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第三章人类微生物群系

第四节

       饮食的改变其实并不会剧烈改变你的微生物。在数月乃至数年之内，人类肠道微生物群系的组成相对稳定，但是不同个体间的差异却很大。在一个小规模研究中，受试人员在两周的时间内一直食用地中海饮食：高纤食物、全谷物、干豆/小扁豆类、橄榄油以及每天五份的水果和蔬菜。相关性研究表明这份饮食可以降低心血管疾病的风险。受试者提供了血液样品以便分析与心脏疾病相关的脂肪含量，同时提供粪便样品以便分析实验前后微生物的组成差异。

       研究发现，胆固醇的总量与所谓的“有害胆固醇”的量都有所降低—这当然是件好事。但是受试者的微生物并未发生变化。正好相反，每个人似乎都有一个独特的“微生物指纹”。有些报道说，这一“指纹”相当可靠，并不随着饮食的变化而改变。然而，在另外一些饮食研究中，微生物群体的变化却更加显著。最近的一项研究表明，将饮食调整为全素或全荤会引起微生物群体的巨大变化，不过一旦饮食调整回来，这些变化随即消失。饮食调整持续一年是否会带来某种持久性的改变呢？我们并不清楚。我们还需要更多的研究来更好地理解饮食对肠道微生物的作用。就现在来看，似乎各种肠道细菌的相对含量都在各自的一定区间内起起伏伏。目前的研究致力于理解这些前沿问题——不同个体之间的差异究竟有多大?人一生中的肠道菌群的波动幅度又有多大?如果人体内有100万亿个微生物，而每个微生物都是微 小的遗传机器，那么，在这些微生物之中有多少基因在忙忙碌碌?这些基因又都在忙些啥?

       如上所述，人类微生物组计划的目标之一是对健康成年人体内微生物的基因组进行测序分析。我们不仅普查了有哪 些微生物存在(“都有谁”),也统计了它们携带着哪些基 因、功能为何(“在干嘛”)。这项计划的主要发现是，这些 微生物里有几百万个独特的基因(最近的估测有200万个)。 相比之下，人类基因组只有大约2.3万个基因。换言之，人 体内99%的基因是细菌的，属于人类的只有1%。我们的微生物不只是乘客一一它们有 活跃的代谢功能:它们体内的酶可以催化产生铵根离子、乙酸、二氧化碳、甲烷或者氢气， 其他微生物则可以靠这些产物维系生命;它们也制造了许多 对人体有益的复杂产物，尽管这其中的细节我们还没有完全 探讨清楚。

       最近，一项来自欧洲科学家的统计调查(MetaHit con- sortium,人类肠道宏基因组计划)得出了一些其他的结论。 对近300名欧洲人的统计表明，受试者肠道里独特的细菌基 因数量在不同个体间差异巨大。个体基因数量的分布曲线并 不符合正态分布的钟形曲线一说明这 并非正态分布。事实 上，研究人员发现了两个主要的类群: 77%的人属于高基因 类群，平均每人体内有大约80万个基因;低基因类群，即 剩余的23%的人，只有大约40万个基因。这个发现颇出乎 预料，但是最有意思的观察结果是拥有低基因拷贝的人群更 易于肥胖。这是一个令人震惊的结果，我们将在后面详细讨论它。

       理解人体内微生物的生态结构是个颇为棘手的课题。在-个大型生态系统中，比如热带雨林里，生态学家可以实地考察其中无数的个体与物种，它们的行为以及之间的相互作用。这些考察可以实时进行­­——日 日夜夜、春夏秋冬，甚至持续多年。但是，起码目前，我们还无法以这种方式或者类似的方式来研究微生物生态系统。如前所述，我们所能采取的最佳方案是统计并鉴定出给定群落中的所有基因。这项任务有点像从一块热带雨林中割出一公顷的角落，丢进一一个巨大的搅拌机，然后统计残留的树叶、木材、树根、动物骨头、羽毛、爪子的数量，并通过这些碎片推断出树林里有哪些动植物以及它们之间的关联。

       通过比较我们体内细菌的基因与其他功能已知的基因， 我们可以推测出细菌基因的功能。人类微生物组计划与欧洲 人类肠道宏基因组计划最初发现的大部分基因都属于我们所 说的“持家基因”——这些基因是细菌生存所必需的，而且时时刻刻都在表达。例如，我们发现了大量负责细胞壁合成 与维护的基因，这是因为所有的细菌都需要构建细胞壁;所 有的细菌也必须复制DNA来繁殖后代，这就需要基因来编码DNA聚合酶，用于合成新的DNA。人体细胞里，编码 DNA聚合酶的基因有好几个版本，而人体内的微生物则可 能具有上千个版本，而且这些版本因为细菌的来源不同而略 有差异。

       在身体的不同位置发现的微生物的基因也略有差异。尽管持家基因的表达水平很稳定，但是皮肤细菌比起结肠细菌来，有更多与油脂代谢相关的基因。阴道细菌含有一些基因 可以帮助它们营造并适应于酸性环境。就目前掌握的知识而 言，我们尽可以放心地预测:细菌在人体的不同微环境里执行着各自独特的功能，而且彼此间的差别要比不同人基因组的差异大得多。比如，世界上最高的人与最矮的人的区别大 概是两三倍，而在--个典型微生物群系中，微生物的基因之 间的差异可能高达上千万倍。细菌的特异性如何影响我们的健康，包括代谢、免疫，甚至认知能力方面的差异?这是一 个激动人心却鲜有探索的领域。

       目前，在已识别出来的人体细菌基因中，有30%~40% 的基因功能尚不明确，但是我们知道，有些微生物数量稀少、容易灭绝。正如在阴道微生物中，细菌种群规模有着极 大的起伏，一个特定物种的细胞数量可以在1~1万亿之间 波动。让我们设想一下， 动物在觅食的时候，从某种新的食物里第一次接触到某种化学物质的情形。假定它体内的一种细菌本来有100个，当肠道环境中出现了变化，比如说有了 新的食物，这些细菌几天之内规模就会增加到数十亿。若是 失去了宝贵的食物，或者其他细菌的竞争能力太强，数量上占统治地位的物种则会锐减至原来的几千分之一，甚至更低 的水平。这种波动性与灵活性正是微生物群系的核心特征，也帮助微生物群系维持着自身稳定。不过，假如某物种只有 上百个细胞，它就没有太多的余地来抵御风险，使用一次抗 生素就可能会让它灭绝。

       我将这些稀少的物种称为“偶发性微生物”(contingency microbes)。它们不仅可以利用不常见的化合物为食，完成一般的细菌所不能完成的任务，还可以抵御某些 特殊的威胁，比如人类从未遭遇过的某种瘟疫。在我看来, 它们就像一个报警系统，提醒我们微生物的多样性至关重 要。失去了关键的稀有物种会怎么样？这会带来级联效应并 引发次生灭绝吗？

网络转载《消失的微生物》作者马丁·布莱泽.