關於我們臉上的小生物，你不知道的三件事

• 作者 / 梅林．謝德瑞克
• 譯者 / 周沛郁

我們目前還不清楚菌根關係最初是怎麼形成的。有些人大膽提出，最初的相遇溼黏而沒有條理──藻類被沖上泥濘的湖岸和河岸，而真菌在這些藻類體內尋找食物和庇護。有些則主張，藻類來到陸地時，體內已經帶著真菌夥伴了。里茲大學（University of Leeds）教授凱蒂．菲爾德（Katie Field）解釋，不論如何，「它們很快就變得依賴彼此」。

菲爾德是一位傑出的實驗者，投入多年的時間研究現存最古老的植物支系。菲爾德用生長箱模擬遠古的氣候，並用放射性示蹤劑，測量生長箱裡真菌和植物之間的交換作用。真菌與植物的共生方式提供了線索，讓我們了解植物和真菌遷移到陸地的最早階段是怎麼互動的。化石也讓我們一瞥這些早期的聯盟。最精細的樣本來自大約四億年前，含有明確的菌根菌痕跡──羽狀瓣和今日一模一樣。菲爾德讚歎道：「你可看到真菌居然就長在植物細胞裡。」

最早的植物幾乎只是一坨綠色組織，沒有根或其他特化的結構。而這些植物逐漸演化出粗糙的肉質器官來容納真菌同伴，真菌則搜尋土壤中的養分和水。最初的根演化出來時，菌根關係已經存在五千萬年了。菌根菌是陸地上後續所有生命的根源。菌根（mycorrhiza）這個詞真是取得好。根（rhiza）隨著真菌（mykes）存在於世。

數億年後的今天，植物演化出更細、生長更快、更能見機行事的根，這些根表現更像真菌。不過即使是這些根，探索土壤的表現也無法超越真菌。菌根的菌絲比最細的根細了五十倍，長度可以超越植物根部達一百倍，比植物根部更早出現在植物上，延伸到根系之外。有些研究者更進一步。我的一位大學教授向一班吃驚的學生吐露：「植物其實沒有根，只有真菌根，也就是菌根。」

菌根菌太多產，菌絲體占土壤中活生物量的二分之一到三分之一。根本是天文數字。全球土壤表層十公分之中，菌根菌絲的總長度大約是我們銀河系寬度的一半（菌絲長 4.5 × 10¹⁷ 公里，銀河系寬度 9.5 × 10¹⁷ 公里）。如果把這些菌絲熨成一片，總表面積是地球上乾燥土地面積的二點五倍。然而，真菌不會停滯不動。菌根菌絲迅速死去、再度生長（一年十到六十次），一百萬年後，累積的長度會超過已知宇宙的直徑（菌絲長 4.8 × 10¹⁰ 光年，已知宇宙直徑是 9.1 × 10⁹ 光年）。菌根菌已經存在了大約五億年之久，而且不限於土壤表層十公分的地方，所以這些數字顯然低估了。

植物和菌根菌在彼此的關係中產生一種極化現象──植物的莖處理光與空氣，真菌和植物的根則處理周圍的土壤。植物把光和二氧化碳打包成醣類和脂質。菌根菌則把固著在岩石裡的養分拆開，分解物質。這些是真菌在雙重棲位下的情況──真菌一部分的生命發生在植物體內，一部分在土壤中。菌根菌駐紮在碳進入陸生生命循環的入口，牽起大氣和土地的關係。時至今日，菌根菌就像擠進植物葉和莖裡的共生真菌，會幫助植物應付乾旱、炎熱和其他許多陸地生命一開始就有的逆境。我們稱為「植物」的，其實是演化成來栽培藻類的真菌，以及也演化來栽培真菌的藻類。

——本文摘自《真菌微宇宙：看生態煉金師如何驅動世界、推展生命，連結地球萬物》，2021 年 8 月，果力文化。

人體內外住著許多微生物，腸道、皮膚、生殖器官、口腔等部位有不少微生物與人共生，可謂小小生態系。這些迷你生物們種類繁多，多半無法人為培養，從前難以研究。

受惠於科技進步，如今可以直接定序樣本中所有 DNA，拼湊不同生物的基因組。因此即使是無法培養、甚至是前所未知的微生物，都有機會被新的辦法找到。

同樣概念也能用於古時候的樣本，了解古代的共生微生物。最近有 2 篇論文發表，分別探討和古代人類共生的口腔與腸道菌。

從牙結石獲得古代口腔微生物

研究古人口腔中的微生物，比研究皮膚、腸道等其他部位容易。這是因為軟組織很難保存，即使有軟組織，除了冰人奧茲等罕見案例之外，裡頭的微生物也很難留下蹤影；相較之下，口腔中的各種成分卻常常會進入牙結石，和牙齒一同遺留至今。

過往曾有一些古代智人牙結石的研究問世，而距今數萬年之久的尼安德塔人，也有過幾件樣本發表。

這次的兩篇新論文，除了 15 個已知樣本之外，又獲得 109 個新的牙結石；這總共 124 件的樣本，分別來自美洲的吼猴，非洲的大猩猩、黑猩猩，數萬年前的尼安德塔人和智人，以及更近期的智人。^{[1, 2]}

各種靈長類動物之間，有些共通的微生物款式，由此可以推論，某些微生物，與靈長類應該有著長期的共生關係，也許超過千萬年。口腔中的微生物，主要有鏈球菌屬（Streptococcus）、放線菌屬（Actinomyces）、細梭菌屬（Fusobacterium）、棒狀桿菌屬（Corynebacterium）幾大類。

研究微生物常常碰到的困難是，近親彼此間變化太多，也有很多不知道的款式。這回由人類牙結石取得的口腔微生物們，根據遺傳差異總共可以歸類為 27 個屬（genus）的層級，可是其中 3 群竟然連名字都沒有。

也就是說，儘管它們曾經是人類口中主要的微生物，整個屬卻都沒有已知的資訊。對於共生微生物，還有太多未知之處。

歐洲智人與尼安德塔人，口腔共享微生物？

這回獲得年代最早的樣本，是距今約 10 萬年的尼安德塔人，來自東歐的塞爾維亞 Pešturina 遺址，其餘數萬年前的尼安德塔人，則位於西班牙、比利時、義大利。

有趣的是，早於 1.4 萬年前的歐洲智人，和更早的尼安德塔人有類似的口腔微生物組成；晚於 1.4 萬年的歐洲智人卻明顯不同，接近後來的智人。已經知道距今 1.4 萬年過後有不少移民進入歐洲。看來狀況是：不同人群，也攜帶不同的口腔微生物。

歐洲較早智人的口腔微生物，和尼安德塔人有直接關係嗎？口腔微生物的形成和寶寶的照顧者有關，研究者因此推論，當初進入歐洲見到尼安德塔人的智人，雙方有過小孩，也獲得了尼安德塔人的口腔微生物。^[3]

問題是，上述推論不符合已知證據。智人繼承的尼安德塔人 DNA 皆來自超過 5 萬年前，非洲外族群尚未分家以前的階段。超過 4 萬年前進入歐洲的智人，確實見過尼安德塔人，有些人還有過更多遺傳交流；但是他們後來都滅團了，和更晚的歐洲智人沒有直接關係。^{[4, 5]}

• 延伸閱讀：最初移民歐洲的智人，與尼安德塔人情慾交流，但是後來滅團

與尼安德塔人擁有類似口腔微生物，距今 1.4 到 3 萬多年前的歐洲智人，非常可能是在尼安德塔人消失以後才進入歐洲，其實沒有見面的機會。雙方的口腔微生物之所以相似，我想並非來自直接交流，而是另有原因。

即使沒有農業，智人與尼安德塔人都吃很多澱粉？

另一項值得一提的發現是，尼安德塔人與智人的口腔，都存在不少會消化澱粉的鏈球菌型號。如果飲食中沒什麼澱粉，這類微生物不太可能這麼豐富；由此推論，尚未發明農業的智人，甚至是尼安德塔人，或許平時都攝取不少澱粉。

古今的智人飲食可謂千變萬化，即使沒有米、麥、玉米等農作物，不依賴農業，光憑採集塊根、塊莖、果果等食物，也能獲得大量澱粉。

至於尼安德塔人吃什麼，目前了解仍很有限。有些研究認為尼安德塔人主要吃肉，尤其是大型植食動物的肉。這回提出的大量澱粉，仍是需要驗證的論點。

• 延伸閱讀：短篇 尼安德塔人，主要吃肉肉

我個人的想法是，即使沒有農業，仰賴所謂的採集、狩獵、漁業，不同時空的智人飲食也差異很大，尼安德塔人或許也是如此。有些吃肉當主食，有些大量攝取澱粉，搞不好更接近實際狀況。至今取樣非常有限下，難以評估尼安德塔人的飲食多元性。

一千多年前美洲古人的腸道菌

住在腸道的微生物們會影響消化、免疫等功能，近年來知名度大增，可能連榕樹下的阿伯都知道。

近日發表的另一項研究，獲得了距今 1000 到 2000 年前，幾位美洲古人的腸道菌。取樣腸道菌通常不會深入腸道，而是由糞便採樣。新研究也是如此，稀有的樣本來自美國西南部 3 處遺址的糞便化石。^{[6, 7, 8, 9, 10]}

研究者嘗試 15 個樣本，成功 8 個，定序當中所有 DNA 後，總共拼湊出 498 種細菌的基因組。這兒想要探索的對象是「古代」「腸道菌」，排除疑似非古代的樣本後剩下 209 個，其中只有 181 種源自腸道，最有機會真的是古代人的腸道菌。

微生物數量多、突變多，品系差異千變萬化，大部分不在人類的認知內；這類研究方法又是靠拼湊 DNA 推測，沒有獲得完整的真正細菌。因此這兒的「種」和一般講的物種不太ㄧ樣，指的是 species-level genome bin，簡稱 SGB。為求方便，本文直接寫成種。

181 種古代腸道菌中有 39%，也就是 61 種之前沒有見過。它們或許已經消失，或是古代美國西南部獨特的款式。探索古代微生物時，發現未知的微生物算是常態。

呼應人類大歷史的腸道共生關係

古代和 789 位現代人相比，大部分腸道菌種類還是共通的，不過遺傳上有點出入。古代樣本拼湊出 2 款 Methanobrevibacter smithii，中文姑且稱之為「史密斯甲烷短桿菌」。甲烷短桿菌常常在腸道發現，它們不是細菌，是古生菌（archaea，也叫作太古生物）。

超過一千年的 2 款史密斯甲烷短桿菌，遺傳上彼此最相似，落在現代樣本的 DNA 變異之內。估計所有這類古生菌共同祖先的年代，介於距今 5.1 到 12.8 萬年之間，平均 8.5 萬年前。似乎是智人祖先離開非洲時，裝在肚子裡，一起帶著走的腸道菌之一。

有意思的是，美洲古代古生菌和最近同類分家的年代，介於距今 1.6 到 4 萬年之間，平均 2.7 萬年前。倘若估計正確，大概落在智人移民美洲，與亞洲漸漸分家的年代範圍。

這些與人共生的微生物，也隱藏著遷徙移民史的線索。

尚未工業化，沒有抗生素的年代

生活環境、日常飲食，都是影響腸道菌組成的主要原因。和 789 位現代人相比，古人的腸道菌較接近非工業化社會的人，和工業化社會的人差異很明顯，符合預期。

基因層次上，工業化社會現代人的腸道菌，有比較多分解聚糖（glycan）的基因（endo-4-O-sulfatase、SusD-like protein）。

相對地，古人和非工業化現代人的腸道菌，則有較多分解澱粉、肝糖（glycogen）的基因（carbohydrate-active enzyme，簡稱 CAZyme）；另外它們的可動遺傳因子也比較多（mobile genetic element，例如轉座子），也許在變動的環境下，有助於增加適應力。

但是不論工業化或非工業化社會的現代人，腸道菌配備對抗抗生素的基因，都明顯比古人更多。讓我們一瞥抗生素廣泛使用後，對腸道菌的影響。

上述兩項研究，不管論點有無道理，樣本都相當難得，肯定是酷炫的研究！

延伸閱讀

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• 十年養一菌！普羅米修斯古生菌，加入洛基、索爾的阿斯嘉殿堂

參考資料

1. Yates, J. A. F., Velsko, I. M., Aron, F., Posth, C., Hofman, C. A., Austin, R. M., … & Warinner, C. (2021). The evolution and changing ecology of the African hominid oral microbiome Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(20).
2. Turns out developing a taste for carbs wasn’t a bad thing
3. The surprising evolutionary history of our oral bacteria
4. Hajdinjak, M., Mafessoni, F., Skov, L., Vernot, B., Hübner, A., Fu, Q., … & Pääbo, S. (2021). Initial Upper Palaeolithic humans in Europe had recent Neanderthal ancestry. Nature, 592(7853), 253-257.
5. Prüfer, K., Posth, C., Yu, H., Stoessel, A., Spyrou, M. A., Deviese, T., … & Krause, J. (2021). A genome sequence from a modern human skull over 45,000 years old from Zlatý kůň in Czechia. Nature Ecology & Evolution, 1-6.
6. Wibowo, M. C., Yang, Z., Borry, M., Hübner, A., Huang, K. D., Tierney, B. T., … & Kostic, A. D. (2021). Reconstruction of ancient microbial genomes from the human gut. Nature, 1-6.
7. Ancient human faeces reveal gut microbes of the past
8. Ancient gut microbiomes may offer clues to modern diseases
9. Research reveals ancient people had more diverse gut microorganisms
10. Piles of ancient poop reveal ‘extinction event’ in human gut bacteria

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

• 作者／艾德．楊 (Ed Yong)；譯者／田菡、楊仕音、劉蓉蓉

編按：動物學家瑪格麗特．麥克弗爾．奈，近三十年來致力於研究短尾烏賊和牠身上的發光細菌。讓我們一起來看看，她所帶領的研究團隊發現微生物有什麼樣的特殊能力。

當麥克弗爾．奈還是名研究生時，她研究的是一種也帶有發光細菌的魚類。

麥克弗爾．奈為之著迷，卻也因它而感到很沮喪。這種魚無法在實驗室中繁殖，所以每一隻她經手的個體都已經有共生菌入住，她因此無法用來研究她真正有興趣的問題：共生伙伴第一次相遇時會發生什麼事？雙方如何建立連結？是什麼力量阻止其他微生物進駐到宿主身上？

直到那天，一位同事對她說：「嘿，妳聽說過這種烏賊嗎？」

夏威夷短尾烏賊與發光細菌的共生

雖然胚胎學家熟悉夏威夷短尾烏賊，微生物學家熟悉牠身上的發光細菌，大家卻都忽略兩者之間的共生伙伴關係——但這種伙伴關係對麥克弗爾．奈來說正是重點。

為了研究共生伙伴，她自己也需要一個「伙伴」，一個瞭解細菌的人來與她的動物學專業知識互補。

這個人是涅德．盧畢 (Ned Ruby)。「我大概是她找的第三個微生物學家，卻是第一個答應她的人。」盧畢說。他們兩人先是在專業上合作，但不久之後，也開始了浪漫關係。

盧畢優哉游哉的衝浪人性格與麥克弗爾．奈的女強人特質正好「陰陽互補」，正如一位他們的共同朋友告訴我的，那兩個人是「真正的共生」。

今天，他們的實驗室相鄰，研究的物種——短尾烏賊——也相同。

短尾烏賊被養在一整排陳列於狹窄走廊的水族缸裡，這些水族缸一次總共可以住得下 24 隻。每當新一批的短尾烏賊送到時，實驗室主任貝基亞雷斯就會挑一個字母，讓所有學生替牠們取名。我之前見到的那隻「女士」叫 Yoshi。Yahoo、Ysolde、Yardley、Yara、Yves、Yusuf、Yokel 和 Yuk（這是位「先生」）分別住在相鄰的水族缸裡。

「女士們」每兩週會有一次「約會之夜」，交配後，牠們會被留在一間育嬰中心，裡面的水缸裡擺滿 PVC 水管，在水管裡面產下數百顆卵。孵化的過程耗時數週。

當我們參觀育嬰中心時，看見架子上有一個塑膠杯，杯裡有幾十隻小烏賊在抖動，每隻身長約莫數毫米。十隻雌烏賊每年可以生出六萬隻小烏賊，這也是牠們成為如此受歡迎的實驗動物的原因之一。

另一個原因則是：小烏賊出生時是無菌的。如果在野外，費雪弧菌在幾個小時內就會住進小烏賊體內。但在實驗室中，麥克弗爾－奈和盧畢可以控制要讓哪種共生菌進入小烏賊體內。

他們還可以把發光的蛋白質標在費雪弧菌的細胞上，以便觀察它們如何進入烏賊的發光器。這樣一來，研究人員就能見證共生關係的發生。

見證共生關係發生的時刻！

這段共生關係始於物理機制。

發光器的表面覆蓋著黏液和會擺動的小毛（稱為纖毛），纖毛擺動造成小水流，可以推動與細菌差不多大小的顆粒，但再大就不行，所以可以讓各種微生物聚集在黏液中，包括費雪弧菌。

物理之後是化學接棒，當一隻費雪弧菌接觸到短尾烏賊時，烏賊不會有任何反應；兩隻，依然無動於衷；但如果有五個細胞接觸到短尾烏賊，就會啟動很多烏賊基因。其中一些基因負責製造各種抗菌物質，這些物質傷不了費雪弧菌，卻可以讓其他微生物難以生存。其他基因則釋放出能分解短尾烏賊身上黏液的酵素，用來產生能吸引更多費雪弧菌前來的分子。

這些烏賊身上的變化解釋了為什麼即使一開始其他細菌數量是費雪弧菌的一千倍，費雪弧菌卻仍能很快地占據黏液層。光是費雪弧菌自己，就能把短尾烏賊的表面轉化成能吸引自己同類及阻止競爭對手的環境。

費雪弧菌就像科幻故事裡的主角，能把環境艱困的星球變成舒適的家園，只是它改造的是動物不是星球。

當費雪弧菌在體外造成短尾烏賊的改變後，接著就開始往烏賊體內移動。費雪弧菌從其中一個小孔鑽入，穿過長長的管道，擠過管頸，最後抵達盡頭的隱窩。

費雪弧菌會在這裡進一步改造短尾烏賊。隱窩內壁排列的柱狀細胞會因此變得更大、更緊密，緊緊包圍著來到這裡的費雪弧菌。在細菌適應改造後的內部構造時，烏賊也關上了弧菌的來時路：隱窩的入口變窄，管道收縮，表面纖毛脫落。

發光器終於發育成熟。有了正確的細菌入住——再次強調，費雪弧菌是這趟旅程唯一的主角——之後，沒有其他微生物可以再住進來了。

改造生物超能力？其實微生物就能辦到！

好喔，但那又怎樣？花這麼多力氣把一隻小動物研究得那麼透徹，似乎太鑽牛角尖。但是這些短尾烏賊上的細節隱藏著深遠的意義，而且麥克弗爾．奈馬上就領悟到這一點。

1994 年，在她的第一批烏賊研究完成後，她寫道，「這些研究結果會是第一個實驗數據證明，特定的共生細菌可以誘導動物發育。」

換句話說，微生物「雕塑」了動物的身體。

但，怎麼做？2004 年，麥克弗爾．奈的研究團隊發現，費雪弧菌表面上的兩個分子擁有改造烏賊的能力：肽聚醣 (peptidoglycan) 和脂多醣 (lipopolysaccharide)。

這真是個驚喜！當時的人們只知道這些化學分子在疾病上的角色，它們被稱為「病原相關分子結構」(pathogen-associated molecular pattern，PAMP)，是警告動物的免疫系統感染即將發生的告密者。

但費雪弧菌不是病原，雖然它與導致人類霍亂的細菌是親戚，但根本不會傷害烏賊。

因此，麥克弗爾－奈換去縮寫的第一個字母，將病原體 (pathogen) 的 P 改為更具包容性的微生物 (microbe) 的 M，重新將這些分子命名為「微生物相關分子結構」(microbe-associated molecular pattern，MAMP)。

新術語象徵著微生物體學是個更全面的科學，向全世界昭告：我們不該只把這些分子視為疾病的徵兆，這些分子雖然的確可能讓人發炎、身體虛弱，但它也可能幫助動物和細菌之間建立美好的友誼。

如果沒有它們，發光器永遠不會到達最終形態；如果沒有它們，短尾烏賊就算存活下來，到最後也無法完成這段共生發育。

現在我們很清楚地知道，許多動物（從斑馬魚到小鼠）在成長過程中會受到細菌伙伴的影響，而且時常是藉由和塑造烏賊發光器一樣的微生物相關分子結構來達成。

多虧這些研究的發現，我們可以用全新的角度來看待這個讓動物從單細胞變成正常運作的成體的過程。

如果你小心地取出一個受精卵（不管是人類的、烏賊的，還是其他動物的），把它放在顯微鏡底下觀察，你會看到它分裂成兩個、四個、八個，細胞群變得愈來愈大，該折疊的折疊，該凸出的凸出，該扭曲的扭曲。細胞之間交換著分子信號，告訴彼此該形成哪些組織和器官，於是身體各部位開始成形。

胚胎會長大，只要能獲得足夠的營養，它就會持續生長，整個過程似乎獨立自主、行雲流水，就像非常複雜的電腦程序一樣自動運行。

但是短尾烏賊和其他動物的經驗告訴我們，發育並非如此，除了需要動物基因中的指令之外，也需要來自微生物基因的指令。

這是持續交涉的結果：這是多種生物間的會談，而會談結果只針對其中一個成員的發育造成影響。這個結果成為一整個新生態系的開端。

——本書摘自《我擁群像：栽進體內的微米宇宙，看生物如何與看不見的微生物互相算計、威脅、合作、保護，塑造大自然的全貌》，2019 年 10 月，臉譜出版。