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動物與細菌緊密互動，可見之於夏威夷短尾烏賊（hawaiian bobtail squid）身上，這種烏賊長成後，雖然只有三公分長，兩、三公克重，但在腹部的外套膜內有發光器官。牠發光時，能配合背部所受到照入水中之陽光亮度；當處在更深海水中的掠食動物，向水面上監視欲獵取食物時，便見不到小烏賊的完整輪廓，這種偽裝方式叫「反照明」（counterillumination）。這或許也是未來隱身衣服的操作方法，因它可讓穿著者隱藏在視覺背景之中，難以被察覺，而光是由發光菌所發出的。

烏賊與發光細菌的共生

剛從卵孵出來的小烏賊，其實體內並沒有細菌，故得從海水中吸引它演化上的老夥伴——費雪氏弧菌（Vibrio fischeri ）來居住。首先小烏賊感應到環境中有胜肽多醣（是細菌細胞壁的主要成分）時，就由發光器進水口端的纖毛細胞分泌黏液，以黏附海水中的各種細菌，而費雪氏弧菌特別能群聚於此，進而進入發光器官。

發光器官並非善開大門，來者不拒，它用強勁水流，先篩選掉那些不能抗拒逆流的細菌，再分泌過氧化氫來殺害細菌，過氧化氫有強氧化能力，是動物細胞製造的活性氧品種（reactive oxygen species），唯獨費雪氏弧菌，不但有供游動的鞭毛，而且在它膜間空間有對付過氧化氫的觸酶（catalase），能分解之而保護細菌內部的細胞質，能通過這兩大考驗，細菌方能入住發光器的前腔。

在前腔內，烏賊供應細菌胺基酸及糖，讓它們長成大菌落，即可開始發光，故小烏賊孵出後一天，就能利用「反照明」，來保護自己。

稀奇的是，黎明時小烏賊會排出絕大多數的細菌，只保留約5％的細菌，這又是為何？為了發光，需要供應大量能量給細菌，而白天時小烏賊又潛伏沙中不動，故可能為節省能量，而定期丟棄細菌群體的絕大部分。

在這奇妙組合中，小烏賊用它的眼睛及眼外的感光小囊（extra-ocular vesicles）來接受並測量陽光及反照明光的強度，並調節反照明光的強度，使它在不同的陽光亮度及海水深度下，即能隱蔽身體輪廓。

采采蠅腸道中的幫手

前例中，動物似乎居上風，它能收縮發光器官，以排空其中的的細菌，但在采采蠅體內，它與細菌的合作就更密切了，采采蠅居住在非洲中部，介於撒哈拉沙漠及加拉沙里沙漠之間，吸動物血生存，並能傳播人類睡眠症及動物錐蟲病。

采采蠅身上有三種共生細菌，主要的一種叫做舌蠅維戈氏菌（Wigglesworthia glossinidia），屬名來自於發現者（Serap Aksog）要紀念剛逝去的英國昆蟲學家維戈渥斯（Vincent Brian Wigglesworth）。這維戈菌是腸內菌科的一種菌，居住在采采蠅的腸道，有點類似大腸桿菌，它長達千百萬年與昆蟲細胞共生，已經密不可分，因此這種含有細菌的細胞稱為細菌細胞（bacteriocyte）。

采采蠅，屬於雙翅目舌蠅屬。不同種類的采采蠅嗜好的血源也不同，
其中對血源選擇不專一的種類能透過叮咬人、動物而散播傳染病。

由於長久住在昆蟲細胞內，維戈氏菌的染色體業已大量縮減，也即刪掉了非必要的部分，但仍能製造及分泌關鍵的維生素給昆蟲細胞，若蟲子缺乏這些維生素就沒法繁衍後代了。而這種細菌也無法離開其腸道獨立生存。

以上兩例談及動物與細菌不同程度的合作互利，在人類腸道，居住了高達一百兆隻細菌的大群體。它們如何貢獻給動物一些好處，以換取在這溫暖又充滿營養的環境生存呢？這是近來熱門的研究課題，本專欄以前也談過，提供維生素、轉化腸內酵素不能消化的多醣為小脂肪酸以供寄主吸收、刺激腸內免疫細胞分泌抗菌胜肽以排除別類細菌……等等，都是有證據的理論，但腸內菌是否因與某種動物長久共同演化，因而形成特殊關係？也即人是否有不同於別種動物的專屬菌種或菌株，這是個尚未解答的疑惑。

細菌—影響腸道發育的關鍵

史特拉千（David P. Strachan）觀察非工業化國家中，人民患過敏疾病及身體免疫病者，比工業國家中所佔之比例少很多；他提出假設——環境過於乾淨，是否剝奪了某類免疫的T細胞活躍的機會，反倒刺激另一類T細胞活躍，使得患上過敏及氣喘之機會提升？

若把這種「衛生假設」運用於腸道的免疫系統，則能進一步提問：是否專屬的腸內細菌，與這種動物腸道免疫系統發育及成熟有關係？

從1950年代開始，就有了「無菌動物」的研究，因胎兒經產道出生時，先接受母親的各種細菌，再吃入環境中由食物及水送入的細菌，故初生幼兒的內外很快就布滿了細菌，為了觀察細菌與動物的互動，將豬、小鼠、大鼠等胎兒直接從子宮內取出，放入完全無菌的箱子內培養，這就是無菌動物（germ-free animal, gnotobiotic animal）。

腸道菌與胎兒

腸道菌群並非是生來即有，當胎兒尚未出生，處在母親的子宮中時，其腸道幾乎是呈無菌狀態。胎兒經由產道自然分娩時，產道中的細菌便會進入胎兒體內；而在出生後的幾天，哺乳、呼吸等也是細菌進入新生兒體內的途徑。

這些外來細菌在腸道內定植，形成新生兒最初的腸道菌群。隨著幼兒的成長，腸道菌群的種類結構將逐漸穩定，形成成熟的腸道菌群。對動物而言，腸道菌中的共生菌能提供養分，並誘導免疫系統發展。


雖供以充分營養，無菌動物吸收某些養分能力差，腸的形態與蠕動性異常，小腸上的派耶氏斑（Peyer’s patch）較小；這斑是存在於小腸（迴腸）上皮層內的大型淋巴結，人體的派耶氏斑有數公分之長，可達30顆之多，內有B細胞及T細胞、巨噬細胞及樹枝狀細胞，乃腸道免疫功能的重要成分。

無菌動物生產抗體的漿細胞少、上皮層內淋巴細胞少，抗微生物胜肽及分泌型抗體（Ig A）之分泌都少，表示沒有了腸內菌與腸的互動，腸內免疫系統之發育可能缺陷甚多；當補投給無菌動物以正常腸內菌後，部分缺欠則能彌補回來。

檢視小鼠腸內菌的一系列試驗

由哈佛大學醫學院卡斯柏（Dennis L. Kasper）實驗室的鍾姓博士後研究員（Hachung Chung）為首的小組，嘗試將人的腸內菌餵給無菌狀態的小鼠。他們所要詢問於自然的問題是：各種動物的腸內菌有無專屬性？不同動物腸內菌，刺激腸內免疫系統發育的能力是否不同？

三週大無菌的瑞士小鼠（Swiss Webster mice）被灌以健康人或健康鼠的糞便，然後仍放回無菌培養箱內，牠們的子女則由母親傳遞腸內菌群。子嗣的盲腸，均遠小於無菌小鼠反常的大盲腸，表示不管是人或鼠的腸內菌，都足以矯正「盲腸巨大」的症狀。

每隔四或兩周，研究者收集親代及子代鼠糞，先測定腸內菌數量，並用核酸大量定序儀（pyrosequencing）訂出其中菌的核醣體小單位（16S rDNA）的核苷酸序列，以資供定其種小名及屬名。首先他們（人菌鼠及鼠菌鼠）所排出的菌量相當，表示人腸內菌也能住在鼠腸內，且達到一致密度，其次兩組鼠的菌相都忠實反映接種時菌相，即人與鼠腸內菌以類桿菌（Bacteroidetes）最多，其次是革蘭氏陽性菌（Firmicutes），再次是元菌門（Proteobacteria）。

有趣的現象出現在種的階層，即兩組鼠糞內，共有的菌種並不多。當中尤以革蘭氏陽性菌門最明顯，研究者鑑定出1321種菌，其中「鼠菌鼠」糞中有925種，「人菌鼠」糞中有416種，兩種糞共有菌只有20種，即全部菌種的1.5％；回頭看初期接種時的人糞菌及鼠糞菌，革蘭氏陽性菌門內種的相同數，也只有0.8％，這代表人與鼠腸內菌，在屬以上階層（門、綱、目、科、屬）都有相似性，就在種這個階層相異大，證據明確指出，長久共同演化後，每種動物的腸內菌，新種出現甚多。

既然人與鼠都有大量專屬的腸內菌，研究者再問：其T細胞數量是否有異？檢查腸之黏膜基底層（lumina propria），派耶氏斑、上皮層內及腸系膜下淋巴結的T細胞數量，人菌鼠幾乎同於無菌動物，表示人菌無法刺激小鼠T細胞的增生。

雖然人菌無法支持腸附近T細胞的增生，研究者將檢查範圍擴大到脾、鼠蹊及肢內淋巴結，倒沒有發現兩組間有何差別。

若用與小鼠接近的大鼠糞便，以之灌注給無菌小鼠，也發現大鼠腸內菌，依然無法刺激小鼠小腸免疫系統的成熟，表現與人腸內菌相似，可見腸內菌新種的專一性頗強。

研究者繼續再用「微陣列」來分析，細胞內何種基因可能被腸內菌所激發而啟動其功能。微陣列是一個小玻璃片，上面密密的附上幾千個小核酸片段，使它能捉住同一基因的傳訊RNA，以決定細胞內何基因處於開動狀態，他們用腸繫膜淋巴結內T細胞分析，發現鼠菌鼠T細胞之T活化相關基因開動了，但人菌鼠內，這些基因較沒開動。

正常腸內菌群似乎該能保護腸子，免受病菌侵犯，於是研究者灌注傷寒沙門桿菌給各組老鼠。他們發現1~4天時，鼠糞中病菌數，以鼠菌鼠為最低，人菌組居中，而無菌鼠組最高；侵入脾臟，以及引發盲腸外水腫發炎數病徵，也以鼠菌組最低，人菌組次之，無菌組最高，即病得最重。

這項研究呈現大量數據，由15個人掛名，分屬6個機構，即哈佛醫學院、史丹福醫學院、麻省總醫院、養樂多中央研究所、加州巴羅阿圖榮民健康照護系統、波士頓兒童醫院；足見甚至在生物學界，大型研究，多實驗室合作，商業公司背後支助，均是目前高品質研究的條件，但若日本人的養樂多公司也廁身其中，其商業企圖就很明白了。

這研究首次明確指出，各物種有它專屬的一大群腸內菌，這可說是場菌與腸的戀愛，已持續了浩渺的千萬年呢！

無菌動物

無菌動物是指完全不含微生物，特別是不含病原菌的動物。無菌動物一般以剖腹手術自母體子宮取出，在無菌室中以無菌飼料餵養。無菌動物的個體，能使用於實驗中，研究各類微生物對動物本身的影響。

參考資料
Chung, H., et. al., Gut Immune Maturation depends on Colonization with a Host-Specific Microbiota, Cell, Vol. 149: 1579-1593, 2012.