新的品種。如果人們在亞馬遜叢林發(fā)現(xiàn)5種新物種，生物學(xué)家們會欣喜若狂，此事件也將被爆為大新聞，但僅在一個與世隔絕的山洞，也許你就能找到幾十種甚至上百種細(xì)菌的新品種。而這樣的山洞，在世界上數(shù)不勝數(shù)。有統(tǒng)計稱，地球上大約有1萬億種不同的微生物種，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的微生物數(shù)量所占的比例僅為其百萬分之一。

美國勒楚古拉山洞

由于洞穴內(nèi)的資源極其匱乏，細(xì)菌之間面臨著激烈而殘酷的生存斗爭。細(xì)菌們會相互攻擊，也會相互防范，于是它們進(jìn)化出來非常先進(jìn)的細(xì)菌界的“矛”——抗生素，和細(xì)菌界的“盾”——抗生素耐藥性。洞穴內(nèi)的細(xì)菌都會分泌抗生素——從定義上說，抗生素是由各種微生物（包括細(xì)菌、真菌、放線菌屬）產(chǎn)生的，能殺滅或抑制其他微生物的一類物質(zhì)。與此相對應(yīng)的，為了使自己在生存競爭中不落下風(fēng)，洞穴內(nèi)的細(xì)菌基本都進(jìn)化出了強(qiáng)大的抗生素耐藥性。

巴頓和她的學(xué)生走進(jìn)洞穴，便是為了采集這些具有強(qiáng)大耐藥性的細(xì)菌。實際上，他們承擔(dān)著一個非常大的使命——幫助人類度過抗生素失效的危機(jī)。

抗生素失效危機(jī)

從20世紀(jì)40年代第一種抗生素藥物——青霉素投入臨床使用以來，人類服用抗生素的歷史已經(jīng)接近80年?？股鼐哂泻軓?qiáng)的抑菌和殺菌作用，作用機(jī)理主要是針對細(xì)菌特有的生理機(jī)制進(jìn)行破壞——包括抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成、破壞細(xì)菌細(xì)胞膜、干擾細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成以及抑制細(xì)菌核酸的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄這5種方式。目前，人類和獸類經(jīng)常使用的抗生素多達(dá)幾十種，但是自從20世紀(jì)80年代以來，卻基本沒有新的抗生素被發(fā)現(xiàn)。這導(dǎo)致了目前流行在市面上的各種抗生素的使用年齡，基本已經(jīng)超過30年，這引發(fā)了一個可怕的后果——細(xì)菌逐漸產(chǎn)生了抗生素耐藥性。

細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生迫使人們加大了抗生素的使用量，調(diào)查顯示：與2000年相比，2015年全球抗生素使用量增加了65%，中低收入國家的使用量增加了114%。然而，增大藥量并不一定就會起作用——據(jù)報道，僅在印度，每年就有5.8萬名兒童死于耐藥細(xì)菌感染。隨著細(xì)菌耐藥性的增強(qiáng)，人類的抗生素即將失效。而最近幾年出現(xiàn)的一些“超級細(xì)菌”——即人類目前所有的抗生素藥物均不能殺死的細(xì)菌，更引起了人類恐慌。如何破解細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生之謎，是一項非常緊迫的工作。

人們一直以為細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生是由于抗生素藥物的廣泛使用導(dǎo)致的，巴頓洞穴探究的一個重要成果就是證明了這種說法是錯誤的。巴頓的研究告訴人們，細(xì)菌的耐藥性是天然存在的——巴頓在某洞穴收集了93種菌株，她將這些菌株帶回實驗室并用26種抗生素進(jìn)行測試。結(jié)果表明：70%的菌株能抵抗3到4種抗生素，3種菌株能抵抗14種抗生素，還有一種菌株能抵抗全部26種抗生素?？梢姡@些從未接觸抗生素藥物的“隱居者”，早就在生存競爭中產(chǎn)生了耐藥性。

細(xì)菌耐藥性是進(jìn)化出來的，那么什么機(jī)制能促使細(xì)菌發(fā)生這種進(jìn)化呢？巴頓表示，某些細(xì)菌能產(chǎn)生特定的分子，這些分子能夠促使細(xì)菌快速進(jìn)化成為耐藥細(xì)菌，進(jìn)而擁有抵抗抗生素的本領(lǐng)。如果人們能夠弄清那些分子是什么（這些分子的產(chǎn)生和細(xì)菌的某些基因有關(guān)），就可以阻斷它們，使細(xì)菌無法進(jìn)化。通過研究洞穴細(xì)菌的耐藥性，巴頓的最終目的就是找到細(xì)菌進(jìn)化的機(jī)制。目前的情況是，只要一有新藥上市，很快，細(xì)菌便會擁有對該藥的耐藥性，至今人們還無法得知細(xì)菌是怎么進(jìn)化成耐藥細(xì)菌的。

美國歐若恩多加洞穴

巴頓團(tuán)隊在洞穴細(xì)菌的研究方面取得了初步進(jìn)展。除了發(fā)現(xiàn)成百上千種新的細(xì)菌外，巴頓還在這些與世隔絕的細(xì)菌身上發(fā)現(xiàn)了新的耐藥性基因。例如巴頓在美國新墨西哥州列楚基耶洞穴發(fā)現(xiàn)了一種名為“Paenibacillus sp LC231”的一種超級細(xì)菌，在這種細(xì)菌身上，除了目前已經(jīng)知道的12種耐藥性基因外，巴頓又發(fā)現(xiàn)了5種新的耐藥基因。新的耐藥性基因的發(fā)現(xiàn)使得細(xì)菌耐藥性的研究方向變得更加多樣化。

當(dāng)然，細(xì)菌耐藥性基因的表達(dá)機(jī)制或許還需要科學(xué)家們花很長時間去鉆研，這項工作無疑是非常艱苦的，但充滿激情的巴頓和她的學(xué)生，將繼續(xù)奮斗，直到破解細(xì)菌的耐藥性機(jī)制為止。