劉致用

一群 “挑剔”的探洞者

巴頓探索洞穴

哈澤爾·巴頓教授

我們說，一個人要是腳踏實地，這個人就是一個踏實的人。照這種說法，美國阿克倫大學巴頓實驗室的師生們肯定是一群極其“踏實”的人，因為他們一年內(nèi)就能“腳踏”許多人跡罕至的“實地”——從美國新墨西哥州峽谷深處的勒楚古拉山洞，到委內(nèi)瑞拉高原上的特皮伊洞穴，再到巴西叢林深處的鐵質(zhì)洞穴，他們探索洞穴的足跡遍布了五大洲。

沒錯，他們是一群洞穴探秘者！不踏實還真干不了他們這份工作呢——作為老師和學生，他們理應(yīng)穿著干凈的衣服，在明亮整潔的教室里交流知識，但很多時候，他們就像是寫實電視節(jié)目《荒野求生》里的主人公一樣，在叢林、河流、山地等各種危險的野外環(huán)境中穿行。他們不怕苦不怕累，一旦踏上征途，便堅持到底。他們對于探索洞穴的熱愛超乎常人，而這一份熱愛，傳承自他們的導師——生物學教授哈澤爾·巴頓。

巴頓生于英國，是一位極具冒險精神的女生物學家，被稱為生物學界的勞拉·克勞馥——著名動作和冒險電影《古墓麗影》里的女主角。為什么這么說呢？因為巴頓探索的洞穴的危險性極大！巴頓師生是挑剔的，不用說人類足跡涉及，哪怕只要有生物能輕易到達的洞穴，都不是他們的目的地。他們的目標，往往是遠離地表或者是山脈中綿延幾十甚至上百千米的與世隔絕的洞穴。

那么，他們?yōu)槭裁匆剿鬟@些洞穴呢？

與世隔絕的微生物家園

原來他們認為，只有在這些地方，才可能生存著許多我們?nèi)祟悘奈匆娺^的微生物，因為在遠離陽光的黑暗深處，由于缺乏光合作用，食物匱乏，氧氣含量也低，大多數(shù)生物基本不會選擇在那些區(qū)域生存。

那么這些微生物——主要是細菌，是怎么在這些地方存活的呢？原來，有些細菌屬于自養(yǎng)型的細菌，它們能夠利用碳的化合物或者是硫的化合物作為原料，合成生命所需要的養(yǎng)分，這些自養(yǎng)型細菌充當了一般生態(tài)系統(tǒng)里植物的角色。有些細菌屬于異養(yǎng)型的細菌，它們則以這些自養(yǎng)型的細菌或是其他異養(yǎng)型細菌為食——通過捕食關(guān)系，細菌在極端貧瘠的洞穴深處構(gòu)筑了它們自己的食物鏈。

由于環(huán)境的閉塞，很多身居洞穴深處的細菌從未離開過山洞，這意味著這些細菌對人類來說就是全新的品種。如果人們在亞馬遜叢林發(fā)現(xiàn)5種新物種，生物學家們會欣喜若狂，此事件也將被爆為大新聞，但僅在一個與世隔絕的山洞，也許你就能找到幾十種甚至上百種細菌的新品種。而這樣的山洞，在世界上數(shù)不勝數(shù)。有統(tǒng)計稱，地球上大約有1萬億種不同的微生物種，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的微生物數(shù)量所占的比例僅為其百萬分之一。

美國勒楚古拉山洞

由于洞穴內(nèi)的資源極其匱乏，細菌之間面臨著激烈而殘酷的生存斗爭。細菌們會相互攻擊，也會相互防范，于是它們進化出來非常先進的細菌界的“矛”——抗生素，和細菌界的“盾”——抗生素耐藥性。洞穴內(nèi)的細菌都會分泌抗生素——從定義上說，抗生素是由各種微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬）產(chǎn)生的，能殺滅或抑制其他微生物的一類物質(zhì)。與此相對應(yīng)的，為了使自己在生存競爭中不落下風，洞穴內(nèi)的細菌基本都進化出了強大的抗生素耐藥性。

巴頓和她的學生走進洞穴，便是為了采集這些具有強大耐藥性的細菌。實際上，他們承擔著一個非常大的使命——幫助人類度過抗生素失效的危機。

抗生素失效危機

從20世紀40年代第一種抗生素藥物——青霉素投入臨床使用以來，人類服用抗生素的歷史已經(jīng)接近80年?？股鼐哂泻軓姷囊志蜌⒕饔?，作用機理主要是針對細菌特有的生理機制進行破壞——包括抑制細菌細胞壁的合成、破壞細菌細胞膜、干擾細菌蛋白質(zhì)的合成以及抑制細菌核酸的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄這5種方式。目前，人類和獸類經(jīng)常使用的抗生素多達幾十種，但是自從20世紀80年代以來，卻基本沒有新的抗生素被發(fā)現(xiàn)。這導致了目前流行在市面上的各種抗生素的使用年齡，基本已經(jīng)超過30年，這引發(fā)了一個可怕的后果——細菌逐漸產(chǎn)生了抗生素耐藥性。

細菌耐藥性的產(chǎn)生迫使人們加大了抗生素的使用量，調(diào)查顯示：與2000年相比，2015年全球抗生素使用量增加了65%，中低收入國家的使用量增加了114%。然而，增大藥量并不一定就會起作用——據(jù)報道，僅在印度，每年就有5.8萬名兒童死于耐藥細菌感染。隨著細菌耐藥性的增強，人類的抗生素即將失效。而最近幾年出現(xiàn)的一些“超級細菌”——即人類目前所有的抗生素藥物均不能殺死的細菌，更引起了人類恐慌。如何破解細菌耐藥性產(chǎn)生之謎，是一項非常緊迫的工作。

人們一直以為細菌耐藥性的產(chǎn)生是由于抗生素藥物的廣泛使用導致的，巴頓洞穴探究的一個重要成果就是證明了這種說法是錯誤的。巴頓的研究告訴人們，細菌的耐藥性是天然存在的——巴頓在某洞穴收集了93種菌株，她將這些菌株帶回實驗室并用26種抗生素進行測試。結(jié)果表明：70%的菌株能抵抗3到4種抗生素，3種菌株能抵抗14種抗生素，還有一種菌株能抵抗全部26種抗生素?？梢姡@些從未接觸抗生素藥物的“隱居者”，早就在生存競爭中產(chǎn)生了耐藥性。

細菌耐藥性是進化出來的，那么什么機制能促使細菌發(fā)生這種進化呢？巴頓表示，某些細菌能產(chǎn)生特定的分子，這些分子能夠促使細菌快速進化成為耐藥細菌，進而擁有抵抗抗生素的本領(lǐng)。如果人們能夠弄清那些分子是什么（這些分子的產(chǎn)生和細菌的某些基因有關(guān)），就可以阻斷它們，使細菌無法進化。通過研究洞穴細菌的耐藥性，巴頓的最終目的就是找到細菌進化的機制。目前的情況是，只要一有新藥上市，很快，細菌便會擁有對該藥的耐藥性，至今人們還無法得知細菌是怎么進化成耐藥細菌的。

美國歐若恩多加洞穴

巴頓團隊在洞穴細菌的研究方面取得了初步進展。除了發(fā)現(xiàn)成百上千種新的細菌外，巴頓還在這些與世隔絕的細菌身上發(fā)現(xiàn)了新的耐藥性基因。例如巴頓在美國新墨西哥州列楚基耶洞穴發(fā)現(xiàn)了一種名為“Paenibacillus sp LC231”的一種超級細菌，在這種細菌身上，除了目前已經(jīng)知道的12種耐藥性基因外，巴頓又發(fā)現(xiàn)了5種新的耐藥基因。新的耐藥性基因的發(fā)現(xiàn)使得細菌耐藥性的研究方向變得更加多樣化。

當然，細菌耐藥性基因的表達機制或許還需要科學家們花很長時間去鉆研，這項工作無疑是非常艱苦的，但充滿激情的巴頓和她的學生，將繼續(xù)奮斗，直到破解細菌的耐藥性機制為止。