微生物替我做主，我又是誰？

如果腸道微生物能夠讓宿主變得樂於助人，這就有望回答一個從達爾文以來就有的未解之謎：競爭激烈的自然界為什麼會出現利他行為？

文/Elizabeth Svoboda

譯/郭修賢

校/劉暢

﹥﹥圖Anup Shah/Minden Pictures,Getty Images

在印度南部的平原上，灰色的葉猴正在給一條休息的狗理毛。進化論學者對這種利他行為感到十分困惑，尤其這是出現在不同物種之間的利他行為。因為自私的天性在自然選擇的大背景下是一種更好的生存方式。但是最新的理論認為，寄生蟲會為了自己的利益而讓它的寄主表現出利他行為。

其一寄生蟲與利他行為

寄生蟲是自然界技藝最高超的傀儡師——它的特長之一就是操縱寄主，讓它們蠢蠢地進行自殺。比如，弓形蟲能夠慫恿老鼠跟貓叫板；肝吸蟲能鼓動螞蟻爬上葉片，把它們獻給食草的牛羊。毛細線蟲驅使蟋蟀投水自盡從而達到在水中繁殖的目的。宿主的自我犧牲於己毫無增益，反倒是如了寄生蟲的意，後者因此得以完成生命的循環。

現在，科學家們開始研究寄生蟲對於宿主的操控能否讓後者表現出利他行為，而不是自殺行為。他們想搞清楚動物對同類表現出的利他行為到底是不是由微生物造成的。在倫理或者策略的抽象維度中，都可以證明利他主義存在的道理；但是在適者生存的真實世界裡，利他行為如何能夠持續存在卻很難解釋，這困擾著進化論學者，讓他們不得不重新翻閱起達爾文的著作，希冀獲得靈感。如果是位於腸道或者其他組織中的微生物為了自己的利益而驅動宿主表現得慷慨，那麼利他行為可能並沒有想像中的那麼難以琢磨。

最近，特拉維夫大學的3名研究人員開發了一個數學模型並用計算機進行了模擬，也許能夠證明這一理論。他們發現，促使宿主出現利他行為的帶有傳染性的微生物能夠通過競爭淘汰掉不能促進利他行為的微生物。透過這一現象可以發現，利他主義乃是宿主種群的一個穩定特徵。該文章今年早些時候在《自然·通訊》上發表。

﹥﹥圖查理·艾斯曼

槍狀肝吸蟲的部分生活史是在牧場的哺乳動物體內完成的。在早期階段，它侵入螞蟻體內並迫使它們爬上小草葉尖等待，增加被牧場里的動物吃掉的機會，從而將寄生蟲傳遞到動物體內。圖中表現的是一些寄生蟲具有操控宿主行為的能力。

「這個故事讓我著迷，因為我們沒有想到利他行為是基於宿主-微生物這一關係的。」位於安大略省漢密爾頓市的麥克馬斯特大學生物學家，聖約瑟腦-體研究所所長約翰·比勒斯托克說，他未參與這項研究，「我們應該重視人體內細菌群落的行為所可能產生的的影響。」

其二達爾文與利他主義

達爾文在發展自己理論的時候，雖然也觀察到了在每一代的物種里最強大和最能適應環境的個體，同時也是最有可能佔有資源和傳遞子嗣的，但他還是將利他主義視作未解之謎。「相比於自私且吝嗇的雙親，慈悲和慷慨的父母是否更加多子多福？」他在《人類的由來》這本書里如是思考。

達爾文假設，如果個體間的合作行為能夠給它們所屬的群體帶來集體利益，那麼個體的利他行為將可能繼續存在。整個群體的適應能力可能也因此而呈向上的態勢，從而淘汰掉自私的成員數量更多的其他群體。「群體選擇」的進化模型是由達爾文之後的科學家做更進一步研究提出來的，其中最著名的擁護者當數博物學家康拉德·洛倫茲（印隨的提出者，因為在個體和社會行為的構成和激發方面做出重大的貢獻而獲得諾貝爾獎金。譯者注）。

然而到了上世紀60年代，著名進化論者約翰·梅納德·史密斯與喬治·C·威廉姆斯證明利他主義在進化的背景下其實很難持續保持，這一證據沉重打擊了群體選擇的學說。利己主義的個體會自發地產生，而且傾向於擁有更多的子孫後代，並淘汰掉更多的利他的物種成員而保證利己主義的延續。

生物學家威廉姆斯·D·漢密爾頓在1964年終於解決了這一難題，他提出的理論被梅納德·史密斯稱之為「親緣選擇」。漢密爾頓提出，利他者存在的基礎是其家族成員的共有基因傳遞數量足以彌補利他行為帶來的後代損失。這一原理用方程式表示為「漢密爾頓法則」（即：C

﹥﹥圖ChaiyaTN/Shutterstock.com

火蟻一起合作搬米粒回群居地。螞蟻們高效的合作行為歸因於親緣選擇的優勢，親緣選擇塑造了這類昆蟲的演化：雌蟻通過養護產卵的蟻后得以將自己的基因更多地傳遞給下一代，而無需自己產卵。

漢密爾頓法則解釋了為什麼利他主義會在螞蟻和蜜蜂這兩種著名的群居動物中會進化出現。正是因為它們都是奇特的單倍二倍性遺傳，雌性個體和她的同輩遠比與她與她的後代擁有的共享基因更多，由此而來的競爭意識使得雌性個體放棄了自己的產卵能力，轉而去幫助蟻群中的蟻后，讓她負責生產更多的同代姐妹。但是，這種相關性在其他動物中是否也存在就不得而知了。（據傳聞，30年代研究親緣選擇早期概念的遺傳學家B·S·霍爾丹曾經開玩笑說，作為人類，他大概得犧牲自己去救他的兩個兄弟和八個表哥。）

親緣選擇是「廣義適合度」理論的一個應用，廣義適合度從70年代開始就被用來解釋利他行為。包含有群體選擇理論部分內容的「多層選擇」理論也屢次「朝花夕拾」，舊事重提。支持者如賓厄姆頓大學生物學家大衛·斯隆·威爾森，但是這一理論仍然飽受爭議。

其三舊理論與新模型

然而，當我們談論利他主義的時候，「雖然存在太多種解釋，但是它還是聽起來像個謎，」奧哈德·盧因-愛潑斯坦講道，他是特拉維夫大學的進化生物學家以及編程師。作為里拉克·哈丹妮生物學實驗室的學生，他參與了這項對群體內成員間的合作行為如何影響新特徵的進化的研究。這個研究小組認為前人對合作行為進化的經典解釋還不夠完美。哈丹妮和盧因-愛潑斯坦，以及來自IBM研發部門的計算科學訪問學者拉尼特·阿雅洛夫，他們想知道是不是微生物也可以操控他們的宿主並鼓勵其相互幫助。

他們借鑒前人的理論，並將焦點聚集在一個比較有爭議的猜想上：可遺傳的「Piggybacking」因子是否能促生出利他主義？2013年，蘇黎世大學生物學家索查·麥金妮和她的同事建立了一個數學模型，發現質粒（質粒基因可以在不同細菌間相互傳遞。）有助於促進細菌群體內部的合作行為。2015年，巴黎笛卡爾大學的研究小組用實驗證明了，當細菌在交換一些質粒的時候，質粒會重編程接受質粒的細菌的遺傳信息，並強制使該細菌做出對夥伴有益的事情。細菌分泌的蛋白質可以破壞周圍的抗生素分子——這是一種保護整個細菌群體的策略。對於盧因-愛潑斯坦和哈丹妮看來，這些結論都直接指向一個問題：能夠在宿主之間進行轉移的微生物或者寄生蟲是否也可以驅動合作行為發生？

﹥﹥圖片來源特拉維夫大學

從左開始：特拉維夫大學的里拉克·哈丹妮和奧哈德·盧因-愛潑斯坦，以及IBM研發部的拉尼特·阿雅諾夫。他們建立數學模型和計算機模擬，用來研究能讓寄主表現利他主義的微生物的進化適合度。

為了深入探討這個問題，特拉維夫的小組建立了一個數學模型並用計算機進行模擬，系統分析了數百代（在某些條件下，可達到數千代）的種群內各成員之間的合作行為。他們用這一模型發現，利他的成員在和其他成員交互的時候會造成進化適合度的損失，也就是在利他行為的受惠者受益的時候。研究中對利他主義的定義較為廣泛，盧因-愛潑斯坦說，施恩者的損失以及自我犧牲會逐漸由小變大。

然後，研究人員在計算機模擬中將兩種類型的虛擬微生物設置成對立的關係。一種微生物在它的宿主體內能夠促進利他主義，另一種則不行。在每一代，兩種微生物從一個宿主傳遞到下一個宿主，個體之間便完成了交互。而且每個微生物個體都會遺傳給下一代。雖然「前-利他主義」微生物群體一開始就非常小，但是經過幾代的慘淡經營，促進利他主義的微生物會在向另一個宿主轉移的過程中淘汰掉它們的對手，然後再將基因遺傳給子代，。前-利他主義微生物受益者具有更強的適應力，因為它們已經從另一個宿主的慷慨中獲得益處，這意味著宿主更有可能產生攜帶相同微生物的後代。

在計算機模擬的最後階段，宿主群體中的大多數個體所攜帶的促進利他主義的微生物，在某些情況下，會和宿主一起結束生命循環。這一結果導致在這個群體內，利他行為會自始至終存在。穩定的利他主義即使在是自私並拒絕互助的宿主中也會起作用。這個數學模型和模擬也證明了微生物遺傳的利他主義最後會在宿主群體內變得更加穩定，甚至穩於遺傳的利己主義。

「以前的工作僅僅是從宿主的角度來思考利他主義，但這還不夠，」哈丹妮說，「經典的數學模型只是試圖解釋特定環境下的利他主義的進化，而我們的模型可以解釋在更多樣情形下的利他主義是如何進化的。」安德魯·穆勒是加州大學伯克利分校研究腸道微生物的進化生物學家，他認為特拉維夫研究小組的這一發現保證了未來研究的可行性。他說，「微生物的確會影響動物宿主的行為，所以他們的理論並沒有超出微生物可以促進利他主義行為的可能性範圍。」

其四微生物，抗生素與大腦

一些研究已經開始探索微生物控制宿主大腦功能及其社交能力的可能方式。比如加州大學洛杉磯分校的生物學家伊萊恩·蕭，最近發現結腸中的微生物能夠促進腸道細胞分泌神經遞質5-羥色胺，然後循環進入血液。5-羥色胺影響腸道肌肉張力，但它也是一些藥物比如「百憂解」中含有的一種神經遞質成分，用來緩解焦慮和抑鬱的癥狀。

﹥﹥圖Annie Cavanagh, Wellcome Images

桿菌屬的一些細菌被發現能夠促進腸道細胞生產出神經遞質5-羥色胺。這很有可能就是腸道寄生菌影響宿主心理狀況的方式（雖然這種影響目前還沒有證實）。

根據對不同種類動物的研究，科學家發現腸道菌群可以調節神經和內分泌功能，從而改變宿主的社群交互行為。2014年麥克馬斯特大學的一項研究中，一個研究動物行為的學生伊斯瓦利亞·維努發現，果蠅幼蟲能夠被它們腸道中的微生物釋放的化學氣體所吸引；這種誘人的氣味能使不同的幼蟲相互靠近（對宿主的操控可以讓細菌獲益，因為它們被宿主攜帶著向新的潛在宿主靠近）。宿主微生物的組成和它導致的行為之間的關係被稱為「微生物叢-腸-腦」軸。雖然還沒有被證明，但是微生物產生的成分可能會影響引起「慷慨脈衝」的神經活動。

《自然·通訊》中提出的另一個問題是，具有利他行為的微生物的出現是否會引起微生物和它們的寄主間發生進化競爭。畢竟，宿主最大的願望當然是要擺脫微生物的操縱：這樣的反抗意味著宿主可以為自己獲取更多資源，增加生存的概率。「如果宿主發生變異，使得它能夠擺脫微生物對它的控制，宿主的利他主義也就會表現得更少一些，」哈丹妮說。

但是微生物也可以做出反應，通過尋找控制宿主的新方法，抑或跟宿主達成雙贏合作夥伴關係，她補充道：「新的微生物會進一步進化，這種微生物可以在生物種群中進行擴散，當微生物受到好處的時候，宿主也可以雙贏。」不論二者誰的收益更多，微生物一般在大多數方面都處於宿主的上風，她講道：「微生物的同代數量龐大，（所以）它們更有進化優勢。」

如果哈丹妮與盧因-愛潑斯坦的理論是對的，將對作用於腸道微生物的醫學介入方式產生革命性的影響。如果微生物的確對利他主義等社會行為有作用，我們就可以通過改變人體內的微生物的平衡，比如攝入抗生素或者益生菌，即減弱或者加強微生物的控制能力，就可能做到改變我們對待他人的態度。舉個例子，如果一組研究對象攝入大劑量的抗生素而另一組作為未處理組沒有攝入，會發生什麼事情呢？是不是加了過量抗生素的被處理組會因為缺乏微生物的控制而變得比未處理組的個體更加自私呢？想一想是不是這個道理。

早期的實驗結果都指出，抗生素的使用和社會行為之間存在某些聯繫。比勒斯托克將未出生的小鼠或剛出生的小鼠暴露在低劑量的微生物環境中，被處理的小鼠相比對照組的小鼠社交能力較低而攻擊性較高。比勒斯托克的結果在2017年4月發表，他指出下一步的研究即是對造成這一現象的原因展開探索。因為這一現象可能是由抗生素直接影響大腦造成的，也有可能是由影響發育的其他因素造成的。但是，「我們有一個很好的切入點，即抗生素對腸道微生物有影響，而腸道微生物會反過來製造大腦所需要的材料，」比勒斯托克說道。所以當這些大腦必需的生物材料短缺的時候，大腦的正常社交程序就無法正常運行。至少在理論上，材料短缺會使自私的個體數量增多。

雖然比勒斯托克和他的同事觀察到抗生素的使用會影響小鼠的社交能力，但是他們還沒有搞清楚抗生素是如何特定地去影響利他行為的。特拉維夫大學的行為生態學家阿爾農·勞特說，按照邏輯下一步就是做一個實驗來探究攝入抗生素的動物是否會表現出更高或者更低水平的幫助行為（勞特並沒有參與盧因-愛潑斯坦和哈丹妮的研究）。這項研究可以在不同年齡段的研究對象中進行，從而找出是否有一個潛在的「自私效應」在生命過程中的某一階段的影響力是最強的。「也許什麼都不會發生，有可能到頭來只是一個華麗的想法，而不是一個正確的觀點，」勞特說道。但是萬一這個理論行得通，他補充道，「這將是一個了不起的發現。」

哈丹妮和她的同事還處於在實驗室里檢驗他們理論的階段，通過評估抗生素如何影響社會性昆蟲的行為。「我們對這一模型進行廣義的預測，發現這種嚴重影響微生物生存的處理方式可能會降低對於利他行為的偏好，」哈丹妮說。她還猜測微生物在物種間的傳播——從狗到人類或者其他途徑——會對種間利他主義產生影響，她的這一預測可以用動物模型來進行驗證。

結語微生物替我做主，我又是誰？

如果人類聯繫彼此的基本決定真的是由人肉眼看不到的微生物「小鬼」們做出的，未來的研究有可能會極大地拓展我們對於慷慨的認識深度和複雜度。比勒斯托克認為，證明「微生物的存在會影響宿主的行為」這一事實，顛覆了我們對於思想和行為的控制能力的臆斷。「每一個獨立的有機體都和微生物有聯繫，病毒也是如此，」他說，「你不能只看利他行為而不看宿主。」哈丹妮說她的研究已經改變了她對於自由意志的觀念。「我在想，人類的任何行為，到底是我還是微生物做出的決定？」

（翻譯難免錯漏，歡迎讀者爸爸扔磚。）

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