2017年春，我在冰岛拍摄一部微生物纪录片。 拍摄中有一个环节，要求我和摄制组一次次站到正在沸腾的、含有硫黄的间歇泉跟前。按节目脚本，我要指着间歇泉，对着摄像机镜头讲述生命的起源。有一次，摄制组竟丢下我一个人在一处间歇泉旁边，让我在那儿等着卡车回来接。 摄制组有时就是挺冷酷无情的。但一个人被困在那儿，也让我有时间来观察这些间歇泉。天真冷啊，尽管间歇泉有一股硫黄味，但我还是靠得很近，这能让我暖和一点儿。间歇泉中的水被地壳深处的火山活动加热，再从地表缝隙喷涌而出。就像会对美丽的夜空熟视无睹一样，我们很容易忽视地球的内部结构。但在冰岛这是不可能的，冰岛的东西部板块正在分离，人们很难不注意到这样大规模山崩地裂所带来的后果。有时火山的喷发十分剧烈，足以遮天蔽日。每天都有像我身边这样的间歇泉从地表喷出。这些间歇泉的喷发孕育了生命，这些生命和我们家中发生的变化有着千丝万缕的联系，远比我们以为的要深。

这些在间歇泉里繁衍生息的生物直到20世纪60年代才被发现。印第安纳大学的托马斯·布罗克（Thomas Brock）在黄石公园和冰岛两地进行科学研究，他在冰岛考察的地点，离我现在站的地方不远。他被间歇泉周围五彩斑斓的图案迷住了。黄色、红色甚至粉色混合在一起，慢慢变成绿色和紫色。他认为这些图案是单细胞生物生命活动产生的。 ^[1] 事实也的确如此。在此生活着的细菌还有古生菌（ archaea ）。古生菌是另一种生物，它们和细菌一样古老而独特。 ^[2] 布罗克还发现许多生活在间歇泉里的细菌种类属于“化学营养生物”（ chemotrophs ），它们能将间歇泉中的化学能转化为生物能；它们能不依赖阳光，在无生命条件下形成生命。 这些微生物可能在光合作用产生很久前就存在了，这些细菌的群落和地球上一些最早的生命群落类似。它们催生了地球上最古老的生化过程。我可以看见它们在间歇泉周围的岩石层上生长，带给我温暖。

不过这些细菌并不是间歇泉周围唯一的生命。蓝细菌（ cyanobacteria ）在热泉水中生长，进行光合作用，布罗克还发现了以泉水周围漂浮旋转的细菌碎片或死苍蝇等有机质为生的细菌。乍一看，这些食腐细菌没什么特别的。和布罗克研究的那些化学营养细菌不同，它们不能将化学能转化为生物能，而必须以其他活生物或死生物碎片为食。但进一步研究后，布罗克发现它们是一种全新的细菌种类，甚至是一个全新的属。他简洁明了地将它们命名为栖热菌属水生菌种（ Thermus aquaticus ），以反映它们的生存环境。如果是在哺乳动物或鸟类中发现一种新物种足以成为新闻，发现全新的属则更为轰动。 ^[3] 不过对细菌来说却不是这样。发现新的细菌并不难，考虑到微生物学家最开始关注的细菌的特点，这种新细菌——栖热水生菌——不能引起人们太多的兴趣：它不产孢子，细胞是黄色杆状的。革兰氏染色也是阴性，平平无奇，但实际上它并不简单。

只有在布罗克将培养介质的温度控制在70℃时，这种细菌才能在实验室里生长。温度越高，对它的生长越有利，它甚至能在高达80℃的水中存活。水的沸点在常温常压下是100℃，海拔越高，沸点越低。布罗克培养了世界上最耐热的细菌。 ^[4] 在日后的研究中，他发现要找到这种细菌其实并不难。只不过从没有人在这么高的温度下培养细菌。有些实验室在55℃下培养从温泉水中获取的细菌，这对于栖热水生菌来说太低了。随后的研究发现了多种只能在较高温度下生存的细菌和古生物。对这些微生物而言，我们人类生活的环境温度实在太低了，不利于它们的存活。

本书讲的是居家环境中的生物，这个栖热水生菌的故事和我们的主题有什么关系呢？尽管间歇泉和温泉的温度跟它们周围的环境看起来很特殊，但其实，它们和我们日常生活的环境非常类似。一个在布罗克实验室里工作的学生就认为，可能在我们周围就生活着栖热水生菌或者其他类似的细菌，只不过我们一无所知。为了验证这一想法，他们检测了实验室里的咖啡机，对于栖热菌来说，咖啡机里的温度足够高。咖啡机曾陪伴和支撑他们的研究，所以从这个地方开始寻找这些小生命也很合适，但结果一无所获。

布罗克开始思索周围可能存在热液体的环境，比如人体。人体的温度远远不像温泉那样高，不过布罗克认为，人体里说不定就有细菌生长，等着人发烧的“良机”，谁知道呢？不过这不难验证。于是布罗克“获取”了唾液标本（在一封邮件中，他对这份标本是不是他自己的唾沫有些含糊，不过根据我对科学家们的了解，其实就是他的）。他试图从唾液中培养出栖热菌，结果又失败了。他又检查了牙齿和牙龈（和列文虎克当年差不多），仍然没有，也没有发现任何嗜热细菌。在他取样的湖水和附近水库中也没有栖热菌的身影。他还检测了他工作的乔丹楼温室里的仙人掌，还是一无所获。也许它们就是只生活在温泉里的细菌吧。

为了确定这一点，布罗克又检测了另一个地方——实验室里的热水龙头。因为他的实验室离最近的温泉也有320千米。然而，他在实验室水龙头流出的热水里发现了疑似栖热菌的细菌。这太令人振奋了！布罗克认为，可能是热水器创造了利于细菌生存的条件——里面的水是热的，但温度不如温泉那么高。热水器对细菌而言也是一个完美的住所。也许这些细菌就来自其中的热水，偶尔也会顺着水龙头流出来。

最后，两位同样在印第安纳大学工作的研究人员罗伯特·拉马利（Robert Ramaley）和简·希克森（Jane Hixson）在乔丹楼周围获取了更多嗜热细菌的样本。他们也发现了一种耐热细菌。它和布罗克发现的栖热水生菌很相似，但又不完全一样，因此他们暂时将它命名为“栖热菌1号”（ Thermus X-1） ^[5] 。和栖热水生菌不同，它不是黄色的而是透明的，而且它生长得也比栖热水生菌快。拉马利猜测它可能是一种新型的栖热水生菌。栖热水生菌的黄色色素或许是为了保护它免受露天温泉中阳光的照射而生成的，而这种新发现的菌株在建筑物水箱中定居后，就失去了产生色素的能力，因为生成色素既耗费能量又毫无用处。此时已经到威斯康星大学工作的布罗克觉得，应该更详细地研究生活在建筑物中的嗜热细菌。

布罗克和实验室的技术人员凯瑟琳·博伊乐（Kathryn Boylen）一起检测了威斯康星大学周围的民居和自助洗衣店里的热水器。和家里的热水器相比，自助洗衣店里的热水器常常更大，连续使用的时间也更长，因此也更可能有嗜热细菌生长。每到一处，他们都取下热水器的排水管，检查内部。和温泉一样，热水器里的水也会变得很烫，而且所有的自来水里都含有有机质，说不定足以维持栖热水生菌的生存。

100多年前，生态学家约瑟夫·格林内尔（Joseph Grinnell）提出了“生态位”（niche）这个术语，用来描述生物生存所必需的条件。这个词源自中世纪法语词nicher，意为“放置”，它最早是指古希腊—罗马时期墙上用来供放雕像或其他物品的浅凹槽。 凹槽的大小和雕像刚好相配，就像热水器中的水温和食物正好能满足栖热水生菌的需要一样。但是物种能在某处存活，并不代表它能在此生长。科学家将物种的基本生态位和实际生态位相区分。栖热水生菌的基本生态位包括热水器，但它能不能在其中生长，又是另一个问题了。

结果他们真的发现了它的身影。布罗克和博伊乐发现：除了岩浆附近的间歇泉和印第安纳大学乔丹楼里的热水管之外，威斯康星州麦迪逊附近的住家和自助洗衣店的热水器中也有某些嗜热菌存活。而且，在热水器中发现的细菌能耐受已知有生命存在的最高温度。布罗克为了寻找嗜热菌而远赴天涯海角，而他原本在实验室转角洗衣店的操作间里就可能发现这些细菌的。 ^[6]

在布罗克之后，还没有科学家发表关于热水器中发现的栖热水生菌的文章。不过，人们在冰岛自来水管的热水中发现了一种新的嗜热菌。 ^[7] 它跟布罗克和博伊乐发现的细菌一样没有色素，人们不再称它为 Thermus X-1，而是 Thermus scotoductus （水管致黑栖热菌）。 ^[8] 过去几年，宾夕法尼亚大学的研究生雷吉娜·威尔皮泽斯基（Regina Wilpiszeski）一直在从热水器的热水中取样，想找出它是不是热水中的主要细菌。看起来它的确是的：在美国各地的热水器中，她都发现了这种细菌。她的研究还未完成，但已经引起了科学家的思考：为什么这种细菌会在热水中生存，它是怎么跑到热水器里去的？而其他那些能在温泉中存活的嗜热菌，为什么没有占领热水器呢？为什么年代十分久远的热水器里也没有温泉里那样多种多样、五彩斑斓的细菌呢？这些问题目前都没有答案。

我猜，在其他地方的热水器里也生活着不同种类的嗜热细菌。不难想象，在遥远的新西兰或马达加斯加的人家里热水器里发现的细菌，也可能是独一无二的。这点我们还不能确定。和列文虎克的事业后继无人一样，同样的情况也发生在布罗克身上。 只有雷吉娜在独自进行这项研究。我们不知道栖热水生菌对人体或热水器会不会有影响（无论好坏）。我们也不知道它有没有哪些独特之处能为人所用——在其他地方采集的同种细菌的本领之一就是可以消除铬化物的毒性。 ^[9] 但是，嗜热菌的故事是人们研究家中生物历史的关键。它是列文虎克的时代之后最明晰的例证，表明我们家里的生态系统比我们所想的要复杂得多，在那些处于关注焦点的病原体之外，还存在许许多多其他的生物。而且，热水器中嗜热菌的发现，还意味着现代居家环境可能促使以前从未与人同住的物种转移到室内，悄无声息地住进来。最终，这些细菌的发现也慢慢地引发了人们对居家生物进行更广泛的探索研究。它启发了和我同样好奇的人想象或许嗜热菌并不是特例，它可能是某个更广阔的生态系统的一部分。在人们家里，我们能找到和南极同样寒冷以及和火山同样高温的环境，能找到地球上各种环境的缩影。这些微生物很可能已经发现并且占领了这些家中的极端环境，只不过人类还没有开始动手寻找。对家中生物研究的变革有待于新科技的出现，使那些在培养皿上不能生长的细菌也可以被鉴别出来。而之后的发展表明，这些科技的出现仰赖于嗜热菌的生物特性。

人们已经认识到大部分细菌都不能在实验室培养生长。我们不知道它们需要什么条件，食物来源是什么，因此，即使取样成功，也无法通过培养而直接看到菌落。这也意味着在微生物学历史上，除非有善于思考、富有恒心的生物学家通过研究发现细菌生长条件而培养成功，否则人们永远无法研究这些不能培养的细菌。嗜热菌正是如此：直到布罗克用高温培养它们之前，人类始终没有发现它们。但是现在，这一切都变了。我们可以研究无法培养的细菌，这在很大程度上应该归功于布罗克发现了栖热水生菌等嗜热菌。 ^[10]

人们通过一系列实验室步骤来寻找并鉴别无法培养的细菌。这个流程一般称为“管道”（pipeline），意思是整个过程必须按顺序进行。 加入样品后会得到一系列其中所含物种的信息，不论是活跃、休眠还是死亡的细菌都能检测出来。在实际研究中，这项技术的应用很多，因此我们有必要详细介绍一下整个方法。

整个流程从取样开始，样本可能是灰尘、排泄物或水等任何含有（或可能含有）细胞或DNA的物质。接着，在实验室里将样本加进含有少量液体的试管中。液体中含有皂液、酶类和沙粒大小的玻璃珠，就像敲鸡蛋那样，玻璃珠有助于裂解细胞，提取DNA。然后，将试管封口并加热、震荡、离心。较重的珠子和细胞碎片沉到管底。待要提取的珍宝——变松散的DNA长链浮于液面上时，就可以像从泳池里捞出一只苍蝇一样，被分离出来。 整个过程简单明了，哪怕是初中生物课上一群昏昏欲睡、没听清注意事项的学生都能完成。

为了根据DNA鉴定生物的种类，研究人员就要破解DNA，这一过程被称为“测序”（sequencing）。这是整个过程中的难点。和能放大观察对象的显微镜不一样，测序通过扩增DNA从而破译DNA中的信息。难就难在如何扩增从而破解DNA中的核苷酸序列。除了病毒以外，所有DNA都是双链的。两条互补链通过配对方式连接起来。人们很早就发现：如果可以解离两条DNA链，就可以复制两条单链，重复这一过程可以得到大量的DNA，用于分析。通过加热，可以使两条DNA链分离。这一步很简单。复制DNA单链只需要一种名为“聚合酶”（polymerase）的酶类，包含人体细胞在内的所有生物细胞，也是利用这种酶来复制DNA的。只需要解离DNA双链、加入聚合酶和引物（具有特定核苷酸序列的分子，能指示聚合酶应该扩增DNA的哪些片段）以及一些核苷酸就可以开始扩增。这里的困难在于，能让两条DNA链解离的温度，同时也会让聚合酶失活。一个原始、昂贵且需要大量人力的办法是：在每轮加热前都重新加入聚合酶和引物。这个方法有效，但是很慢，以至于当时大部分生物学家宁可去研究那些方便培养的细菌也不去发现新的、难以培养的细菌。

一个新的解决办法显出一丝曙光——栖热水生菌。栖热水生菌的聚合酶是在高温下才发挥作用的。而且温度越高，它的活性就越好。这种聚合酶正是科学家们所需要的。在布罗克发现栖热水生菌几年后，人们意识到可以将它体内的聚合酶（被命名为Taq）在高温下加进DNA中，使DNA可以快速扩增。通过耐热的聚合酶促进DNA的复制称为“聚合酶链式反应”（polymerase chain reaction，PCR），这一过程读起来可能有些抽象，是个陌生的科学术语。不过，这项技术可以说是世界上正在进行的所有基因检测的核心，不论是检测亲子血缘关系还是检测灰尘中的细菌。从温泉和热水器中发现的这些细菌，启发了人们对居家生物的探索，也提供了至关重要的酶，可以将这一探索过程引入现代科学研究。 ^[11]

在聚合酶链式反应中，基因科学家、检测人员或医生选择哪些基因进行复制并解读复制来的DNA信息，取决于研究目的和使用方法。为了确定某个样本中所有的细菌种类，研究人员会选择复制16S rRNA基因，这种基因对细菌和古生菌的功能很关键，它在过去40亿年中几乎没有变化。因此，科学家能确定所有细菌或古生菌中都有这个基因。该基因在不同的细菌身上存在的差异是可以区分的，但变异并不大，仍可以辨识。用来解码这些基因的技术则有很大差别。其中一些向需要复制或正在复制的DNA中加入经过标记的核苷酸（含有遗传信息的分子），这些核苷酸分子的标记物可以被测序仪识别。测序仪会先识别含有一串核苷酸分子的引物，接着识别DNA链上的其他分子。样本中DNA分子多达几十亿个拷贝都将被逐个识别，生成海量的数据，记录下每个DNA链的所有核苷酸序列。这些拷贝，将按照彼此的相似程度进行分组，用来和从其他研究中获取的数据库中的已知生物遗传序列进行比对。 这一技术的发展日新月异，但有一点始终不变：成本越来越低，操作越来越简单。手持式测序仪在不久后即将面世。（实际上，人们已经开发出了类似产品，不过现阶段在读取DNA时容易出错。随着时间推移，它将会越来越完善。）

如今，多亏了栖热水生菌，我们可以取样并通过测序手段来确定样本中含有的物种。这不需要用肉眼见到，或者培养出样本中的细菌。生物学家可以鉴定土壤、海水、云层、粪便和所有其他地方样本中的生命。他们还可以鉴定、培养我们还不知如何培养的细菌。在我读研的时候，这都还做不到，甚至无法想象，但现在已经成为常规操作。 ^[12] 10年前，我和同事决定用这一技术来研究家中的生物。当时，我们从门框上取灰尘、从水龙头里接水，甚至从衣柜里拿件衣服，然后通过读取样本中的DNA确定其中所含有的全部物种，这些从技术上和成本上都能实现。列文虎克用他的显微镜观察周围的生命，而我们用测序技术解码自己周围的生物。在项目一开始，我们并不知道会发现什么，而结果令人吃惊，既惊讶于在家中发现的那么多生物，也惊讶于已经消失了那么多。 ERxHzGjj2rpKq8/L1VJZe8jGZ+qkLqGG+XYFw3pkBAW8+o0vqfFeBU2Qq0gpm/kK