当进化具有传染性时

E珊瑚微生物学家Ugene Rosenberg遇到了2000年代初的一个相当大的问题。在以色列在特拉维夫大学工作的同时，他发现他无法从十年前复制自己的突破性调查结果。当时似乎是一个可能毁灭性的失败，将使罗森伯格成为一种关于进化的新方式。

在20世纪90年代，他发现了珊瑚疾病的一个驱动因素。不断上升的海洋温度已经开始导致地中海东部的珊瑚白化。没有人真正理解为什么会发生白化，只知道如果珊瑚虫没有海藻存在太久，它会饿死和死亡。一些人认为，珊瑚虫驱逐藻类是因为，在更高的温度下，受到压力的藻类停止了对共生关系的贡献。从某种意义上说，他们变成了效率低下的员工，然后就被解雇了。

但经过一系列实验，罗森博格得出了不同的结论。他注意到在珊瑚白化区域的边缘聚集了大量杆状细菌，表明感染了。如果他先用抗生素处理海水，杀死寄生细菌，然后提高鱼缸里珊瑚的温度，珊瑚就不会变白。看来，仅仅高温并不能导致疾病。细菌的贡献。

他分离出一种叫做希洛弧菌——霍乱的远亲——引发了珊瑚疾病。它是一种机会主义者:在正常温度下无害，但在温度升高时就会致病。

1996年，他在本性．但现在，十年后，他和他的研究生试图复制实验，并失败 - 两次。弧菌细菌似乎不再引起疾病。

“珊瑚已经变得有抵抗力了，”罗森博格告诉我。“这是一个打击。”

他开始思考各种可能的解释。人类和其他脊椎动物都有适应性免疫系统。暴露在病原体中，我们的免疫系统可以学习和记忆。当我们遇到以前见过的病原体时，我们可以在它伤害我们之前击退它。这就是疫苗的基本原理。但珊瑚缺乏适应性免疫系统。他们无法通过之前的接触获得免疫力。

正如传染病可以通过人口传播，导致疾病和死亡，因此可能有益微生物迅速分散。

有一天，在早上走路时，罗森伯格提到了他的妻子Ilana Zilber-Rosenberg的问题。她是微生物学家和营养学家，并立即有一个思想：益生菌，微生物改善健康。在人们中，她解释说，原生细菌有助于防止病原体。这就是为什么患有抗生素可以矛盾的人，在治疗后发育新的感染。擦掉的共生微生物向机会主义者打开了门。

也许在第一次实验和最后一次实验之间，珊瑚获得了新的微生物，现在可以保护它们免受污染诉shiloi．

回到实验室里，尤金测试了这个想法。他用抗生素治疗珊瑚，杀死他们遭到的任何微生物。然后他重复了他的原始实验，将珊瑚暴露在一起诉shiloi. 现在，当他加速加热时，珊瑚漂白了。（一些科学家质疑感染会导致漂白，因为他们未能从漂白的珊瑚中分离出弧菌。罗森博格说，无效的发现受到方法缺陷的困扰。他指出，其他研究人员已经证实了他的发现。）

什么是珊瑚已经获得的益生菌？罗森伯格分离出一种细菌，他被称为EM3。当被引入珊瑚时，它会赋予抵抗力诉shiloi．可能不是偶然的em3是一种弧菌物种，属于盐水的动机，逗号形状的细菌属。珊瑚已经与他们的敌人相对地交朋友。这一新联盟帮助他们适应不断变化的条件。

罗森博格意识到，他无意中发现了一个重要的生物学原理:适应不是通过基因突变或重组，而是通过微生物调节。这种变化发生得非常迅速，只用了三年时间，可能是一个珊瑚的寿命。他的观点是，正如传染病可以像野火一样在人群中传播，导致疾病和死亡一样，有益的微生物也可以迅速传播，促进健康和生存。

他对我说:“如果疾病流行是可能的，为什么益生菌流行不是呢?”

Rosenberg称更广泛的概念“的进化的”Hologenome理论“。Jefferson表示，该术语是1994年的分子生物学家Richard Jefferson在1994年的分子生物学家Richard Jefferson。（在多细胞生物的遗传分析期间检测到的微生物，但杰斐逊表示，对于所学习的生物体而言，但与生物体一样。）

罗森博格（Rosenberg）独立提出了这个术语，他认为生物体及其相关微生物“全息生物”（holobiont）是一个单一的进化实体。“我们认为这是进化过程中的一个选择水平，”罗森伯格说。“我与你竞争不仅基于我的基因，还基于我的细菌。”

有人认为Oculina patagonica是珊瑚罗森伯格研究，是船舶被送到地中海的侵入性物种。其他人声称这是由于环境变化扩大其范围的原生。无论哪种方式，它的变化普及突出了许多人称之为人人类时期的生活：人类活动没有未被触及的生态系统。这转化为在珊瑚，青蛙的珊瑚队中造成的生命形式的多个新的选择性压力。大规模灭绝是一个众所周知的担忧。但在这段时间的生物动荡期间，我们也可能看到微生物能够快速适应的偶尔例子。特别是保护主义者密切关注这些动态，这可能代表寻求帮助一些野生动物生存的新杠杆点。与此同时，那些研究人类微生物的人已经考虑了他们一个重要的，历史忽视的因素，这是我们的健康和疾病。

E自从查尔斯·达尔文告诉我们，生命是在无数压力的驱使下不断变化的——物种不是静止的，而是不断变形的——生物学家就一直在争论这些变化能有多快发生。基因组的发现是在达尔文发表论文一个世纪之后论物种的起源似乎划定了一个上限。动物进化的速度只能与优势基因的出现和传播速度一样快，而现有的基因组也只能通过有性繁殖进行重组。但随后出现了“表观遗传学”：一些适应可以更快地发生，而不改变基因本身，而是通过改变现有基因转化为活体的方式。

Rosenberg和其他人提出甚至更快的过程 - 生物可以通过切换它们的共生微生物来快速适应。使流行病如此恐怖快速传染的质量也可能也可以推动大规模适应。

为了支持全基因组理论，罗森伯格和其他人着眼于人类微生物组的研究，特别是以Clostridium艰难术．人们倾向于在住院期间或在使用针对另一种感染的抗生素“清除”原有微生物后感染这种细菌。艰难梭菌然后开花。患者最终可能会神志不清，痛苦不堪，并因持续不断的血性腹泻而变得虚弱。这种微生物每年感染大约50万美国人，在一个月内杀死约29000人。

艰难梭菌对抗生素的耐药性越来越强，因此进一步治疗失败的病例约占五分之一。对于这些人来说，“粪便移植”几乎是奇迹。该程序包括通过灌肠或药片将健康人的粪便“植入”到患病者的肠道艰难梭菌．治愈率达94%艰难梭菌. 科学家们认为，通过一举恢复一个功能完备的微生物生态系统，这种方法是有效的。捐赠者紧密团结的社区剥夺了病原体艰难梭菌一种生态位，从肠道挤压它。

从技术上讲，粪便移植不是“益生菌流行病”。但是移植说明的原理——原生微生物可以预防疾病，调整这些微生物就可以抵御致命的感染——正是科学家们认为可能导致益生菌流行病的原因。

这种两栖真菌造成了最严重的野生动物死亡之一:200种野生动物灭绝;还有500人被感染

动物，从珊瑚到人类，是如何获取和培养它们的微生物群落仍然是一个谜。在一些动物中，微生物可能来自父母、同伴和更大的环境。不同的饮食也会影响微生物群，这表明一个物种所能容纳的微生物有一定的灵活性。然后是粘液本身，它排斥一些微生物，同时选择性地喂养其他微生物。

与哺乳动物不同，其粘膜主要是内部的，珊瑚在内部和外部佩戴粘液。但相同的原则可能适用。研究人员，包括佛罗里达大学的科学家Max Teplitski，盖恩斯维尔和他的同事发现珊瑚粘液似乎吸引和培养了一个特定的微生物群体。可能存在致病弧菌，但在正常温度下其他微生物将其保持在检查。然而，当温度上升时，振动开始迅速再现，压倒性的共生。这是珊瑚疾病发生的时候。

特普里茨基研究过加勒比海埃尔克霍恩珊瑚的这些动态，他将其结果描述为“生态失调”:一种始终存在的微生物的不平衡。粉刺、酵母菌感染和蛀牙都是人类体内的微生物失调疾病的例子——这些疾病不一定是由新传入的病原体引起的，而是由无处不在的微生物引起的，这些微生物会迅速繁殖并伤害宿主。

罗森伯格珊瑚的谜团是他们如何在更高的温度下获得能够保护它们的新微生物。在珊瑚中，有一些刻意的过程的证据 - 没有关于细菌，而是藻类。

在20世纪90年代，科学家建议在白化事件中，珊瑚驱逐了共生藻类后，它们可能会获得更适应新环境的新藻类。“这是一个美丽的假设，”罗森博格告诉我。在那之后的几年里，生物学家观察到类似的事情在加勒比海发生。

珊瑚ysmbionts称为zooxanthellae，主要落入四个片状 - “a”通过“d”。通常，一旦珊瑚从漂白中恢复过来，科学家们注意到最耐热的CLADE D倾向于支配。变化可以代表不具有细菌的调整，而是更适合较高温度的藻类共生。

为什么这些珊瑚不源于耐热的钢管D才能开始？特拉华大学研究科学家Tye Pettay说，答案是，珊瑚窝窝窝藏可能比其他人的珊瑚慢得多。在里面orbicella.他的研究，增长较慢，耐热藻类的珊瑚在正常温度下造成成本：对侵蚀力的更大脆弱性。然而，在高温下，当其他片状开始失败时，CLADE D的相对缺点消失了。

随着海洋温度的升高，进化枝D似乎正在加勒比海地区推进——海藻的益生菌波在珊瑚体内传播。但进化枝D并不能帮助所有的珊瑚。许多特殊的珊瑚无法将进化枝D带入它们的组织。这意味着，气候变暖可能会让大多数多面手珊瑚在短期内存活下来，因为多面手可以培育进化枝d(从长远来看，世界各地的珊瑚都面临着海洋酸化，这是比气温上升更大的潜在威胁)。

在进化枝D的故事中还有一个额外的转折。Pettay最近分析了它的基因组，并得出结论，这种藻类是原产于泰国附近印度太平洋一个炎热、浅水、通常浑浊地区的虫黄藻的后代。

根据他的分析，帮助加勒比珊瑚的共生生物是一种入侵物种。它是怎么到达加勒比海的?Pettay说压舱水是一条可能的路线。

如果这是一种益生菌波，那么它是由人类的手偶然促成的。

佩蒂说：“具有讽刺意味的是，至少在短期内，这似乎是有益的。”。“我不会说这是一件可怕的事情，但我也不会说这是珊瑚礁的救世主。”

许多人认为，我们正在经历地球的第六次大灭绝，这一次是由人类活动造成的。除了栖息地的丧失和过度捕捞之外，一个主要的挑战是气候变化的速度——气候变暖，病原体的人为传播，入侵物种在世界各地的传播。生物学家担心，植物和动物基因组的变化速度不足以跟上。但在某些情况下，它们的微生物可能会。

我不清楚导致脊髓灰质炎的真菌，两栖疾病有时被比作艾滋病，来自。研究人员称，它可能来自20世纪初出口的南部非洲青蛙，以便在妊娠试验中使用;也许亚洲两栖动物;或者可能来自北美牛蛙。

不管它的起源是什么，近几十年来，随着这种真菌在全球范围内的传播，虽然可能是通过鸟类传播，甚至是通过雨滴传播，但没人知道它是如何传播的，它导致了有史以来最严重的野生动物死亡之一。据估计，在7000种两栖动物中，有200种已经灭绝;还有500人被感染旧金山州立大学(San Francisco State University)生态学和进化教授万斯·弗雷登伯格(Vance Vredenburg)告诉我，“对一种病原体来说，这已经太多了。”

因此，在21世纪初，弗雷登堡注意到他在加利福尼亚州内华达山脉研究的一些两栖动物在奇特里德的袭击中幸存下来，这是很有意义的。他想知道，这些人和那些死去的人有什么区别？

在佛罗里达州的一次会议上，他发现了一个线索。一位名叫里德·N·哈里斯的生物学家做了一个关于蝾螈的报告。他问为什么有些物种成群筑巢，而另一些物种独自筑巢。他的研究使他得出了一个不同寻常的解释。群体筑巢物种共享微生物，这些微生物不但不会致病，反而保护它们的卵免受致病真菌的侵害。换句话说，它们嵌套在一起，共享一种益生菌。

谈话结交后，Vredenburg追逐哈里斯。保护微生物可以解释他在塞拉尼达的抗性动物吗？这两个科学家开始合作。事实证明，耐肢青蛙 - Vredenburg学习Rana Muscosa.这种山黄腿蛙体内往往有一种特别的微生物，叫做janthinobacterium lividum．微生物产生抗真菌代谢物。它没有完全预防感染，但似乎抑制了真菌过度生长。本质上，j . lividum将一个人的病原体变成一个无害的共生。

因此，塞拉尼达斯举行了一种奇怪的自然选择。随着浓郁的真菌席卷山脉，患这些微生物的个人倾向于生存。Chytrid Pandemase是根据他们的微生物选择青蛙 - 一种选择性扫描，其中含有一个微生物群落的两栖动物幸存下来。

各种哺乳动物年轻人，从大象到马匹，摄取祖父的粪便，一种叫做炸药的练习。

当然，这不是一种像珊瑚中描述的那个罗森伯格一样的“益生菌流行病”。随着时间的推移，一只两栖微生物可以占据主导地位，但尚不清楚vredenburg的青蛙是否在一代人中获得了新的微生物。

问题是，弗雷登堡会不会故意火花益生菌流行吗?他能通过加速已经自然发生的事情来拯救青蛙吗?

这个想法很吸引人，因为不像疫苗需要注射给所有的个体，微生物是自我繁殖的。理论上，一旦它们“粘”在一只青蛙身上，就可以传染给其他青蛙。获得的抗壶菌可以像疫苗一样具有传染性。

出于同样的原因——活的微生物可以不受控制地传播——弗雷登堡的研究非常谨慎。他和他的同事们确定了一种青蛙种群，它们没有进行壶化处理，是孤立的j . lividum来自已经携带的个人 - 排除了引入新疾病的可能性 - 然后在VATS中延长细菌。

在此期间，真菌到达了。第二年，当弗雷登堡回到山区时，他只发现了120只青蛙。他治疗了三分之二的病人，分别用细菌浸泡，三分之一的病人未经治疗。

一年后，也就是2011年，当他再次拜访这些动物时，只有接受治疗的个体还活着。

他告诉我：“我不会只是挥舞着胜利的旗帜说，‘我们成功了！我们成功了！’。“我们仍然不知道它是如何工作的确切机制。”（经过处理的青蛙在第二年冬天死亡，不是因为chytrid，而是因为干旱减少了它们的越冬池。它们被冻结了。）然而，维登堡是乐观的。

他注意到，随着课堂，两栖动物为3.6亿岁。他们幸存了四个群众灭绝。“这不是他们第一次有致病真菌，我保证，”他说。和微生物可能会挽救它们。

F或者是在进化过程中提高适应性的一种特征，它必须在几代之间传递。对全基因组理论(即微生物和宿主是一个单一的进化单元)持怀疑态度的人认为，微生物并不总是像传家宝一样代代相传。如果不是，那么全息生物真的能在进化过程中持续存在吗?

德克萨斯大学奥斯汀分校的进化生物学家南希·莫兰(Nancy Moran)在推广全基因组理论的过程中看到了概念上的草率。她同意微生物可以提高宿主的适应性，甚至推动进化。她自己对豌豆蚜虫的研究也表明了这一点。她已经证明，蚜虫忍受温暖温度的能力取决于它们所携带的共生细菌的种类。

但她说，这些关系必须得到证明，而不是假设。微生物相互竞争，欺骗——从一段关系中得到的比你贡献的多——是一种可行的生存策略。有些微生物肯定会接受它。所以宿主和微生物之间的和谐，甚至是动物微生物群成员之间的和谐，并不是必然的。仅仅因为微生物附着在宿主上并不意味着它有助于健康。它可能是寄生虫，也可能只是路过。“当然，很明显，其他生物是环境的重要组成部分，”她说。“但从那里到全基因组是一个巨大的飞跃——它们一起是选择的一个单位。”

人类从环境中获取微生物，对环境中新微生物的开放性可能有助于我们适应环境。

同时，Hologenome Idea的支持者试图证明微生物可以驱动物种。在一个实验中，罗森伯格及其在特拉维夫大学的同事分离成两组。他们喂食每组不同的饮食 - 糖蜜或糖 - 然后在几代后重新团聚。虽然仍然遗传相似，但现在的苍蝇仅与其前一组的成员交配。他们是如何知道差异的？当科学家用抗生素治疗苍蝇时，擦掉它们的微生物，他们失去了这一偏好。它是苍蝇的微生物群 - 而不是他们的基因 - 这是推动它们分为单独的物种。

事实上，许多动物确实如此转移几代人之间的微生物。各种哺乳动物年轻人，从大象到马匹，摄取祖父的粪便，一种叫做炸药的练习。考拉母亲进一步迈出了一步：他们为他们的幼崽制作了一个称为“PAP”的特殊粪便，以消费断奶，这是消化桉树叶所必需的微生物的遗弃。

人类并不像明显的糖果，甚至我们都将微生物传递给我们的后代。婴儿从母亲穿过诞生运河时从母亲那里获得一个玩机。和乳房喂养既培养某些微生物，叫做双歧杆菌，种子婴儿。最近的一项研究发现，护理母亲沿着独特的家族性细菌对他们的婴儿进行，暗示，像那些蚜虫一样，人类也可以从母亲到孩子的独特微生物传遗产。

然而，人类也从环境中获得微生物，垂直和水平获取的相对重要性还不完全清楚。事实上，一些证据表明，对环境中的新微生物的开放可能有助于我们适应环境。

几年前，微生物学家发现日本人体内的微生物具有一种独特的降解海藻的能力，海藻是这个岛国饮食的常见组成部分。科学家们认为，这些微生物直接从海藻中的细菌那里获得了这种能力。(细菌可以直接交换DNA片段。)一旦被获取，就不清楚这些降解海藻的细菌是如何在生活在一起的同伴之间(水平)传播的，或者是如何在一代又一代之间(垂直)传播的。但推论是，消化海藻的微生物提高了日本祖先的健康水平，使他们能够从食物中提取更多的营养。今天日本人的祖先可能不是通过基因突变，而是通过微生物创新来适应他们独特的岛上饮食。

同样，当人类首先从驯化动物从大约11000年前开始消耗牛奶，绝大多数都无法消化乳糖，牛奶中的糖，作为成年人。帮助我们消化糖最终在牛奶饮用的人民中蔓延的基因。但即使是今天，某些人口，包括一些非洲牧民，经常喝牛奶产品而没有高患病率的“乳糖酶持久性”基因。微生物可以帮助他们，一些科学家通过在发酵期间通过预消化乳糖，常见的习惯或直接定植它们的肠道。

这意味着，像乳制品这样的文化实践，可能与我们肠道微生物的变化共同进化，并由其推动。这些假设假设了人类微生物群，我们认为它主要局限于我们的肠道，实际上存在于一个松散的网络中，延伸到我们的身体之外。也许只有通过与海藻或牛奶中的“外来”微生物群落的交换，我们的微生物群落才获得了新的能力，我们才能茁壮成长。

在19世纪后期，由于科学家在自然选择的概念中，疾病的细菌理论上升了突出。它假定微生物，而不是“miasma”，导致疾病和死亡，并且你可以通过征服违规的微生物来治愈疾病。Vanderbilt University的进化微生物学家Seth Bordenstein认为，这种巧合的时间和生殖理论的力量来解释Smallpox和结核病等古代人类祸害，当时导致生物学家在很大程度上忽略了Microbes有助于“大草体”的方式。当他称之为多细胞寿命，适应和茁壮成长。

然而，现在，新技术使微生物群落的研究蓬勃发展，并清楚地表明，巨细菌并不是，也从来不是单独存在的。在这种背景下，全基因组思想和益生菌流行病的发生，代表着在进化理论中明确包括微生物这一地球上的主要生命形式的尝试。了解微生物如何帮助生存可能具有深远的应用，从野生动物保护的新角度到改善人类健康。

Moises Velasquez Manoff是一名记者，也是缺席的流行：理解过敏和自身免疫疾病的新途径。