苏黎世大学的罗尔夫·屈默里（Rolf Kümmerli）正在研究一种可以阻止致命感染的新药。他的实验室堆满了皮氏培养皿和烧瓶——跟你想象中的、科学家从事此类研究的环境完全一致。不过，他进入这间实验室前的经历有点不同寻常。当屈默里还是一名研究生时，曾花费了数年时间徒步穿行瑞士境内的阿尔卑斯山脉，他的目的是研究蚂蚁的社会生活。在获得进化生物学博士学位之后，他才把注意力转向了微生物。
从研究蚂蚁到抗生素的转变之路并不像看上去那么曲折。数十年来，科学家一直在研究动物群体中的协作行为是怎样进化的。蚁群中无生育能力的工蚁会负责养育蚁后产下的卵，就是协作行为的一个典型例子。而一门名为社会微生物学的新兴学科揭示，支配蚁群的某些规律同样可以用来解释细菌群体的出现。微生物和蚂蚁一样，都生活在复杂的社会群体内，它们也会为了整个群体的利益相互交流和合作。
对这种微生物社会进化现象的认识，为防治细菌感染提供了一种新的思路：传统抗生素治疗只针对单个细菌，而目前科学家正在探索一种攻击整个细菌群体的新策略。
新策略正是我们当前急需的。细菌已进化出了广泛的抗生素耐药性，让医生们陷入了危机。现在，甚至还出现了几乎对所有药物都具有耐药性的结核分枝杆菌和其他病原菌。据美国疾病控制与预防中心统计，美国每年约有2.3万人因耐药菌感染而失去生命。
“细菌的耐药性是一个不容忽视的问题，”美国国家过敏和传染病研究所所长安东尼·S·福西（Anthony S. Fauci）说，“而且我们有充分的理由相信，这样的状况还会变得更糟糕。”
目前，应对危机的标准措施就是尽量减缓细菌耐药性的进化，并找到新的药物取代效果越来越差的现有抗生素。但这也仅仅是权宜之计，除非我们找到另一种对抗细菌的方法，否则它们总是会进化出耐药性。“我们开发出的每种新药物最终都会失效，”美国国家癌症研究所的理论生物学家约翰·佩珀（John Pepper）说，“而解决办法就是，‘快，再找到另一种抗生素!’这样的办法又能应付几个月，但这是远远不够的。”
许多种类的致病菌都是通过它们的集体行为感染人体的。社会微生物学家正在寻找瓦解“细菌社会”的切入点，例如干扰细菌之间的交流，或者阻止它们相互合作，获取营养。进化论预测，细菌的集体行为应该是一个成熟的药物靶点。虽然以细菌的社会生活为打击目标可能无法完全阻止其进化出耐药性，但这种策略至少可以大幅减缓耐药性的进化过程。
要平息质疑，社会微生物学家还有很长的路要走。尽管他们已经提出了详细的理论，并有了一些令人信服的实验结果，但一些研究人员仍持怀疑态度，不相信源自进化理论的药物真能防止耐药性出现。而那些已经不再研发常规抗生素的制药公司，也没有推动此类药物通过审批并把它们投向市场的打算。
不过令人欣慰的是，人们已逐渐开始关注社会微生物学家，美国国立卫生研究院已经制定了针对细菌耐药性的研究计划，而且研究者已经将探索细菌的社会生活列为重中之重。如果这项工作能够取得成功，就会成功地改变药物和进化之间的关系。在人类对抗细菌的战争中，进化这个曾经的敌人将会变成我们的朋友。
细菌耐药性危机并非酿成于朝夕之间。
20世纪中期，抗生素第一次被用于治疗细菌感染，几年后医生就发现一些细菌可以耐受这些药物。当时，人们还不清楚这是怎么一回事。而现如今，科学家已经能在分子水平探索细菌耐药性的进化过程。青霉素是大家最为熟悉的一种抗生素，它能与构成细菌细胞膜的一种蛋白质结合。失去了这种蛋白质的细菌就会因细胞内容物外泄而死亡。然而在任何细菌群体内，都会有一些能够抵抗青霉素的突变个体。
例如，细菌的细胞膜上有一些泵，可以将细胞内的有毒化学物质排出。而发生变异的细菌可能会产生额外的泵，快速地将青霉素排到细胞外，从而把蛋白质解救出来，用于构建自己的细胞膜。
通常情况下，这种变异并不会赋予细菌进化上的优势，但如果病人使用青霉素治疗感染的话，那么这些额外的泵立刻就会发挥巨大的作用。没有额外的泵的细菌死掉了，而有这些泵的突变株将会存活下来。幸存者继续繁殖，增加了突变株在群体中所占的比例。在随后的世代中，原始突变株的后代可能进化出更完善的防御体系，比如捕获其他种类细菌的基因来强化自身的防御。
数十年来，新药物出现的速度足够快，可以及时替代失效了的老药物，但现在，这样的模式已经无法维持下去了。新型抗生素的研发费用已经影响了许多制药公司的营收，它们干脆放弃了这一业务，转去投资研发更赚钱的癌症或肝炎药物。随着细菌耐药危机的不断加剧，科学家渴求一种不会被淘汰的抗生素。有几次，他们真的以为自己找到了可以抵抗进化的药物。
1987年，美国国立卫生研究院的迈克尔·扎斯洛夫（Michael Zasloff）发现，非洲爪蟾（African clawed frogs）会制造一种强效毒素用来抵御皮肤上的细菌。此后不久，扎斯洛夫和其他研究员发现，并非只有这种两栖动物才会制造毒性物质。他们研究的动物几乎每一种都能制造带正电荷的、小分子量的杀菌蛋白质。这类分子后来被称为抗菌肽（antimicrobial peptide）。
扎斯洛夫在杂志评论和新闻报道中预言：细菌不大可能进化出抵抗这种药物的耐药性。他指出，动物采用抗菌肽防御细菌已有数亿年的历史了，然而现在细菌在抗菌肽的威力面前依然脆弱不堪。2003年，加拿大麦吉尔大学的进化生物学家格拉哈姆·贝尔（Graham Bell）预言，事实将证明扎斯洛夫的说法是错误的。
青霉素和人们发现的其他药物也都是天然产物，但现代医学在给病人用药时，药物的浓度要远高于天然环境，这样一来就给细菌施加了巨大的进化压力，驱使耐药突变体出现。一旦医生开始给病人服用含有抗菌肽的药物，历史就会重演。
扎斯洛夫向贝尔发出了挑战，要求后者证明细菌是否会对他研究得最为深入的抗菌肽——培西加南（pexiganan）产生耐药性。
贝尔和他的研究生加布里埃尔·佩龙（Gabriel Perron）首先培养了一批大肠杆菌（Escherichia coli），并让它们接触低剂量的培西加南，随后将幸存下来的大肠杆菌转移到另一个药物含量更高的新环境中，让它们继续繁殖。实验结果正如贝尔所预言的那样：经过几个星期的培养，不断提高培西加南的剂量之后，细菌最后能完全抵抗该药物了。
扎斯洛夫立刻承认贝尔的观点是正确的。贝尔的实验结果令他更加谨慎地看待抗菌肽。“如果某个现象可以在实验室的试管里发生，那么它也很有可能发生在现实世界中，”扎斯洛夫在接受《自然》采访时说。
现在，我们还不能确定贝尔的警告是不是真有道理，除非抗菌肽最终能被批准用于治疗细菌感染。目前有一些制药公司正进行抗菌肽的临床试验。不过，这类药物从被发现到现在已经过去了28年，依然没有任何一种抗菌肽作为抗感染药物通过审批。它们是漫长的药物审批流程的牺牲者。
查尔斯·达尔文（Charles Darwin）也许并不知道细菌会成为他的自然选择学说的最好例证。
他和那个时代的其他科学家对微生物生长情况的了解十分有限。所以，在1859年出版的《物种起源》中，达尔文列举的生物性状一般是动物的皮毛和羽毛的颜色等，而这些也是那个时代的其他学者所熟悉的内容。此外，达尔文还记述了一些人们熟悉的、看似无法解释的自然现象，比如，许多种蚂蚁的工蚁都是不育的。这类现象一度令他担忧自己的想法可能是错误的。达尔文的理论认为，自然选择源于个体之间生存和繁殖的竞争。
但工蚁自身并不繁殖，这样看来它们似乎退出了这场竞争。达尔文在书中写道，工蚁的存在似乎是“整个自然选择学说的致命缺陷”。
达尔文猜测，解决工蚁谜题的钥匙在于亲缘关系。一个蚁群不仅仅是一些陌生蚂蚁的随机混合，而是更像一个大家庭。相比于一只蚂蚁仅凭自己的力量进行繁殖，一群同一家族的蚂蚁能够产生更多的后代。达尔文的协作理论激励了一代又一代的进化生物学家深入地研究蚂蚁，屈默里便是其中之一。
为了探索蚂蚁的亲属关系是如何影响彼此间行为的，他对不同巢穴中蚂蚁的DNA进行了测序。该项研究十分吸引人，但进程缓慢且受限制颇多。在即将博士毕业时，屈默里发现，一些进化生物学家将研究方向从社会性动物转向了社会性细菌。在大多数人的观念里，“社会”和“细菌”这两个词似乎并没有什么关联，但事实上，细菌生活在一个有着密切的交流与合作的群体中。
例如能导致严重肺部感染的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），当一个细菌开始侵袭宿主时，它就会发出信号分子，而其他同种类的细菌能借助特殊的受体（receptor）捕获这些分子。释放和捕获这些分子，对细菌而言，就相当于在说“我在这儿，还有其他伙伴也在这里吗？”
倘若细菌感觉到它们已经达到了足够多的数量，将会彼此合作，开始建立一个公共的避难所。细菌喷射出的黏性分子形成一个垫子将自身包裹在内，这就是所谓的生物膜。生物膜能够黏附于肺或其他器官的内壁，这样一来定居在生物膜深处的细菌就可以躲过免疫细胞的攻击。
假单胞菌属（Pseudomonas）的细菌也通过协作收集营养。
细菌生长离不开铁元素，但在人体内，细菌是难以摄取到铁的，因为人类细胞会将铁匆匆吞下，锁定在血红蛋白和其他分子中。为了获得铁，每种细菌都会分泌一种叫作“铁载体”（siderophore）的分子，该载体可以从人体自身的分子中夺走铁原子，随后细菌就能够吸收铁载体的铁用于自身生长。细菌的这种行为正如爱丁堡大学的进化生物学家山姆·布朗（Sam Brown）形容的那样，“它们基本上都是靠偷到的铁维持生活的”。
这是一种深层次的合作，因为细菌摄取的每一个铁载体都可能是数百万个邻居中的某一个制造出来的。“一个细胞的付出会使所有细菌受益，不仅仅是它自己，”美国国家癌症研究所的佩珀说。进化理论学家给这样的分子起了一个名字：公共物资（public goods）。这种分子是造福大众的，也就是对细菌群体有益。它们与细菌的私有物资（private goods）是相对立的，后者只对制造出自己的细菌有益。
公共物资看似有悖于达尔文进化论，从理论上讲，自然选择应该淘汰掉它们。自己不制造公共物资的变异细菌仍然可以享受其他细菌生产出的公共物资，这种不平衡将让吃白食的突变体获得进化优势。一个不产生铁载体的突变个体，不需要付出合成铁载体的辛劳，但仍然可以摄取到生长所需的铁。这样一来，它就会比那些参与协作的细菌繁殖得快，它的后代在群体中所占的比例也应该越来越高。
然而事实上，在整个群体中占据优势地位依然是愿意参与协作的细菌（如铜绿假单胞菌），而并非这些吃白食的细菌。
20世纪中叶，少数进化生物学家开始把注意力转向细菌的社会生活这个有趣的问题。爱丁堡大学成为了引领社会微生物学研究的中心，这也是屈默里在2007年选择去那儿的原因。不过，他到了学校后并没有立即开始进行实验。数年来研究蚂蚁所积累的学识不足以让他立即胜任微生物领域的研究工作。
屈默里和其他胸怀抱负的社会微生物学家必须从头开始学习微生物学的知识。他们开始学习如何培养细菌，怎样避免培养物受到污染，如何对它们的基因进行操作以及怎样安排实验。屈默里说：“光是学习实验方法就花费了数年的时间，有时那些传统的微生物学家并不把我们当回事。”
最终他们守得云开见月明，逐渐揭示出了社会性细菌对付吃白食细菌的诀窍。
例如，与布朗共事的屈默里发现，假单胞细菌并不是源源不断地生产铁载体，而是在最初就爆发性地迅速制造出了足够多的铁载体。细菌一旦制造出了一定量的铁载体存货，就能够循环利用这些分子。它们吸收承载着铁的铁载体，将铁原子吃掉后再将载体吐出。由于细菌合成的铁载体经久耐用，它们不用耗费更多的额外能量去生产新的铁载体。铁载体的这种循环利用降低了细菌彼此间合作的成本，同时也削弱了吃白食细菌的优势。
随着社会微生物学家对细菌社会演化规律的探索不断深入，他们开始考虑能否把自己的发现付诸于实际应用：寻找新型的抗感染药物。
在进化生物学家看来，现在使用的所有抗生素基本上都是一样的：每种药物都是针对细菌的私有物资进行攻击，如果一个细菌通过变异来保护自己的私有物资，那么它就能在生存竞争中胜过其他细菌。社会微生物学向我们呈现了与此截然不同的抗感染药物靶点。“我们的目标不是单个细胞，而是它们的公共物资，”佩珀说。
进化论预测，细菌不大可能对以公共物资为目标的药物产生耐药性。试想一下：假如研究者开发出一种攻击细菌铁载体的药物，使用它就可以让细菌因缺铁而亡。如果某个细菌获得了一个保护自身铁载体不受药物侵害的突变，那它也不能从中获得任何好处。细菌会统一把自己所有的铁载体释放到宿主体内的，这些分子会混合在一起。几乎可以肯定的是，一个细菌回收的铁载体不会恰好是它自己的那个。因此，突变细菌与同胞相比没有任何繁殖优势。
社会微生物学家最初是通过数学方程式和计算机模拟在理论上提出这种方案的。佩珀说，“我们提出了这些理论，如果你肯去尝试，那它应该有效。但如果没有人愿意去试一试，那么所有的努力都是无济于事的。”现在已经有人开始着手进行实验了。例如，最近屈默里、布朗和其他同事正在试验一种攻击细菌铁载体的药物。此前有研究发现，假单胞菌的铁载体也很容易与一种叫作镓的金属结合，就像它们捕获铁那样。
研究人员想知道能不能把镓当作药物使用，从而让细菌因缺铁而饿死。
为了找出答案，研究者在毛虫身上进行了实验。他们先用假单胞菌感染了一些昆虫，然后把被感染的毛虫分成两组，一组不做处理，任感染自然发展；另一组则用镓处理。结果前一组毛虫全死掉了，后一组却都痊愈了。
证明了镓可以充当抗菌药物后，科学家又做了另一个实验，研究细菌是否会对镓产生耐药性。进化论预测这种情况不应该发生，但屈默里说：“做进化实验时，我们是相当紧张的。”他和同事心里都十分清楚，之前那些看似前景光明的药物是如何被进化的力量摧毁的。“我们只希望不会出现进化现象，”他补充道。
在他们的新实验中，科学家用含铁的培养基培养假单胞菌。但培养基中的铁被束缚在其他分子中，细菌无法直接利用。它们要想继续存活下去，就必须用铁载体把困在其他分子中的铁夺走。在一组实验中，科学家们向细菌培养环境中加入常规抗生素。起初这些药物迅速抑制了细菌生长。但是，在持续暴露12天之后，细菌变得完全不怕抗生素了。
随后他们重复了上述实验，不过这次加入的是镓而不是常规抗生素。镓同样大幅度地抑制了细菌的生长。而在12天后，细菌在镓面前依旧像刚开始一样脆弱。这个实验结果与社会微生物学家的预测恰好吻合：攻击细菌公共物资的药物可以防止细菌进化出耐药性。
佩珀没有参与这项研究，他认为，镓实验对于社会微生物学来说是一个巨大的成功。“我认为这正是下一步所需要做的，”他说，“我希望这是人类对抗细菌的一个转折点。”
屈默里希望其他科学家可以在受感染的小鼠身上测试镓的疗效，或许在几年后还可以进行人体实验。因为镓已经被广泛地应用于人类疾病的治疗中，所以这样的实验应该相对比较容易开展。
被社会微生物学家当作潜在药物靶点研究的细菌公共物资有很多种，铁载体仅是其中一例。例如，一些细菌通过释放毒素使我们生病，但它们只在群体数量达到一定水平，能够发起一次强力冲锋时才会开始行动。它们会释放毒素破坏我们的细胞，细胞漏出的分子就会被细菌当作养料。如果药物能够中和毒素的毒性，那么甚至不需要直接杀死细菌就能打垮它们。
其他研究人员正在研究细菌之间传递的信号。他们在寻找那些可以通过各种方式阻断细菌之间通信的分子，例如封闭捕获信号分子的受体。如果细菌之间失去了联系，那么它们也就无法合作了。
相比于传统的抗生素，“抗细菌社会药物”（Antisocial drugs）还有一个优势：它尽可能地缩小了目标范围，不会同时摧毁很多种细菌。这是因为一种细菌制造的公共物资通常只对自己有用。如此一来，“抗细菌社会药物”在消灭目标菌株时，误伤有益微生物的可能性就较低了。
这项研究或许前景光明，但一些科学家对于“抗细菌社会药物”可以避免耐药性产生这一观点依然半信半疑。
宾夕法尼亚州立大学的托马斯·伍德（Thomas Wood）和同事研究了这类药物中最被看好的几种。他们的实验结果引人深思。例如，他们在某个实验中研究了一种可以干扰细菌信号的药物，结果发现突变的细菌在药物存在的条件下仍能生长。换句话说，细菌进化出了一种不依赖于这种公共物资的生活方式。“我没有绝望，” 伍德说，“我只是认为这类药物也并非万能灵药。”
伍德的实验结果意味着：某些公共物资可能不是细菌生长所必须的。倘若事实果真如此，那么基于进化理论的药物必须要瞄准真正必不可少的那种物资才会奏效。
佩珀说，即使“抗细菌社会药物”只能减缓耐药性产生，那也是一个很重要的进步。他宣称：“在与细菌较量的这场比赛中，我们已处于劣势，许多人的生命受到了威胁。我们在对抗细菌的战斗中哪怕只取得一点点优势，也能拯救很多生命。”