微生物居然可以帮助人类进化地更快、更强!
- 发布时间:2021.12.23
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当你出生时,你从母亲那里继承了一半基因,从父亲那里继承了一半基因。这些遗传的基因将伴随你的一生,不能随意添加或丢弃,你不能拥有我的任何基因,我也无法获得你的任何基因。
但想象一个这样的世界:一个人可以跟身边的朋友和同事随意地交换基因。如果你的老板有一个能让他抵抗各种病毒的基因,你可以借用它。如果你的孩子有一个让他有患病风险的基因,你可以给他换一个健康的基因。在这个世界里,基因不仅仅是从一代传递到下一代的传家宝,还可以像商品一样进行交易。
细菌的世界就是这样的,它们可以像我们交换电话号码一样轻松地交换DNA。这种行为称为水平基因转移(HGT),
细菌的这种行为已经存在了数十亿年。但直到20世纪20年代,科学家们才意识到这种现象。
科学家将没有毒性的肺炎链球菌菌株与死亡了的高毒菌株的残留物混合后,无毒菌株也变成了有毒菌株。
1943年,一位名叫Oswald Avery的微生物学家证实了引起这种变化的就是有毒菌株的DNA,非感染性菌株将其吸收并整合到了自己的基因组中。而在四年后,遗传学家Joshua Lederberg经过研究也发现,细菌可以直接交换DNA。
HGT是细菌生命中一个非常重要的行为,细菌利用它可以快速进化。当细菌面临新的挑战时,它们可以直接将那些已适应这种环境的细菌的基因拿过来为自己所用(如抗生素抗性、高毒力因子等),而不必耗费时间来等待自己现有DNA慢慢发生突变。如果一种细菌进化出了这种能力,那么它的邻居也可以很快获得这种能力。这个过程可以迅速将一种无害的细菌转变成夺命杀手。
一般而言,动物的进化过程是缓慢而稳定的,能适应环境的突变个体更有可能存活下来,并将这种突变基因遗传给下一代。随着时间的推移,有利的突变变得更加普遍,而不适应环境的个体逐渐消失。这就是经典的自然选择原理。
但是,在一些情况下,人类通过与微生物合作,却可以加快自身的进化速度。
在日本沿海生长着一种红棕色的海藻,它就是紫菜,已经在日本人的餐桌上存在1300多年了。长期以来的紫菜饮食习惯使当地的人们特别擅长消化海洋蔬菜,而人体内其实并没有可以分解藻类的酶,肠道中大部分菌也没有这个功能。
但是在大海中发现了一种名为Zobellia galactanivorans的高能细菌。几个世纪以前,它们一直生活在日本沿海水域的海藻上并靠消化海藻为生。突然有一天,渔夫将岩石上的海藻连根拔起做成了紫菜酱,在他们的家人狼吞虎咽地吃这些酱的同时也吞下了大量的Zobellia菌。细菌的生活环境从冰冷的盐水变成了胃液,邻居也变了,被一些陌生的物种所代替。于是,它做出了一般情况下细菌都会做的事:共享基因。
这个现象是怎么被发现的呢?
原来Jan-Hendrick Hehemann 在人体的肠道细菌Bacteroides plebeius中发现了Zobellia的一个基因。这一发现令人感到非常震惊,一个海洋生物的基因在陆地生物的肠道中究竟会做什么呢?Zobellia并不适应肠道中的生活,但它也并不是什么也没有做。在短暂的时间内,它将自己的一些基因捐赠给了B. plebeius,包括那些能消化海藻的卟啉酶。
突然间,这种肠道微生物获得了能分解紫菜中特殊碳水化合物的能力,并且通过反复从海洋微生物中借用基因,它已经变得非常擅长消化海洋蔬菜。
B. plebeius并不是唯一一种偷窃海洋酶的菌。日本人长期以来一直在吃紫菜,他们的肠道微生物中充满了来自海洋物种的消化基因。尽管如此,这种行为也不可能一直持续下去,因为厨师通过烤制和烹制紫菜就会杀死这些搭便车的微生物。而在过去几个世纪,只有那些生吃紫菜的人才会将这些微生物带入肠道,并且将这些细菌传递给他们的孩子。Hehemann在一个还没断奶的女婴的肠道细菌中发现了卟啉酶基因,就像她母亲一样。
仅仅通过吃海藻,这些基因就可以从海洋微生物转移到人体肠道中,然后从一个肠道移动到另一个肠道。
因此,人类不需要自己进化能够分解海藻中碳水化合物的基因,只要我们吞下大量可以消化这些物质的微生物,那么我们自己的细菌就有可能通过HGT得到这种能力。
我们生活的环境中充满了各种各样的微生物,每吃一口食物都可能给我们的身体带来新的微生物,消化以前不可被消化的一部分食物。每个新伙伴都可能会帮助我们多吃一点,再往前走一点,活得更长一点。
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