最近一个早晨，科罗拉多大学博尔德分校的生态学和进化生物学教授诺亚·费尔勒（Noah Fierer）发现自己身处科罗拉多州东部农田上方1000英尺（约305米）的高空。他栖身于博尔德大气观测站（Boulder Atmospheric Observatory）的塔顶附近，这座类似手机信号塔的尖塔建于1977年，用于进行气候和天气研究。为了到达塔顶，费尔勒和他的同事乔安妮·埃默森（Joanne Emerson）乘坐塔内狭窄的电梯，用了五分钟到达了90层楼高处一个更加狭窄的走道。他们戴着安全帽，系着安全带，探身检查一个绑在格栅平台上的小设备。这台机器是他们几个月前安装的，每晚吸入空气，过滤并储存其内容物，每两周收集一次。它基本上就是一个吸尘器，但吸的不是灰尘，而是微生物。
微生物无处不在。在1000英尺（约305米）相对荒凉的大气层中，每立方米空气约含有一千个微生物。靠近地面时，这个数字飙升到10万；而在每平方厘米的人类皮肤上，这个数字跃升到1000万。一茶匙泥土含有500亿个微生物，是地球人口的七倍多。然而，尽管数量如此之多，科学家们对微生物生态系统却知之甚少。例如，我们对家中微生物的了解，比对最深海沟中动物的了解还要少。我们对其对我们影响的了解就更少了。微生物如何塑造我们的日常生活，我们又如何塑造它们的生活？它们会引发哮喘和过敏，还是有助于预防它们？我们仿佛生活在一个看不见的世界里，而费尔勒就像他之前的维多利亚时代的博物学家一样，正在描绘这个世界。
作为美国顶尖的微生物生态学家之一，费尔勒收集并分类细菌、古菌、真菌和病毒等微生物。“我是‘小虫子’的博物学家，”他说。直到几年前，微生物生态学还是一个相对沉寂的领域。费尔勒说，由于这些生物体体积微小，且许多无法在培养皿中培养，大多数微生物组研究都好比调查亚马逊雨林的生物多样性，结果却只发现了五种物种。随后，DNA测序技术出现了。费尔勒和其他科学家现在可以快速轻松地分类成千上万的物种并确定其功能。“可以公平地说，我们正在进入微生物生态学的黄金时代，”他说。
在过去的五年里，费尔勒探索了公共厕所、腋窝和毛毛虫胃等环境的微生物多样性。有时，他的发现能揭示更广阔的微生物领域。在博尔德大气观测站的塔楼上，他正协助埃默森确定哪些生物能够在从加利福尼亚等地吹来的气流中存活。另一些时候，他的发现则告诉我们关于我们自身以及我们如何不知不觉地塑造微生物世界的信息。例如，他证明了人们在触摸电脑键盘等表面后很久，仍会在其上留下独特的微生物指纹，这一事实甚至被《CSI：犯罪现场调查》的一集所引用。（目前尚未有人在实际调查中使用这项技术。）
最近，费尔勒将注意力转向了最丰富却又最不为人知的微生物环境之一：美国家庭。2011年，他加入了由北卡罗来纳州立大学生物学家罗布·邓恩（Rob Dunn）发起的“我们家园的野生生物”项目（罗布·邓恩也是费尔勒研究甲虫细菌和我们肚脐中微生物的共同作者）。该项目旨在绘制全美家庭的微生物生物多样性图谱。“我们真的不知道会发现什么，”费尔勒说。正如他和邓恩在研究中经常指出的那样，一个普通家庭中的微生物种类比地球上鸟类的种类还要多。“我们与数千种物种共存，其中有些会让我们生病，有些则不会，这应该让人们感到震惊，”邓恩说。“我们不知道是哪些因素决定了它们生活在你家里，而且在大多数情况下，我们也不知道哪些是有益的，哪些是有害的。”
为了改变这种状况，邓恩在北卡罗来纳州立大学的公民科学倡议招募了志愿者。来自全美50个州的1400多人报名参加。每位志愿者都必须填写一份关于他们的清洁习惯、宠物和植物、病史以及其他各种杂项信息的问卷。然后，参与者会收到基本的拭子采样包，他们用这些采样包从厨房台面、枕套以及室内外门槛的顶部采集样本。（在2011年对北卡罗来纳州40个家庭进行的试点研究中，志愿者还擦拭了马桶座、门把手、电视屏幕和其他物品，但由于这些样本中的微生物群落有足够的重叠，因此可以减少拭子采样点的数量。）随后，这些样本被送回费尔勒处进行DNA测序。
在费尔勒位于博尔德的实验室里，研究人员使用化学溶液和离心机从拭子中提取微生物DNA；然后，他们化学扩增并测序特定的标记基因，这些基因有助于识别物种及其功能。在短短几个月内，该团队就汇编了有史以来最大的微生物生态学数据集。它包含了数亿个DNA序列，并且几乎立即产生了发现。例如，研究人员在室内门框上发现了大约3,500种细菌，这意味着一个普通家庭中大约有3,500种细菌漂浮着——比研究中在室外门框上发现的种类多500种。
当费尔勒比较来自不同地区的家庭数据时，他发现在门槛上收集到的室外细菌和
真菌群落主要有两种类型，一种主要分布在东海岸和太平洋西北地区，另一种则在其他所有地方普遍存在。“我们一看到它，就说，‘天哪，这里面是有规律的！’”费尔勒说。是什么导致了这些不同的微生物群？费尔勒认为它们可能与地理模式有关，包括降水、土壤pH值和森林覆盖。但还需要更多的研究才能确定。
一个普通家庭中的微生物种类比地球上鸟类的种类还要多。
费尔勒也看到了他的工作在法医学上的应用。“我们或许能够证明，我们可以利用在房屋内外发现的微生物来精确地指出那个家庭的位置，”他说。“它甚至可以用来通过查看罪犯衣物上或汽车表面沉积的微生物，来确定罪犯曾去过哪里。”
“我们家园的野生生物”项目的数据分析仍在继续，同时也在努力开发数字互动“报告卡”，让1400名志愿者了解他们枕套上各种微生物的数量和可能的环境来源。与此同时，费尔勒正在开发新项目。他想调查皮肤微生物与体味之间的联系，并倡导保护濒危微生物的理念。“关于植物和动物保护的文献很多，但通常被忽略的是微生物的保护，”他说。
当费尔勒列出他愿望清单上的所有项目时，很难不想象一个与我们所知的世界截然不同的世界——一个每个表面都布满了沸腾的细菌群落、真菌沉积和病毒大军的世界。是的，费尔勒解释说，我们都沉浸在微生物汤中——无论好坏。“幸好，”他说，“我不是一个疑病症患者。”
有什么与你共存？
大约一年半前的一个早上，我在纽约布鲁克林的家中像往常一样醒来：我的狗跳上床，把脸趴在我的枕头上。那天，我好奇它带来了什么。与动物同住是否会影响我公寓的微生物组成？为了回答这个问题，我报名参加了由北卡罗来纳州立大学罗布·邓恩（Rob Dunn）运营的“我们家园的野生生物”项目。志愿者在其居住空间中的指定位置进行拭子采样，以收集微生物DNA，然后对其进行测序，以揭示哪些物种出现在哪里。以下是我与美国其他18个人的比较结果。——布鲁克·博雷尔
本文最初发表于《大众科学》2014年4月刊。
