刘树林——细菌物种定义的探索者

我们如约在哈医大药学院的院长办公室见到刘树林时，他看起来仍沉浸在历尽艰难、终于获得成功的喜悦之中。就在4天前的7月11日，刘树林与他的团队关于细菌物种界定原则的一项科研成果在国际生物学界的权威杂志《BMC Genomics》发表了，从而使生物学界已经寻找了300多年的细菌物种间遗传界限问题，取得了突破性的进展，标志着人类对细菌的认识产生了新的飞跃。为了这一目标的实现，年届花甲的刘树林，为此已整整奋斗了40多年。

细菌曾是地球诞生之后最古老的生命形式，可以说没有细菌的产生也就不会有后来的人类。同样的事实是，人类众多致命疾病均与细菌有关，但离开了细菌人类也无法生存。

1971年，刘树林开始在一家县医院从事临床检验工作，从此他就与细菌打起了交道。那时每到夏末秋初之际，医院里经常连走廊里都住满了伤寒病患者。对病人的标本进行细菌学检查，包括对伤寒沙门菌的分离和鉴定，成为刘树林日常工作的主要内容。虽然当时人类了解到的沙门菌有1000多种，但引起伤寒病的却只有伤寒沙门菌这一种，其他种类的沙门菌仅引起胃肠炎或基本上对人不致病。这些遗传和生化性状极为相似的沙门菌对人的致病性为何如此不同？这个问题深深地嵌入刘树林的头脑中，并最终引导着他走上漫长的求索之路。

文革结束后，刘树林上了大学，在哈医大李绍贤教授的精心培养下，他系统地学习了微生物学，为以后的科研打下了坚实的理论基础。课外他最喜欢的书籍是达尔文的经典著述《物种起源》。到大学毕业时，他明晰了一个概念，那就是世上所有生物都是以“物种”作为最基本单位而存在和分类的。例如，人类属于一个物种，黑猩猩属于另外一个物种。同理，老虎属于一个物种，家猫属于另外一个物种。判定哪种动物属于哪个物种，国际学术机构是有严格的科学定义和客观标准的。但是这些定义和标准并不适用于细菌这样的原核生物。因此，自人类于1673年发现细菌以来，细菌的物种定义仍然没有科学的客观标准，直到上世纪70年代，美国科学家提出以DNA交换率和16S rRNA相似性作为细菌种系界限来划分物种，被生物学界称为“金标准”一直沿用至今。然而，这两项指标都是连续性的，无法清晰地给出细菌种属间的界限。直到今天，虽然人类已经发现1万多种细菌，但究竟应该用什么标准对细菌分门别类，特别是对于如何定义细菌自然分类的基本单位——“种”，并没有找到让学术界公认的客观标准。如果生物有一个共同的起源，细菌就应该和植物、动物一样，在物种间也存在着遗传界限。一旦找到了这个界限，细菌物种的科学定义以及识别细菌物种的客观标准就有了分子基础。

为了找到这个界限，1985年，他东渡日本，到日本国立岐阜大学医学部微生物教研室，选择沙门菌探讨细菌物种的科学定义和界定物种的标准。在导师薮内英子教授的指导下，他掌握了细菌分类基础理论与规则。所发表的博士论文在国际学术界被反复引用，使他在沙门菌研究领域崭露头角。但限于当时的实验条件和科学水平，细菌物种的科学定义问题还无法解决。

此后在加拿大卡尔加里大学的12年，刘树林的研究取得了突破性进展。那时，他主持了一个实验室，可以根据自己的意愿开展具体的科研项目。利用这一有利条件，他规划了沙门菌比较基因组学项目，从进化角度探讨划分细菌物种的途径。通过对一系列有代表性的沙门菌进行比较研究，他首先发现，与其他沙门菌相比，伤寒沙门菌具有独特的基因组结构。据此，他提出了细菌进化的“获取-适应模型”，构建起细菌物种新概念和定义细菌物种的3C标准，主要内容是同一物种所有成员亲缘关系密切；不同物种之间存在着清晰的遗传界限；同一物种所有成员具有共同的生物特性；从而在细菌学领域里开拓了一个全新的天地。要验证这一标准，需要大量的实验研究，而当时在加拿大得不到实验研究所需的大量细菌。为继续已开辟的科研道路，他放弃了所有国外优越的工作生活条件，毅然回国。先是到北京大学医学部，得到学部领导韩启德院士的支持，完成了初始阶段的研究工作。2008年，他回到的母校哈医大继续他的研究。校长杨宝峰院士为刘树林专门成立了基因组研究中心，配备了青年教师和一流的实验设备。从2008年到2012年的5年间，刘树林放弃了所有的休息日与节假日，每天要连续工作12至16小时，进行了大规模的基因组比较研究。在攀登顶峰的最关键时刻，刘树林关掉了手机，几乎谢绝了所有的社会活动。2012年3月的一天，研究生向他报告说，所有实验数据都支持刘树林酝酿和探索多年的细菌物种新概念。至此，刘树林和他的团队终于通过自己的工作，验证了假说，以客观数据表明细菌的物种内不同野生株存在高度密切的亲缘关系，而这种亲缘关系在邻近物种之间直线下降，于是不同物种之间展示出清晰的遗传界限。这一发现不仅限于沙门菌，也在其他的细菌中得到验证。在为细菌物种分类提供了客观科学的标准的同时，刘树林还发现了遗传开关的存在，它在调控细菌进化过程中如何实现稳定性与变异性的平衡方面起着至关重要的作用。刘树林团队从而在基因水平上进一步揭示了细菌遗传与进化学说的微观机制，证实了遗传界限可用于定义细菌的天然物种。这两方面探索在生物学领域都具有开创性的意义。

刘树林自幼多病。成年之后，听从父母忠告并根据自己的意愿，立志学医。从那时起，他就有一个梦。就是要用学来的知识和自己的探索发现来为人类健康服务。如今刘树林梦圆龙江，他的研究成果所揭示的细菌进化机制为人类在与细菌所处的相生相克的关系中，如何造福人类提供了遗传基础；而明确、清晰、客观的细菌分类标准在追溯病源菌的传染源和传播途径以及了解其致病机制等方面具将为临床诊断、治疗和流行病学研究提供可靠依据，在细菌分类学方面无疑居于国内、国际领先地位。不久前，加拿大卡尔加里大学先后派了医学院院长和国际知名专家在内的代表团多次来访哈医大，并合作成立了研究机构。刘树林被任命为中国哈医大-加拿大卡尔加里大学感染和基因组学研究所中方所长。利用这个平台，刘树林要打造更强的团队对细菌进行基于天然物种的分类，创立新的分类体系，为让人类更有效地利用有益细菌、控制病原性细菌做出自己的贡献。