“你從來不是一個人在戰鬥。”這句話一點兒都不假。
隨著“腸道菌群”這類概念越來越熱門，你或許已經聽過類似“人體內細菌數量是自身細胞數量10倍”、“腸道菌群決定了你是誰”等說法。雖然這些說法的準確性仍有待商榷，但它們確實給我們提了個醒——我們的身體從來不是我們自己獨享的。
在整個動物界，人們也發現了許多宿主和微生物共生的例子。自20世紀初起，在沒有口、肛或腸道的管蟲中，在以堅硬的木質植物為食的白蟻中，在食草卻明顯缺乏相關蛋白質的奶牛中，生物學家開始發現複雜生物與它們體內微生物之間有趣的關係。這些觀察結果引發了人們的興趣，並促進了後續的研究。對人類微生物的研究，特別是對那些將人類健康和我們身上的微生物聯繫起來的研究，也推動了對微生物的許多思考。
於是，人們的期望悄悄地開始轉向一種新的方向，開始認為或許每一種動物與細菌都有關係，如果沒有細菌，動物將無法生存。確實，我們和其他許多動物都需依賴體內不計其數的細菌細胞，它們加工著宿主自身無法消化的食物，提供必需的營養，訓練免疫系統有效對抗感染。
一些研究人員甚至認為，可以把動物看作是它們微生物部分的總和。也有一些人反對這種過於簡單化的說法，早在1953年，共生研究的奠基人之一Paul Buchner就憤怒地寫道，“一次又一次出現作者堅持認為內共生是所有生物的基本原理”，他對專性共生、固定共生和功能性共生是普遍存在的觀點嗤之以鼻。
其實，人類很可能不是一個可用來概括不同物種的好示例。隨著測量和分析微生物群的工具不斷改進，人們逐漸清楚地認識到，微生物群在整個動物界遠不如人們通常認為的那麼普遍和重要。許多動物似乎與微生物有更靈活或更不穩定的關係，有些動物則或許根本不依賴微生物。從毛蟲和蝴蝶到葉蜂和蝦，再到一些鳥類和蝙蝠（甚至可能有熊貓），正是這些動物讓科學家對微生物群如何進化以及為什麼進化的謎團有了新的觀點，認識到了微生物的真正重要性，及其核心的利弊之間微妙的平衡。
自然界的故事更復雜，也更模糊。
2011年夏天，微生物學家Jon Sanders還是一名研究生，這是他第二次來到秘魯的熱帶雨林，他拖著60磅重的實驗設備，包括一臺笨重的熒光顯微鏡和發電機。他沿著亞馬孫河向上遊移動。到達偏遠的野外現場後，他很快就開始儘可能地捕捉不同螞蟻，他急切地想窺視它們腸道里的微生物。
在一些螞蟻物種中，他在它們體內看到了一些神奇的、稠密的、密集的“雲”。它就像一個微生物的星系，在顯微鏡的視野裡炸開了花。但還有約三分之二，卻很難在它們的腸道中找到任何可以輕易識別為細菌的細胞。
○ Sanders發現，不同螞蟻的腸道細菌密度非常不一樣。| 圖片來源：Sanders et al./Integrative & Comparative Biology
不同螞蟻體內的差異似乎與飲食有點關係。完全的植食性樹棲螞蟻更有可能擁有豐富的微生物群，這或許可以彌補它們缺乏蛋白質的飲食，而雜食性和食肉性的地棲螞蟻的膳食更加平衡，它們腸道中的細菌數量可以忽略不計。不過這種規律沒有那麼一致和普遍。但這一結果明顯與哺乳動物（比如人類）的微生物群大相徑庭。
就在Sanders在秘魯研究螞蟻的同時，Tobin Hammer正在哥斯達黎加研究毛蟲中的微生物群。儘管Hammer竭盡全力，但在他收集到的腸道和糞便樣本中，並沒有發現多少細菌DNA。經過幾個月令人沮喪的實驗室工作，他意識到這些動物可能根本就沒有穩定的微生物群。他和他的同事最終發現，和Sanders找到的許多螞蟻一樣，毛蟲的微生物數量遠遠低於人們預想的水平。此外，在腸道內發現的一些微生物只是屬於它們的植物飲食中發現的微生物的一部分。這支持了一種觀點，即這些微生物只是短暫地通過腸道，其中一些基本上是在腸道內被消化掉，它們並沒有在腸道內建立穩定的種群 。
○ 圖片來源：Tobin Hammer/Quanta magazine
為了確定這些短暫的細菌是否有益於毛蟲，研究人員用抗生素消滅了它們。在其他一些昆蟲和動物中，這往往會阻礙宿主的發育，甚至直接殺死宿主，但Hammer找到的毛蟲沒有受到任何影響。
類似的，印度生態學家和進化生物學家Deepa Agashe和團隊也看到了類似的結果。他們在蜻蜓和蝴蝶 中發現的微生物與它們的飲食密切相關，而不是與某個昆蟲種類或某個發育階段相關。多次實驗發現，破壞蝴蝶的微生物群對宿主的生長髮育並沒有產生影響。
也許這並不奇怪。正如科學家們所知道到的，當微生物存在時，它們常常出現在特定的組織中，它們涉及到在某個時間影響某種特徵的某些細菌。例如，短尾烏賊（bobtail squid）只與一種發光細菌有共生關係，這種細菌被隔離在一個用來發光的器官中，而烏賊的腸道和皮膚則沒有微生物。成年蜜蜂與它們的細菌有著重要的關係，但幼蟲卻沒有。
○ 一種短尾烏賊。| 圖片來源：Nick Hobgood/Wikicommons
所以，有一些動物根本就沒有這樣的共生關係，或者它們的共生關係遵循不同的規則，而我們目前只看到了冰山一角。也許短暫的、低丰度的微生物正在做一些更微妙的事情，也許它們代表了形成更穩定的進化關係的早期步驟，也許他們大部分時間保持中立，只在某些情況下發揮作用。
例如，一些研究人員認為，這些微生物可以通過佔據腸道空間和排除病原體，保護宿主免受感染。此外，已經適應有毒植物或其他危害的細菌可能會對動物有所幫助，即使它們只是暫時出現在腸道里，而並沒有參與一種正式的共生。
即使在人類體內，微生物群（包括短暫的微生物）也會隨著飲食或行為的變化而改變。研究不依賴穩定微生物群的生命系統，可以幫助科學家認識這些變化的影響。這還可以讓科學家更好地確定擁有微生物的代價，並獲得其進化的新見解。
一些不同的動物走上了不同的道路並不奇怪。但關鍵是，究竟是什麼因素導致並促成了微生物群的形成和維持，又有什麼因素可能阻止這些關係呢？毛蟲、蜻蜓、某些螞蟻和其他動物提供了一種方法，來調查與微生物長期共生關係的潛在缺點。研究人員懷疑，這些動物可能會有選擇地避免某些潛在的共生代價，例如，細菌可能會與宿主爭奪營養，或加重免疫系統的負擔。
對一些動物來說，這些風險可能超過潛在的好處。如果它們已經進化出了自己生存所需的任何酶或行為，它們就不再受獲取微生物群的選擇性壓力的束縛。Hammer發現的毛蟲可能就是這樣，它們僅僅通過食用大量的植物，就可以維持自己植食的生活方式。從理論上來說，一個微生物群或許能夠使毛蟲製造額外的重要營養物質，或者讓毛蟲能夠尋找營養更豐富的植物，但宿主自身也可以用數量來彌補質量。
另一個潛在影響微生物存在與否的因素似乎是解剖學（儘管鑑於因果關係的模糊界限，Agashe認為這不是一個合理的解釋）。許多攜帶少量細菌的生物都有短而簡單的腸道結構，基本上就是一根管子，食物可以通過它快速地被清掃和加工。這並沒有給微生物提供立足和生長的時間和空間。
還有生態因素要考慮。共生關係其實是一種非常驚人的關係，它意味著，即使在不斷變化的條件下，一代又一代的生物必須經常能遇到另一個物種，來建立一種持續的夥伴關係。Agashe推測，由於她發現的那些蝴蝶和蜻蜓不斷從一個地方飛到另一個地方，飲食也隨著地點和季節的變化而改變，它們可能不會頻繁地與同一種細菌相遇，從而建立起穩定的微生物群。
研究人員強調，可能沒有一個統一的規則或原則來控制微生物的進化。進化是不可思議且獨特的，在許多不同的生物中，進化沿著完全不同的路線進行。我們對微生物群的大多數假設都是基於哺乳動物的研究，但也許哺乳動物才是“奇怪的少數派”。
即使在哺乳動物中，微生物群的表現也存在多樣性。儘管大多數哺乳動物似乎與特定的細菌有著可預測的聯繫，但Sanders和他的同事在最近的一項研究中發現，蝙蝠並沒有這種關係。事實上，它們的微生物群更為短暫和隨機，和其他哺乳動物相比，它們與鳥類的微生物群更相似。研究人員推測，這種差異可能與蝙蝠和鳥類的進化需要有關，它們都需要儘可能輕的重量來實現飛行。也許他們負擔不起額外的“行李”。
無論如何，這些結果都表明，通過比較物種可以學到很多，而過早地假設宿主與細菌的關係會錯過很多東西。Sanders說：“每一種存在的生物背後都有35億年的進化歷史。從自然變異和多樣性中還有很多東西需要學習。”
原文作者：Jordana Cepelewicz
文章主要內容來自“Some Animals Have No Microbiome. Here's What That Tells Us.”，原文於2020年4月14日發表於Quanta magazine，原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/why-is-the-microbiome-important-in-some-animals-but-not-others-20200414/。中文內容有大幅改動與編輯，一切內容以原文為準。
微生物學是生命科學領域的前沿學科。《分子微生物學前沿》一書的內容聚焦在細菌分類、命名和鑑定領域的新進展；微生物抗不利環境的分子基礎；微生物的基因水平轉移與適應性進化；病原體相關分子模式與機體的模式識別；微生物群落與宿主相互作用；細菌的免疫系統、分泌系統、毒力系統、生物鐘系統、生物波系統、納管系統、膜囊泡系統等的構成及其意義；微生物菌群體感應系統和群體行為；病毒工廠和病毒與宿主相互作用的分子基礎等方面。
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