在俄勒冈州立大学一间昏暗的实验室里，一个装满活珊瑚的玻璃缸像烟花表演压轴戏中的一片天空一样闪闪发光。在现实生活中，这些物种永远不会共享同一片海洋，但它们有一个重要的共同点。
“所有这些珊瑚都是共生的，”整合生物学系主任弗吉尼亚·韦斯说道，她和我一起凝视着水箱。“它们每一个体内都有藻类，没有这种相互作用，它们就会白化并死亡。”
珊瑚会吃下这些单细胞光合藻类，但不会消化它们，这些藻类随后会驻留在珊瑚体内，并为它们提供光合作用产生的碳水化合物。作为回报，珊瑚不仅为藻类提供了安全的栖息地，还为它们提供营养。
越来越多的证据表明，微生物——细菌、病毒、真菌和藻类——在海洋、森林、土壤、植物、人类和其他动物的健康中扮演着核心角色。这些微小而至关重要的生命形式构成了名为微生物组的群落，在其中，微生物相互作用，并与宿主生物交换服务。科学家们看得越多，就越发现微生物组是每一个生态系统（无论大小）跳动的心脏。
“这就像几个世纪前我们仰望太空，有人递给我们第一台折射望远镜一样，”加州大学洛杉矶分校的微生物学家杰弗里·米勒说。去年秋天，他与人合著了一篇论文，呼吁发起一项重大倡议，以加深我们对微生物组的理解。“那里有什么？所有这些微生物都做什么，它们如何相互作用？微生物组是我们和我们世界的重要组成部分，但它们却如此未被探索。”
面临威胁的微生物组
拖拉机和联合收割机将小麦与谷壳分离。大规模农业正在改变土壤中微生物的构成，使其生物多样性降低。| Stockr/Shutterstock
就在科学家们开始揭开微生物组神秘面纱的同时——他们甚至与白宫合作启动一项国家微生物组研究计划——他们也意识到许多微生物组正受到威胁。现代饮食、压力和药物正在改变人类的微生物组，并可能使一些重要的细菌物种面临风险。“随着因抗生素和现代生活方式的其他方面而导致的生物多样性丧失，我们可能面临重大的微生物威胁——我称之为‘抗生素的冬天’，”《消失的微生物：抗生素的过度使用如何助长我们的现代瘟疫》一书的作者马丁·布莱泽说。
两个经常接触的人——例如已婚夫妇——可能有90%的微生物是相同的，但陌生人之间可能只共享10%的微生物组。
同样的担忧也延伸到世界各地的生态系统，从大规模工业化农业从根本上改变了土壤微生物生命的农田，到“深水地平线”漏油事件改变了海洋微生物种群的墨西哥湾。德国亥姆霍兹环境研究中心的安东尼斯·查齐诺塔斯最近的一项研究表明，每个物种对其生态系统的健康都很重要。他和同事们将近900种土壤微生物组合暴露在不同的环境条件下，发现那些在良好条件下对植物生长作用较小的物种，在环境恶化时可以发挥大得多的作用。
“高生物多样性是有益的，”查齐诺塔斯说。“它不仅提供了许多在环境变化后可能变得重要的物种性状，还提供了能让物种在这些新条件下生长的伙伴。”
一个新的前沿领域
尽管微生物群落最近备受关注，但其神秘之处仍然浩如烟海。要确切弄清楚微生物组做什么以及如何做，是一项挑战。“我们才刚刚开始梳理这一切是如何运作的，”阿贡国家实验室生物科学部微生物生态学组长、环境微生物学家杰克·吉尔伯特说。
白宫科技政策办公室科学副主任、生物学家乔·汉德尔斯曼补充说，现在是加倍努力开展这项工作的最佳时机。
“我们面临的一些全球性变化是由微生物组驱动的，”她说。“当人们关注微生物组时，我们将发现更多更广泛的应用，并解决我们从未想过与细菌和真菌相关的问题。”
科学家们怀疑，不健康的肠道微生物组可能与肠道问题、抑郁症等多种疾病有关。
细菌的坏名声
曾一度被普遍诟病的细菌，如今因其对人类和生态系统健康的益处而受到赞赏，但科学界花了300多年的时间才了解它们的真正价值。
17世纪晚期 荷兰商人安东尼·范·列文虎克使用自制的显微镜，在池塘水、血滴和他自己牙齿的牙垢中发现了忙碌的“微型动物”。
19世纪50年代 德国微生物学家罗伯特·科赫将一种细菌与一种特定疾病联系起来——将炭疽杆菌与牛群中爆发的炭疽病联系起来——并想出了如何在实验室的琼脂培养基中培养细菌的方法。
19世纪晚期 荷兰微生物学家马丁乌斯·拜耶林克通过解释一个农民们观察了数千年的现象，证明了细菌可以是有益的：种植豌豆或三叶草等豆科植物可以恢复大量种植小麦和其他作物的田地的肥力。豆科植物根部的细菌将大气中的氮转化为植物可以利用的形式，从而为田地施肥。
20世纪70年代晚期 卡尔·乌斯（见下图）引入了一种新的生物分类方法，该方法涉及对一个进化缓慢、所有生物都共有的基因（16S rRNA）进行测序。这为科学家们提供了一个对细菌进行分类的新工具。在此创新之前，科学家通过研究植物、动物和真菌的特征和亲缘关系来对它们进行分类，但“微生物没有很多形态，”生物学家玛格丽特·麦克福尔-奈说。
1990年 乌斯发表了一篇论文，提出细菌的两个界可以进一步划分为几十个亚类。
2014年 巴勃罗·亚尔萨和同事们发现，细菌的门类数量可能高达1350个。
人类微生物组
在人体内部和表面，有几十个，甚至几百个微生物组。
我们在婴儿时期，微生物组相对较小，但随着我们与环境的互动，其数量和多样性都会增长。我们吃的食物、我们接触的表面、我们遇到的人都会影响我们的微生物组。我们的基因组是父母给予的不可改变的遗产，但我们的微生物组是一种更具可塑性的遗产，它从母亲提供的微生物“新手包”开始，随着每一次经历而不断扩展。
肠道
栖息在人体的大部分微生物生活在胃肠道中。大约有100万亿个微生物居住在那里，其中大部分是有益的。它们的重量只有几磅，但科学家认为它们对我们的免疫系统、新陈代谢、消化、大脑功能等有着巨大的影响。
在人类肠道中发现的物种包括
口腔
口腔是身体的门户。栖息在口腔中的500多种细菌是朋友和敌人的混合体。虽然有些与牙龈疾病等问题有关，但其他一些可能对肺部和消化道的健康至关重要。
以下是口腔微生物组中的一些关键物种
皮肤
皮肤上寄生着各种各样的微生物，其中一些提供了人类基因无法完成的重要功能。例如，科学家们发现，一种有益细菌——表皮葡萄球菌，可以杀死皮肤病原体。
健康与微生物组
科学家预测，关于微生物组如何运作的知识将彻底改变人类健康。这项研究已经催生了一种名为FMT（粪便微生物群移植）的疗法。将健康捐赠者的粪便移植给那些微生物组受到干扰（通常是由于使用抗生素）并被有害细菌艰难梭菌感染的人。有益细菌会重新在患者的肠道中繁殖，并使微生物组恢复健康。FMT的治愈率高达90%。
虽然科学家在识别肠道微生物组的单个成员方面取得了很大进展，但要确定它们具体做什么——无论是单独作用还是与其他微生物协同作用——则要困难得多。但研究人员开始发现一些线索。通过在实验室中用化学方法去除斑马鱼的肠道微生物组，然后用两到三种细菌重新填充其肠道，俄勒冈大学的生物学家卡伦·吉耶曼已经证明，某些微生物特别擅长抑制宿主的免疫系统和预防炎症——她认为这一发现可能对人类健康有影响。
“像斑马鱼一样，我们拥有丰富的肠道微生物来源，它们已经找到了与我们共存并舒缓免疫系统的方法，”她说，并补充道，“利用这些机制来解决炎症性肠病和其他慢性炎症等疾病的潜力巨大。”
[本文最初以“微生物组”为题刊登于印刷版。]
