第三章人類微生物群系

第四節(jié)

       飲食的改變其實并不會劇烈改變你的微生物。在數(shù)月乃至數(shù)年之內(nèi)，人類腸道微生物群系的組成相對穩(wěn)定，但是不同個體間的差異卻很大。在一個小規(guī)模研究中，受試人員在兩周的時間內(nèi)一直食用地中海飲食：高纖食物、全谷物、干豆/小扁豆類、橄欖油以及每天五份的水果和蔬菜。相關性研究表明這份飲食可以降低心血管疾病的風險。受試者提供了血液樣品以便分析與心臟疾病相關的脂肪含量，同時提供糞便樣品以便分析實驗前后微生物的組成差異。

       研究發(fā)現(xiàn)，膽固醇的總量與所謂的“有害膽固醇”的量都有所降低—這當然是件好事。但是受試者的微生物并未發(fā)生變化。正好相反，每個人似乎都有一個獨特的“微生物指紋”。有些報道說，這一“指紋”相當可靠，并不隨著飲食的變化而改變。然而，在另外一些飲食研究中，微生物群體的變化卻更加顯著。最近的一項研究表明，將飲食調(diào)整為全素或全葷會引起微生物群體的巨大變化，不過一旦飲食調(diào)整回來，這些變化隨即消失。飲食調(diào)整持續(xù)一年是否會帶來某種持久性的改變呢？我們并不清楚。我們還需要更多的研究來更好地理解飲食對腸道微生物的作用。就現(xiàn)在來看，似乎各種腸道細菌的相對含量都在各自的一定區(qū)間內(nèi)起起伏伏。目前的研究致力于理解這些前沿問題——不同個體之間的差異究竟有多大?人一生中的腸道菌群的波動幅度又有多大?如果人體內(nèi)有100萬億個微生物，而每個微生物都是微 小的遺傳機器，那么，在這些微生物之中有多少基因在忙忙碌碌?這些基因又都在忙些啥?

       如上所述，人類微生物組計劃的目標之一是對健康成年人體內(nèi)微生物的基因組進行測序分析。我們不僅普查了有哪 些微生物存在(“都有誰”),也統(tǒng)計了它們攜帶著哪些基 因、功能為何(“在干嘛”)。這項計劃的主要發(fā)現(xiàn)是，這些 微生物里有幾百萬個獨特的基因(最近的估測有200萬個)。 相比之下，人類基因組只有大約2.3萬個基因。換言之，人 體內(nèi)99%的基因是細菌的，屬于人類的只有1%。我們的微生物不只是乘客一一它們有 活躍的代謝功能:它們體內(nèi)的酶可以催化產(chǎn)生銨根離子、乙酸、二氧化碳、甲烷或者氫氣， 其他微生物則可以靠這些產(chǎn)物維系生命;它們也制造了許多 對人體有益的復雜產(chǎn)物，盡管這其中的細節(jié)我們還沒有完全 探討清楚。

       最近，一項來自歐洲科學家的統(tǒng)計調(diào)查(MetaHit con- sortium,人類腸道宏基因組計劃)得出了一些其他的結(jié)論。 對近300名歐洲人的統(tǒng)計表明，受試者腸道里獨特的細菌基 因數(shù)量在不同個體間差異巨大。個體基因數(shù)量的分布曲線并 不符合正態(tài)分布的鐘形曲線一說明這 并非正態(tài)分布。事實 上，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個主要的類群: 77%的人屬于高基因 類群，平均每人體內(nèi)有大約80萬個基因;低基因類群，即 剩余的23%的人，只有大約40萬個基因。這個發(fā)現(xiàn)頗出乎 預料，但是最有意思的觀察結(jié)果是擁有低基因拷貝的人群更 易于肥胖。這是一個令人震驚的結(jié)果，我們將在后面詳細討論它。

       理解人體內(nèi)微生物的生態(tài)結(jié)構是個頗為棘手的課題。在-個大型生態(tài)系統(tǒng)中，比如熱帶雨林里，生態(tài)學家可以實地考察其中無數(shù)的個體與物種，它們的行為以及之間的相互作用。這些考察可以實時進行--——日 日夜夜、春夏秋冬，甚至持續(xù)多年。但是，起碼目前，我們還無法以這種方式或者類似的方式來研究微生物生態(tài)系統(tǒng)。如前所述，我們所能采取的最佳方案是統(tǒng)計并鑒定出給定群落中的所有基因。這項任務有點像從一塊熱帶雨林中割出一公頃的角落，丟進一一個巨大的攪拌機，然后統(tǒng)計殘留的樹葉、木材、樹根、動物骨頭、羽毛、爪子的數(shù)量，并通過這些碎片推斷出樹林里有哪些動植物以及它們之間的關聯(lián)。

       通過比較我們體內(nèi)細菌的基因與其他功能已知的基因， 我們可以推測出細菌基因的功能。人類微生物組計劃與歐洲 人類腸道宏基因組計劃最初發(fā)現(xiàn)的大部分基因都屬于我們所 說的“持家基因”——這些基因是細菌生存所必需的，而且時時刻刻都在表達。例如，我們發(fā)現(xiàn)了大量負責細胞壁合成 與維護的基因，這是因為所有的細菌都需要構建細胞壁;所 有的細菌也必須復制DNA來繁殖后代，這就需要基因來編碼DNA聚合酶，用于合成新的DNA。人體細胞里，編碼 DNA聚合酶的基因有好幾個版本，而人體內(nèi)的微生物則可 能具有上千個版本，而且這些版本因為細菌的來源不同而略 有差異。

       在身體的不同位置發(fā)現(xiàn)的微生物的基因也略有差異。盡管持家基因的表達水平很穩(wěn)定，但是皮膚細菌比起結(jié)腸細菌來，有更多與油脂代謝相關的基因。陰道細菌含有一些基因 可以幫助它們營造并適應于酸性環(huán)境。就目前掌握的知識而 言，我們盡可以放心地預測:細菌在人體的不同微環(huán)境里執(zhí)行著各自獨特的功能，而且彼此間的差別要比不同人基因組的差異大得多。比如，世界上最高的人與最矮的人的區(qū)別大 概是兩三倍，而在--個典型微生物群系中，微生物的基因之 間的差異可能高達上千萬倍。細菌的特異性如何影響我們的健康，包括代謝、免疫，甚至認知能力方面的差異?這是一 個激動人心卻鮮有探索的領域。

       目前，在已識別出來的人體細菌基因中，有30%~40% 的基因功能尚不明確，但是我們知道，有些微生物數(shù)量稀少、容易滅絕。正如在陰道微生物中，細菌種群規(guī)模有著極 大的起伏，一個特定物種的細胞數(shù)量可以在1~1萬億之間 波動。讓我們設想一下， 動物在覓食的時候，從某種新的食物里第一次接觸到某種化學物質(zhì)的情形。假定它體內(nèi)的一種細菌本來有100個，當腸道環(huán)境中出現(xiàn)了變化，比如說有了 新的食物，這些細菌幾天之內(nèi)規(guī)模就會增加到數(shù)十億。若是 失去了寶貴的食物，或者其他細菌的競爭能力太強，數(shù)量上占統(tǒng)治地位的物種則會銳減至原來的幾千分之一，甚至更低 的水平。這種波動性與靈活性正是微生物群系的核心特征，也幫助微生物群系維持著自身穩(wěn)定。不過，假如某物種只有 上百個細胞，它就沒有太多的余地來抵御風險，使用一次抗 生素就可能會讓它滅絕。

       我將這些稀少的物種稱為“偶發(fā)性微生物”(contingency microbes)。它們不僅可以利用不常見的化合物為食，完成一般的細菌所不能完成的任務，還可以抵御某些 特殊的威脅，比如人類從未遭遇過的某種瘟疫。在我看來, 它們就像一個報警系統(tǒng)，提醒我們微生物的多樣性至關重 要。失去了關鍵的稀有物種會怎么樣？這會帶來級聯(lián)效應并 引發(fā)次生滅絕嗎？

網(wǎng)絡轉(zhuǎn)載《消失的微生物》作者馬丁·布萊澤.