神奇的小东西
为什么微小的生物对世界的影响力如此之大？
尽管我知道它是什么，也大概知道它在科罗拉多州来福镇的哪个方位，但我第一次从旁边经过时就没找到它，第二次同样如此。
后来，我终于在一条陡峭的车道上找到了它。它隐藏在一条遥控车赛道后面，外面是牛群路障和铁丝网构筑的一道不是很严密的围栏。我从铁丝网中间钻了过去。油然而生的神圣感让我觉得自己就像是闯进了一座寺庙。
可惜的是，从外表看，来福综合野外研究挑战赛的场地与科罗拉多河沿岸的任何一块荒地相比没有什么特别之处。六月份的野草长势茂盛，也很扎人。从浓密的灌木丛经过时，我的腿肚子上留下了一道道划痕。我很庆幸我把拖鞋换成了靴子，但遗憾的是我没有把短裤换成牛仔裤。
在灌木丛生的草丛中，有一些直径大约6英寸的白色管子，露出地面的部分有几英寸长——这是从地表之下深处抽水的水井。此外，还有一个小型太阳能气象站，一台建筑工人们在工地使用的那种便携式小拖车，以及一个工具棚。仅此而已。
这一小块地方似乎特别适合钓鱼。如果清理掉一小片野草，再铺上毯子，在这儿野餐也很不错。但是别忘了，这儿曾经堆放着近500万干吨[1]的放射性铣削废料。
那些细沙状的废料（亦称“尾矿”）大多是原子能委员会在20世纪四五十年代疯狂抢购核燃料时留下的，在这里一放就是几十年。由于被河水浸泡，它们慢慢地渗入地下，使地下水受到了污染。
早在20世纪90年代中期，美国政府就启动了一项为期4年、耗资1.2亿美元的尾矿转移工程，但为时已晚。人们以为土壤和水中残留的钒、硒和铀会通过“监测自然衰减法”的方式逐渐消散。但20年过去了，污染依然存在。
于是，政府开始想办法解决这个问题。有时甚至是一些非常疯狂的想法。
不久前，一群来自全美各地的地质学家、化学家和生物学家准备撰写一些诸如《在利用2–溴苯酚浓缩的含硫溶液中通过末端限制性片段长度多态性指纹分析16S rRNA来检测和表征脱卤微生物》此类的论文。换言之，就是强迫一些微生物吸入一种物质，看看它们是否会呼出另一种物质。
他们认为或许可以找到一种吸入铀的细菌。
这真是一个疯狂的想法。细菌会消耗很多东西，但放射性废物不在其中。至少我们不知道哪些细菌有这个能力。在地球的历史上，这种到处都是放射性废料的现象是不久前才出现的。但研究人员知道，铀已经渗入来福镇堆放场土壤中很长一段时间了。他们知道那儿的土壤里也有很多细菌。毕竟细菌到处都有。也许有的细菌已经养成了吸入铀的习惯。利用同样的办法让细菌吸入各种各样的其他物质，也许有助于满足它的习惯，从而帮助清除来福河畔剩余的铀。
正是因为这个想法，一群怀有正义之心的科学家来到位于加菲尔德郡中部的科罗拉多河畔。来福镇科研团队就这样组成了。
细菌可以起到积极作用，这肯定不是来福镇研究人员第一个提出的概念，而是现代社会的一个常识，尽管人类花了很长时间才获得这些知识。
在1671年业余科学家安东尼·范·列文虎克[2]首次描述他在自制的显微镜下观察到的“微小动物”后不久，细菌就被视为洪水猛兽。这在很大程度上是因为细菌真的是一种可怕的灾难。肺结核、莱姆病、霍乱、伤寒，随便哪一种细菌性疾病，都会让人受不了。
然而不久前，我们得知细菌也有好坏之分。2017年，地球微生物组计划的联合主管杰克·吉尔伯特和罗博·奈特说，在我们努力将有害细菌从我们的身体中清除的同时，“我们在不经意间打开了现代瘟疫这个潘多拉魔盒，于是一系列能慢慢夺去我们性命、令人痛苦的慢性健康问题开始在现代世界蔓延。”哮喘、过敏、类风湿关节炎、乳糜泻、肠易激综合征、多发性硬化，甚至是一些精神疾病，都变得普遍。[3]
一个快速发展的科学领域正在证明，细菌可以帮助我们解决所有这些疾病，甚至包括其他疾病。人们很快发现，细菌转移（让那些有益的细菌对抗有害的细菌）可能是疾病治疗的未来前景。或许用不了多久，我们就会听到医生说：“先服两片双歧杆菌，明天上午再找我吧。”
与此同时，我们逐渐了解到体外世界中的细菌也可能对我们的健康有很大的好处。这方面的知识在很大程度上应归功于冷战——在长达40多年的时间里，冷战将民主德国和联邦德国分裂成“无产者”和“有产者”这两个相互敌对的国家。当1989年柏林墙最终倒塌时，埃丽卡·冯·穆提乌斯等健康问题研究人员意识到，这是研究东西方儿童在受细菌影响方面有何不同的好机会。冯·穆提乌斯预想民主德国的孩子会有更多的过敏反应，患哮喘的概率也会更高。但事实正好相反。这一发现对被称为“卫生假说”的新研究领域的发展具有至关重要的意义，它表明人类免疫系统可以通过接触大量微生物而获得巨大的益处。
是的，有些细菌是有害的。同样地，有些细菌也是有益的。
然而，我们很难在不杀死有益菌的前提下杀死有害菌。青霉素和来苏水都没有特殊的鉴别能力。此外，并不是所有的细菌都要么有益、要么有害，有些细菌两者皆是，而且不能仅仅从是否有利于我们的健康来判断。仔细想想，或许这才是更大的难题。
以一类叫作β–变形菌的微生物为例。这些可怕的细菌会导致脑膜炎、百日咳和淋病。从来福镇废料堆放场的井中抽取的数百种细菌中，就有一种属于这一类别。很快，研究小组就发现，这些微生物经过进化后已经可以吸入放射性的铀，并通过还原过程窃取电子，使产物的放射性降低。
研究人员推测，那些可导致我们患上一种最常见的性传播疾病的细菌，也可能帮助我们清除地球上的一些放射性废物。如果需要为一部粗制滥造的反乌托邦小说设计一个背景故事，我认为这很适合。
我承认，当我的电话铃响起，屏幕上显示我在前往来福镇废料堆放场前几天刚刚添加到地址簿上的号码——“肯尼斯·威廉斯（博士），来福镇废料堆放场”时，这个念头曾出现在我的脑海里。打电话的是那篇关于能呼吸铀的细菌的论文的合作作者，也是我所在的研究站点的负责人。
我抬头看了看那座轻便建筑的屋顶。一个摄像头正俯视着我。
“威廉斯博士，”我用像孩子偷饼干被父母当场抓住时的急切语调接通了电话，“你好！”
信号不是很好，我只听清了几个字，但我能清楚地听到他问了一个问题：“你现在在哪儿？”
我以为他是故意这样问的，但是当我坦言相告时，他大笑。没有人监控那个摄像头。似乎我认为他有足够的资金让某个人一天24小时监控摄像头，这件事让他感到好笑。显然，发现一种可能使全世界摆脱放射性废物的新方法，并不能帮他获得巨额研究资金。
事实上，他给我打这个电话，只是因为回复我本周早些时候打给他的那个电话。当时我告诉他，我希望在离开此地之前和他见一面。他也有和我见面的想法，毕竟，可谈的东西非常多。尽管能呼吸铀的细菌令人惊讶，但这可能只是来福镇取得的第二个重要发现。
“你知道吗？”我在电话里告诉威廉姆斯，“这个地方真的应该挂上一块铜匾，上面写上‘我们在这里永久地改变了生命科学’这样的字。”
“我也是这么想的。”他说。
微生物是如何帮助科学家绘制出新的生命之树的？
科罗拉多州来福镇，我们就是在这里改变整个世界的。就像萨尔瓦多·达利的绘画一样，我们将生命之树连根拔起，砍成一段一段，然后重新组合起来。
要了解这一切是如何发生的，还得追溯到1837年，当时查尔斯·达尔文刚刚结束他随英国皇家海军贝格尔号进行的历时近5年的探索，正在剑桥重新确立自己的地位。在考虑到他新提出的“递变”理论（也就是我们所说的进化论）时，达尔文勾画出了一棵生命之树的雏形。他在图中表示，他认为地球上生物的多样性，以及在它们之前的“灭绝物种的长期延续”，都说明所有生物拥有共同的祖先。他在《物种起源》一书结尾处写下了一句非常有名的话：“无数最美丽与最奇异的类型，即是从如此简单的开端演化而来，并依然在演化之中。”[4]
在生命之树旁边，达尔文写道：“我想……”这是我从大多数科学家身上都能体会到——也能预料到——的一种谦虚态度（但绝不要以为所有科学家都这样），但达尔文的这两个字堪称其中的典范，同时也为他的假设留下了进一步发展的空间。果然，我们此后就一直在为这棵树添枝加叶，例如：1977年微生物学家卡尔·乌斯提出了一个分类系统，将所有生物分成我们大多数人在中学阶段就熟悉的三个域：古菌域、细菌域和真核生物域。
从那以后，基因组研究为我们在非洲象和蹄兔这类看似关系不紧密（实际上它们关系密切）的动物之间寻找进化上的联系提供了新的方法。掌握这些知识的过程，就是重构生命之树的过程——这个重构过程是按照物种逐个进行的，速度非常缓慢。
接着，轮到吉莉恩·班菲尔德上场了。她的整个职业生涯都是在研究微生物和对其测序。她对世界上一些最不适宜居住的地方的微生物特别感兴趣。她最喜欢的研究地点之一是加利福尼亚北部的一组洞穴，那里的温度可以达到近49摄氏度，天然地下水是地球上已知酸性最强的。
在来福镇含铀的地下水中，她发现了另一个宛若地狱的花花世界。
研究人员经常通过过滤去除水中较大的污染物，以便更容易地找到他们真正想要的东西。但有一次，似乎是一时兴起，班菲尔德决定用越来越细的滤网连续过滤，到最后滤网网眼的细小程度已经远远超过通常用来给水消毒的水平了。大多数细菌研究人员不会这样做，因为所有人都认为，如果过滤掉所有的细菌，就违背了初衷。当班菲尔德和来福镇团队刮取滤网上的东西并对其进行排序时，他们发现了789组与微小生物相关的遗传密码，而且这些生物跟人类已经确认的最小生物差不多大小，甚至可能更小。他们发现的是地球上最小生物构成的一个全新世界。
要弄清楚这些生物在生命之树上的位置是很有挑战性的。生命之树并不是适合它们的架子，因为这些架子非常大，大到你可以把大象和蹄兔放到上面，然后说：“很好，非常合适。”
班菲尔德的研究小组在7个现有的门（分类）中为这些新生物找到了家，另外，他们还要创造28个全新的门。它们的DNA就是这么不同。“这不同于发现一个新的哺乳动物物种，”微生物学家劳拉·胡克后来回忆道，“而是和发现哺乳动物的存在有些相似。它们就在我们周围，我们却不知道。” [5]
来福镇的发现使细菌域的分支数量几乎增加了一倍，从而导致生命之树上的古菌域和真核生物域更加相形见绌。人类所在的分支——也就是达尔文刚开始时在他的笔记本上勾画的那个分支——现在看起来不过是一根小树枝，而人们还在接连不断地取得新的发现。这意味着我们很快就会发现，与那些曾经被认为与我们同属一个域的生物相比，我们显得更加微不足道了。[6]
我要说的是，我们几乎无须关注发现这些震惊世界的细菌的地点是来福镇废料堆放场这个事实，全世界还有许多极端环境在等待着我们去取样检测其中的微生物。但正是因为那个简单的过滤行为，以及搜寻和测序DNA的新方法，我们才会以一种全新的方式来看待生命的丰富多样性。这样的发现并非只有在来福镇才可能发生。
但这丝毫不影响来福镇给人的那种震慑感。至少对我来说不会。
我20岁时第一次去耶路撒冷，特意去了圣墓教堂，许多基督徒相信耶稣是在那里被杀、埋葬和复活的。全世界有很多设计得更加精心别致的神殿和避难所，例如巴塞罗那的圣家族大教堂、莫斯科的圣瓦西里大教堂、伦敦的威斯敏斯特教堂，都是建筑上的奇迹。根据所有这些地方的传说，基督在犹地亚、撒玛利亚和加利利地区到处煽动民众，他在哪儿被钉死在十字架上都有可能。但是，如果你相信这些故事，你就会认为所有变化都开始于老耶路撒冷基督教区的一座摇摇欲坠的灰色石头教堂。
尽管来福镇所在的科罗拉多河畔的这片狭长地带很不起眼，但生命科学就是在这里取得重大飞跃，并且从此开辟出一片新天地的。
为什么说微生物学家就像刑事检察官？
也许我们对蓝鲸的认识是错误的。这种可能性很小，大概不到百分之一吧，但确实存在。
也许蓝鲸并不是地球上最大的动物，还有某种动物比它还大。根据已知的化石记录，我们没有任何理由相信存在这种可能性，但在古生物学领域，奇迹的发生从未停止过。
是的，有这种可能。
但在另一个与之相反的方面，情况就完全不同了。的确，我们有可能已经发现了地球上曾经存在过的最小生物，但这种可能性只能达到十万分之几。
到目前为止，我们已经发现了大约600万种不同的微生物。但一些科学家认为，微生物的数量可能有一万亿种之多。[7]对这个数字没什么概念吗？那就假设世界上的每一只鸟都独属一个物种。知道全世界一共有多少只鸟吗？再把这个数字翻一倍，就差不多了。
而且这个数字只包括可能和我们同时生活在地球上的微生物。2017年，公开估计微生物有一万亿种的两位印第安纳大学研究人员——杰伊·伦农和肯·洛西告诉我，他们希望解决的一个问题是35亿年以来（相差不过几百万年）地球上一共生存过多少个物种。当时，他们与地质学家凯文·韦伯斯特一起，正在探索是否可以通过塞普科斯基曲线（描述过去6亿年里真核生物类群逐步发展至最终灭绝的曲线），更好地了解在这段漫长的时间里其他生物发生的变化。洛西告诉我：“如果我们能够理解塞普科斯基曲线的统计特性，我们就有可能把它（谨慎地）应用到微生物上，反向追踪几十亿年前发生的变化。”
但即使是已经发现的微生物，也还有很多我们没有亲眼见到的。
如何发现你看不到的东西呢？这就像检察官在性侵案件中，还没有确定嫌疑人就可以对这个人的DNA提出控告一样。例如，2015年秋天，西雅图的检察官为了不违反华盛顿州规定强奸指控10年有效时限的法律，以非传统的方式针对“07-3116 Peri-SF”（在联邦调查局数据库中保存了8年之久的一个DNA序列）提起了重罪指控。[8]到目前为止，人们之所以采取这种策略，大多是希望未来的DNA样本与某个悬案相匹配，但在不久的将来，根据遗留在犯罪现场的DNA，调查人员就有可能建立犯罪侧写，甚至得到犯罪嫌疑人的详细合成照片。宾夕法尼亚州立大学的科学家马克·施赖弗和他的团队提出，根据遗传密码的一些片段，就可以利用面部特征（例如皮肤、头发和眼睛的颜色，以及鼻子、嘴唇和眉毛的形状等）的数千个DNA标记，逼真地复合出一个人的素描。[9]
本质上，班菲尔德和她的团队在科罗拉多州来福镇做着同样的工作。
如果你不觉得恶心，可以想象一下一个人的身体被放进一台小型货车大小的食品加工机后会是什么样子。班菲尔德的团队收集的微生物就是这种形式——DNA碎片。古生物学家把小块骨头放在一起拼成大块骨头，再把大块骨头拼到一起，以更好地了解生物的样子。与之类似，来福镇的研究人员通过确认重叠的DNA片段，拼接出更长的序列。
但只有在少数情况下，他们才能拼接出完整的基因组。在大多数情况下，他们只能得到每种微生物大约90%的基因编码——这足以让他们知道这种微生物确实是一个独特的物种，而不是已经确认的物种，但还不足以合成一幅完美的拼图。[10]
在发现这些微生物后，研究小组真的拍到了其中一些微生物的照片。他们利用一种便携式低温插塞（从外形看是介于搅拌器和桌面红酒开瓶器之间的十字形结构，可以将标本快速冷却至–272摄氏度），可以使从来福镇水井里取出的某些细菌在很长一段时间里保持稳定状态，以便将它们送到实验室。然后，他们使用能拍摄像素大小约为50亿分之一米的照片的增强型电子显微镜，为这些细菌拍摄照片。但是，尽管他们使用了这种高倍率设备，拍摄出来的照片仍然模糊不清——与带微型天线的老式黑白电视上的图像差不多。后来班菲尔德告诉我，他们不可能准确地说出照片中捕捉到的是什么生物，还需要通过漫长而精细的过程把所有表型特征关联起来，才能得到基因序列。尽管如此，研究小组最终还是得到了一些单细胞生物的照片。利用这些照片，可以测量出这些生物的大小。[11]
在那之前，地球上已知的最小生物还没有定论。长期以来，《吉尼斯世界纪录大全》一直认为一种名为极端嗜热古菌（Nanoarchaeum equitans）的古生菌是“公认的最小生物”。[12]这种古生菌是一种生活在咸、酸、高温海洋环境中的“极端微生物”。与此同时，维基百科上的“云编辑”则把这个殊荣给了生殖支原体。这是一种寄生在人类肠道、膀胱和呼吸道的细菌。这两种生物的直径约为300纳米。相关领域的科学家似乎站在了支原体一边，[13]尽管他们基本上置身于这场纷争之外。关于这个问题还有太多的未知因素，所以我们很难做出断言。
现在，由于来福镇的这些研究，情况变得更加扑朔迷离。在那里获得的图像表明，存在直径约250纳米的细菌。（为了让大家对这个尺度有所了解，我在这里提供一个数据：这句话结束时的句点[14]直径约为100万纳米。）这些还只是随机选取的一小部分来福镇水井中微生物的照片。未来几年，随着一个完整的纳米尺度世界（就目前而言，我们几乎无法想象这个世界）引起我们更多的关注，还会有更多类似照片出现。
不过，它们不太可能来自来福镇。在我前往来福镇并与肯·威廉斯在他位于科罗拉多州克雷斯特德比特市的家中见面几周后，他告诉我，我擅自闯入的那座“神圣”设施正在被拆除。“就在我们说话的这会儿，”他说，“他们正在拆除那座‘神殿’的柱子。”
我们可能再也没法从来福镇取样了。但是，全世界有无数尚未被发现的微生物，我们很难相信从中找不出比在来福镇发现的微生物还要小的微生物。然后，我们应该还能不断地找到越来越小的微生物。
这对我们所有人来说都是一个好兆头，因为说到解开生命奥秘（进而帮助我们延长寿命）的可能性，最适合的莫过于罗马博物学家老普林尼）于2 000年前说的那句话。
他说：“在整个大自然中，没有什么比最小的东西更伟大了。”[15]
世界上最小的生命是如何帮助我们解决鲁布·戈德堡难题的？
“大小并不重要！”
我经常对我的女儿说这句话，因为她几乎是班上和足球队里最矮的那一个。（我经常说的还有“要么做，要么不做，没有尝试一说”和“永远不要跟我提概率”。《星球大战》真是人生智慧的宝库啊。）的确，说到我们的基因，尤达的观点是对的——大小真的可能具有欺骗性。
例如2011年，一个国际科学家小组[16]在对蚤状溞（Daphnia pulex）的基因组进行排序时，被取得的发现惊得目瞪口呆。这种小小的甲壳纲动物的蛋白质编码基因竟然比人类还多25%，而且这些基因有各种各样不可思议的表达方式，导致这些动物有多种体型和属性，比如可以起到防护头盔作用的增厚壳，甚至还有增加捕食者下咽难度的“颈齿”。[17]研究人员发现的世界上最复杂的基因组之一，是在一种体长永远不会超过3毫米（通常不会超过半毫米，即使成年后也是如此）的生物身上发现的。
尽管它的基因组很复杂，但其长度很短。为什么会这样呢？所有优秀的计算机程序员都知道，复杂性和长度是有区别的，而一个真正优秀的程序员可以做到事半功倍。水蚤的基因编码非常高效。尽管它的基因组中有大量基因，但它只有1亿个碱基对。（相比之下，人类有30亿个碱基对。）
单凭代码长度，水蚤就成为基因分析的一个热门研究对象。近年来，基因分析越来越便宜、简单、快捷，已逐渐演变成一种潮流。人们已经估算出5 500多个物种的基因组大小，最短和最长的编码之间有7 000倍的差异。可以这么说，随着越来越多的编码浮出水面，越来越多的研究表明在很多动物群体中，体型和基因组长度之间存在正相关性。[18]因此，如果你需要寻找比较短的遗传密码，你可能就会把目光投向世界上最小的生物。
20世纪90年代后期，生化学家克雷格·文特尔和丹·吉布森希望可以通过简短的遗传密码合成现有的生物。在当时，合成DNA的技术一次只能产生包含几千个“字母”（碱基）的遗传密码。大多数生物——甚至是微生物，都有数百万个碱基对。正如我们所知，许多生物的碱基对有数十亿之多。
他们在体积最小的微生物中找到了一个潜在的实验对象。长期以来被维基百科引为世界上已知最小细菌的生殖支原体，只有580 073个碱基对。此外，在全世界范围内传统意义上被称作生命的物种中，生殖支原体的基因最少，只有525个基因。但吉布森后来告诉我，生殖支原体的问题在于它生长缓慢，这会影响他们的研究进度。
不过，他们发现生殖支原体的一个近缘种完美地符合他们的要求。丝状支原体（Mycoplasma mycoides）是一种寄生在牛、羊和山羊肠道里的细菌，其基因组有120多万个碱基对，这个数字足以使它跻身世界上已知最小基因组之列，而且它生长的速度比它的“近亲”生殖支原体快10倍。
研究人员利用丝状支原体的序列，将1 000多个遗传密码片段拼接到一起（就像孩子们根据说明玩乐高积木一样），形成一个化学合成染色体，然后插入一个自然生长但被剥离了DNA的细胞中。[19]除了这些科研大家添加的“基因水印”（目的是证明这种微生物是他们创造出来的）以外，实验的最终产物与丝状支原体高度相似。2010年，他们在《科学》杂志上宣布了这种微生物的诞生。
《科学》杂志上的那篇文章展示的最引人注目的一个场景就是，随着一道电流将染色体送到细胞内部，这些合成生物就像弗兰肯斯坦[20]创造的生物一样有了生命。我不由得想到，众所周知在戏剧表演方面颇有天赋的文特尔肯定会张开双臂，仰天长啸：“它有了生命！” [21]
2016年，文特尔的团队再一次利用这种小生物实现了另一个大飞跃。在高度逼真地复制出丝状支原体后，他们又不遗余力地开始了新的研究——从合成细菌中剥离碱基对，甚至整个基因，看看它们可以被简化到何种程度。最终，他们将原有的遗传密码削减了一半以上。[22]他们得到的是一种名为“JCVI-syn3.0”的生物，它只有531 560个碱基对和473个基因。这是一个能维持生命，而且比自然界所有已知生物都要小的基因组，让我们距离揭开哪些是生命必不可少的基因这个秘密更近了一步。
要想知道一种生命的基本DNA是否是所有生命的基本DNA，还需要进行许多年的研究。但是，一旦我们掌握了这些知识，就能更好地了解各个基因的独立作用和其协同作用。在此基础上，这些知识还可能有助于填补我们在对基因世界的理解上出现的一些非常大的漏洞。
无论如何，我们已经向人类基因组排序投入了数十年的时间和数十亿的资金，但人类的遗传密码中仍然有很大部分（事实上是绝大部分）是我们根本无法理解的。即使是一些受人尊敬的科学家，也在很早以前就嘲笑这种遗传暗物质是“垃圾”。今天，我们知道它不是垃圾，甚至无法想象竟然有人认为它是垃圾。我们已经知道，它在很大程度上与调控有关：帮助决定哪些基因在特定时间被利用和表达，以便在一个不可预测的世界中生存下去。但是，尽管我们已经对这种调控DNA赋予了更多的尊重，但我们还没有更深入地了解它的具体功能。
这是因为我们的DNA在很多方面就像是人们为了完成一项简单任务而精心设计的、复杂而古怪的鲁布·戈德堡机械。戈德堡最著名的发明（尽管只在漫画中出现过，而且从未被实际制造出来）是一个自动擦嘴机器，要用到滑轮、鹦鹉、水桶和火箭。在OK Go乐队为歌曲“This Too Shall Pass”拍摄的一段视频[23]中，一台复杂得多的机器利用老式打字机、钢琴、电吉他，以及福特Escort LeMons赛车[24]（包括一辆真车和一辆用乐高积木搭建的模型车），向乐队成员发射了4枚彩弹。[25]
单独地看，OK Go机器的每个独立部件的作用可能难以想象——这些部件组装起来的成品同样非常奇妙。但是，如果你从头到尾依次查看这台设备，每个部件的用途就一目了然了。同样地，当基因被添加到只包含最基本结构的基因组中时，就有可能看清它们在更复杂的生物体内发挥的作用。研究人员认为，从最基本的基因（即维持生命所绝对必需的基因）着手，我们或许能够更好地理解所有其他神秘莫测的DNA片段的用途。
从最小的生物开始（包括最小的植物、最小的昆虫、最小的两栖动物和最小的哺乳动物等），逐步深入了解所有体积更大的生物，这一原则对于观察许多生物群体都是有用的。所有这些体型最小的超级生物，都能让我们了解一些关于所有其他生物的基本信息。
前提是我们不能对它们视而不见。
为什么说微生物组可能和我们的大脑一样重要？
一定程度上，荷兰人安东尼·范·列文虎克在17世纪晚期发现微生物世界其实是一个巧合。范·列文虎克不是训练有素的科学家，他出生在一个篮子制造商和酿酒商的家庭。年轻时，他就在代尔夫特镇经营纺织品，和生活在该地的画家约翰内斯·维米尔是同时代的人。维米尔以画作《戴珍珠耳环的少女》闻名于世，但他在《天文学家》《地理学家》等作品中表现出了他对在整个代尔夫特镇风靡一时的科学和学术的崇敬。[26]正是在这种氛围中，范·列文虎克学到了显微镜制作这门手艺，开始以业余爱好者的身份研究起那个从未有人看到过的世界。如果不是当时的那种环境，他可能会闭口不谈他在显微镜头下看到了什么，因为担心会被人指责为疯子，或者是担心自己真的疯了——这种情况更糟糕。最终，他鼓起勇气写信给伦敦皇家自然知识促进学会，说明了他所看到的一切。
一开始，皇家学会的成员们强压下心中的疑惑，对范·列文虎克的发现（包括原生动物、细菌和精子等）表示了极大的兴趣。但是，由于没有人知道这些微小生物到底有什么用，因此人们对这个微观世界的新奇感慢慢消失了。它们可以被观察到，它们确实存在，但仅此而已。
2015年，正在罗格斯大学研究生物对地球化学的作用的保罗·法尔科夫斯基称：“直到近200年后，这些生物才真正引起人们进一步的关注。令人惊讶的是，尽管17世纪取得的重大科学发现（包括万有引力、光波、行星围绕恒星旋转，以及对科学进行的不可思议的数学抽象等）促使物理学和化学领域的发现取得了井喷式增长，但生物学的基本发现总的来说比较滞后，而且只有当它们与人类健康有关时才会得到重视。”[27]根据我们现在所了解到的微生物对人类健康的作用，这无疑是一个极大的讽刺。更具讽刺意味的是，微生物是地球上最早的生命形式，同时它们数十亿年如一日地为地球提供氧气，为我们现在知道的生命创造了生存条件。
如果在启蒙时代其他科学领域的探索延伸到了微生物世界，很难说我们会有什么发现。但是，微生物学家似乎普遍认为我们错失了良机，并因此感到十分遗憾。
2017年，罗博·奈特对我说：“我认为我们仍在努力追赶。”
奈特在用比喻描述我们长期忽视微生物造成的损失时，经常会从法老的坟墓开始说起。古埃及的殡葬人员在精心地保存已故法老的遗体时，会把法老来世所需的所有器官都取出来，放在罐子里。[28]
但大脑除外。古埃及的殡葬人员不知道大脑有什么用，所以他们用钩子勾住法老尸体的鼻子，把大脑里的灰质搅得一团糟，让它流出来并把它扔掉。
奈特经常说，我们一直在对微生物组做着同样的事情。很长一段时间里，我们知道它在那里，但并不真正知道它做了什么，所以我们把它当作不重要的东西忽略了。
为了弥补失去的时间，奈特开始了一项雄心勃勃的计划：通过一个由民众资助的科学项目，帮助美国人了解他们肠道内部的情况。这个项目还导致了在全美范围内进行的微生物组普查，后来又延伸到其他国家。这不是开玩笑。11 000多人为了可以将自己的粪便样本邮寄给奈特，每人支付了99美元，以参与这个计划。[29]多年来，奈特每天都会从自己的粪便中取样，他的温柔贤淑的妻子阿曼达·伯明翰也是如此。[30]
但是，并不是所有的细菌都存在于我们的肠道，很多细菌栖居在我们身体的其他地方，尤其是我们的下半身。经过多年研究，奈特了解到新生儿从产道中获得了许多有益菌群。当他的女儿通过紧急剖宫产来到这个世界时，他和妻子伯明翰都不想让她错过这个机会，所以他们用取自伯明翰阴道的样本对孩子进行了全身擦洗，连耳朵和嘴巴都没有遗漏。
不仅如此，他们还乐于推广这种做法。在2014年的一次TED演讲中，奈特详细阐述了这个过程，并在次年出版了一本与之相关的书。[31]为什么呢？“因为我们在做一些练习，看看如何把这件事告诉女儿的舞伴。”他打趣道。
实际上，分享家人可能令人尴尬的秘密是为了树立一个标准。你不能要求成千上万的人把粪便交给你，又不愿意把你的故事告诉他们。奈特之所以能让人们参与世界上有史以来最大规模的民众科学实验之一，原因不仅在于他是一位伟大的科学家——尽管他的确是一位伟大的科学家，还在于他愿意坦诚地与人沟通。在当今社会，后面这个原因同样重要。
已经有人利用美国人的肠道数据，证明对坚果和花粉过敏的成年人肠道微生物群的多样性水平往往较低，梭菌（通常是有益菌）的种群数量低于平均水平，而拟杆菌（通常是有害菌）的种群数量高于平均水平。[32]研究表明，可分解硝酸盐、亚硝酸盐和一氧化氮的口腔细菌可能与偏头痛有关。[33]该项目还告诉人们，通过剖宫产出生的人确实有明显不同的微生物群——不仅仅是婴儿，成年后仍然如此，从而说明奈特和伯明翰的产后积极措施的确是一个好主意。[34]
所有这一切都说明，如果我们忽视世界上最微小的事物，就需要自担风险。
世界上最小的飞行动物如何证明自然资源保护主义者的一个基本信念是错误的？
我原以为伯顿·巴恩斯的讣告是一个“异常值”。毕竟，巴恩斯是一个有点儿古怪的人，他绝不会认为外行人能够真正理解100英亩颤杨无性系的重要意义。在密歇根大学演讲时，他曾公开嘲笑说有些人因为“世界上最大的生物”这个概念而兴奋不已。因此，在他于2014年7月去世后，《安娜堡新闻报》发表了一篇讣告，对他的一生做了一个评价，全文一共979个单词，但没有提及他发现的最大生物，似乎是在通过这样一个疏漏向他表示敬意。[35]
随后，我发现这样的事情以前也发生过。
2001年2月14日，《火奴鲁鲁明星公报》上刊登的一篇667个单词的讣告在开头这样写道：“‘杰克’约翰·W. 比尔兹利，74岁，2月5日在镇上的主教博物馆去世，当时他正从事他热爱的工作——研究昆虫。”接着，讣告详述了比尔兹利对昆虫学领域做出的诸多巨大贡献，包括他发表的关于夏威夷岛外来昆虫的650多篇科学论文和许多其他文章。[36]
但讣告只字不提他发现的最小生物。
就在比尔兹利去世前一年，他和同事、昆虫学家约翰·休伯宣布他们发现了一种小黄蜂。他们通过设置在5~8英尺高的树枝上的黄色黏网，在夏威夷岛、莫洛凯岛和欧胡岛上捕捉到了这种小黄蜂。这种俗称“仙人蜂”的小动物属于缨小蜂科，从头部到腹部只有190微米，相当于几根头发丝并排的宽度。[37]
当地人叫它Kikiki huna。
你听说过Big Kahuna[38]吧？这个是小版的Big kahuna，因此叫这个名字。[39]
和巴恩斯的发现一样，仙人蜂的身份鉴定也首次发表在一本不太知名的科学期刊《夏威夷昆虫学会学报》上。这份报告秉承了优秀科研论文应有的谨慎谦逊，没有公开做出任何创纪录的声明。
但是，仙人蜂的确创造了纪录。它是迄今为止发现的最小的飞虫，属于缨小蜂科一个全新的属。后来，通过收集和研究更多标本，人们发现仙人蜂的体型可能比之前发现的还要小，只有158微米长。
当比尔兹利和胡伯第一次发现仙人蜂这种昆虫时，他们认为这是夏威夷特有的昆虫。但是，一旦某个发现让研究者可以从不同的角度去看这个世界时，他们就会发现之前看不到的东西现在到处都是。很多发现都曾导致这个现象。现在，阿根廷、澳大利亚、哥斯达黎加、特立尼达和印度都发现了这个缨小蜂科的最小成员。
印度昆虫学家普拉尚斯·默罕拉吉告诉我，在仙人蜂这种昆虫被发现后，研究人员在其他地方展开了搜寻。他说：“我们原以为仙人蜂在印度非常罕见，其分布极为有限。但令我们惊喜的是，布置在某个地方的黏网中发现了这种昆虫，于是我们进行了大量收集。”
在科学家开始寻找仙人蜂后，他们接二连三地在曾经搜寻过许多其他昆虫的地方找到了它。
这个现象有两种可能的解释。
第一种可能是他们以前与这种昆虫失之交臂了。就像在来福镇发现大量超小型细菌一样，直到研究人员把“多小才是小”的假设抛到一边后，这个微小世界的大片区域才成为关注的焦点。一旦进入这个阶段，他们很快就找到了捕捉这些小东西的最佳方法，这也为其他研究人员捕捉仙人蜂提供了像菜谱一样高度精确的行动指南。休伯和同事、昆虫学家约翰·诺伊斯在一篇论文中写道：“从样品罐向分类盒中加入2~3毫米深的乙醇。”此外，他们规定分类盒必须是“9厘米塑料培养皿，外壁上刻有1厘米间隔的刻度线，涂上墨汁使刻度线清晰可见”。[40]
另一种可能是这些地方以前根本没有仙人蜂，它们是最近才迁移过来的。这就引出了一个问题：它们最初来自哪里？没有人可以确定。但后来发现的一种黄蜂——小叮当卵蜂（学名Tinkerbella nana，这是根据J. M. 巴利的小说《彼得·潘》中那个调皮的小精灵仙女命名的）可能会告诉我们一些线索。
人们发现，不论是从体型（小叮当卵蜂的平均大小仅比仙女蜂稍大一点儿）还是从它们翅膀上特殊的纹理来看，小叮当卵蜂和仙人蜂都非常相似。不过，它们触须的形状、眼睛含有的光学单元数量和足关节有所不同。随着更多明显相关的物种被发现，在检测它们的基因组后，我们会进一步了解仙人蜂到底来自哪个地方。目前，休伯认为夏威夷的仙人蜂“几乎可以肯定是从其他地方意外来到这里的”，这个“其他地方”很可能是中美洲。
“意外”这个词很关键。这意味着仙人蜂可能搭乘了人类的船只或飞机，进而说明了一个重要问题：这场防止入侵物种在我们这个全球化的世界里肆意蔓延的战斗，开始得太晚了。
有人认为，应该想办法阻止外来物种定居，以免改变本地的生态现状。这种观点在自然资源保护主义者中广泛存在，而且这种反对所谓的入侵物种的保护主义立场得到了大量证据的支持。
褐林蛇是澳大利亚、印度尼西亚和巴布亚新几内亚的一种贪婪的本地动物。第二次世界大战结束后，褐林蛇来到关岛（很有可能是乘船或乘飞机来到这里的），几乎把那里的鸟类消灭殆尽。[41]由于鸟类所剩无几，关岛的树木失去了最重要的种子传播者，这有可能导致新森林生长速度降低多达90%。[42]
可能携带寨卡病毒的白纹伊蚊（也称亚洲虎蚊）对美国的征服，可以追溯到1985年从日本运来的一批旧轮胎。在得克萨斯州休斯敦市第一次发现这种蚊子后，它仅仅用了不到10年的时间，就扩散到了25个州。今天，已有40个州发现了它的踪迹，而且它已在南美洲、中美洲、非洲和中东各地安家落户。[43]
1989年，人们在北美五大湖第一次发现了乌克兰斑驴贻贝[44]。一只斑驴贻贝一年可以产100万个卵。不到20年，斑驴贻贝就蔓延到了美国全境。它们大量吞食浮游植物，自下而上扰乱了食物网，对鲑鱼、白鲑和本地贻贝的种群造成了严重伤害。
我们一次又一次地认识到，所谓的入侵一旦开始，就很难再将其逆转。然而，我们生活在一个信奉“决不屈服，决不屈服，决不、决不、决不屈服”的世界里，这是温斯顿·丘吉尔第二次世界大战时在哈罗公学发表的著名演讲中的一句话。生态保护领域同样受到这种观点的影响。第一个用“入侵者”一词来形容外来物种的是一个与丘吉尔同时代的英国人——动物学家查尔斯·埃尔顿，他在1958年出版的《动植物入侵生态学》一书中使用了这个词。[45]这也许不是巧合吧。埃尔顿经历过两次世界大战，在第二次世界大战期间，他受命控制那些入侵英国食品储藏设施的害虫，因为它们“简直就是纳粹的盟友”。[46]
后来，埃尔顿帮助成立了大自然保护协会。他把自己想象成一名战地记者，正在参加一场许多人还不知道自己身处其中的战斗。在他的那本书的序言中，他没有掩饰自己思想深处的军国主义，坦承他对植物和动物入侵行为的思考开始于第二次世界大战期间。他警告说：“威胁我们的不仅仅是核弹和战争。” [47]，[48]
为了“拯救”世界，仅在美国，我们就花费了数十亿美元来对抗外来物种。值得注意的是，付出这些代价是有必要的，因为这些物种已经给美国经济造成了数万亿美元的损失。白蜡窄吉丁原产于亚洲，于20世纪90年代到达北美，仅用了20年就给白蜡木材作物造成了超过100亿美元的损失。[49]
