一個細菌伸出了菌毛，連接配接了另一個細菌（圖檔來源：UCR）
我們腸道中的微生物會定期發生“性行為”，從某個角度來說，這對細菌和我們都是一件好事。
撰文 | 二七
審校 | 栗子
你可能知道，在我們的腸道中，居住着大量的細菌。而你可能不知道的是，為了更好地生存下去，這些細菌會定期發生“性行為”。
等等，細菌似乎沒有嚴格意義上的生殖器，也沒有性别的劃分，這樣也能有性行為嗎？
在我們的印象中，細菌繁殖靠的是分裂，并沒有交配這種“世俗的煩惱”。但在生物學的定義下，性的本質是遺傳物質的交換過程。最近，發表于《細胞·報告》的一項研究顯示，我們腸道中的細菌可以伸出一根名為菌毛（pilus）的管子，将自己的DNA“注入”另一個細菌體内，進而幫助其他細菌擁有擷取維生素B12的能力。對于這些看似簡單的生命形式來說，盡管與繁殖過程無關，但這就是它們的“性生活”了。
細菌的“性生活”
其實，細菌也有“性生活”這件事，科學家很早就發現了。1946年，愛德華·塔特姆（Edward Tatum）和約書亞·萊德伯格（Joshua Lederberg）首先發現，細菌之間也存在基因的交換。
塔特姆和萊德伯格通過化學物質誘導，獲得了大腸杆菌（Escherichia coli）K12菌株的兩種突變體。這兩種突變體都不能合成某些必需的營養物質，是以無法在自然環境中生存，隻能在提供了相應營養物質的實驗室環境中生長。不過，它們不能合成的營養物質并不相同。
而将兩種突變體一起培養一段時間後，一些大腸杆菌的後代居然重新獲得了合成這些營養物質的能力。在經過一系列實驗排除了其他可能性後，研究者得出了結論：大腸杆菌能将遺傳物質傳遞給其他細菌，萊德伯格将這個過程稱為“接合”（conjugation）。
這個發現迅速震驚了遺傳學界，并讓萊德伯格分享了1958年的諾貝爾生理學或醫學獎。如今，我們知道了關于這個過程的更多細節：細菌表面存在一類像管子一樣的，特殊的菌毛。它會用這種菌毛，将自己附着在另一個細菌上，并且射出一份“打包好”的DNA——質粒。這樣一來，不同細菌，甚至是不同物種的細菌就能“共享”遺傳物質。
甚至長出菌毛的能力也是通過這種方法傳播開來的。大腸杆菌長出菌毛是依靠體内的F質粒（F plasmid），能長出菌毛的大腸杆菌會和沒有這種能力的細菌接合，并讓雙鍊F質粒的其中一鍊經由菌毛通道轉移至另一個細菌内，再合成互補鍊。這樣一來，接收方的細菌也能長出菌毛，轉身又成為了新的供應方。
通過菌毛的接合過程，其他細菌也可以獲得長出菌毛的能力（圖檔來源：Adenosine - Own work, CC BY-SA 3.0）
但令人擔憂的是，經菌毛通道轉移的，除了和菌毛形成有關的基因以外，還有大量的抗生素抗性基因。科學家很快意識到，通過這種方式，細菌可以把其他細菌的抗性基因“拿過來”據為己有，幫助自己躲過抗生素的攻擊。這也成為了耐藥性在細菌中廣泛傳播和持續存在的主要原因。
搜刮同伴的“屍體”
對細菌來說，接合甚至不是唯一一種獲得DNA的方式：除了從活着的夥伴那裡獲得DNA，它們還能從體外“掠奪”其他細菌的“屍體”。
當細菌死亡時，它們會裂開并釋放出體内的DNA，這些DNA就成了其他細菌的“寶藏”。2018年，印第安納大學的研究者就記錄下了霍亂弧菌（Vibrio cholerae）伸出菌毛，勾住一段DNA并帶回體内的場景。
綠色的菌毛像是一根觸手，一把“抓住”紅色的DNA并拽回體内。（圖檔來源：Ankur Dalia/Indiana University）
菌毛是一種極其纖細的結構，隻有頭發絲的萬分之一細。為了看到這些細微的結構，研究者專門開發出了一種獨特的染料，幫細菌把菌毛“染成綠的”。在顯微鏡下，綠色的菌毛像是一根觸手，一把“抓住”紅色的DNA并拽回體内。“這就像是在穿針引線一樣。”這項研究的第一作者，考特尼·埃利森（Courtney Ellison）說，據估計，DNA穿過的小孔直徑可能隻有7-8nm，而被抓住的DNA有大概50nm長，“如果不是這些菌毛在，DNA自然通過這個小孔進入細菌體内的幾率可以說是微乎其微。”
在正常顯微鏡下看似安靜的細菌，其實正在伸展菌毛。（圖檔來源：Ankur Dalia/Indiana University）
腸道細菌助消化
說到這，你可能會覺得細菌詭計多端。但其實細菌的這些共享行為也隻是為了更好地生存下去，而這對人類來說，也并不一定全是壞消息。
在最新發表于《細胞·報告》的這項研究中，研究者特别關注了拟杆菌門（Bacteroidetes）的細菌。拟杆菌是人體腸道菌群的重要成員，在某些人體内，甚至占到了整個微生物組的80%。這些拟杆菌是膳食多糖的主要代謝者，“如果沒有它們，你就無法消化蕃薯、豆類、蔬菜等食物内那些大而長的分子。它們分解了這些食物，我們才可以從中獲得能量。”論文第一作者帕特裡克·德根南（Patrick Degnan）這樣解釋。
在正常的人體微生物組中，拟杆菌屬的細菌可以占到30%（圖檔來源：NOAA/OpenStax Microbiology）
然而，要在人類的腸道中定居，并（順便）幫我們消化碳水化合物并不容易。為此，這些細菌必須與腸道中的其他微生物争奪有限的資源，其中就包括維生素B12和相關化合物。
是的，你的腸道細菌和你一樣，需要維生素B12，它在細菌的新陳代謝和蛋白質合成中都起到了關鍵作用。問題是，腸道中的大多數微生物——包括大多數的拟杆菌——沒有能力自行合成B12和相關化合物，這就意味着它們需要準備好有效的運輸系統，來從環境中吸收B12。
這時，細菌間的共享就派上了用場：研究人員發現，拟杆菌門的細菌也會通過接合這種方式，共享B12轉運蛋白的相關基因。
B12轉運蛋白
在正式開展這項研究前，德根南曾和同僚确定了一種重要的轉運蛋白，負責幫助腸道微生物吸收B12。随後，德根南開始思考，這些微生物是如何獲得B12轉運蛋白的呢？這個過程是否也和細菌的接合有關呢？
為了證明這個猜測，德根南和研究團隊将可以吸收B12的細菌和無法吸收B12的細菌一起培養，就像萊德博格70多年前的實驗那樣。一段時間後，那些無法吸收B12的細菌依然存活了下來，并且獲得了吸收B12的能力。
為了明确這個基因的來源，研究者檢查了細菌的整個基因組。“對給定的生物來說，它們的DNA條帶就像指紋一樣。顯然，DNA的接受者已經整合了一條來自供體的額外DNA，顯示它們從捐贈者那裡獲得了新的DNA。”德根南說。
在小鼠體内的實驗也得到了類似的結果，當研究者将兩種拟杆菌（一種能轉運B12，另一種不能）移植到小鼠腸道後，僅過了5-9天，前者的基因就“跳躍”到了後者體内。“這就相當于兩個（發色不同的）人發生了性關系，現在他們都有了紅頭發。”德根南說。
另外一個有趣的新發現是，論文中指出，在同一物種之間的基因轉移會比兩個不同物種之間稍快，這說明即使是細菌的性行為，可能也會存在輕微的“生殖隔離”。不過相比多數真核生物，這種性行為還是“狂野”了許多。
參考連結
[1]https://www.sciencealert.com/there-are-a-bunch-of-bacteria-having-sex-in-your-gut-right-now
[2]https://news.ucr.edu/articles/2022/02/01/human-gut-bacteria-have-sex-share-vitamin-b12
[3]https://www.nature.com/articles/35084593
[4]https://www.statnews.com/2018/02/20/antibiotic-resistance-bacterial-sex/
[5]https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1958/ceremony-speech/
[6]https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/bb/feature/bacgen1
相關論文：
https://journals.asm.org/doi/full/10.1128/mBio.01305-14