物理學家給生態學帶來全新的見解

編譯 喬琦

物理學家杰夫·戈爾通過實驗檢驗了有關微生物群落的理論，并且發現了約束生態穩定性的新規則。

2019年，杰夫·戈爾（Jeff Gore）大步走過一條不長的走廊，從他的辦公室來到實驗室，后者位于馬薩諸塞州坎布里奇市科技廣場的一棟大學建筑內。嗡嗡作響的機器、淡淡的氯氣味讓人很是心安，因為這些現象表明實驗室的物品很準確地保存在無菌環境中。實驗室的計數器上到處都是移液管和約莫智能手機大小的塑料盤。每個塑料盤上有8×12，共96個直徑約0.5厘米的半球形孔槽。戈爾拿起其中一個塑料盤說道：“這就像是我們的世界。”

戈爾在麻省理工學院實驗室的成員成天忙著創造、戳弄、刺激塑料盤每個孔槽內由細菌或酵母構成的孤島。孔槽內，各個物種要么相互競爭，要么需要面對高溫、低溫或食物短缺的不利條件。與此同時，一種叫作“血細胞計數器”的設備始終都在一個孔槽接一個孔槽（有時甚至是一個細胞接一個細胞）地記錄成千上萬次實驗的結果。戈爾說：“你真的可以把細胞一個一個數出來。”

從研究環境和研究對象看，戈爾無疑是個生物學家。然而，無論是從接受的訓練來說，還是從自我認識來說，戈爾都是個物理學家。物理學家們總是非常大膽，這個特質既讓他們備受尊崇，有時又會在他們“入侵”其他領域時招來忌恨。正是憑著這份勇氣，戈爾這位快人快語、始終樂觀積極的物理學家在過去十年里不斷“入侵”著生態學領域。他希望自己的這番跨界行動能給這個領域帶來助益。

戈爾的研究主要是通過操控極為簡化的微生物生態系統尋找那種普適的基本原理。這類原理既是物理學家研究非生命世界時的方向，也一直是生態學家在研究生命世界時渴望找到的目標。同事們說，戈爾研究方法的不同之處在于對可重復實驗和數據統計分析的追求——而生態學家在傳統上一直認為，在生態學研究中，這兩點就算不是完全無法實現，起碼也很可能不太接近現實，會起到誤導作用。

然而，這種研究方法卻取得了令人驚喜的成果。戈爾已經發現了一些規則，通過它們就能預測簡單微生態系統的未來，其中包括實驗室蠕蟲的腸道微生物以及土壤樣本中的細菌群落。即便是那些不太愿意信任這些“入侵者”的生物學家和生態學家，都對戈爾從事這一領域的尊重態度贊賞有加，并且表示，戈爾的確在長期困擾他們及同事的問題上取得了長足的進步。

“戈爾可以提出那種困擾了人們幾十年的真正意義深遠的問題，”芝加哥大學理論生態學教授斯蒂法諾·阿列西納（Stefano Allesina）說，“他可以將理論提煉并應用到實驗里，你可以從中得到沒有干擾的信號和數據。”

戈爾現在正在開拓新領域。掌握了操控實驗室微生物的技術后，他希望能發現適用現實世界生態系統的規則，畢竟那才是人們真正關心的。掌握各個物種聚集的方式和在群落中生存的方式，有助于醫生治療胃腸道疾病，有助于農學家改良出更有養分的土壤，也有助于自然環境保護主義者保護或恢復生態系統。

不過，物理學和生物學兩邊的同行雖然都很支持戈爾的努力，但也都想知道他的激進而嚴格的實驗策略在面對真實生命世界的全部復雜性時會產生什么效果。

解釋“樹木交錯的河岸”

在思索自身領域內最深刻的問題之時，物理學家會問：為什么那里會有這些東西，而不是什么都沒有？而生態學家則常常會問：為什么有那么多物種，而不是只有一些？

傳奇生態學家伊夫林·哈欽森（G.Evelyn Hutchinson）稱這個現象為“浮游生物悖論”，但他本來也可以稱其為“草原悖論”或“熱帶雨林悖論”或“消化菌群悖論”。在你能看到的幾乎所有地方，大自然都選擇了復雜而非簡單，選擇了混合而非單一。地球充斥著各種物種，但我們還不清楚其中的原因：在任何特定的環境中，為什么都不是單一物種（或者，最多一些物種）取得生存優勢，勝過其他所有物種？自從達爾文在《物種起源》中深思這個著名的“樹木交錯的河岸”問題以來，科學家們已經被其困擾了150多年。

理論生態學家面臨的困境在于，全世界有成千上萬種的生態系統，很難從一般角度上證偽生態學理論。阿列西納開玩笑地說，物理學教科書的篇幅基本上保持穩定，不會因時間的推移而大幅增減，因為實驗和觀測在證偽舊理論的同時也催生了新理論。然而，生態學的教科書只會越來越厚，因為即便新理論已經堆積成山了，也無法擺脫生態學的那些舊理論。我們還不清楚支撐著生態學的統一理論是否能揭示——這個理論的地位應該相當于熱力學與統計力學在物理學中的地位——因為現在既沒有人發現這些理論，也沒有人能證明不存在這類原理。

戈爾和他的同事嚴格且系統地檢視了96孔槽培養板中微生物的各種組合結果，以探尋決定不同組合結果的規則

檢驗宏大而優美的理論

戈爾在身體和智力上都不安分，他在嘗試了其他數個科學領域后最終加入了生態學研究的行列。20世紀90年代末，戈爾還是麻省理工學院本科生時，就在沃夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle）的幫助下開發了一套研究玻色-愛因斯坦凝聚的實驗裝置。玻色-愛因斯坦凝聚是理論早已預言的物質第五態，而克特勒率領的團隊正是率先得到這種狀態的團隊之一，他也因此榮獲2001年諾貝爾物理學獎。在加州大學伯克利分校攻讀研究生期間，戈爾的研究方向轉向了生物物理學，主要工作是探索DNA分子的復雜機制。之后，他又在麻省理工學院展開博士后工作，這一次，他突破了傳統生物物理學的邊界，用酵母做實驗，探索合作行為的演化。

隨著時間的推移，戈爾逐漸為他所稱的生物學的“宏大而優美的理論”所吸引，這個理論的內容是解釋生物為何能在復雜群落中生存。不過，戈爾也同樣注意到“理論和實驗并不總能最大限度地互相充實”。他看到了清晰、明確且可重復的實驗可以嚴謹地驗證假說，或許還能解決阿列西納哀嘆的理論堆積問題。在戈爾看來，這意味著要對大自然施加一定程度的控制，而很多生物學家都會認為這種控制帶有極度人為色彩。戈爾開始將微生物放到嚴格控制的環境中，并且運用最為先進的工具準確追蹤每一個個體的命運。他解釋說，這么做可以擺脫大自然的部分干擾和混亂，好讓他多次重復實驗，并且得到那種足以說服物理學家并使他們信服的統計數據。

“戈爾的想法是這樣的：我們先研究最簡單的這些生物群落，然后再看看我們對它們的測量能到什么程度。”此前在戈爾實驗室做過研究，如今在波士頓大學“自立門戶”的物理學家基里爾·科洛列夫（Kirill Korolev）如是說，“這么做確實損失了復雜性，但也有好處。”

戈爾從最簡單的生態系統開始研究，那就是只有一個物種的生態系統。事實證明，即便是這樣一個極為簡單的生態系統也能得到很有意思的結果。戈爾和他的實驗室成員（包括科洛列夫在內）設計了一個實驗。實驗中，他們稀釋了在含糖溶液中生長的啤酒酵母菌。啤酒酵母菌可以將不可食用的糖轉化為可食用的糖，因此，酵母菌越是集中，對個體的好處就越多，而稀釋則意味著整個酵母菌種群將處于饑餓狀態。研究人員從實驗數據中識別出了能夠讓他們預測酵母菌種群究竟是繁榮滋長還是崩潰消亡的信號。這項研究的結果于2012年發表在《科學》（Science）期刊上，那篇論文也是到目前為止戈爾實驗室被引用最多的論文。它最大的特點是包含了一張分叉圖，這張圖精確地標注出了生態系統會在何種情況下保持穩定，又會在何種情況下越過臨界點走向災難性的崩潰。

“這類圖對大多數數學生態學家來說，一目了然。”阿列西納說。已故的羅伯特·梅（Robert May）是從物理學轉攻生態學的先驅，他發現一個用來模擬昆蟲種群數量增長的方程會產生一種分叉圖，這一發現也開啟了混沌理論這一研究領域。戈爾的團隊則把這個想法從計算機和黑板上搬運到了實驗室里。

“那篇論文非常震撼，”阿列西納說，“文中的實驗數據表明，單物種群落的發展和理論預測完全一致。正是這篇論文讓我非常清晰地了解了戈爾他們的工作。”

二和無窮之間

有一個笑話是這么說的：物理學家可以描述含有1個、2個或無窮個個體元素的系統，但對于個體元素在2和無窮之間的系統，他們就無能為力了。于是，在證明自己的勇氣確實為單一物種生態系統的研究帶來了啟示之后，戈爾又開始研究起了兩物種生態系統。在當時還是博士后的喬納森·弗里德曼（Jonathan Friedman）領導的工作中，戈爾實驗室的成員從土壤中分離出8株細菌，然后以各種組合把它們放到96孔槽板上，讓它們互相競爭。研究人員從結果中總結出了一套簡單的規則：A戰勝了B，B戰勝了C，C和D能共存，等等。

耶路撒冷希伯來大學的喬納森·弗里德曼在戈爾實驗室做博士后工作時，領導了一項實驗。這項實驗確定了8株菌株兩兩配對互相競爭后的結果

接著，這群科學家又研究起了三物種生態系統。戈爾的團隊發現，通過物種一對一競爭的實驗結果，他們能以90%的準確率預測某一物種是否能在更為復雜的系統中生存下來。換句話說，如果A在與B的一對一對決中取勝，B又在與C的對決中取勝，那么A幾乎肯定可以打敗B和C。

饒是如此，以8種微生物為對象展開的研究得到的結論也很難說一定具有普遍意義。于是，這個研究小組又朝著真實世界邁了一步。研究生羅根·希金斯（Logan Higgins）到實驗室外麻省理工學院科技廣場的草坪上鏟了一些滿是微生物的土壤回來。研究團隊分離出了其中每種微生物的菌株，并且得到了它們兩兩配對競爭之后的規律，也即知道了哪些微生物能打敗哪些微生物，哪些微生物能和哪些微生物共存。接著，研究人員又在他們的塑料板孔槽內考察了差不多1 000組三種微生物放在一起生活的情況。

這些實驗的靈感部分來自20世紀70年代的某些觀點，也即認為，在由多個物種組成的混合社群中，各個物種之間的競爭平衡可以讓每一個物種都穩定下來。這類“高階”穩定相互作用的一個例子有點像是剪刀-石頭-布的游戲，也即3個物種中的每一個都會被其中另一個物種壓制，但也能壓制剩下那個物種，由此達到共存狀態。理論生態學家認為，這類組合可能是一種產生多樣化生態系統的絕佳方式，因為它讓系統內任何一個物種都無法戰勝其余所有物種。實驗室內甚至已經成功構建出了這種由剪刀-石頭-布關系穩定下來的三微生物系統。

然而，經驗數據的匱乏讓我們還是難以判斷這類組合在野生世界中究竟有多重要。“我很喜歡剪刀-石頭-布這種關系，”阿列西納說，“但這并不意味著它在自然界中很常見。”

在這些從泥土中分離出來的菌株中，戈爾團隊只發現了一組剪刀-石頭-布關系。與之前的實驗結果一樣，一對一競爭的結果似乎也適用于整個生態系統，也即若A在與B的一對一對決中取勝，B又在與C的對決中取勝，那么A幾乎肯定可以打敗B和C。只有在一個案例中，出現了C能打敗A的情況，從而完成了剪刀-石頭-布的循環。當研究人員把全部20種微生物都一起放到孔槽中后，只有3種成為主導菌，與此前得到的規律預測的一樣。但這個結果與現實土壤社群的情況相去甚遠。由于此次實驗過程中幾乎完全沒有出現剪刀-石頭-布的關系，戈爾團隊總結說，土壤物理基質中的微小環境條件變化很可能會在自然環境下起到穩定社群多樣性的作用，因為3種及以上微生物之間的相互關系似乎與實驗室里得到的結論并不相同。

真實的生態系統恰恰處于物理學家不擅長的2與無窮之間，而上述這些研究則表明戈爾的方法對這一領域的研究具有一定意義。“我不覺得我們的發現必然就體現了所有真實生態系統的運作方式，”現在已經擔任耶路撒冷希伯來大學（位于以色列雷霍沃特）高級講師的弗里德曼說，“但這是在究明生態系統運作方式之路上最有成效的努力。”

“我們真的在不斷收獲……方式類似于物理學家研究量子力學和原子時使用的那種。”戈爾說，“我們先努力研究清楚氫原子的情況。這并不是說物理學家癡迷于氫原子本身，而是如果你連氫原子都弄不明白，那繼續深入下去，處境就有點危險了……這就是我的看法。我們在研究生態學時也相當于從氫原子開始，現在差不多到了研究氦原子和甲烷的階段。”

不斷收獲

微生物對自然界非常重要。土壤中的細菌和真菌支撐著我們食用的植物，也支撐著保證氣候穩定和地球生物多樣性的雨林。在我們的腸道里，細菌幫助我們消化食物。現在還有觀點認為，它們對我們的免疫系統（甚至很可能還有認知系統）也有貢獻。不過，微生物群落也可能造成破壞。這方面最出名的例子或許是，一種叫作艱難梭菌（Clostridiumdifficile）的細菌入侵腸道后，會引起疼痛，有時甚至還會導致致命的結腸炎。這類微生物入侵事件很難預測，也很難根治。我們現在越來越多地通過“糞便移植”來應對這種情況。

“對于微生物，我們其實什么都不了解，所以，我們選擇將整個群落移植過來，然后祈求好運。”阿列西納說，“你真的覺得自己需要全部5 000種細菌嗎？很可能我們并不需要那么多。很有可能只含有少量細菌種類的、規模更小的微生物群落產生的效果也并不會有什么不同。”

受到這一系列大有希望的實驗結果的鼓舞，戈爾最近已經把目光放到了腸道微生物群上。在2020年2月發表的一項研究中，戈爾團隊發現，當一個由兩種微生物組成的生態系統短暫受到第三種微生物的入侵時，優勢方往往會發生改變。文章作者認為，艱難梭菌的致病原理可能與這個機制類似。

然而，戈爾在以人類腸道菌群為研究對象，努力探尋具有普遍意義的物種聚集規則時，卻遇到了復雜性陡然上升的巨大困難。在我們的腸道內，無論何時都有種類上千、數量超過1萬億的細菌在競爭、共存。當時，剛開始博士后工作的尼克·維加（Nic Vega）給戈爾實驗室帶來的一條小蟲為這項研究的進展開辟了一條新的道路。這條小蟲名叫秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditiselegans），是成千上萬生物學家開展研究的模型生物。和我們一樣，秀麗隱桿線蟲也有腸道和腸道微生物群，只是它們的腸道微生物群只有大約10萬個細菌。

維加改進了之前土壤實驗的方法，給秀麗隱桿線蟲喂食成對細菌，每對細菌中，一個做紅色標記，另一個做綠色標記。待細菌在線蟲腸道內折騰一番后，再將線蟲碾碎，查看每種細菌存活下來的數量。結果發現，兩種細菌在線蟲體內存活率的隨機波動會對線蟲整個微生物群的組成造成顯著差異。維加表示，對這類差異進行解釋的想法對微生物群研究者來說“有點陌生”。

在后續研究中，維加和研究生安東尼·洛佩茲（Anthony Ortiz Lopez）考察了11種細菌在秀麗隱桿線蟲腸道內兩兩配對競爭后的結果，接著便又給線蟲一起喂食其中的3種細菌。同土壤實驗一樣，兩兩競爭的勝負規律在大多數案例中都能比較準確地預測3種細菌一起競爭的結果。研究人員把這篇論文的初稿上傳到了biorxiv.org預印本服務平臺上，同時也投稿一份期刊進行同行評審。

戈爾表示，這項實驗證明，雖然外部因素的確相當重要，但就預言各種環境中微生物群落的演化結果而言，“由一對一競爭得到的規律才是有效的手段”。

與戈爾一樣，現在已經是亞特蘭大埃默里大學教授的維加也認為，這項實驗的結果強有力地證明了戈爾的研究方法同樣適用于現實世界中的生物。“當然，就人體腸道生態系統來說，我們肯定不可能讓所有存在于腸道中的微生物都來一場兩兩配對競爭。”維加說，“我們現在想要弄清楚的是……究竟需要哪些信息才能預測生態系統最后的演化結果？獲取這些信息的最佳方式又是什么？”截至目前，維加等人看到的實驗結果令他們頗為樂觀。“我希望未來有一天，我們能夠完全掌握哺乳動物體內微生物群的特性，并且能夠有目的地重新加以編排。”

不過，并不是所有人都對這個前景篤信不疑。除了數量和多樣性帶來的困難之外，細菌還經常會分泌一些能改變自身和周遭一切環境的化合物。戈爾及其他任何人目前的成果都還不能捕捉這些細微差異。

“我覺得，要想在實驗室里完全復制人類體內的微生物群非常困難。”研究微生物群療法的麻省理工學院生物學家塔米·利伯曼（Tami Lieberman）說。不過，她也強調，這并不意味著這番努力不值得。實際上，作為朝著這個目標邁進的第一步，利伯曼和戈爾正在討論開展一項合作實驗，以檢驗兩兩競爭的勝負規律對人體腸道內微生物相互作用結果的預測究竟有多準確。

研究微生物群落的波士頓理論物理學家潘卡·梅塔，他尊重戈爾“自下而上”式的研究方法，但對這種方法是否適用于更為復雜的自然生態學持懷疑態度

在波士頓大學（與麻省理工學院只隔了一條查爾斯河）理論物理學家潘卡·梅塔（Pankaj Mehta）看來，戈爾的研究方法取得的成果已經超過了預期。起初，梅塔認為戈爾忽視了有關微生物環境的重要細節，但他后來坦承，事實證明，那些細節沒他原來認為的那么重要。“這項工作的有趣且令人印象深刻之處在于，它證明至少在那些所含物種種類不多的系統中，很多很多各不相同的現象——pH變化、養分的競爭等——都可以通過這些簡單的現象模型來描述。”梅塔說，“這是一種真實且久經考驗的還原理論，在物理學研究中表現良好。”

然而，梅塔同樣對戈爾能走多遠持懷疑態度。他打了一個比方：當物理學家想要描述任意時刻在房間內飄蕩的1023個空氣分子時，他們不會寫下每個分子的方程。相反，他們尋找的是那些能夠描述這些粒子平均行為的參數——于是就有了“一、二和無窮”這個笑話里的無窮。對于氣體來說，事實證明，的確存在這樣一種能夠描述粒子平均行為的參數，那就是：溫度。看看溫度計，你就能知道很多有關身邊這么多氣體分子的有價值的信息。

梅塔認為，這種“自上而下”式的研究方法也能在微生物研究中起作用。在他的團隊及其他一些科研小組共同開展的研究中，像營養物質獲取率以及各種細菌對彼此分泌物的依賴程度這樣的高階參數，在沒有微生物群落成員數量以及內部相互作用這些信息的情況下，也能體現有關微生物群落工作方式的重要特征。

梅塔說，戈爾實際上是在用科學家口中的“自下而上”式方法努力解釋每個微生物的行為。雖然這一方法到目前為止非常奏效，但“我的確認為，要想把這種方法應用到復雜程度很高的系統中無疑會非常困難，”梅塔說，“我絕對相信，到那個時候，戈爾的這套方法作出的預測只會越來越不準確。”

阿列西納在開展自己的工作時也更喜歡自上而下式的方法。在2018年的一項模擬研究中，他將100種受到刺激的微生物放在一起研究，結果發現，無論各種微生物之間的內部相互作用細節如何，總能形成穩定的生態系統。不過，阿列西納認為，這兩種策略都是研究之路所必需的。“我喜歡自上而下式的研究方法……那更有趣一些，”阿列西納說，“但我覺得問題的答案，藏在這兩種方法中間。”

普林斯頓理論生態學家西蒙·列文（Simon Levin）則提到了另一項戈爾必須面對的挑戰：與化學元素和亞原子粒子不同，微生物始終在演化。因此，當你對所研究的系統做實驗的時候，它們已經發生了改變。“對生物學中的所有預測性理論來說，那是一個擺脫不了的困境，”列文說，“有外部因素出現時，就很難建立目標理論了。”

未來幾年將會見證戈爾是否能夠實現自己定下的崇高目標。他生性就不喜安逸，總是在不斷追求進步。最近，他又同弗里德曼和博德研究所的保羅·布萊內（Paul Blainey）展開了合作，這令他興奮不已。布萊內此前為高通量藥物篩選設計制造了一塊納米流體芯片，戈爾與他的合作則賦予了這塊芯片全新的目標。他們最近使用這塊芯片研究了20種土壤細菌在40種環境下的180 000類相互作用，并且發現某種微生物因另一種微生物的存在而獲益的相互作用要遠比預期的多——這個結果又一次沖擊了我們對細菌在群落中行為的傳統認識。

列文表示，戈爾因做對了一件重要的事情而提升了行業成功的概率。“他不會像很多物理學家那樣就這么闖入生態學領域，然后說，‘我是物理學家，來這里幫你們’，”列文說，“戈爾直接把自己變成了真正的生物學家。他對這一領域原有的思想和方法表達了尊重。”

阿列西納也同意這種說法：“他決定投身生態學研究，這對我們來說是一件幸事。”

資料來源QuantaMagazine