科學家發現改寫人類生命的微生物“暗物質”，未來將產生深遠影響

人體是大約39萬億微生物的家園，它們的數量比我們自身擁有的細胞還要多。

科學家最近在人體微生物群中，發現了全新的生命形式——CPR細菌。它們看起來是如此的陌生，是科學家以前從未遇到過的。

更重要的是，這些正在改寫人類生命之樹的微生物“暗物質”，可能會對我們的健康產生深遠影響。

法國巴黎皮埃爾和瑪麗居里大學的進化生物學家埃裡克·巴普泰斯特正在尋找某種新的生命形式，一種與我們以往所知完全不同的生命形式。

他認為，奇特的生命形式並不一定遠在天邊——只有在火星土壤中或月球海洋中才能找到，它們可能近在眼前，就存在於我們的身體裡，只是它們像暗物質一樣，一直沒有被發現。

“生物學總是充滿了驚喜。”巴普泰斯特說，“我們並沒能對世界上所有DNA進行徹底的普查取樣，因此，尋找和發現稀有奇特生物仍然大有可為。”

也許有人會認為，巴普泰斯特的努力將徒勞無益，畢竟，我們已經進入了2010年代，而不是1710年代，生物學家要在地球上再次發現新的生命分支已並非易事，更不用說是在我們熟悉的人體環境中了。

然而，他們錯了。

微生物是生命催化劑

人體是大約39萬億微生物的家園，比我們人體自身擁有的30萬億細胞還要多。僅在我們的皮膚表面，每平方釐米就生存有約10億個微生物。

今年早些時候的一項研究發現，多達2000種不同的微生物物種在人類腸道內繁衍生息。

多年來在我們的認知裡，細菌都是有害的，因此我們一直都很討厭這些微生物。但現在我們知道，我們身體裡的許多微生物實際上是我們的“盟友”，它們與我們的健康息息相關。得益於新的科學技術，我們現在能夠前所未有地看到這個人體“動物園”的細節詳情。

幾十年前，微生物學家還只能在實驗室裡培養微生物，來確定它們的身份、研究它們的作用。但大多數微生物無法通過這種方式培養和分析，這極大地限制了我們對微生物王國的瞭解進程。

如今，我們可以利用宏基因組學測序來解決這個問題，一些新技術可以根據微生物的DNA來確定其身份，只需要少量人類排洩物的樣本就行，而不需要在培養皿中培養細菌。

一旦確定了微生物的DNA片段，我們就可以通過計算機軟件，用這些片段來重建某種細菌的整個基因組。研究人員用這個方法，幾乎每個月都能發現那些生活在我們體內或身體表面的新的未知微生物。

這些新發現偶然還會給我們帶來意想不到的驚喜。美國加州大學伯克利分校的吉莉安·班菲爾德和紐約康奈爾大學的露絲·萊伊幾年前發現了一種生存在人體腸道內的全新微生物群，這種新發現的微生物是藍藻菌的近親。藍藻菌是對複雜生命進化至關重要的一種微生物，研究小組以希臘神話黑暗水域女神的名字將這種新發現的微生物命名為 “美萊娜菌”。

藍藻菌是已知唯一一種能進行產出氧氣的光合作用的有機生物體。

植物能進行光合作用，正是因為它們的細胞中結合了這種藍藻菌。藍藻菌的這種演化改變了地球大氣的組成，從而為複雜生命的誕生鋪平了道路。但藍藻菌是如何進化的，至今仍是一個謎，主要是因為我們一直沒能找到與它相關的微生物。

美萊娜菌填補了這一空白。微生物學家和地質學家為此提出，產生氧氣的光合作用是在地球生命進化相對較晚的時間段裡出現的。

更重要的是，美萊娜菌對於人體健康起著十分重要的作用。2018年的一項研究揭示，帕金森病患者腸道中的美萊娜菌數量比健康人要少得多。美萊娜菌在與藍藻菌的競爭中佔了上風，從而起到了保護我們的作用。

CPR細菌：第四種生命形式

地球上已知的三種生命形式為：真核細胞生物（包括我們熟悉的動植物以及微小的原生動物）、原核生物（單細胞生物體，包括細菌）和古生菌。

隨著研究的深入，研究人員猜測，我們的身體裡有可能還生存著第四種全新的生命形式。

我們的身體裡生活著許多看起來像細菌一樣的微生物，但實際上它們屬於“古生菌”。古生菌通常只存在於一些極端環境中，如溫泉和海底熱液口。人體一度被認為不是這種簡單生物體合適的棲息地，但去年一個研究小組在報告中稱，在人體闌尾和鼻腔通道中發現了大量的這種古生菌。

巴普泰斯特和他的同事對人體排洩物樣本進行基因測序後發現了不同尋常的DNA，提供了第四種神祕生命形式存在的線索。

早在2010年，一個研究小組在人類口腔微生物組裡發現了屬於罕見細菌TM7和SR1的基因物質。幾年前，科學家在泥炭沼澤和河流沉積物中也分別發現了TM7和SR1。

2013年，一個研究小組從一個汙水處理場收集到了TM7的完整基因組。由班菲爾德領導的另一個研究小組也從地下水中獲得了TM7和SR1的完整基因組。他們發現，這種生物體的基因組小得令人驚訝，大約只有大腸桿菌基因組的四分之一大小，如此小的基因組似乎缺少獨立生命存在必不可少的一些基因，這也許意味著這些微生物可能只有在與其他細胞共生的生態環境下才能生存下來。

科學家發現新生命形式：較大細菌邊上是新發現的超小細菌

近年來，研究人員不斷獲得更多關於這些奇特微生物的信息。2015年，班菲爾德的研究小組在電子顯微鏡下發現，這些微生物小得令人難以置信，單個細胞的長度只有幾百納米（1納米即1毫微米，為十億分之一米）。令生物學家驚訝的是，它們雖很小，但仍然擁有細胞的正常功能。

在此之後，研究人員有了更多意想不到的好消息。班菲爾德和她的同事對近800種細菌（包括TM7和SR1）的小基因組進行了研究分析後發現，這些細菌都屬於新生命樹圖譜中的一個神祕分支，叫做候選門輻射類群（簡稱CPR）。據班菲爾德和她的同事猜測，CPR可能佔了細菌多樣性的一半之多。

我們體內似乎生存著一些非比尋常的微生物。“這是我們剛剛才認識到的新的生命形式，一種擁有極小基因組的超小細菌。”華盛頓大學的傑弗瑞·麥克林說。這種可能被定義為第四種生命形式的CPR細菌，更新了我們對生命樹圖譜的認識，也將對我們瞭解人體微生物產生深遠影響。

事實上，人體內已經發現了三種CPR細菌，即分別在人體口腔、腸道和陰道內發現的TM7，SR1和GN02。如今我們知道，在尼安德特人體內也存在這些微生物。研究人員從4.8萬年前尼安德特人牙齒礦物質沉澱物中，發現了幾種CPR細菌菌株，其中包括我們稱為TM7x的CPR細菌。

這些細菌在我們體內到底幹了些什麼呢？真相開始浮出水面，但並不是什麼好消息。

CPR細菌在微生物群落中所佔比例通常不超過1%，但某些疾病患者的體內，它們的數量會激增，包括炎症性腸道疾病。在嚴重牙齦疾病患者中，20%的人的口腔細菌群落中含有CPR細菌。但這些神祕的微生物真是導致這些健康隱患的罪魁禍首嗎？為回答這個問題，哈佛大學福賽斯研究所的麥克林等研究人員決定進一步觀察它們的行為。

麥克林領導的研究小組對從人體口腔中獲取的TM7細菌進行培養，以便在顯微鏡下對這種微生物的生物學機制和行為進行仔細觀察。迄今為止，TM7x菌株是唯一成功培養的CPR細菌。

細菌的共生機制及與疾病的關係

也許正是因為被CPR微生物寄生，才讓某些細菌擁有了避免被免疫系統發現的能力。但目前這還只是一種推測，未經實驗證實。

CPR細菌的培養不那麼容易。麥克林和他的研究小組發現，TM7x菌株似乎只能和一種口腔細菌“齲齒放線菌”放在一起才能培養。顯微鏡下的培養物研究顯示了這兩種微生物的共生關係：微小的TM7x細胞寄生於較大的齲齒放線菌上。

微生物的這種寄生機制在大自然中並不罕見，但人體內一種細菌寄生在另一種細菌身上，則是首次被發現。

麥克林等人有證據表明TM7x能夠殺死齲齒放線菌細胞，但它們的這種寄生關係卻奇怪而複雜。有意思的是，當齲齒放線菌被TM7x寄生時，它們同時也獲得了一種新的能力：避免被我們體內的免疫系統檢測到。

這也許可以解釋CPR細菌和一些疾病之間的關係，包括牙齦炎和腸道炎症等。

“CPR的發現是一個大驚喜，”巴普泰斯特說，這一發現可能具有重要意義。畢竟，我們剛剛才發現體內有一些微生物屬於之前未知的一種生命分支，誰又能知道我們體內是否還潛伏著更多其他未知生命形式呢？

但巴普泰斯特同時指出，我們要面對的現實是，要確認這些生命形式的存在並非易事，而且需要時間。“發現新的生命形式比在已知生命形式中找到更多物種更困難，這將是一個漫長的探索過程。”他說。

“微生物叢林”的生態系統

在我們的身體表面和體內，生活著多樣化的細菌群落，它們的種類和數量之多，超乎我們想象。它們就像是一個細菌叢林，交互作用並形成一個複雜的生態系統。

這種交互作用在三種主要生命形式中進行：真核生命、原核生物和古生菌。研究表明，在我們的腸道內，真核微生物假絲酵母幫助分解飲食中攝入的澱粉，釋放瘤胃球菌發酵的單糖，然後通過細菌發酵產生甲烷短桿菌——一種在人體排洩物中大量繁殖的古生菌。

“這些細菌產生的副產品和廢物成為其他微生物的營養來源，這個生態系統只有通過細菌相互之間的依賴關係才起作用。”美國加州大學伯克利分校的吉莉安·班菲爾德說。

這種相互依存關係有時也會觸發疾病。例如，當口腔細菌被奇怪的微小細菌寄生時，它們似乎會聯合起來一起躲避免疫系統的監控，從而導致疾病。但人體微生物也能起到對健康有益的作用。例如，口腔裡的白色念珠酵母菌可引起令人討厭的感染，但通過與具核梭桿菌的交互作用，酵母菌就能保持相對良性狀態，不會對免疫細胞構成太大殺傷力。

對微生物的交互作用瞭解得越多，對於因微生物病原體導致的疾病就能找到更多的治療方法。抗生素曾對人類健康起到了巨大作用，但同時也是一把雙刃劍。“它們往往不分敵我，會殺死體內大多數細菌，而不僅僅是我們要對付的致病菌。”哈佛大學福賽斯研究所的微生物學家說。

我們或許可以破壞特定病原體與微生物群落中其他物種之間的重要生態相互作用，來對付特定目標。微生物學家的設想是，利用與病原體共存的微生物群的力量，來對某種特定疾病進行治療。

作者：宇辰 編譯

編輯：金婉霞責任編輯：樊麗萍

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