“遇事不决,量子力学,机制难寻,肠道菌群”究竟有没有道理?
当一篇神奇的论文被公诸于世的时候,今年的顺口溜在“遇事不决,量子力学”的后边又新增了一句“机制难寻,肠道菌群”。
这句话真的有道理么?
肠道菌群真的有这么神奇么?
让我们来看一下,肠道菌群究竟对我们做了什么。
微生物会改变我们的免疫系统
1941年12月7日上午,珍珠港事件爆发。美国亚利桑那号战列舰从此长沉海底。70多年过去了,珍珠港已经变得风平浪静,但是对于现代的舰船而言,最大的问题反而是船底的盘管虫——这种虫子会在船底附生,让整个船只底部仿佛盖了一层垫子。
这种虫子就是华美盘管虫,它的神奇之处就在于,幼虫想要成长为成虫,必须要有“藤黄紫假交替单胞菌”的存在,接触了这种细菌的盘管虫才能长大并且固定在船底,如果没有这种细菌,华美盘管虫就将永远无法长大。
在某些层面上说,华美盘管虫和藤黄紫假交替单胞菌就像是共生的一样。而我们的免疫系统显然对这个依存关系更加熟悉,只不过免疫系统与微生物之间充满着协商与周旋。
免疫系统保护着我们的身体,这是一个复杂的系统,我们可以把它想象成一台巨大的机器,由一系列数不清的零部件组成;它们产生信号,触发彼此,一个接一个地传递下去。
值得注意的是,我们的基因组并不能为一个成熟的免疫系统提供所需的一切,一个成熟的免疫系统需要微生物来帮助,在一个全新的免疫系统诞生的时候,他们就像一台机器,需要一些微生物来帮忙“试机”。
比如说炎症,这是一种防御反应,免疫细胞冲向损伤或受到感染的部位,造成肿胀、发红、发热的症状。这对保护人体免受威胁而言非常重要,因为如果没有炎症,我们会持续遭受感染。但有时候,免疫本身也会成为问题。如果免疫反应遍及全身、持续时间过长,或者轻易就能触发,那么就会导致哮喘、关节炎,以及其他炎性和自身免疫性疾病。所以,炎症必须在正确的时间点被触发,并适当地加以控制。抑制和激活它同样重要。这两方面的工作,微生物都能胜任。有些微生物会刺激“鹰派”免疫细胞的反应、触发炎症,另一些则会诱发“鸽派”抗炎细胞。它们把人体状态平衡在二者之间,使我们能够应对威胁做出反应,但又不至于过度反应。
如果没有微生物的“校准”和“试机”,我们的免疫系统将会无所适从,就像那些无菌小鼠——既容易感染,又容易患自身免疫病,因为没有微生物的免疫系统既不能在威胁入侵时让免疫系统做出合适的应答,也不能在相对安全时阻止不恰当的反应发生
肠道菌群会影响我们的大脑
1822年6月6日,五大湖地区的一座小岛上,一个名为亚历克西斯·圣马丁的20岁毛皮商,被步枪误射,岛上的医生威廉·博蒙特救了他的命,只是圣马丁的伤口一直不能愈合:他的胃附着在皮肤的创口上,形成了一个连通体内与外界的洞。圣马丁无法打猎,也无法继续自己的生意,就做了博蒙特的杂役,而博蒙特则将他当成了“实验豚鼠”。
当时的人们对消化系统的具体运作一无所知,通过圣马丁的伤口,博蒙特仿佛看到了一扇机会之窗。他收集了许多胃酸样本,有时还直接把食物送进这个开口,用肉眼观看消化过程。实验一直持续到1833年,在此之后,圣马丁回到加拿大魁北克省,余生一直务农,直到78岁离开人世。而博蒙特则摇身一变,成了“胃生理学之父”。
博蒙特通过多次观察注意到,圣马丁的情绪会影响他的胃。当他生气或变得易怒时,他的消化速度会改变。这是大脑影响肠道运作的第一个明确信号。近两个世纪过去了,这一关联对于我们而言已太过熟悉:情绪变化时,我们会没胃口;当我们感到饥饿时,情绪也会变化。
我们精神状况和消化问题往往紧密相连。生物学家用“肠—脑轴”来描述连通肠道和大脑之间的双向线路。
肠道微生物是这条“轴”的一部分,而且于两个方向而言都很重要。20世纪70年代以来,各种压力,例如饥饿、失眠、不舒服的温度都会改变肠道微生物,这些微生物会影响宿主的行为,比如社交态度和抗压力的能力。更重要的是,在无菌环境下生长的小鼠往往表现出一种自闭的现象,当重建小鼠的肠道微生物之后,小鼠的自闭现象有所缓解。
我们有理由相信,脑病,其实可以用肠医。
微生物让我们可以吃种类特别多的东西
清晨,墨西哥帕伦克国家公园。
动物学家凯瑟琳·阿马托每天都做着同样的事情:竖耳倾听。当阳光穿透树林,树枝后面传来一阵阵深沉而嘹亮的吼声,这来自墨西哥吼猴。阿马托跟随在猴子后边收集它们的粪便。
吼猴在全年不同时刻吃不同的食物:它们半年时间吃无花果和水果,这些食物高热量,易消化,剩下的时间吃叶和花,这些食物低热量,难消化。但是吼猴不论吃什么,他的状态都很活跃——只是肠道的微生物出了变化,具体而言,在没有果实的季节,它们会产生更多的短链脂肪酸。由于这些物质能为猴子的细胞提供营养,当吼猴通过食物摄入的热量有所减少时,微生物会有效地为它们提供更多的能量。任凭季节变幻,微生物为吼猴保证了稳定的营养供给。
在某些层面上,我们与吼猴一样——我们的饮食也因季节而异,甚至每天都不同。每吃下一顿饭或一口菜,我们都会选择最适合消化它们的微生物。微生物以令人难以置信的速度对我们的食物做出反馈。
有一项研究找了十位志愿者,给了他们两种食谱,让他们按照每种食谱严格坚持吃五天:一种富含水果、蔬菜和谷物,另一种则包括大量的肉、鸡蛋和奶酪。随着饮食结构的改变,他们的肠道也非常迅速地召唤了新的微生物菌群。一天之内,肠道菌群可以从分解碳水化合物和消化植物的模式,转变成分解蛋白质和消化肉类的模式,反之亦然。事实上,这两种菌群看起来分别与食草和食肉动物的肠道微生物菌群相符。在不到一周的时间内,它们就重现了别处经历数百万年的演化。
就这一意义而言,肠道微生物让我们成了更灵活的食客,在肉食和素食之间转换的时候,要记得微生物的功劳。
微生物会赋予我们全新的能力
在日本的海岸沿线,有一种红棕色的海藻紧贴着潮汐冲打的岩石,这就是海苔。日本人食用它们的历史已经超过1300年。起初人们把海苔研磨成可食用的糊状物,后来则把它们压成了薄片,用来裹寿司。这种做法延续到了今天。海苔的人气很高,也传播到了世界各地。不过它与日本的关系更特殊,这个国家长期以来食用海苔的习惯,让日本人拥有了消化它们的特殊能力。
海苔含有的碳水化合物从未在陆地植物中存在过,人类不可能产生分解它们的酶。但是海洋中有很多细菌可以分解这些碳水化合物,比如佐氏菌。
试想象几个世纪之前的某一天,佐氏菌在日本的沿海水域中,占据一块海苔,食用并消化海苔。突然,这个微生物的世界被连根拔起。一位渔夫正在收集海苔,还把它们捣成了海苔糊。他的家人狼吞虎咽地吃下这些海苔,也一并吞下了这些佐氏菌。佐氏菌忽然发现,自己进入了一个全新的环境。冰冷的海水被胃液取代,身边原来的海洋微生物群被奇怪和不熟悉的物种取代。不过,与这些异域陌生菌混合在一起时,它会按照以往遇到类似情况的经验而沿用一种手段:共享基因。
生物学家扬-亨德里克·黑埃曼在人类肠道的拟杆菌中发现了佐氏菌的基因,这就是上面那个故事的结果,佐氏菌在肠道中短暂的逗留中把自己的基因传递给了拟杆菌,其中就包含可以生成紫菜多糖酶的基因——人类的肠道微生物获得了分解海苔中独特碳水化合物的能力,其他微生物同类并不具备这种能力,所以它得以独占这种能量源,并逐渐养成习惯。黑埃曼发现,这些肠道微生物基因组中的大量基因,最接近于海洋微生物的基因,而不是其他肠道微生物的。通过反复借用海洋微生物的基因,它能够熟练地消化海苔。
因为一直吃海苔,日本人的肠道微生物已经含有来自海洋物种的消化基因。几个世纪以来,食客只能通过生吃海苔而把这些微生物送入肠道,接着再由大人把含有紫菜多糖酶基因的肠道微生物传递给孩子。直到今天,黑埃曼仍能观察到同样的遗传现象。他的其中一个研究对象是一个没有断奶的女婴,出生之后一口寿司都没吃过;然而与她的母亲一样,她的肠道细菌中含有紫菜多糖酶的基因。女婴体内的微生物一开始就拥有了消化海苔的能力。
几个世纪以来,日本人仅靠食用海苔就从海洋中获得了一整套消化基因,完成了令人难以置信的从海洋到陆地的演化之旅。基因从海洋微生物中水平地移动到肠道微生物中,再垂直地从一代人的肠道遗传给下一代人。人类无须演化出可以分解海藻中碳水化合物的基因,只要吞下足够多可以消化这些物质的微生物,我们自己的细菌就会通过共享基因“学习”消化它们的能力。
谁能说这不是一种进化呢?
我们到底该如何看待我们的肠道微生物?
肠道微生物是我们生命中的自然组成。它们帮助塑造了肠道、免疫系统、神经系统等身体部位,造福我们。但是,我们不能因此而陷入一种虚假的安全感。共生的微生物仍然自成一体,它们也需要拓展自己的利益,在演化的战场上拼杀。
它们可以是我们的合作伙伴,但不是我们的朋友。即使在最和谐的共生关系中,也总有冲突、自私和背叛。肠道微生物能轻易地在病原体与共生体之间切换,“友好”的肠道微生物需要与宿主建立稳定的关系。它必须在肠道中存活、扎根、不被扫地出门,并与宿主细胞相互作用。这些也是病原体必须做的。无论是共生体还是病原体,无论是英雄还是恶棍,通常都会使用相同的分子,服务于相同的目的。
自然界中的伙伴关系都是如此。欺骗永存,背叛四伏。伙伴们可能一起工作,但如果其中一方不用太努力或花费太多精力便可搭上便车、获得同样的好处,它肯定会这样做,除非会面对惩罚或被施加管理。赫伯特·乔治·威尔斯曾于1930年写道:“每段共生关系背后都多多少少暗藏敌意,只有通过适当的规则加以约束以及精心地调节,才能保持互利状态。
尽管人类拥有智慧、能够掌握互利关系的意义,但在人类事务中,互利的伙伴关系也不容易维持。低等生物更是没有这样的理解能力来帮助它们保持关系。相互成立的伙伴关系在建立之初多是盲目的,是他者无意间造就的一种适应。”
这些原则很容易被遗忘。我们喜欢非黑即白的叙事,英雄与恶棍泾渭分明。我们总是在“所有细菌必须被消灭”到“细菌是我们的朋友,希望它们帮助我们”之间摇摆。但其实这两种观念本质上是“同一枚硬币”的两面。
其实,如果用微生物的视角去观察我们的世界,每一个人其实都是能与他人互动的移动生态系统,每一个人都包罗万象。与这些小伙伴们在一起,我们需要做的恐怕是首先摒弃“机制难寻,肠道菌群”的观念,去把握肠道菌群带来的机遇,而不是去开嘲讽。更重要的是,学会与我们的小伙伴们共存,利用它们让我们的生活更美好。
毕竟,我包罗万象。