第三章人類(lèi)微生物群系

第四節(jié)

       飲食的改變其實(shí)并不會(huì)劇烈改變你的微生物。在數(shù)月乃至數(shù)年之內(nèi)，人類(lèi)腸道微生物群系的組成相對(duì)穩(wěn)定，但是不同個(gè)體間的差異卻很大。在一個(gè)小規(guī)模研究中，受試人員在兩周的時(shí)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(lèi)、橄欖油以及每天五份的水果和蔬菜。相關(guān)性研究表明這份飲食可以降低心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。受試者提供了血液樣品以便分析與心臟疾病相關(guān)的脂肪含量，同時(shí)提供糞便樣品以便分析實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(gè)人似乎都有一個(gè)獨(dú)特的“微生物指紋”。有些報(bào)道說(shuō)，這一“指紋”相當(dāng)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(xiàng)研究表明，將飲食調(diào)整為全素或全葷會(huì)引起微生物群體的巨大變化，不過(guò)一旦飲食調(diào)整回來(lái)，這些變化隨即消失。飲食調(diào)整持續(xù)一年是否會(huì)帶來(lái)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(lái)更好地理解飲食對(duì)腸道微生物的作用。就現(xiàn)在來(lái)看，似乎各種腸道細(xì)菌的相對(duì)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(wèn)題——不同個(gè)體之間的差異究竟有多大?人一生中的腸道菌群的波動(dòng)幅度又有多大?如果人體內(nèi)有100萬(wàn)億個(gè)微生物，而每個(gè)微生物都是微 小的遺傳機(jī)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(lèi)微生物組計(jì)劃的目標(biāo)之一是對(duì)健康成年人體內(nèi)微生物的基因組進(jìn)行測(cè)序分析。我們不僅普查了有哪 些微生物存在(“都有誰(shuí)”),也統(tǒng)計(jì)了它們攜帶著哪些基 因、功能為何(“在干嘛”)。這項(xiàng)計(jì)劃的主要發(fā)現(xiàn)是，這些 微生物里有幾百萬(wàn)個(gè)獨(dú)特的基因(最近的估測(cè)有200萬(wàn)個(gè))。 相比之下，人類(lèi)基因組只有大約2.3萬(wàn)個(gè)基因。換言之，人 體內(nèi)99%的基因是細(xì)菌的，屬于人類(lèi)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(duì)人體有益的復(fù)雜產(chǎn)物，盡管這其中的細(xì)節(jié)我們還沒(méi)有完全 探討清楚。

       最近，一項(xiàng)來(lái)自歐洲科學(xué)家的統(tǒng)計(jì)調(diào)查(MetaHit con- sortium,人類(lèi)腸道宏基因組計(jì)劃)得出了一些其他的結(jié)論。 對(duì)近300名歐洲人的統(tǒng)計(jì)表明，受試者腸道里獨(dú)特的細(xì)菌基 因數(shù)量在不同個(gè)體間差異巨大。個(gè)體基因數(shù)量的分布曲線(xiàn)并 不符合正態(tài)分布的鐘形曲線(xiàn)一說(shuō)明這 并非正態(tài)分布。事實(shí) 上，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)主要的類(lèi)群: 77%的人屬于高基因 類(lèi)群，平均每人體內(nèi)有大約80萬(wàn)個(gè)基因;低基因類(lèi)群，即 剩余的23%的人，只有大約40萬(wàn)個(gè)基因。這個(gè)發(fā)現(xiàn)頗出乎 預(yù)料，但是最有意思的觀(guān)察結(jié)果是擁有低基因拷貝的人群更 易于肥胖。這是一個(gè)令人震驚的結(jié)果，我們將在后面詳細(xì)討論它。

       理解人體內(nèi)微生物的生態(tài)結(jié)構(gòu)是個(gè)頗為棘手的課題。在-個(gè)大型生態(tài)系統(tǒng)中，比如熱帶雨林里，生態(tài)學(xué)家可以實(shí)地考察其中無(wú)數(shù)的個(gè)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(shí)時(shí)進(jìn)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(wú)法以這種方式或者類(lèi)似的方式來(lái)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(jì)并鑒定出給定群落中的所有基因。這項(xiàng)任務(wù)有點(diǎn)像從一塊熱帶雨林中割出一公頃的角落，丟進(jìn)一一個(gè)巨大的攪拌機(jī)，然后統(tǒng)計(jì)殘留的樹(shù)葉、木材、樹(shù)根、動(dòng)物骨頭、羽毛、爪子的數(shù)量，并通過(guò)這些碎片推斷出樹(shù)林里有哪些動(dòng)植物以及它們之間的關(guān)聯(lián)。

       通過(guò)比較我們體內(nèi)細(xì)菌的基因與其他功能已知的基因， 我們可以推測(cè)出細(xì)菌基因的功能。人類(lèi)微生物組計(jì)劃與歐洲 人類(lèi)腸道宏基因組計(jì)劃最初發(fā)現(xiàn)的大部分基因都屬于我們所 說(shuō)的“持家基因”——這些基因是細(xì)菌生存所必需的，而且時(shí)時(shí)刻刻都在表達(dá)。例如，我們發(fā)現(xiàn)了大量負(fù)責(zé)細(xì)胞壁合成 與維護(hù)的基因，這是因?yàn)樗械募?xì)菌都需要構(gòu)建細(xì)胞壁;所 有的細(xì)菌也必須復(fù)制DNA來(lái)繁殖后代，這就需要基因來(lái)編碼DNA聚合酶，用于合成新的DNA。人體細(xì)胞里，編碼 DNA聚合酶的基因有好幾個(gè)版本，而人體內(nèi)的微生物則可 能具有上千個(gè)版本，而且這些版本因?yàn)榧?xì)菌的來(lái)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(dá)水平很穩(wěn)定，但是皮膚細(xì)菌比起結(jié)腸細(xì)菌來(lái)，有更多與油脂代謝相關(guān)的基因。陰道細(xì)菌含有一些基因 可以幫助它們營(yíng)造并適應(yīng)于酸性環(huán)境。就目前掌握的知識(shí)而 言，我們盡可以放心地預(yù)測(cè):細(xì)菌在人體的不同微環(huán)境里執(zhí)行著各自獨(dú)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(gè)典型微生物群系中，微生物的基因之 間的差異可能高達(dá)上千萬(wàn)倍。細(xì)菌的特異性如何影響我們的健康，包括代謝、免疫，甚至認(rèn)知能力方面的差異?這是一 個(gè)激動(dòng)人心卻鮮有探索的領(lǐng)域。

       目前，在已識(shí)別出來(lái)的人體細(xì)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(xì)菌種群規(guī)模有著極 大的起伏，一個(gè)特定物種的細(xì)胞數(shù)量可以在1~1萬(wàn)億之間 波動(dòng)。讓我們?cè)O(shè)想一下， 動(dòng)物在覓食的時(shí)候，從某種新的食物里第一次接觸到某種化學(xué)物質(zhì)的情形。假定它體內(nèi)的一種細(xì)菌本來(lái)有100個(gè)，當(dāng)腸道環(huán)境中出現(xiàn)了變化，比如說(shuō)有了 新的食物，這些細(xì)菌幾天之內(nèi)規(guī)模就會(huì)增加到數(shù)十億。若是 失去了寶貴的食物，或者其他細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)能力太強(qiáng)，數(shù)量上占統(tǒng)治地位的物種則會(huì)銳減至原來(lái)的幾千分之一，甚至更低 的水平。這種波動(dòng)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(guò)，假如某物種只有 上百個(gè)細(xì)胞，它就沒(méi)有太多的余地來(lái)抵御風(fēng)險(xiǎn)，使用一次抗 生素就可能會(huì)讓它滅絕。

       我將這些稀少的物種稱(chēng)為“偶發(fā)性微生物”(contingency microbes)。它們不僅可以利用不常見(jiàn)的化合物為食，完成一般的細(xì)菌所不能完成的任務(wù)，還可以抵御某些 特殊的威脅，比如人類(lèi)從未遭遇過(guò)的某種瘟疫。在我看來(lái), 它們就像一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)，提醒我們微生物的多樣性至關(guān)重 要。失去了關(guān)鍵的稀有物種會(huì)怎么樣？這會(huì)帶來(lái)級(jí)聯(lián)效應(yīng)并 引發(fā)次生滅絕嗎？

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載《消失的微生物》作者馬丁·布萊澤.