科學(xué)家越來(lái)越意識(shí)到腸道和其他微生物對(duì)我們的健康和幸福的重要性，但加州大學(xué)伯克利分校的一位生物學(xué)家正在問(wèn)這些微生物 - 我們的微生物群 - 是否也可能通過(guò)引導(dǎo)進(jìn)化來(lái)塑造我們的身份。生物學(xué)家已經(jīng)收集到證據(jù)表明動(dòng)物和它們的共生體之間的相互依賴性 - 生物體內(nèi)或體內(nèi)的生物體，通常是細(xì)菌 - 對(duì)兩者的進(jìn)化都有影響。但加州大學(xué)伯克利分校綜合生物學(xué)助理教授邁克爾·夏皮拉認(rèn)為，我們所擁有的各種微生物群落具有更深遠(yuǎn)的影響，在生存的密切合作中顯著加劇了進(jìn)化。

在一篇現(xiàn)已在線發(fā)表并計(jì)劃于7月出版的“ 生態(tài)學(xué)與進(jìn)化趨勢(shì) ”雜志上發(fā)表的論文中，Shapira研究了線蟲(chóng)C. elegans 的腸道微生物，回顧了證明微生物如何影響和促進(jìn)宿主進(jìn)化的證據(jù)。通過(guò)與主人一起演變，或在關(guān)鍵時(shí)刻踩踏，幫助主人適應(yīng)新的環(huán)境挑戰(zhàn)。

他說(shuō)，這些例子支持了相對(duì)近期的全基因組概念，這一術(shù)語(yǔ)指的是宿主及其微生物的基因組，它們可能包括皮膚，腸道甚至生殖器官中的數(shù)千種不同類型的細(xì)菌。在他最近的論文中，Shapira詳細(xì)闡述了特拉維夫大學(xué)研究人員2008年的一項(xiàng)提議，即進(jìn)化可以作用于全基因組，而不是分別對(duì)宿主及其微生物群的基因組起作用。這意味著隨著宿主的發(fā)展以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，其微生物群在指導(dǎo)和參與這種進(jìn)化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。“當(dāng)我看到Ilana Zilber-Rosenberg和Eugene Rosenberg描述全息基因概念的論文時(shí)，它引起了我的注意，”Shapira說(shuō)道。“動(dòng)物可以進(jìn)行選擇的想法不僅僅基于他們自己的基因組，而且還有更多的幫助，為之前無(wú)法想象的進(jìn)化道路打開(kāi)了大門(mén)。”

Shapira擴(kuò)展了這個(gè)想法，包含了一些關(guān)于生物之間驚人的共生關(guān)系的最新發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈儽舜艘蕾嚕鼈兘K生聯(lián)系在一起。

蚜蟲(chóng)和它們的腸道細(xì)菌

Shapira說(shuō)，主機(jī)及其共生體的共同進(jìn)化的例子就在我們身邊。已經(jīng)證明蚜蟲(chóng)依靠細(xì)菌提供蚜蟲(chóng)無(wú)法自己制造的必需氨基酸，并且不能從它們的飲食中輕易獲得，而細(xì)菌 - 一組叫做Buchnera - 獲得空間，并以樹(shù)液衍生的糖的形式， 。

研究人員檢查不同種類的蚜蟲(chóng)及其個(gè)體腸道細(xì)菌的基因，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)了新的蚜蟲(chóng)物種，這反映在昆蟲(chóng)的Buchnera共生體中的物種形成事件中。這表明兩種物種的聯(lián)系命運(yùn)如何導(dǎo)致共同進(jìn)化。但Buchnera并不孤單。隨后的工作表明，蚜蟲(chóng)還含有其他共生體，這些共生體不太重要或依賴于它們的宿主，但仍然有助于昆蟲(chóng)在不斷變化的環(huán)境中適應(yīng)新的生態(tài)位。

Shapira一起表示，這些物種代表了一種基本的全基因組，具有基本的，共同進(jìn)化的共生體，但也有一組微生物可用于靈活適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。適應(yīng)新的利基可能會(huì)導(dǎo)致人口分裂，孤立，并隨后導(dǎo)致新物種的進(jìn)化。這是共生體生命的關(guān)鍵結(jié)果，Shapira說(shuō)，他認(rèn)為涉及許多類型共生體的微生物代表了這種蚜蟲(chóng) - 共生關(guān)系的擴(kuò)展版本。在果蠅中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。當(dāng)飼養(yǎng)不同類型的食物時(shí)，蒼蠅會(huì)產(chǎn)生不同的腸道微生物群，可能更好地處理可用的食物。

然而，令人驚訝的結(jié)果是“在一代人中，蒼蠅對(duì)自己的群體產(chǎn)生了配偶偏好，忽略了其他群體，而這取決于幫助他們利用食物的腸道中的微生物，”他說(shuō)。“這導(dǎo)致兩個(gè)種群事實(shí)上的生殖隔離，并可能促進(jìn)未來(lái)的物種形成，即真正的生殖隔離 - 一種遺傳障礙，阻止這兩個(gè)群體的成員養(yǎng)育活的或可育的后代。”

線蟲(chóng)心煩意亂

在他自己的實(shí)驗(yàn)室里，他在富含不同類型產(chǎn)品的土壤上飼養(yǎng)線蟲(chóng) - 例如含糖和纖維 - 并且發(fā)現(xiàn)無(wú)論食物來(lái)源和由此產(chǎn)生的環(huán)境微生物多樣性，蠕蟲(chóng)都有相似的細(xì)菌集合。事實(shí)上，有32種類型。正如人類所見(jiàn)，平衡隨著不同的食物而變化。例如，高脂肪飲食的人與純素食者有不同的微生物群，但在人類中，識(shí)別核心微生物群要困難得多。

研究表明，這些腸道細(xì)菌有助于宿主生活的許多方面，包括發(fā)育，生育能力，新陳代謝，免疫力和行為。例如，不含微生物的小鼠不會(huì)形成強(qiáng)大的免疫系統(tǒng)，而線蟲(chóng)依賴一些腸道微生物來(lái)對(duì)抗壞蟲(chóng)。

在他的論文中，Shapira提出動(dòng)物和一組核心細(xì)菌 - 或者一般來(lái)說(shuō)，它的核心微生物群的宿主 - 一起進(jìn)化，隨著時(shí)間的推移適應(yīng)不斷變化的條件，并且隨著時(shí)間的推移，可能成為新的物種。在我們的內(nèi)臟中游動(dòng)的其他細(xì)菌與我們的基本功能關(guān)系較少，但受到環(huán)境變化的影響，并且理想地用作幫助我們適應(yīng)飲食或毒素的突然變化的資源。

在思考這些可能性時(shí)，Shapira從共生的各種例子中汲取靈感。例如，最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，由于獲得了一種將殺蟲(chóng)劑解毒的腸道微生物，一種昆蟲(chóng)，一種寬頭臭蟲(chóng)，能夠在農(nóng)藥暴露中存活下來(lái) - 這對(duì)蟲(chóng)子來(lái)說(shuō)是一個(gè)福音，但需要從微生物只在一種獨(dú)特的情況下。

“在我看來(lái)，這是一個(gè)擁有靈活的微生物庫(kù)的優(yōu)勢(shì)的一個(gè)例子。你可以與環(huán)境交換它們，你可以獲得更好的保護(hù)自己的壓力，”他說(shuō)。“這是實(shí)現(xiàn)適應(yīng)的一種方式。”

Shapira的提議也暗示，微生物群的某些部分 - 即核心微生物群 - 可能會(huì)傳遞給個(gè)人的孩子，但屬于靈活池的其他部分可以與環(huán)境交換。宿主或微生物的變化改變了整個(gè)全基因組。

“隨著人們?cè)絹?lái)越多地認(rèn)識(shí)到所有動(dòng)物實(shí)際上都與復(fù)雜的微生物群落存在共生關(guān)系，因此應(yīng)該擴(kuò)大考慮共生相互作用如何影響宿主進(jìn)化的框架，”他說(shuō)。

Shapira計(jì)劃用秀麗隱桿線蟲(chóng)進(jìn)行未來(lái)實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試這些想法，并澄清宿主與其微生物之間的互利關(guān)系。