作为生物体功能的一部分，通过对乌贼与微生物共生关系的研究，美国麦迪逊威斯康星大学的动物学教授玛格丽特·M·恩盖改变了学界过去认为的微生物是导致疾病元凶的观点，为微生物组学研究做出了重要贡献。
玛格丽特·M·恩盖
水族箱看似空空如也，其实不然，底砂中还隐隐露出一对眼睛。它究竟是什么？当用碗将其捞出后，它看似像一个榛果松露，又小又圆，浑身长着斑点。轻轻摇动后，附在它身上的沙粒便脱落下来，一只拇指般大小的雌性夏威夷短尾乌贼（学名：Euprymnascolopes）露出了它的真面目：它在碗里狂暴地喷出墨汁，加上身上渐隐渐显的花纹，看上去就像一幅活动的油画作品。
在碗里，这只短尾乌贼似乎并不孤单：它的下腹有两个发光器官，里面满是会发光的费氏弧菌（Vibrio fischeri）。在水里，它们发出的光与倾泻而下的月光相似，能消除自身的影子，此时，“隐形”的乌贼能方便地猎食。而从水上往下看，它们又散发着迷人的光彩。在威斯康星大学麦迪逊分校的动物学家玛格丽特·M·恩盖（Margaret M·Ngai）看来，“这种乌贼如此美丽，是绝佳的实验生物。”
开创自己的领域
恩盖对于乌贼和费氏弧菌之间的关系非常感兴趣，她花了26年的时间进行研究。期间，她发现两者之间的共生关系比之前想象的亲密得多。这种细菌打败了其他微生物，与宿主建立了完全忠诚的关系：它与乌贼的免疫系统相互作用，调节其生物钟，甚至影响乌贼早期发育过程，改变其身体结构。
当1978年恩盖开始其学术生涯时，微生物学家几乎都将微生物视作病原体并导致疾病的元凶。但在最近十年中，基因测序技术的进步使得科学家辨别出人和动物体内数万亿种的微生物，并阐明了其在发育、消化和行为中的重要作用。这就是目前生物学研究中最热门的领域之一――微生物组学研究。对此，加州理工学院的地球生物学家黛安娜·纽曼（Dianne Newman）评价道：“恩盖在该领域的开创性研究，使微生物组学成为一个很有吸引力的方向。”
不过，微生物组学的研究可谓喜忧参半。科学界的关注点主要集中在微生物（尤其是人体内的微生物）是如何影响宿主健康的。在这种情况下，乌贼和它的发光“伙伴”一度黯然失色，就连最杰出的微生物组学研究者都表示，他们有时会研究恩盖的乌贼-细菌共生模型，因为这有助于他们理解更复杂的微生物群落。人类微生物组学研究领军人物之一、圣路易斯华盛顿大学的杰夫·戈登（Jeff Gordon）说：“我认为，这一系统的重要性不容忽视。”
尽管乌贼是个冷门的方向，但却与恩盖的个性有关：不走寻常路。她的合作者奈德·鲁比（Ned Ruby）回忆：“我们都在加州，也经常开车外出，她总希望走别人不常走的路线，即使路程更长，她也乐于尝试。我问为什么要这么做，她回答说‘你永远不知道高速公路什么时候封闭，我只想寻找到其他的路。’这也是她做研究的方式，不会追随潮流。她总是另辟捷径。”
在研究生阶段，恩盖被生物体发光现象深深吸引住了，就着手研究携带发光细菌的鲾鱼，想弄清鲾鱼身上的这种发光细菌是如何形成的。她失败了。这种鱼几乎不可能在实验室培养。当时，一个同事对她提到了乌贼，一种游戈于夏威夷附近浅海并喜欢晚上觅食的生物。直到1988年，恩盖来到了夏威夷。
1989年，恩盖在南加州大学有了自己的实验室，开始饲养这种乌贼。一年以后，繁育出了60 000只小乌贼。通常，有些寄生生物会向宿主提供一些营养素，而乌贼与细菌的关系则不是这样。尽管没有费氏弧菌，乌贼也可以生存，这却增加了恩盖的工作难度，即分别进行饲养并观察它们第一次相遇的过程。
变PAMP为MAMP
首先，恩盖得找到一个对细菌比较了解的合作者。鲁比说：“我想我是她找到的第三个微生物学家，不过是第一个说yes的。”她们在洛杉矶上课时相遇。从恩盖开始研究乌贼以来，他们就成为了专业上的合作伙伴。德国马克斯·普朗克研究所海洋微生物学家尼科尔·杜比利埃（McFall-Ngai）说：“我认为她们俩才是真正的‘共生关系’。”
恩盖和鲁比原先在不同的研究机构工作，后来在马诺阿的夏威夷大学的楼层相邻，最后在麦迪逊威斯康星大学的房间相邻。他们知道费氏弧菌在几个小时内就能寄居到乌贼身上，不过，这种细菌是如何进入发光器官的？而其他的海洋细菌在数量上超过它1 000倍，为什么只有它能做到？为了找到原因，恩盖解剖了乌贼的发光器官，鲁比则在细菌中转入荧光蛋白，以追踪微生物的活动模式。
经过一段时间的观察，尽管费氏弧菌与乌贼共生关系的一些细节仍有待探索，但他们发现，这种关系起始于新生乌贼的下腹，即布满黏液的纤毛产生一股可将细菌吸引过来的“洪流”。然而在2013年，恩盖的博士生娜塔莎·克雷默（Natacha Kremer）发现，当费氏弧菌接触到乌贼时能改变后者几十个基因的表达，其中一些基因能表达多种抗菌化学成分，创造了一个大部分细菌无法生存的抑菌环境，而费氏弧菌除外。其他基因则释放一种酶，把乌贼黏液分解成能吸引更多细菌的壳二糖。只要5个细菌细胞就能触发这些改变，这种微生物很快就占领了乌贼下腹的纤毛区域。
壳二糖还能刺激细菌迁移到乌贼发光器官中的三个腺管里。细菌一旦到达这里，腺管体积和密度在变大的同时，把细菌紧紧包裹起来――充满发光细菌后，腺管会自行关闭，在乌贼剩余的3～10个月的生命中，这些细菌都将密封在腺管内。
让人吃惊的是，恩盖团队在2004年发现，细菌携带的两种分子――肽聚糖和脂多糖――是引发这些变化的原因。在当时，这两种分子只被认为与疾病发生有关的病原体相关分子模式（PAMP），即它们会就迅速发展的感染向动物免疫系统发出警报。恩盖把其中代表病原体的P换成代表微生物的M，并命名为MAMPs。她认为，虽然这些分子引发的炎症使人衰弱，但也能开启一段友好关系：没有它们，乌贼的发光器官永远不会成熟。
对恩盖来说，这个结果揭示了更广阔的生物学主题：动物的生长并非只受到基因组“蓝图”的影响，寄居其体内的微生物同样也会产生影响。康奈尔大学微生物学家安吉拉·道格拉斯（Angela Douglas）说：“恩盖的研究没有停留在小范围中。”当恩盖1991年提出这个概念时，就得到其他科学家的认可，他们发现动物的身体和免疫系统只有在接触到细菌之后才能真正的成熟，从采蝇到哺乳动物概莫能外，这就是对MAMPs的反应。
比如，夏威夷大学的海洋生物学家迈克尔·哈德菲尔德（Michael Hadfield）发现，一些海洋蠕虫的幼虫只有在遇到细菌时才会变成成虫，这说明最原始的动物起源于充满细菌的海洋。“它们很可能是利用细菌作为发育改变的信号。”他说。
恩盖也支持其他一些观点，比如一个有关免疫系统适应性的观点。免疫系统是脊椎动物特有的，目标是用特定抗体对抗外来微生物威胁，使免疫系统保存记忆。对于乌贼等无脊椎动物较为简单的先天免疫系统（只存在一些寿命短暂的防御细胞中），很多免疫学家推测，因为寿命较长，脊椎动物进化出获得性免疫，这种更复杂的系统能较好地抵御外来病原体的入侵。
2007年，当科学家对微生物组学的兴趣有所减退时，恩盖提出了另一种假说。在《自然》杂志一篇《控制微生物群体》的评论中，她说之所以进化出获得性免疫，是因为脊椎动物要控制比无脊椎动物更复杂的微生物组，这个系统在支持有益微生物的同时，也遏制构成威胁的微生物。
不是所有人都认同这个假说。圣地亚哥州立大学的免疫学家福雷斯特·罗韦尔（Forest Rohwer）指出，尽管珊瑚缺乏获得性免疫，但其周围有大量复杂的微生物组。他还认为获得性免疫能让脊椎动物调节自身的大型微生物组。“这是对免疫系统不一样的解读，”道格拉斯说，“是一种很有代表性的观点，人们可以同意或不同意。如果有人说‘还记得那篇文章吗’，所有人都明白是指什么。这些观点用非常明智的方式向传统观念发起了挑战。”
一次重要的革命
恩盖不但表现出科学家的勇气，更散发着女政治家的自信。朋友都说她像个女王。她对生物-微生物之间相互作用的重要性是如此的深信不疑，以至于她的讲话看似是在传道。“现在我们知道微生物构成了生物圈巨大的多样性，而且动物生物学是通过和微生物相互作用形成的，”她说，“在我看来，这是继达尔文之后一次最重要的生物学革命。”
2005年，当美国微生物学会被传染性疾病研究所主导时，她说服该学会举行了第一个有关益生菌的学术会议，时至今日，这个会议的主题一直颇受欢迎。此后她作为奥巴马的国家科学院委员会成员，参与勾勒21世纪美国生物学研究的发展方向。2012年，她帮助纽曼开设了一门新课，用微生物作为开篇给本科生讲授生物的原理，为此她必须在假期里经常从麦迪逊飞往帕萨迪纳。
恩盖用自己对乌贼的热情打造了一个学术王朝。迄今，已经培养了数十名科学家，其中16人仍在研究微生物的共生现象，成为了各自实验室的带头人。不过她认为“我发展了这个领域，却‘吞噬’了年轻人的成长空间，这不是什么好事。”为此，恩盖和鲁比每年都主办一个名为Pow-Wow的学术讨论会，邀请已经建立起自己实验室的博士后来讲述他们研究的方向，交流分享各自的研究成果，或者一些新的想法。鲁比说：“如果有人说‘我也想那么做’，与会者就会和有这一想法的人深入交谈。”
虽然有交流的欢乐，但他们还必须为有限的经费而竞争。“我申请研究项目时被告知，‘我们已经资助了某某或某某人，经费已所剩无几了。’”恩盖早期的学生斯宾塞·尼霍姆（Spencer Nyholm）说。他目前在康乃狄格州大学工作。“我不能想象，如果有人打算研究果蝇、线虫或小鼠时他们还会这么说。”
恩盖说她的事业正处于起步阶段。在研究中她们发现，有时一些不会发光的费氏弧菌也会寄生到乌贼身上，但乌贼会通过发光器官中的光敏蛋白从约100万个发光细菌中将那几个异类清除。目前团队正在研究乌贼是如何做到这一点的――这或有助于解释人类和其他脊椎动物是如何控制更复杂的微生物组的。
团队同时还发现，乌贼与费氏弧菌的之间的关系在一天之中会有所变化，即控制微生物只在夜里发光。2013年，恩盖从前的学生伊丽莎白·希斯-赫克曼（Elizabeth Heath-Heckman）发现，费氏弧菌能通过影响一个基因，反过来影响乌贼的昼夜节律，这个基因会产生一种名为隐花色素的蛋白，影响大多数动物昼夜节律。隐花色素通常被环境光激活，但是赫克曼发现，乌贼体内一种隐花色素基因只对费氏弧菌发出的蓝色光有反应，使蛋白产量迅速提升。
基于这项研究，团队预言了人体内的微生物组的互相作用可能也随日夜交替。很快，证据便出现了。2014年，以色列的一个小组发现，人体肠道中很大一部分微生物的丰度在24小时的周期内有升有降。例如，经常倒时差会打乱这些节奏而导致体重增加。
“有一件事情我们经常灌输给那些来实验室参观的人，”鲁比说，“之所以对乌贼上心，是因为乌贼能帮助回答我们想要知道的一些重要问题。”为了解决这些未决问题，恩盖和鲁比将返回夏威夷火奴鲁鲁的太平洋生物科学研究中心。这是一个圆梦的地方，让她们去做自己喜欢的事――滑板和徒手冲浪，顺便还可以在月光下观察乌贼。
“这个方向曾经是一潭死水，”恩盖说，“如今却是领域中的排头兵。看着人们认识到微生物才是这个宇宙的中心，看着这个领域进入兴旺时期，我觉得非常非常的有趣。”
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣