歷史給我們的最好的東西就是它所激起的熱情。——歌德
2015年9月,在美國國立衛生研究院舉辦的研討會上,與會者對人體微生物組在傳染病防治中的作用進行熱烈地討論,而俄亥俄州凱斯西儲大學醫學真菌學中心主任終身教授哈內姆卻顯得十分沮喪,因為他沒有聽到關於真菌組的報告,一個也沒有。真菌界習慣性被忽視不是新鮮事。據2015年11月的統計分析,在《科學網(Web of Science)》搜索“微生物組”超過6000篇結果中,只有269篇加注“真菌”標簽,而科技搜索引擎只搜索到55篇關於“真菌組”的論文。
健客:什麼是真菌組?
雲飛:這要從人體內有兩個基因組説起,一個是從父母那裏繼承的人基因組,編碼大約2.5萬個基因;另一個則是進入人體的微生物,特別是腸道內多達1000多種,這些與人類共存但在特定條件下可以導致各種疾病的微生物,其遺傳資訊的總和叫“人體微生物組”,也可稱為“人類第二基因組”或“元基因組”,它們編碼的基因有100萬個以上。從細胞數量上來看,有説人體自身的細胞數量大概1013,也就是十萬億級別,微生物的細胞數量大概1014,也就是百萬億級,微生物的細胞數量比人的多10倍;也有説微生物的細胞數量是人的1.3倍。如果試圖將人體微生物群落在實驗室中培養,則可能會培育出一些東西,但通常不是佔優勢的微生物,因此,從微生物群落中分離DNA是了解它們的途徑。將人體微生物組中真菌遺傳資訊作為研究對象就稱為真菌組。真菌組在微生物組中所佔比例不到1%,但扮演著關鍵角色。近年來,隨著高通量測序技術的廣泛應用,人體不同部位,如口腔、肺部、消化道、陰道以及皮膚真菌組的結構和組成被解析,其在人體健康和疾病中的重要地位日益顯現。同時,人體真菌組對細菌組的組成也有影響,是維持微生物組結構和代謝功能穩定的關鍵物種;對某些疾病的發生發展有顯著影響。在人體不同部位健康與疾病狀態下,真菌組組成情況以及真菌組與細菌組、宿主免疫的相互作用成為炙手可熱的研究領域。
2024年5月21日,中國科學院上海藥物研究所果德安課題組、大連醫科大學馬驍馳與王超課題組,聯合法國農業科學研究院教授馬丁,在《細胞》雜誌上線上發表了題為基於培養的人類腸道真菌組綱要表徵腸道真菌群落及其與常見疾病的相關性(A genomic compendium of cultivated human gut fungi characterizes the gut mycobiome and its relevance to common diseases)的研究論文。
該研究將人類腸道真菌培養與測序相結合,建立了迄今為止最大的人類培養腸道真菌組參考目錄,完成了代謝功能解析,揭示了人類腸道真菌多樣性及其在常見疾病中的潛在作用,擴展了現有腸道真菌組資源,為腸道真菌群落結構、生物功能等方面的研究提供了重要的參考數據。
人體的消化系統由多種微生物組成,包括細菌、古細菌、真菌和病毒。目前,關於人體腸道細菌的群落結構以及生物功能已有較多研究。作為腸道微生態的重要組成部分,腸道真菌群落對宿主的各種生理、病理過程會産生影響。儘管研究人員能夠通過真菌18S rRNA或ITS研究腸道真菌,豐富了對人體腸道真菌群落的認知,但對於人類腸道真菌遺傳和功能的系統研究仍然有限。
健客:對真菌18S rRNA和ITS,也算略知一二,是細胞核糖體上的核糖核酸片段,在真菌分類學中起重要作用。
雲飛:嗯,很好啊!
該研究利用培養技術在135名健康中國人糞便樣本中培養出12453株真菌並進行全基因組測序,獲得760個腸道真菌基因組(涵蓋48科、206種),其中69種為首次鑒定。研究對206種真菌進行功能基因分析以及靶向代謝組學測定,闡述了腸道真菌的特點。進一步,研究分析1.1萬個人類糞便宏基因組數據,揭示了中國和非中國人群的腸道真菌群落結構特徵。研究分析28個疾病的腸道真菌組特徵,鑒定出疾病相關的腸道真菌特徵信號,並聚焦炎性腸病患者的腸道真菌特徵,在多種小鼠結腸炎模型中驗證了目的菌株的生物功能、部分活性物質和分子機制。該研究構建的真菌組參考目錄以及開展的功能解析工作,拓展了對人體腸道菌群的生物多樣性和疾病相關性認知,為診療提供了新思路。
健客:上述數據説明什麼呢?
雲飛:除了工作量和成績意外,説明真菌組研究還處在打基礎的階段。從人體糞便中,分離培養真菌是最基礎的工作。基因組學關注單個物種,真菌組學要在基因組學的基礎上,研究微觀真菌群落及其影響,首先要建立真菌組參考目錄。
健客:明白了,既是夯實基礎,又是填補空白,真菌組研究方興未艾啊!
雲飛:中國一直以來都是人類微生物組計劃的積極參與者,其中包括由中國科學院上海生命科學研究院和上海交通大學主導的,2007年初啟動的中國-法國人體腸道元基因組科研合作計劃。實話實説,對人體各部位真菌群落的組成和多樣性研究取得了一定的進展,但是對真菌組在人類健康和疾病中扮演的角色,具體作用機制等還知之甚少。如果研究人體真菌組是向內探尋,那麼接下來説説仰望星空,向外探索。
自從人類意識到在地球和太陽系之外可能存在生命,天文學與生物學便開始結合,孕育一門新的、令人興趣盎然的學科。這兩門學科真正融合,形成今天的天體生物學,則始於1957年10月4日。那天,“斯普特尼克1號”人造衛星從哈薩克的沙漠草原升空,飛入近地軌道。它是前蘇聯研製發射的第一顆人造地球衛星,構造並不複雜。簡而言之,它是一個直徑0.58m、重83.6kg的金屬球狀物,內含兩個雷達發射器和4條天線,還有多個氣壓和氣溫調節器。它的用途就是通過向地球發出信號來提示太空中的氣壓和溫度變化。幾週後,“斯普特尼克1號”人造衛星不斷發出無線電信號,預示著一個全新且未知的世界誕生了。3個月後,“斯普特尼克1號”跌跌撞撞地穿越大氣層,回到地球,實現人類在太空軌道飛行方面的一個小目標,也使前蘇聯在太空競賽中領先。在“斯普特尼克1號”冉冉升空時,萊德伯格正在澳大利亞墨爾本大學任客座教授,當時他32歲。
健客:萊德伯格啊,老熟人了,曾在《細菌傳》中閃亮登場。因細菌轉基因領域的成就,獲得諾貝爾醫學或生理學獎。
雲飛:嗯,在“斯普特尼克1號”獲得成功的次年,33歲的萊德伯格獲得諾獎,雖然兩者看似沒有聯繫,但天體生物學應運而生。
健客:太空競賽是什麼情況?
雲飛:第二次世界大戰結束後,美蘇兩國俘獲大量德國火箭技術及人員,太空競賽就以導彈為主的核軍備競賽拉開了帷幕。技術優勢不僅能帶來至高無上的地位,還是保障國家安全的需要,也是意識形態先進的象徵。太空競賽取得了開拓性的成果,如發射人造衛星,無人駕駛空間探測器,以及向近地軌道和月球發射載人飛船。
如果人類實現太空行走乃至旅行,那麼必將在其他星球散播地球生命,並且可能將外星病原體等帶回地球。萊德伯格預感情況不妙,且蘊含絕佳科學機會,他回到美國後,全身心投入天文學和生物學交叉領域的研究,並寫信給美國國家科學院,就上述迫在眉睫的危險提出警告。
到了1958年春天,萊德伯格關於“來自宇宙的災難”開始令人們感到緊張,引起廣泛關注。該學説並不僅僅為了嚇唬一下研究者和決策者,萊德伯格説:“我是當時唯一認真對待進行地球之外思想探索活動的生物學家。”在接下來的幾年中,萊德伯格成功地將生物學探索納入美國國家航空航太局的研究與訓練日程中,並開創一個新術語和學科——“天體生物學”。
天體生物學對太空探索的方式産生了深遠影響。為了對航太器進行消毒,並對其可能帶回地球的地外生命進行檢疫,相關部門與研究人員一起制定了嚴格的操作指南。美國國家航空航太局設立無菌操作間,進行全員滅菌,並在發射前對有關設備進行消毒。科學家則著手研究生物污染物風險。1969年7月20日,美國阿波羅11號完成人類第一次登月任務回到地球。一方面太空競賽達到頂峰;另一方面美國宇航員在改裝的滅菌操作間裏進行了21天隔離檢疫。有一張照片記錄了當時的情景,尼克松總統隔著密封窗,對滅菌操作間裏的阿姆斯特朗、奧爾德林和柯林斯露齒而笑。
健客:現在美國宇航員返回後還要檢疫嗎?
雲飛:在“阿波羅14號”成功返航之後,確定月球表面是無菌的,於是取消了後續的檢疫。
後來,天體生物學研究範圍逐漸擴大,包括陸地微生物學、生命起源學、星際化學以及地球物理學在內的多種學科,甚至包括一些宇宙學內容。這不是一個輕而易舉的轉型,萊德伯格關於天體生物學最初願景中的大部分內容依然存在,正是這些意義深遠的問題,引起人類更廣泛和深遠的興趣。直到20世紀90年代,科學家才勉強給出天體生物學定義:指研究天體上存在生物的條件及探測天體上是否有生物存在的學科。在該學科領域,人們關心人類思考的終極問題:生命在宇宙中是如何起源和演化的,生命在宇宙中的存在環境和未來,要求將生命理解為一個正常的宇宙現象。1995年10月6日,兩位瑞士天文學家發現第一顆太陽系外行星(以下簡稱係外行星),人類看到了尋找類地行星和地外生命的曙光。從那時起,人類發現係外行星的步伐加快了。
回想起來,正是一連串偶然的重大發現才使天體生物學發展到如今的高度。2017年9月24日《星際迷航:發現號》第一季首播,發現號利用真菌網路實現瞬移,天體真菌學一詞不脛而走。由拉普扮演的發現號工程部上尉、天體真菌學家斯坦茨在現實世界中確有其人。
健客:什麼情況,《星際迷航:發現號》不是科幻劇嗎,角色和內容都不能當真吧?
雲飛:嗯,科幻作品是以特殊的幻想方式反映人們在生活中所遇到的各種現實難題和生存困境。
健客:有點抽象,具體説説。
雲飛:比如《三體》長篇科幻小説系列,幻想地球人類文明和三體文明的資訊交流、生死搏殺及兩個文明在宇宙中的興衰歷程。科幻只是一個敘事跳板,是超越當下社會現實的重要媒介,也是書寫人類共同命運的重要載體。《三體》最吸引人的地方在於通過對人類中心主義的解構,繼而完成對人與自然、動物之間的倫理反思與文學表達,最終指向去人類中心化的思想內核。
健客:去人類中心化是什麼意思?
雲飛:人不是世界萬物的尺度,自然不屬於人類,人類卻從屬於自然。從梭羅的《瓦爾登湖》到卡遜的《寂靜的春天》,去人類中心化已經成為不得不重視的現實難題。人工智慧時代一切都將改變,當人類的智力不再具有優勢,昔日的萬物之靈是否拱手讓出主宰者的地位?
健客:既然不能當真,説説斯坦茨是怎麼回事吧。
雲飛:妥妥的天體真菌學家啊!讓我們一起看看《科學美國人》對現實世界斯坦茨的專訪。
《科學美國人》:首先是一個先有雞還是先有蛋的問題: 是因為你正在探索天體真菌學,所以《星際迷航:發現號》才會以你的名字命名一個角色,還是説你研究天體真菌學的想法受到了《星際迷航》的啟發?
斯坦茨:當時哥倫比亞廣播公司(CBS)找到我,説《星際迷航》的編劇們想和我談談。他們説:“我們接到了《星際迷航:發現號》的任務,但我們十幾個人都完全沒有頭緒,直到我們看到了你的TED演講。”在那場演講中,我提到過利用真菌對其他星球進行地球化改造。
《星際迷航》與其他科幻作品的不同之處在於,它倡導包容的重要性,頌揚社會的多樣性帶給我們力量。事實上,這也是我作為真菌學家學到的:生態系統中的生物多樣性給了生態系統恢復力。
我告訴他們,用真菌改造其他星球是很有可能實現的。真菌是第一批來到陸地、“咀嚼”岩石的生物。我説:“我是個《星際迷航》迷,你可以免費使用所有這些概念。但是,我一直希望成為第一位天體真菌學家。”他們説:“天體真菌學家,多好的名字!我們會用到它。”
《科學美國人》:脫離科幻作品的語境,你如何定義“天體真菌學”?
斯坦茨:天體生物學是研究地外有機生物的學科,而宇宙中的生物包括真菌。所以,天體真菌學研究的是整個宇宙中的真菌生物學。我認為,未來我們一定也會在其他星球上也發現真菌。
《科學美國人》:地球上的真菌如何幫助我們在其他星球上建立人類棲息地,甚至發展整個生態系統呢?
斯坦茨:那些可以幫助我們對其他行星進行地球化改造的植物需要礦物質。將真菌與人類的殘羹剩飯結合,使它們分解後産生肥沃的土壤,就能用於種植宇航員需要的食物。帶一顆種子總比帶一噸食物到太空容易得多,對吧?就有效載荷而言,大自然的效率高到難以置信。讓大自然産生食物比用火箭攜帶食物要好得多。
《科學美國人》:你目前在NASA的研究計劃分為兩個階段。第一個階段是找到用於分解小行星風化層的最佳真菌種類。你目前有沒有候選的真菌呢?
斯坦茨:大體上説,風化層就是小行星的塵埃。一些研究小組製造出了用於模擬小行星和火星表面的合成風化層,我們現在在和他們合作。在我的數據庫中有大約700種真菌。我隆重向大家介紹,平菇是迄今為止在實驗中表現最好的一種。
最近,我們還發現了一些意想不到的協同作用。我們選取一種真菌,觀察它在風化層中的覆蓋範圍,而後把不同種類的真菌結合起來——發現它們形成的覆蓋範圍是任何單一種類的真菌都無法達到的,遠遠超出預期。在某種程度上,這也證明了生物多樣性有多重要。
《科學美國人》:研究計劃的第二階段是,選擇了最合適的菌種後,還需要找到最有效的使用方法。這是什麼意思,可以給我們講講嗎?
斯坦茨:宇宙中富含碳氫化合物。而平菇能很好地分解碳氫化合物,並將它們重組成為真菌的碳水化合物,也就是糖類。就我所知道的地球上的所有生命形式來説,糖類都是一種必需的營養物質。因此,將碳氫化合物用作平菇的“食物”的想法是很有道理的。
我們有了原料和目標,但如果缺乏其他必需的營養投入,就只能進行到這一步了。真菌不只需要碳氫化合物——它們需要推動力,也就是我們需要額外提供的物質。不過,一旦反應開始,真菌就可以自我催化。供給的催化反應越多,生物多樣性就越高。其他生物也在生長和死亡,它們會提供維生素、礦物質,也許還有其他可供分解的有機化合物,如纖維素或木質素。這些物質為真菌提供食物,使它們生長得更大,再支援更多的植物生長。然後它們死亡,分解,這些淺色、通常呈圓形的菌絲菌落逐漸增多。所以,我們創建的綠洲,最初可能只是一個微小的點,但是它會壯大。隨著生物群落變得更加多樣和複雜,形成足夠大的綠洲時,就能養活人類了。
《科學美國人》:除了讓真菌産生土壤,一些團隊還在研究如何用真菌在其他星球上 “種”出建築。你能講講真菌建築是怎麼一回事嗎?
斯坦茨:比如説,我們種植了很多靈芝菌絲體。我們想把種出的靈芝塊壓碎,變成土壤或其他産品。可是當我們乾燥這些靈芝塊,卻發現無法壓碎它們。用鋸條可以把它們鋸斷,但如果用錘子或其他物體擊打,靈芝塊不會破碎。有位工程師給我們造了一個不銹鋼液壓機,我給靈芝塊施加了14 MPa(相當於近140個大氣壓)的壓力,結果不銹鋼彎了。靈芝塊完好無損,壞掉的卻是機器。要知道這個液壓機可以整天碾碎岩石,卻不能碾碎菌絲。
靈芝塊不僅結構堅固,還善於保溫,有著驚人的隔熱性能。此外,它還可以用作電池。在火星上,我們能擁有基於菌絲體的太陽能電池板(整個菌絲體大約85%是碳,而研究表明多孔碳是一種很好的電容)。我們可以預先培養它,並使其以某種形式排列,形成奈米電池。這些靈芝塊不僅能讓你在火星或小行星表面遠離寒冷,還能讓房子本身成為一個巨大的電池,因為它富含碳纖維。在我看來,這是一件很酷的事。
《科學美國人》:你對未來有什麼展望?你的這些設想是我們在十年後或一個世紀後能看到的嗎?
斯坦茨:我的答案是,明天。這一切正在進行中。我猜它將在10到20年內在太空中實現。
健客:哈哈,今天文章中的基因組、萊德伯格和靈芝等都讓我想起昨天的故事。
雲飛:文藝范啊,再加一個要不要?
健客:要啊!
雲飛:對新型隱球菌還有印象嗎?
健客:當然,既能吃輻射,又能導致肺炎,最常見的來源是鴿子的排泄物。
雲飛:由於它存在著較強的折光性,通常情況下比較難發現,這也是為什麼它的名字裏會帶著一個“隱”字。新型隱球菌的生長速度非常快,細胞會出芽,但不會形成菌絲,一般在25℃到37℃能夠較好生長。在1890年被發現時,並不找人喜歡,因為會導致人和動物生病,然而在2007年,科學家發現這種真菌之所以會生存在切爾諾貝利核事故的中心,是因為它們會“吞食”核輻射。
新型隱球菌含有黑色素,這也是普遍存在於動植物的生物色素,它可以保護生物不被紫外線傷害。但是,新型隱球菌更厲害,它的黑色素還能夠將極具破壞性和致命性的核輻射轉化為化學能。這就像植物的光合作用,黑色素就是新型隱球菌的葉綠素,是其轉化核輻射産生能量的催化劑。
健客:明白,這些講過啦。
雲飛:發現這項超能力後,美國國家航空航太局的科學家文卡特斯瓦蘭表示,新型隱球菌可以被製作成抵抗核輻射的“防曬霜”,這樣不管是在宇宙環境中,還是在一些核電站裏,人們都不需要擔心遭到核輻射的威脅,生命安全可以受到很大程度的保護。抱著這樣的想法,美國國家航空航太局的科學家將新型隱球菌的樣品帶去了國際空間站,並把這些真菌塗抹在一個裝有放射性檢測的儀器內。塗抹新型隱球菌的區域在短短48個小時以內,真菌就已經在真空的太空環境下迅速覆蓋了半塊的儀器,繁殖速度十分之快。就這樣1個月以後,科學家們發現新型隱球菌依舊能夠在充滿著輻射的儀器上面存活,同時還比起另外一半沒有塗抹的部分少了2%的輻射。雖然減少的幅度並不大,但顯示出強大潛力,甚至可能成為未來航太黑科技,為航太員加上一道安全防護。
健客:真厲害!還有嗎?
雲飛:孤獨、孤立和抑鬱可能是宇航員面臨的主要心理挑戰。在長時間的太空探索中,他們與地球和親人的聯繫被割裂,周圍只有無垠的宇宙。這種孤獨感可能會導致心理問題的加劇,進而影響宇航員的工作效率和精神狀態。解決這一問題,裸蓋菇素可能大有可為。
健客:感覺有點飄了。
雲飛:真菌是太空探索中不可或缺的一部分,它們的影響是一把雙刃劍。因此,需明晰以下兩點:一是在即將到來的太空任務中如何使用真菌;二是採取哪些預防措施來規避真菌對宇航員和設備的危害。在空間站這樣的封閉系統中,真菌污染已經是現實問題,而且可能是一個嚴重的問題,因為真菌可能引發宇航員的感染或過敏反應,他們的免疫系統本身在太空中受到抑制。相反,許多真菌似乎在微重力條件下促進了它們的生長。
天體真菌學還是澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室的最新研究領域。這裡集結了中國、奧地利、智利、德國、義大利、斯洛維尼亞、西班牙和美國研究人員組成的國際化團隊,對太空環境下的真菌進行專項研究,並在國際期刊發表成果,成功將天體真菌學確立為天體生物學中公認的重要研究領域。
天下沒有不散的宴席,《真菌傳》也到了結束的時候。親愛的讀者,若問了解過去的人和事有什麼用?我想説,愛看就好。如果有些內容晦澀難懂,那是我能力不足,有待改進。我的初心是想以真菌學及相關歷史的書寫方式反映人們在生活中遇到的各種現實難題和生存困境。我覺得這樣寫可能比較燒腦,比較有趣,比較能激發讀者的熱情。其實,直到現在我都覺得不能勝任這樣一部作品,寫作過程也是發現之旅,是好奇心驅使我一路走來,是讀者的陪伴和親友的包容,讓不務正業的我竟然寫完了這本書。日本小説家野坂昭在《螢火蟲之墓》裏説:珍惜今天,珍惜現在,誰知道明天和意外,哪一個先來。我不禁要問:明天和意外哪一個缺席過?歌德説:“歷史給我們的最好的東西就是它所激起的熱情。”我不敢奢求開卷有益,留有餘香,惟願聰明的你在《真菌傳》中感受到我的好奇心,讓那些故人和往事點燃你的熱情,無論明天和意外,哪一個先來,都自信從容。
接下來要花點時間收集資料,構思《病毒傳》,這也是微生物三部曲的最後一部,希望得到您的幫助。
欲知後事如何,且聽下回分解。