王治鈞

我們?nèi)祟?lèi)一直都關(guān)注自身健康，卻長(zhǎng)期忽視非常關(guān)鍵的部分——微生物對(duì)人體的影響。作為人類(lèi)的共生體，人體菌落的改變往往預(yù)示著健康狀況的變化。

人體微生物群是寄居在人體內(nèi)的微小細(xì)胞生物群落，人體和微生物群組成了一個(gè)“生態(tài)系統(tǒng)”。人體只有43%的細(xì)胞屬于人類(lèi)，而其他的部分則是由非人類(lèi)組織的微生物細(xì)胞群組成——從荒漠般的皮膚表面，到嘴唇上的微生物部落，口腔內(nèi)有微生物菌落的微型城鎮(zhèn)，甚至每一顆牙齒都是獨(dú)特的社區(qū)，而我們的腸道更是擠滿(mǎn)百萬(wàn)億微生物的大都會(huì)……每一種微生物都各司其職，各盡其責(zé)。

為了更有效地了解人體內(nèi)的微生物社區(qū)部落，很多微生物科學(xué)家開(kāi)展了跨學(xué)科的研究。人類(lèi)微生物研究領(lǐng)域的先行者羅伯·奈特（Rob Knight）教授是美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校微生物學(xué)創(chuàng)新中心主任，“地球微生物組計(jì)劃”、“美國(guó)腸道計(jì)劃”的發(fā)起者。羅伯教授的實(shí)驗(yàn)室研究涉及對(duì)人類(lèi)、動(dòng)物和環(huán)境的微生物群落研究和相應(yīng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。大量微生物研究人員都是基于他的研究成果來(lái)開(kāi)展工作的。

基于他的研究成果來(lái)開(kāi)展工作的

羅伯·奈特教授在 TED 舞臺(tái)上，展示微生物對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钣绊懙闹T多方面

微生態(tài)多樣性比地球更復(fù)雜

人體微生物是個(gè)超復(fù)雜系統(tǒng)，其生態(tài)多樣性甚至超過(guò)了地球生物的多樣性。從世界地圖上看，不同地方有不同的生物分布，這反映了不同地域的多樣化特征。微生物也有類(lèi)似的分布，但是在顯微鏡下，所有微生物看起來(lái)都長(zhǎng)得差不多。

通過(guò)觀察微生物的DNA來(lái)分類(lèi)，“人類(lèi)微生物工程”項(xiàng)目繪制出DNA堿基，開(kāi)發(fā)了可視化的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以將萬(wàn)億字節(jié)的序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成更直觀有效的分布圖。研究者從250個(gè)健康志愿者身上的不同部位提取到微生物數(shù)據(jù)，點(diǎn)的密集處代表某個(gè)身體部位，不同身體部位有著不同的微生物。同一個(gè)人口腔中和腸道中的微生物菌落有著天壤之別，對(duì)比地球生物分布圖，人體方寸間微生物的生態(tài)差別，要比地球上數(shù)百千米間的差別還要大。

人體微生物分布圖就像分開(kāi)的大陸一樣

微生物數(shù)量之巨無(wú)人匹敵

人類(lèi)的DNA幾乎完全相同，你和路人甲的DNA有99%的相似度，但就腸胃中的微生物而言，你和你旁邊的人也許只有10%的相似度。

這些不同的微生物各自承擔(dān)不同的功能，從消化食物到與各種疾病、代謝藥物相互作用，等等。它們是怎么做到這些的呢？部分原因是它們的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們自身的生理數(shù)據(jù)。

從細(xì)胞數(shù)量上比較：人類(lèi)個(gè)體大概有 10 萬(wàn)億細(xì)胞，但是我們身體中有 100 萬(wàn)億的微生物細(xì)胞。它們的數(shù)量是我們的10倍。

從DNA數(shù)量來(lái)比較：我們每個(gè)人各自有 2萬(wàn)個(gè)人類(lèi)基因，而身體上的微生物則有200萬(wàn)～ 2000萬(wàn)的微生物基因。

所以不論怎么看，我們自身在數(shù)量上都被我們的微生物共生體遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了。

在我們留下人類(lèi) DNA 痕跡的時(shí)候，我們觸摸的東西上也會(huì)留下我們微生物的 DNA，你甚至可以將手掌上的信息與日常所用鼠標(biāo)上攜帶的信息相比對(duì)，匹配率達(dá)到95%。

微生物群會(huì)隨地域、環(huán)境、飲食習(xí)慣而變化

人的腸道內(nèi)大約生存著100萬(wàn)億個(gè)微生物——它們有保護(hù)你免于感染、助消化和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的作用。然而，隨著人類(lèi)身體適應(yīng)現(xiàn)代生活，我們開(kāi)始失去一些正常的微生物;與此同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家中，因?yàn)槟c道內(nèi)微生物失去多樣性而引發(fā)的疾病正在飆升。

明尼蘇達(dá)大學(xué)計(jì)算機(jī)生物學(xué)家丹·耐特斯（Dan Knights）教授在研究靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物微生物時(shí)發(fā)現(xiàn)，外界環(huán)境會(huì)引起微生物群發(fā)生變化。

研究人員分別對(duì)越南和哥斯達(dá)黎加叢林中生活的兩個(gè)物種——越南白臀葉猴和哥斯達(dá)黎加猴進(jìn)行追蹤研究。用它們的糞便進(jìn)行DNA測(cè)序和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)身處不同地域使它們的微生物群截然不同。野外動(dòng)物腸道內(nèi)的微生物群，像郁郁蔥蔥的熱帶雨林，呈現(xiàn)出復(fù)雜的多樣性;而圈養(yǎng)動(dòng)物的微生物群，會(huì)逐漸趨同其他圈養(yǎng)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物。動(dòng)物園里的動(dòng)物健康狀況都不太好，存在著肥胖、消瘦、腸胃炎、腹瀉、腹脹等問(wèn)題，有些動(dòng)物幾乎難以存活。圈養(yǎng)猴子的腸道都被類(lèi)桿菌和普氏菌所主宰，它們和現(xiàn)代人的腸內(nèi)擁有相同的微生物群。

野外生長(zhǎng)的兩個(gè)猴群有著完全不同的微生物群。而在動(dòng)物園里，這兩種猴子的微生物群正在匯合趨同，變得更相似，盡管它們來(lái)自不同大洲的動(dòng)物園，地域和飲食都各不相同。

研究人員又對(duì)發(fā)展中國(guó)家和美國(guó)人的微生物群落進(jìn)行研究，美國(guó)人體內(nèi)微生物群的失衡導(dǎo)致肥胖、糖尿病和其他類(lèi)似疾病明顯高發(fā)。不僅是在美國(guó)生活了好幾代的人存在這樣的問(wèn)題，新移民和難民也一樣存在。

移民到一個(gè)新的國(guó)家后，會(huì)造成體內(nèi)微生物群發(fā)生巨變，這些微生物群更容易導(dǎo)致肥胖以及其他一些現(xiàn)代病或者說(shuō)西方病。研究者調(diào)研了兩個(gè)從東南亞移民到美國(guó)的團(tuán)體，他們來(lái)到美國(guó)后，體內(nèi)的微生物群失去了約20%;而那些移民美國(guó)后患肥胖癥的人，則失去了原來(lái)微生物群的1/3。

微生物群的變化出現(xiàn)在丹·耐特斯教授這張圖的軸線(xiàn)上。不同地域的人和動(dòng)物的微生物群落，彼此間的距離表示著彼此間的差異

移民到一個(gè)新的國(guó)家后，會(huì)造成體內(nèi)微生物群發(fā)生巨變，以至于更易肥胖及患上其他一些現(xiàn)代病或者說(shuō)西方病

菌群植入、癌癥診斷改善健康有奇招

近年來(lái)微生物和疾病的相關(guān)性研究有很多，涉及炎癥性腸病、心臟病、結(jié)腸癌、多發(fā)性硬化、抑郁癥、孤獨(dú)癥，甚至肥胖。

肥胖對(duì)健康影響很大，如今我們僅通過(guò)腸道的微生物菌落，就可以判斷一個(gè)人是胖是瘦，準(zhǔn)確率可達(dá)90%，而通過(guò)基因測(cè)序準(zhǔn)確率只能達(dá)到60%?？梢?jiàn)，人體微生物的重要性不亞于基因。

羅伯教授研究微生物群落和肥胖癥的關(guān)系。在無(wú)菌膜里養(yǎng)了很多小白鼠，然后嘗試對(duì)比地加入一些比較重要的微生物：

研究人員由此想到，可以設(shè)計(jì)一種微生物菌群，添加入食品中可達(dá)到減肥的效果。

為了改善夸休可爾癥（惡性營(yíng)養(yǎng)不良）患兒的健康，將疾病菌落移植到老鼠身上，三周內(nèi)老鼠體重就減少30%，后來(lái)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)補(bǔ)充花生黃油類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物可以快速恢復(fù)小鼠健康的微生物群落，據(jù)此便可對(duì)患兒嘗試相應(yīng)療法了。

羅伯的實(shí)驗(yàn)室還接觸過(guò)一些特別案例。比如 C. Diff病，這是一種很恐怖的腹瀉，患者每天要去近20趟廁所，長(zhǎng)達(dá)2年的抗體治療也未見(jiàn)效。后來(lái)從健康者腸道提取部分微生物，植入患者腸道，四位患者一天后所有的癥狀都消失了，他們的菌群也與健康者的更相近。

2020年3月羅伯教授和他的跨學(xué)科小組在《自然》雜志公布了一種癌癥診斷新方法：通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法識(shí)別血液中存在的微生物DNA特征，可以簡(jiǎn)便地診斷患者是否患癌以及患有哪種癌癥。

研究人員使用癌癥基因組圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)分析了上萬(wàn)名癌癥患者腫瘤樣本，涵蓋33種癌癥類(lèi)型，通過(guò)數(shù)百種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，僅使用患者血液中的微生物數(shù)據(jù)就能來(lái)識(shí)別患者的癌癥類(lèi)型。經(jīng)過(guò)測(cè)試，這個(gè)模型對(duì)各種癌癥識(shí)別率超過(guò)81%～86%，相比大多數(shù)癌癥確診需要手術(shù)活檢，更快速便捷而低廉。

微生物的無(wú)限未來(lái)

人體微生物有著非常多的功能，能幫助我們消化，調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，保護(hù)人體免受疾病攻擊并產(chǎn)生人體必須的維生素，甚至?xí)绊懳覀兊男袨?。微生物在影響人體健康方面所起的作用是我們之前從未想象過(guò)的，仍然需要加大對(duì)微生物的了解和研究。

比如，我們知道有一些人更招蚊子，那是因?yàn)槲覀兊钠つw上存在不同微生物，一些微生物會(huì)產(chǎn)生易被蚊子察覺(jué)的化學(xué)物質(zhì)，因此，我們是否能利用一些微生物來(lái)驅(qū)蚊呢？

某種果蠅身上的微生物決定了它能吸引到什么樣的配偶，這一點(diǎn)還沒(méi)有在人類(lèi)身上驗(yàn)證，但是羅伯教授認(rèn)為也能找到人類(lèi)身體的微生物，它們能釋放吸引異性的味道，我們是否能據(jù)此取代某些香水？

所有這些還不為我們所知的微生物，在未來(lái)它們可能會(huì)怎樣服務(wù)于人類(lèi)？

讓我們重新看待人體中的微生物，而不是像從前那樣總把它們當(dāng)敵人。

知識(shí)鏈接

人體第一個(gè)微生物菌群來(lái)自于母體

雖然人體本身的基因組不會(huì)變，但人體內(nèi)的微生物群是可以改變的。

順產(chǎn)出生的嬰兒體內(nèi)的微生物跟母親陰道的菌群基本是相像的，剖腹產(chǎn)嬰兒體內(nèi)的微生物則更接近母親皮膚的微生物群落，這可能也解釋了剖腹產(chǎn)嬰兒更容易患上哮喘、過(guò)敏、甚至肥胖等。哺乳動(dòng)物通常都是通過(guò)產(chǎn)道出生，由此獲得和母體共同進(jìn)化的具有保護(hù)性的微生物，剖腹產(chǎn)嬰兒則失去了這層保護(hù)。

嬰兒排泄物里微生物菌落的變化

羅伯教授基于人類(lèi)微生物工程的數(shù)據(jù)圖，與250個(gè)健康成人的數(shù)據(jù)對(duì)比觀察了一個(gè)新生兒成長(zhǎng)過(guò)程中菌群的變化（如右圖）。

黃球代表嬰兒排泄物里微生物菌落的變化。每周取樣，第一天時(shí)嬰兒微生物菌落和母體陰道生物菌落相似，可以推測(cè)他是順產(chǎn)兒。隨后黃球一直向下變動(dòng)，向底端成人糞便菌落靠近，每周嬰兒糞便微生物菌群都有變化，每周的差異都遠(yuǎn)比成人個(gè)體之間的差異大得多，然后這種差異幅度逐漸變小，直到接近成人糞便菌落，這大約要花上兩年。

（責(zé)任編輯 / 劉婷? 美術(shù)編輯 / 周游）