您家中的微生物可能拯救您的生命

有人告诉我，家里有一只螳螂会带来好运和健康。至于我家在加利福尼亚州奥克兰的厨房台面上那只，乔纳森·艾森（Jonathan Eisen）肯定喜欢它。“那太酷了，”加州大学戴维斯分校的微生物学家说，他从冰冷的黑色大理石上拿起那个微小的铝制玩具——有着大大的眼睛和精致的爪状前腿。当一个更小的东西，一只果蝇，嗡嗡飞过时，他才放下它。“看，”他仰着头，对着我的天花板赞叹道，“你有果蝇。”

艾森是一位 40 多岁、身材高大、留着山林老人般胡须的男人，他穿着一件正面印有闪闪发光的粉色方块字母的 T 恤来到我家，上面写着：“问我关于粪便移植的事。”他坚信人类的健康取决于细菌——不是六条腿的那种，而是栖息在我们肠道以及我们生活、工作和玩耍的环境中的微生物。艾森解释说，每次我打开门，一股穿过周围树冠的空气就会将微生物带入我的房子——亚马逊的包裹、宠物和沾满泥土的脚也是如此。

他一边沉思着我的橡树，一边屋内强制供暖系统发出了咔哒声。他眉头紧锁。他告诉我，炎热干燥的空气通过密封的房屋传播，会杀死细菌。事实上，他觉得我的整个房子让他非常不舒服。它在去年夏天进行了广泛的翻新，使用了抗菌装置、地板和墙壁——这在许多翻新工程中已是标准配置。艾森将这种做法与医学中对抗生素的过度使用相提并论：消灭了良好的细菌的自然平衡，那么你可能会不喜欢那些存活下来的生物。

越来越多的研究表明了我们体内微生物的重要性，科学家们也在慢慢地对自然界中存在的外部微生物进行分类。但对于我们室内环境中围绕我们的微生物生态系统，我们却知之甚少，而我们在室内度过了大约 90% 的时间。最近，一群科学家，他们通过艾森创立的“建筑环境微生物学网络”松散地联系在一起，开始对此进行探索。白宫科学技术政策办公室正在考虑制定一项国家倡议，以推动进一步的研究。一旦我们了解了我们与之共存的生物，我们就可以开始确定我们对它们的依赖程度——然后我们就可以解决这个问题：在多大程度上我们需要停止保护人们免受细菌侵害，而是保护细菌免受人们侵害？

消灭了良好细菌的自然平衡，那么你可能会不喜欢那些存活下来的生物。

我带着艾森走过一条涂有抗菌涂料的楼梯，来到一间铺有经防污和除臭处理的地毯的书房。“你知道那不好，对吧？”他问道。然后我们走进浴室。艾森专注地盯着无水箱的马桶。它似乎像一个抗菌飞船一样从地板上悬浮起来。当我问他是否想出去呼吸新鲜空气时，他如释重负。

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查尔斯·达尔文在他的《物种起源》中，通过生命之树描绘了演化。它的枝叶让一些物种繁荣，而将另一些物种推向灭绝。但达尔文的树没有包括微生物，它们可能是所有生命形式中最成功的。它们约占地球生物总量的 60%。一茶匙土壤中的微生物比世界上的人类还要多。

从某些方面来看，我们甚至比哺乳动物更像微生物。我们体内栖息的数万亿微生物，统称为我们的微生物组，数量是人体细胞的 10 倍。总的来说，它们的重量可以达到人脑的两倍，它们是一种“第六人类超级生物”，其功能与消化食物、预防感染，甚至可能影响我们的情绪和心情有关。几乎每天都有描述我们微生物组新的、至关重要作用的研究发表。它之所以具有令人惊叹的广泛性，原因很简单：我们的细菌与我们一起进化。

微生物似乎通过使自己变得极其有用而繁荣起来，我们则乐于让出空间来换取它们提供的维生素、消化酶和代谢产物。因此，城市居民的肠道微生物多样性比生活在偏远丛林的土著居民少 40% 的发现，引起了科学家的担忧。他们说，这些“丢失的微生物”可能已被数十年的工业化食品所消灭，这些食品限制了我们的饮食，而抗生素的使用则以它们的代价延长了我们的生命。

艾森对我们的内部“房地产”可能状况不佳提出了另一种解释：我们体内的微生物组依赖于我们周围的微生物组。“你见过无菌小鼠吗？”他问我。“它们是非常糟糕的动物。”这些啮齿动物通过剖腹产出生并在无菌室中饲养，它们的肺部和结肠发炎，就像哮喘和结肠炎患者一样。它们还容易出现失控的免疫反应和奇怪的社交行为。

直到相对较近的过去，无菌室也不是我们的环境。“我们不是在封闭的房间里进化的，”纽约大学的微生物学家 Maria Gloria Dominguez-Bello 说，她领导了土著微生物组的研究。“我们在大自然中进化。”大家庭一起生活在农场和廉租房里，那里不是什么卫生模范。牲畜在街上闲逛。传染病在城市中蔓延。屋顶漏水。下水道堵塞。窗户打开。但随着现代化，我们将自己封闭起来。换句话说，我们与进化过程中的微生物分道扬镳了。通过重新设计我们的建筑，我们重新设计了我们自己。

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艾森心地善良，口才雄辩，喜欢开玩笑。当我第一次在戴维斯的一家泰国餐厅见到他时，他撩起衬衫，用胰岛素注射器给自己注射。我吓了一跳，但他咧嘴笑了。“我小时候，我这样做是为了吓唬别人，”他说。现在，他正在说明他在微生物学领域的工作是如何个人化的。艾森患有 1 型糖尿病，这是一种与微生物组变化相关的自身免疫性疾病。

要理解艾森对维护微生物多样性这一事业有多么认真，了解他的职业生涯起点很有帮助：他在华盛顿特区公共辩护服务处的一次本科实习。这培养了他对正义的终生热爱，以及尽可能地反抗欺凌的冲动。他认为，无论是我们体内还是建筑中的微生物群落，都像复杂的热带雨林一样运作，而不是简单的生态系统。“这并不意味着微生物不会杀死一些人，让另一些人患病，”他说。“但如果你害怕老虎，你不会砍光整个雨林。嗯，在某些情况下你会这样做，但那是疯狂的。”

“如果你害怕老虎，你不会砍光整个雨林。”

直到去年，艾森一直是微生物威胁论坛的成员。（他退出了，称有益微生物和女性科学家都代表性不足。）当国家科学院首次召开该论坛时，普遍的观点是微生物是公共健康的敌人，我们正在与它们作战。这种方法适得其反：细菌会适应任何药物，通过与邻居交换基因来获得抗生素抗性。超级细菌的兴起，加上对人类微生物组日益增长的认识，促使许多科学家（包括论坛成员）重新思考细菌战的益处。

艾森咬了一口炒菜，建议我们完全抛弃“病原体”这个词。“有时细菌是好的，有时它们是坏的，”他说，听起来异常像尤达大师。“没有什么是永远好或坏的。”

作为一名研究微生物进化 20 年的学者，艾森在解释范式转变方面处于有利地位。2007 年，他帮助启动了一个微生物“基因组百科全书”，这是一个引人注目的项目，其最重要的一点是空白页面：我们不知道我们大多数微生物邻居是谁。

但这并没有阻止我们试图将它们驱逐出去。现在市场上有数千种抗菌产品，从服装到砧板。一项行业报告预测，仅 19 亿美元的涂料市场到 2020 年将翻一番以上。亚利桑那州立大学环境工程师 Rolf Halden 说，营销利用了消费者的恐惧。“有充分的证据表明我们使用了过多的抗菌剂，”他说，“而且不加判断。”

Halden 发现， triclosan，一种常见的抗菌剂，从肥皂等产品进入污水，在那里它会滋生抗生素抗性。研究还发现环境中存在高水平的 triclosan。一项研究发现，它与直觉相反，有助于葡萄球菌——一种常见的感染源——附着在塑料和玻璃表面。我们不知道它或其他抗菌剂如何影响那些可能帮助我们生存的生物。

这个话题让艾森显得非常激动。他挥舞着拳头，就像一个渴望击倒对方律师的庭审律师。他提到一家公司在 Twitter 上推销一种新的室内卫生技术——一个 24 小时运作的、类似 Purell 的系统，声称能杀死包括埃博拉在内的一切。这是旧战役中的一种无差别武器。他努力保持镇静地说：“这听起来不好。”

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为了了解一个建筑环境的微生物生态系统被清除后会发生什么，科学家们开始研究地球上——以及地外——最无菌的结构。对于宇航员来说，国际空间站（ISS）就像生活在一个巨大的抗生素药丸里。HEPA 过滤器清除空气中的细菌，表面抑制细菌生长，碘和生物杀灭纳米银从水中清除微生物。J. Craig Venter 研究所的 Hernan Lorenzi 说：“一切都被消毒了，除了人类。”该研究所对国际空间站进行了四年的研究。

因此，空间站的微生物生态系统主要由宇航员每天脱落的生物组成。没有亚马逊的包裹，没有可以打开的窗户——没有新鲜微生物的涌入来平衡生态系统。因此，Lorenzi 的团队正在采集宇航员的微生物组样本，以了解他们在空间站停留期间其微生物组的变化。他表示，肠道多样性的丧失与许多疾病相关，并可能引发对长期太空旅行的担忧。宇航员经常免疫力低下，“如果你失去了肠道菌群，”Lorenzi 说，“免疫系统就会休眠。”这需要一次太空旅行。“你能想象一次火星之旅吗？”艾森问道。“他们肯定完蛋了。”

在地球上，同样的现象发生在医院，只是生病的病人才是脱落微生物的人。尽管进行了广泛的卫生消毒，但美国医院获得的感染每年导致约 75,000 人死亡——死亡人数超过了乳腺癌和艾滋病的总和。芝加哥的医院微生物组项目，由阿贡国家实验室的 Jack Gilbert 领导，对一家医院的生态系统进行了为期一年的研究，并发现了无处不在的微生物。“你想怎么清洁都可以，”Gilbert 说。“医院是一个极其无菌的地方，但病原体仍然可能让你生病。”

这听起来很可怕，但每个人都携带病原体。令人恐惧的艰难梭菌，可能导致危及生命的腹泻，在 66% 的婴儿中都有发现。20% 的成年人携带金黄色葡萄球菌。看起来完全健康的人也携带流感病毒。当这些细菌被其他生物控制住时，它们不会造成太大危害。例如，研究表明，流感病毒可以通过与乳酸杆菌的竞争来抑制。

“医院是一个极其无菌的地方，但病原体仍然可能让你生病。”

因此，Gilbert 认为我们“感染”东西的概念是错误的。在一项对重症监护室的研究中，他的团队观察到，在药物消灭了四名患者的肠道菌群后，原本无害的微生物变得具有攻击性。“你让人们经历痛苦，却惊讶于他们的细菌也感到压力？”他问道。科学家们怀疑，在病房里，消毒同样会迫使微生物进化成有毒病原体，然后这些病原体会侵占被竞争性细菌清除的表面。循环空气系统有助于集中它们。“我们做得太过分了，”Gilbert 说。“卫生是好的；无菌可能不是。”

对于休斯顿的建筑师 Sandra Bauder 来说，狂热的卫生趋势让她想起了她叔叔在委内瑞拉养的一匹名贵的马。“他像宝贝一样对待它——提供特制食物、空调马厩，从不让任何虫子靠近它。但它总是生病。然后他养了一匹杂种马。它生活在牧场里，什么病都没有得，连肚子疼都没有。我觉得人也是一样。”

我儿子出生后，我收到了一封主题为“请不要舔宝宝”的电子邀请函。进一步的指示要求客人抵达前洗手，并且不要触摸宝宝。这似乎是明智的。为人父母会使任何人变成一个荷尔蒙失调的恐菌症患者，我也不例外。我让来访者使用植物基洗手液（我们住在旧金山，那里有嬉皮士式的 Purell），并在门口脱鞋。然而，尽管我保持警惕，我的儿子还是长成了一个过敏性幼儿。他的眼睛肿胀，屁股发红，身体上出现皮疹，接触了无数的食物、灰尘、花粉，甚至是与他一起长大的家猫。医生警告我说，他可能会一生都患有严重的免疫功能障碍。

最令人震惊的讽刺是，儿童炎症性疾病的兴起——通常被称为“现代瘟疫”——很可能不是因为我们接触了我们害怕的病原体。相反，这是由于我们没有接触到对免疫系统成熟至关重要的微生物。我们如何出生决定了我们的第一批定植菌。

在产道中，婴儿会获得乳酸杆菌，它可以帮助它们消化母乳，并开始将肠道 pH 值降低到正常范围。但剖腹产的婴儿却错过了。研究表明，它们反而常常携带皮肤上常见的细菌（有时甚至不是母亲的），例如葡萄球菌——在一家新生儿重症监护室的案例中，还发现了抗生素和消毒剂耐药细菌。异常定植可能解释了为什么剖腹产婴儿似乎患肥胖症、过敏症和哮喘的风险更高，这些都与肠道炎症有关。

我的儿子不是剖腹产。但他确实在一个可能过于干净的公寓里长大。根据一种理论，环境暴露在我们出生后的发育中起作用，而最近的研究似乎也支持这一点。它们表明，细菌实际上可能有助于预防儿童患上各种疾病。

“一个细菌更丰富的环境的房子会更健康，”加州大学旧金山分校的微生物学家 Susan Lynch 说。她的团队对 104 名婴儿在家中的情况进行了分析，发现 1 岁前接触过最多细菌多样性的家庭尘埃的婴儿，在 3 岁时患哮喘的可能性最低。除了老鼠和蟑螂的粪便，尘埃中还大量定植有在健康的西方人肠道中发现的微生物。另一方面，接触细菌种类较少的幼儿则变成了过度过敏的哮喘患者。“我们发现，在细菌多样性非常低的家庭中，”她说，“存在大量的真菌。”

由于研究表明宠物暴露可能保护儿童免受过敏，Lynch 还给幼年小鼠喂食了来自养有细菌丰富犬只的家庭的食物。这些小鼠长大后过敏性比对照组低。她分离出了一种肠道微生物，Lactobacillus johnsonii，并将其喂给了更多小鼠。它们也得到了保护，但效果稍差。Lynch 怀疑L. johnsonii 是一种“关键”物种：它在决定哪些微生物迁入以及它们的行为方面起着关键作用——指导免疫反应。

我以前见过 Lynch，当时我儿子正变成她所说的“过敏性肠道”的“超级喘息者”之一。她帮助安排了一次医疗转诊。“他现在怎么样了？”她问道。我告诉她，我们搬到了奥克兰，在那里我用同样不科学的“泥土、狗、鸡和发酵食品”的处方来对抗我儿子相当不科学的医学诊断“过敏性肠道”。放学后，他照料着他的豆子帐篷，并种植他曾经无法食用的草莓。细细的泥土常常沾在他的嘴边，就像饼干屑一样。令人惊讶的是，他大部分的过敏症都消失了。

“他听起来像一个完美的案例研究，”Lynch 毫无顾忌地说。“我希望能在之前和之后都获得他的样本。我猜他的微生物组看起来更像一个正常的肠道。”Lynch 最近也离开了旧金山；原来我们是邻居。“我们有一张我们 10 个月大的女儿在吃岩石上的泥土的绝佳照片，”她说。

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在加州北部一个偏远的角落，在一片陡峭的橡树林坡地上，硫磺和蒸汽从 Wilbur Hot Springs 冒出缕缕烟雾。艾森说，这里是调查生命之树上那些包含着我们尚未识别的无数微生物的“鬼魂肢体”的绝佳地点。他称之为微生物暗物质，最好是在偏僻的地方进行探索，比如深矿井和地下含水层——或者附近一池翠绿色的泉水，一位日光浴者戴着宽边帽躺在那里，几乎什么都没穿。

这个地方很奇怪，这是艾森的领域。他走进一个吱呀作响的木棚，水从一个龙头流进池子里。几个月前，他在能源部联合基因组研究所（他是一名兼职科学家）的同事们带着收集罐来到这里。他们正在“取水”，就像呼应一句关于温泉镇信徒的古老说法一样——而且是字面意义上的。他们将样本带回实验室，将微生物 DNA 扩增了十亿倍。

“一个细菌更丰富的环境的房子会更健康。”

当我们沿着一条小溪走向水源时，艾森心情很好。风景很美；灌木丛闻起来很香。在这里，他提出了他对微生物多样性的最终论点：暗物质是特别的，他告诉我。到 2009 年，科学家们只测序了大约一千种微生物的 DNA，这些微生物对医学很重要或有明确的应用。它们主要来自进化树的同一三个分支。因此，艾森领导了一个团队，着手测序另外一千种，并侧重于“被忽视的”物种。这项工作已经开始在树上填充更多的分支，揭示微生物是如何进化的以及物种之间的关系。

最终，艾森希望，这些知识将提供“一本所有微生物的野外指南，包括在建筑环境中通常能看到的东西。”最近研究中发现的大部分 DNA 都缺乏背景。此外，许多微生物的基因具有完全未知的功能。在不同分支上找到相似的基因可以解释它们的作用——并最终帮助我们选择微生物来创造更健康的环境。芝加哥大学的流行病学家 Emily Landon 设想有一天用注入益生菌的墙壁取代抗菌涂料。她称之为建筑环境的粪便移植，即向一个空间注入有益细菌，以抵御有害细菌。或者，在 Lynch 那些匿名 DNA 的堆里，可能藏着一种可以消除我儿子对我们家猫所剩过敏症的线索。

在一座浴场的废墟附近，乳白色的气泡从一个含水层中涌出。水中的岩石上形成了五颜六色的薄膜。“这太棒了，”艾森说，他走近一个红紫色斑块。“那是个不错的垫子。摸摸它。”当他检查光合细菌时，一群小飞虫在他脚踝周围盘旋。这些虫子也在“取水”。很有可能它们进化到了适合与自己的一套微生物相处。就像我们一样。

本文最初发表于 2015 年 8 月的《大众科学》杂志，标题为“Bugged”。