微生物如何与动植物共生？

我们先来看看，微生物是如何与动植物共生的。从定义上讲，共生是指两种不同生物间形成的紧密互利关系。有些共生关系非常明显，比如开花植物和蜜蜂之间的共生，植物为蜜蜂提供食物，蜜蜂为植物传播花粉。但因为微生物难以被观察到，所以它们与植物间的共生就很容易被忽视。

举个例子，松树广泛生长在北半球，它们生长迅速，树干又高又直，木质中充满树脂不易腐烂，是一种良好的木材，所以几百年前欧洲人前往全球进行殖民扩张时，自然就想到要把松树带到殖民地去种植。可奇怪的是，当松树种子被种到热带或南半球的土壤里面时，小树总是发育不良，还很容易枯死，解决办法也很简单，只要在苗圃里引进些从欧洲带来的土壤，松树就能很快恢复活力，开始茁壮生长。这是为什么呢？当时的人们百思不得其解。直到后来研究人员才发现，问题就出在微生物身上，只有当土壤中存在某种来自欧洲、对松树生长至关重要的真菌时，松树才能正常生长，可见这种真菌与松树间的共生关系有多紧密。

这些真菌的本体由无数微小的细丝构成，肉眼很难观察到，它们和植物的根部相连，并与树根细胞紧密结合，形成了一种被称为“菌根”的混合结构。菌根有两大类，分别是外生菌根和内生菌根。在外生菌根中，真菌主要生长在植物的根部以外，它们会像给根尖穿上一层袜子一样，用菌丝把根尖裹起来，同时穿透根的表皮，在皮层细胞的间隙中形成相互连接的网络。而在内生菌根中，真菌主要分布在树根的表皮内侧，在树根里面形成网状结构。可话说回来，植物为什么要和真菌共生，结合形成菌根呢？上世纪50年代，科学家们通过同位素标记实验发现，原来植物和真菌能互帮互助，各取所需。真菌能获得植物通过光合作用产生的碳水化合物，植物则会借助真菌在土壤中蔓延的网络，获得大量水分和营养物质。可能有朋友会问，植物不是自己有根吗，为什么还要通过真菌来获得水分和营养呢？原因也很简单，那就是用真菌更划算一些。真菌的菌丝非常细，直径只有最细的树根的十分之一，所以在长度相同的情况下，形成菌丝所需要的生物质仅为树根的1%，成本要低得多。而且植物还能根据自己的营养情况，随时停止和真菌的合同。这么看来，真菌还挺像植物的外包工，在双方关系中明显处于弱势地位。

除了为植物提供水分和营养，微生物还能对植物起到保护作用。比如土壤中过量的钙元素会伤害植物细胞，导致细胞流失内部物质，而真菌就能替植物把过量的钙元素挡在外面。还有些微生物能产生抗菌物质，帮助植物抵御土壤中的有害病原体。比如，小麦和大麦一旦患上全蚀病，生长进程就会被严重打乱，作物产量也会大幅缩水，但假如土壤中有足够多的假单胞杆菌，那这些细菌就能释放出对抗病原体的抗生素，从而保护小麦和大麦的生长。

在刚才提到的松树案例中，真菌就对松树有着双重作用，它既能帮松树获取土壤中的水分和营养，又能充当松树根部的保护屏障。松树对它们非常依赖，甚至到了没有它们就活不了的地步。同样值得一提的是，微生物还能为植物带来全新的生存技能。比如我们知道，豆类食品富含蛋白质，这是因为豆科植物有强大的固氮能力，它们可以从空气中获取氮元素。那豆科植物是怎么做到的呢？秘诀就在于与它们共生的根瘤菌。豆科植物能在根部形成一个个突起状的根瘤，这些根瘤里住满了根瘤菌，根瘤菌一方面依赖豆科植物获得营养物质，另一方面又能把空气中的氮气，转化成可供植物使用的氮元素，双方各取所需，堪称共生关系中的一段佳话。

当然，和微生物共生不是植物的专利，类似的合作也普遍发生在动物身上，尤其是动物的消化系统里。比方说牛，我们都知道牛以草为食，但如果较真儿的话，消化道里的细菌其实也是牛的重要食物，为什么这么说呢？这得从牛的消化过程讲起。牛有四个胃，第一个胃体积最大，叫瘤胃，它像个口袋一样接收牛吃下的草，并在缺氧的情况下发酵，滋养大量微生物，包括细菌、真菌、原生动物等等，这些微生物的总重量甚至能占到瘤胃干重的50%。在微生物的作用下，植物碎片里的纤维素被分解成小分子，为牛提供了所需的绝大部分能量。

接着，后面的网胃和瓣胃会吸收从瘤胃运来的无机盐和水分，并把食物团运到牛的第四个胃——皱胃当中。皱胃其实才是牛真正用来消化的胃，它会释放多种酸和酶，来消化食物团中被裹挟而来的大量微生物，最后小肠会把这些微生物分解出的营养物质吸收干净。在这里，牛为微生物提供了食物和繁衍场所，微生物帮助牛分解植物纤维，并贡献出自己的一部分后代来充当牛的加餐，在这层共生关系之下，牛其实是一个伪装得很好的杂食性动物。

实际上，绝大多数动物的消化系统都和微生物有着共生关系，差异主要体现在共生的具体实现方式上。比如兔子和微生物共生的方式就很奇特，每天早上，兔子一般会排出一种叫盲肠便的粪便，然后扭头就会把这些粪便吃掉。这是为啥呢？原来，兔子的盲肠便里每克都含有超过1亿个细菌，从营养上看，其蛋白质含量甚至比普通食物还要高2—3倍，所以兔子吃掉这些微生物，就能把共生的效用发挥到最大化。

当然，微生物与动物的共生并不总是一对一的，有时参与者的数量也非常灵活。生活在热带地区的切叶蚁，每天会把大量新鲜树叶切成小块运回巢穴中，这种习性容易让人认为树叶就是切叶蚁的食物，但实际情况是，树叶只是切叶蚁用来供养真菌的原料。这种特殊的真菌可以分解树叶里的纤维素和木质素，长大后则会成为切叶蚁的专属食物，这是切叶蚁和真菌之间的共生关系。

与此同时，切叶蚁还要保证巢穴里只有特定种类的真菌，不能有其他微生物的威胁，这就需要一种强力抗生素的支援。这种抗生素来自一种放线菌，于是切叶蚁又和这种放线菌各取所需，形成了共生关系。你看，共生有时是个复杂的关系网，不同物种间会互帮互助，形成主要共生关系、次要共生关系，甚至是第三、第四顺位的共生关系。作者有句话说得特别好：健康的生物都是住满微生物的。对动植物来说如此，对人类来说也是如此。