绘制厨房里的隐藏宇宙

前不久的一个早晨，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·菲勒 (Noah Fierer) 发现自己站在科罗拉多州东部农田上方 1,000 英尺的地方。他站在博尔德大气观测站的顶端附近，这是一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。为了到达顶部，菲勒和他的同事乔安妮·爱默生乘坐大楼狭窄的电梯五分钟，到达了 90 层楼高、更加狭窄的走道。两人戴着安全帽、系着安全带，俯身检查绑在格子平台上的一个小装置。这台机器是他们几个月前安装的，每晚都会吸入空气，过滤后储存起来，每两周收集一次。它基本上是一台吸尘器，不过不是吸尘，而是捕获微生物。

微生物在我们周围无处不在。在海拔 1,000 英尺相对荒凉的大气层中，每立方米空气中含有大约 1,000 个微生物。在靠近地面的地方，这个数字飙升至 100,000 个，而在每平方厘米的人体皮肤上，这个数字跃升至 1,000 万个。一茶匙的泥土中含有 500 亿个微生物，是地球人口数量的七倍多。然而，尽管微生物如此丰富，科学家对微生物生态系统却知之甚少。例如，我们对家中细菌的了解甚至比对最深海沟中的动物的了解还要少。我们对它们对我们的影响的了解就更少了。微生物如何影响我们的日常生活？我们又如何影响微生物的生活？它们是引发哮喘和过敏还是有助于预防这些疾病？这就好像我们生活在一个看不见的世界里，而像之前的维多利亚时代的博物学家一样，费勒正在绘制这个世界。

菲勒是美国首屈一指的微生物生态学家之一，他收集并分类细菌、古菌、真菌和病毒等微生物。“我是研究虱子的自然历史学家，”他说。直到几年前，微生物生态学还是一个相对沉闷的领域。菲勒说，由于所涉及的生物体非常微小，而且无法在培养皿中培养它们，因此大多数微生物组研究就像调查亚马逊雨林的生物多样性，然后只得到 5 个物种。后来有了 DNA 测序。菲勒和其他人现在可以快速轻松地对数千个物种进行分类并确定它们的功能。“可以说，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，菲勒探索了诸如公共卫生间、腋窝和毛毛虫胃等环境中的微生物多样性。有时，他的发现有助于人们了解微生物的整个领域。在博尔德大气观测塔，他正在帮助艾默生确定哪些生物可以在从加利福尼亚和其他地方吹来的气流中生存。其他时候，他的发现告诉我们关于我们自己的信息，以及我们如何在不知不觉中塑造微生物世界。例如，他已经证明，人们在触摸计算机键盘等表面很久之后，仍会在它们上面留下独特的微生物指纹，这一事实在最近的《犯罪现场调查》一集中出现过。（目前还没有人在实际调查中使用过这种技术。）

最近，菲勒将注意力转向了微生物最丰富、但了解最少的环境之一：美国家庭。2011 年，他加入了“我们家中的野生动物”项目，该项目由北卡罗来纳州立大学生物学家罗布·邓恩（也是菲勒研究甲虫细菌和我们肚脐内生物的合著者）发起。该项目旨在绘制美国家庭微生物多样性图谱。“我们真的不知道会发生什么，”菲勒说。正如他和邓恩在研究中经常指出的那样，一个典型的家庭中的微生物种类比地球上的鸟类种类还要多。“我们与成千上万种微生物生活在一起，其中一些会让我们生病，而另一些则不会，这应该让人们感到震惊，”邓恩说。“我们不知道是什么决定了哪些微生物生活在你的家中，而且在大多数情况下，我们不知道哪些微生物是有益的，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发起的公民科学倡议招募志愿者。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问卷，内容包括他或她的清洁习惯、宠物和植物、病史等。然后，参与者收到了基本的拭子套件，他们用这些套件从厨房柜台、枕套以及室内和室外门槛顶部取样。（在 2011 年对北卡罗来纳州 40 个家庭进行的一项试点研究中，志愿者还擦拭了马桶座圈、门把手、电视屏幕和其他物品，但这些样本中的微生物群落之间存在足够的重叠，因此可以减少拭子位置的数量。）然后将样本送回 Fierer 进行 DNA 测序。

在 Fierer 的博尔德实验室中，研究人员使用化学溶液和离心机从拭子中提取微生物 DNA；然后他们用化学方法扩增和测序特定的标记基因，这些基因可以帮助识别物种及其功能。在短短几个月内，该团队就收集了有史以来最大的微生物生态学数据集。它包含数亿个 DNA 序列，并几乎立即开始产生发现。例如，研究人员在内门饰条上发现了大约 3,500 种细菌，这意味着普通房屋中漂浮着大约 3,500 种细菌——比研究发现的沉积在外门饰条上的细菌多 500 种。

当 Fierer 比较不同地区的家庭数据时，他发现室外细菌和
门坎上收集了两种真菌群落类型，一种主要分布在东海岸和太平洋西北部，另一种则在其他地方普遍存在。“我们一看到它，就说，‘天哪，这里有某种结构’，”菲勒说。是什么导致了不同的微生物云？菲勒认为它们可能与地理模式有关，包括降水、土壤 pH 值和森林覆盖率。但只有更多的研究才能确定。

典型家庭中的微生物种类比地球上的鸟类种类还多。

Fierer 还看到了他的作品在法医方面的应用。“我们或许能够证明，我们可以使用在房屋内部或外部发现的微生物来精确定位房屋的位置，”他说。“它甚至可以通过观察罪犯衣服上或汽车表面的微生物来确定罪犯去过哪里。”

我们家中的野生动物的数据分析仍在继续，同时，我们还在努力开发数字交互式“成绩单”，以便 1,400 名志愿者了解枕套上各种微生物的丰富程度及其可能的环境来源。与此同时，Fierer 正在开发新项目。他想研究皮肤微生物和体味之间的联系，并提倡保护濒危微生物。“关于动植物保护的文献很多，但人们往往忽略了保护微生物，”他说。

当菲勒列出他遗愿清单上的所有项目时，我们很难不想象一个与我们所知的世界截然不同的世界，这个世界里，每个表面都有沸腾的细菌群落、真菌沉积物和病毒群。是的，菲勒解释说，我们都浸泡在微生物汤里——有好有坏。“谢天谢地，”他说，“我不是疑病症患者。”

你的生活怎样？

大约一年半前的一个早晨，我在纽约布鲁克林的家中像往常一样醒来：我的狗跳上床，把脸扑到我的枕头上。那天，我想知道它带来了什么。和动物一起生活是否会影响我公寓的微生物组成？为了回答这个问题，我报名参加了北卡罗来纳州立大学罗布·邓恩 (Rob Dunn) 主持的“我们家中的野生动物”项目。志愿者们在他们居住空间的规定位置擦拭以收集微生物 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 人的比较结果——布鲁克·博雷尔

本文原载于《大众科学》杂志2014年4月号。