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消失的微生物 第三章人類微生物群系 第四節

發布人:奧姆龍   時間:2020-09-24   閱讀:978

第三章人類微生物群系

第四節

       飲食的改變其實并不會劇烈改變你的微生物。在數月乃至數年之內,人類腸道微生物群系的組成相對穩定,但是不同個體間的差異卻很大。在一個小規模研究中,受試人員在兩周的時間內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。

       研究發現,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,不過一旦飲食調整回來,這些變化隨即消失。飲食調整持續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。就現在來看,似乎各種腸道細菌的相對含量都在各自的一定區間內起起伏伏。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”)。這項計劃的主要發現是,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:它們體內的酶可以催化產生銨根離子、乙酸、二氧化碳、甲烷或者氫氣, 其他微生物則可以靠這些產物維系生命;它們也制造了許多 對人體有益的復雜產物,盡管這其中的細節我們還沒有完全 探討清楚。

       最近,一項來自歐洲科學家的統計調查(MetaHit con- sortium,人類腸道宏基因組計劃)得出了一些其他的結論。 對近300名歐洲人的統計表明,受試者腸道里獨特的細菌基 因數量在不同個體間差異巨大。個體基因數量的分布曲線并 不符合正態分布的鐘形曲線一說明這 并非正態分布。事實 上,研究人員發現了兩個主要的類群: 77%的人屬于高基因 類群,平均每人體內有大約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。這個發現頗出乎 預料,但是最有意思的觀察結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果,我們將在后面詳細討論它。

       理解人體內微生物的生態結構是個頗為棘手的課題。在-個大型生態系統中,比如熱帶雨林里,生態學家可以實地考察其中無數的個體與物種,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系統。如前所述,我們所能采取的最佳方案是統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,然后統計殘留的樹葉、木材、樹根、動物骨頭、羽毛、爪子的數量,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。

       通過比較我們體內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現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,我們發現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現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定,但是皮膚細菌比起結腸細菌來,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境里執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,有些微生物數量稀少、容易滅絕。正如在陰道微生物中,細菌種群規模有著極 大的起伏,一個特定物種的細胞數量可以在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的情形。假定它體內的一種細菌本來有100個,當腸道環境中出現了變化,比如說有了 新的食物,這些細菌幾天之內規模就會增加到數十億。若是 失去了寶貴的食物,或者其他細菌的競爭能力太強,數量上占統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,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?這會帶來級聯效應并 引發次生滅絕嗎?

網絡轉載《消失的微生物》作者馬丁·布萊澤.


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