一个细菌伸出了菌毛，连接了另一个细菌（图片来源：UCR）
我们肠道中的微生物会定期发生“性行为”，从某个角度来说，这对细菌和我们都是一件好事。
撰文 | 二七
审校 | 栗子
你可能知道，在我们的肠道中，居住着大量的细菌。而你可能不知道的是，为了更好地生存下去，这些细菌会定期发生“性行为”。
等等，细菌似乎没有严格意义上的生殖器，也没有性别的划分，这样也能有性行为吗？
在我们的印象中，细菌繁殖靠的是分裂，并没有交配这种“世俗的烦恼”。但在生物学的定义下，性的本质是遗传物质的交换过程。最近，发表于《细胞·报告》的一项研究显示，我们肠道中的细菌可以伸出一根名为菌毛（pilus）的管子，将自己的DNA“注入”另一个细菌体内，从而帮助其他细菌拥有获取维生素B12的能力。对于这些看似简单的生命形式来说，尽管与繁殖过程无关，但这就是它们的“性生活”了。
细菌的“性生活”
其实，细菌也有“性生活”这件事，科学家很早就发现了。1946年，爱德华·塔特姆（Edward Tatum）和约书亚·莱德伯格（Joshua Lederberg）首先发现，细菌之间也存在基因的交换。
塔特姆和莱德伯格通过化学物质诱导，获得了大肠杆菌（Escherichia coli）K12菌株的两种突变体。这两种突变体都不能合成某些必需的营养物质，因此无法在自然环境中生存，只能在提供了相应营养物质的实验室环境中生长。不过，它们不能合成的营养物质并不相同。
而将两种突变体一起培养一段时间后，一些大肠杆菌的后代居然重新获得了合成这些营养物质的能力。在经过一系列实验排除了其他可能性后，研究者得出了结论：大肠杆菌能将遗传物质传递给其他细菌，莱德伯格将这个过程称为“接合”（conjugation）。
这个发现迅速震惊了遗传学界，并让莱德伯格分享了1958年的诺贝尔生理学或医学奖。如今，我们知道了关于这个过程的更多细节：细菌表面存在一类像管子一样的，特殊的菌毛。它会用这种菌毛，将自己附着在另一个细菌上，并且射出一份“打包好”的DNA——质粒。这样一来，不同细菌，甚至是不同物种的细菌就能“共享”遗传物质。
甚至长出菌毛的能力也是通过这种方法传播开来的。大肠杆菌长出菌毛是依靠体内的F质粒（F plasmid），能长出菌毛的大肠杆菌会和没有这种能力的细菌接合，并让双链F质粒的其中一链经由菌毛通道转移至另一个细菌内，再合成互补链。这样一来，接收方的细菌也能长出菌毛，转身又成为了新的供应方。
通过菌毛的接合过程，其他细菌也可以获得长出菌毛的能力（图片来源：Adenosine – Own work, CC BY-SA 3.0）
但令人担忧的是，经菌毛通道转移的，除了和菌毛形成有关的基因以外，还有大量的抗生素抗性基因。科学家很快意识到，通过这种方式，细菌可以把其他细菌的抗性基因“拿过来”据为己有，帮助自己躲过抗生素的攻击。这也成为了耐药性在细菌中广泛传播和持续存在的主要原因。
搜刮同伴的“尸体”
对细菌来说，接合甚至不是唯一一种获得DNA的方式：除了从活着的伙伴那里获得DNA，它们还能从体外“掠夺”其他细菌的“尸体”。
当细菌死亡时，它们会裂开并释放出体内的DNA，这些DNA就成了其他细菌的“宝藏”。2018年，印第安纳大学的研究者就记录下了霍乱弧菌（Vibrio cholerae）伸出菌毛，勾住一段DNA并带回体内的场景。
绿色的菌毛像是一根触手，一把“抓住”红色的DNA并拽回体内。（图片来源：Ankur Dalia/Indiana University）
菌毛是一种极其纤细的结构，只有头发丝的万分之一细。为了看到这些细微的结构，研究者专门开发出了一种独特的染料，帮细菌把菌毛“染成绿的”。在显微镜下，绿色的菌毛像是一根触手拟杆菌，一把“抓住”红色的DNA并拽回体内。“这就像是在穿针引线一样。”这项研究的第一作者，考特尼·埃利森（Courtney Ellison）说，据估计，DNA穿过的小孔直径可能只有7-8nm，而被抓住的DNA有大概50nm长，“如果不是这些菌毛在，DNA自然通过这个小孔进入细菌体内的几率可以说是微乎其微。”
在正常显微镜下看似安静的细菌，其实正在伸展菌毛。（图片来源：Ankur Dalia/Indiana University）
肠道细菌助消化
说到这，你可能会觉得细菌诡计多端。但其实细菌的这些共享行为也只是为了更好地生存下去，而这对人类来说，也并不一定全是坏消息。
在最新发表于《细胞·报告》的这项研究中，研究者特别关注了拟杆菌门（Bacteroidetes）的细菌。拟杆菌是人体肠道菌群的重要成员，在某些人体内，甚至占到了整个微生物组的80%。这些拟杆菌是膳食多糖的主要代谢者，“如果没有它们，你就无法消化红薯、豆类、蔬菜等食物内那些大而长的分子。它们分解了这些食物，我们才可以从中获得能量。”论文第一作者帕特里克·德根南（Patrick Degnan）这样解释。
在正常的人体微生物组中，拟杆菌属的细菌可以占到30%（图片来源：NOAA/OpenStax Microbiology）
然而，要在人类的肠道中定居，并（顺便）帮我们消化碳水化合物并不容易。为此，这些细菌必须与肠道中的其他微生物争夺有限的资源，其中就包括维生素B12和相关化合物。
是的，你的肠道细菌和你一样，需要维生素B12，它在细菌的新陈代谢和蛋白质合成中都起到了关键作用。问题是，肠道中的大多数微生物——包括大多数的拟杆菌——没有能力自行合成B12和相关化合物，这就意味着它们需要准备好有效的运输系统，来从环境中吸收B12。
这时拟杆菌，细菌间的共享就派上了用场：研究人员发现，拟杆菌门的细菌也会通过接合这种方式，共享B12转运蛋白的相关基因。
B12转运蛋白
在正式开展这项研究前，德根南曾和同事确定了一种重要的转运蛋白，负责帮助肠道微生物吸收B12。随后，德根南开始思考，这些微生物是如何获得B12转运蛋白的呢？这个过程是否也和细菌的接合有关呢？
为了证明这个猜测，德根南和研究团队将可以吸收B12的细菌和无法吸收B12的细菌一起培养，就像莱德博格70多年前的实验那样。一段时间后，那些无法吸收B12的细菌依然存活了下来，并且获得了吸收B12的能力。
为了明确这个基因的来源，研究者检查了细菌的整个基因组。“对给定的生物来说，它们的DNA条带就像指纹一样。显然，DNA的接受者已经整合了一条来自供体的额外DNA，显示它们从捐赠者那里获得了新的DNA。”德根南说。
在小鼠体内的实验也得到了类似的结果，当研究者将两种拟杆菌（一种能转运B12，另一种不能）移植到小鼠肠道后，仅过了5-9天，前者的基因就“跳跃”到了后者体内。“这就相当于两个（发色不同的）人发生了性关系，现在他们都有了红头发。”德根南说。
另外一个有趣的新发现是，论文中指出，在同一物种之间的基因转移会比两个不同物种之间稍快，这说明即使是细菌的性行为，可能也会存在轻微的“生殖隔离”。不过相比多数真核生物，这种性行为还是“狂野”了许多。
参考链接
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相关论文：
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