人体微生态 细菌来主宰

王治钧

我们人类一直都关注自身健康，却长期忽视非常关键的部分——微生物对人体的影响。作为人类的共生体，人体菌落的改变往往预示着健康状况的变化。

人体微生物群是寄居在人体内的微小细胞生物群落，人体和微生物群组成了一个“生态系统”。人体只有43%的细胞属于人类，而其他的部分则是由非人类组织的微生物细胞群组成——从荒漠般的皮肤表面，到嘴唇上的微生物部落，口腔内有微生物菌落的微型城镇，甚至每一颗牙齿都是独特的社区，而我们的肠道更是挤满百万亿微生物的大都会……每一种微生物都各司其职，各尽其责。

为了更有效地了解人体内的微生物社区部落，很多微生物科学家开展了跨学科的研究。人类微生物研究领域的先行者罗伯·奈特（Rob Knight）教授是美国加州大学圣地亚哥分校微生物学创新中心主任，“地球微生物组计划”、“美国肠道计划”的发起者。罗伯教授的实验室研究涉及对人类、动物和环境的微生物群落研究和相应计算技术的发展。大量微生物研究人员都是基于他的研究成果来开展工作的。

基于他的研究成果来开展工作的

罗伯·奈特教授在 TED 舞台上，展示微生物对我们日常生活影响的诸多方面

微生态多样性比地球更复杂

人体微生物是个超复杂系统，其生态多样性甚至超过了地球生物的多样性。从世界地图上看，不同地方有不同的生物分布，这反映了不同地域的多样化特征。微生物也有类似的分布，但是在显微镜下，所有微生物看起来都长得差不多。

通过观察微生物的DNA来分类，“人类微生物工程”项目绘制出DNA碱基，开发了可视化的计算机技术，可以将万亿字节的序列数据转化成更直观有效的分布图。研究者从250个健康志愿者身上的不同部位提取到微生物数据，点的密集处代表某个身体部位，不同身体部位有着不同的微生物。同一个人口腔中和肠道中的微生物菌落有着天壤之别，对比地球生物分布图，人体方寸间微生物的生态差别，要比地球上数百千米间的差别还要大。

人体微生物分布图就像分开的大陆一样

微生物数量之巨无人匹敌

人类的DNA几乎完全相同，你和路人甲的DNA有99%的相似度，但就肠胃中的微生物而言，你和你旁边的人也许只有10%的相似度。

这些不同的微生物各自承担不同的功能，从消化食物到与各种疾病、代谢药物相互作用，等等。它们是怎么做到这些的呢？部分原因是它们的数量远远超过了我们自身的生理数据。

从细胞数量上比较：人类个体大概有 10 万亿细胞，但是我们身体中有 100 万亿的微生物细胞。它们的数量是我们的10倍。

从DNA数量来比较：我们每个人各自有 2万个人类基因，而身体上的微生物则有200万～ 2000万的微生物基因。

所以不论怎么看，我们自身在数量上都被我们的微生物共生体远远超越了。

在我们留下人类 DNA 痕迹的时候，我们触摸的东西上也会留下我们微生物的 DNA，你甚至可以将手掌上的信息与日常所用鼠标上携带的信息相比对，匹配率达到95%。

微生物群会随地域、环境、饮食习惯而变化

人的肠道内大约生存着100万亿个微生物——它们有保护你免于感染、助消化和调节免疫系统的作用。然而，随着人类身体适应现代生活，我们开始失去一些正常的微生物;与此同时，发达国家中，因为肠道内微生物失去多样性而引发的疾病正在飙升。

明尼苏达大学计算机生物学家丹·耐特斯（Dan Knights）教授在研究灵长类动物微生物时发现，外界环境会引起微生物群发生变化。

研究人员分别对越南和哥斯达黎加丛林中生活的两个物种——越南白臀叶猴和哥斯达黎加猴进行追踪研究。用它们的粪便进行DNA测序和比对，发现身处不同地域使它们的微生物群截然不同。野外动物肠道内的微生物群，像郁郁葱葱的热带雨林，呈现出复杂的多样性;而圈养动物的微生物群，会逐渐趋同其他圈养灵长类动物。动物园里的动物健康状况都不太好，存在着肥胖、消瘦、肠胃炎、腹泻、腹胀等问题，有些动物几乎难以存活。圈养猴子的肠道都被类杆菌和普氏菌所主宰，它们和现代人的肠内拥有相同的微生物群。

野外生长的两个猴群有着完全不同的微生物群。而在动物园里，这两种猴子的微生物群正在汇合趋同，变得更相似，尽管它们来自不同大洲的动物园，地域和饮食都各不相同。

研究人员又对发展中国家和美國人的微生物群落进行研究，美国人体内微生物群的失衡导致肥胖、糖尿病和其他类似疾病明显高发。不仅是在美国生活了好几代的人存在这样的问题，新移民和难民也一样存在。

移民到一个新的国家后，会造成体内微生物群发生巨变，这些微生物群更容易导致肥胖以及其他一些现代病或者说西方病。研究者调研了两个从东南亚移民到美国的团体，他们来到美国后，体内的微生物群失去了约20%;而那些移民美国后患肥胖症的人，则失去了原来微生物群的1/3。

微生物群的变化出现在丹·耐特斯教授这张图的轴线上。不同地域的人和动物的微生物群落，彼此间的距离表示着彼此间的差异

移民到一個新的国家后，会造成体内微生物群发生巨变，以至于更易肥胖及患上其他一些现代病或者说西方病

菌群植入、癌症诊断改善健康有奇招

近年来微生物和疾病的相关性研究有很多，涉及炎症性肠病、心脏病、结肠癌、多发性硬化、抑郁症、孤独症，甚至肥胖。

肥胖对健康影响很大，如今我们仅通过肠道的微生物菌落，就可以判断一个人是胖是瘦，准确率可达90%，而通过基因测序准确率只能达到60%。可见，人体微生物的重要性不亚于基因。

罗伯教授研究微生物群落和肥胖症的关系。在无菌膜里养了很多小白鼠，然后尝试对比地加入一些比较重要的微生物：

研究人员由此想到，可以设计一种微生物菌群，添加入食品中可达到减肥的效果。

为了改善夸休可尔症（恶性营养不良）患儿的健康，将疾病菌落移植到老鼠身上，三周内老鼠体重就减少30%，后来实验发现，通过补充花生黄油类营养物可以快速恢复小鼠健康的微生物群落，据此便可对患儿尝试相应疗法了。

罗伯的实验室还接触过一些特别案例。比如 C. Diff病，这是一种很恐怖的腹泻，患者每天要去近20趟厕所，长达2年的抗体治疗也未见效。后来从健康者肠道提取部分微生物，植入患者肠道，四位患者一天后所有的症状都消失了，他们的菌群也与健康者的更相近。

2020年3月罗伯教授和他的跨学科小组在《自然》杂志公布了一种癌症诊断新方法：通过机器学习方法识别血液中存在的微生物DNA特征，可以简便地诊断患者是否患癌以及患有哪种癌症。

研究人员使用癌症基因组图谱数据库分析了上万名癌症患者肿瘤样本，涵盖33种癌症类型，通过数百种机器学习算法，仅使用患者血液中的微生物数据就能来识别患者的癌症类型。经过测试，这个模型对各种癌症识别率超过81%～86%，相比大多数癌症确诊需要手术活检，更快速便捷而低廉。

微生物的无限未来

人体微生物有着非常多的功能，能帮助我们消化，调节免疫系统，保护人体免受疾病攻击并产生人体必须的维生素，甚至会影响我们的行为。微生物在影响人体健康方面所起的作用是我们之前从未想象过的，仍然需要加大对微生物的了解和研究。

比如，我们知道有一些人更招蚊子，那是因为我们的皮肤上存在不同微生物，一些微生物会产生易被蚊子察觉的化学物质，因此，我们是否能利用一些微生物来驱蚊呢？

某种果蝇身上的微生物决定了它能吸引到什么样的配偶，这一点还没有在人类身上验证，但是罗伯教授认为也能找到人类身体的微生物，它们能释放吸引异性的味道，我们是否能据此取代某些香水？

所有这些还不为我们所知的微生物，在未来它们可能会怎样服务于人类？

让我们重新看待人体中的微生物，而不是像从前那样总把它们当敌人。

知识链接

人体第一个微生物菌群来自于母体

虽然人体本身的基因组不会变，但人体内的微生物群是可以改变的。

顺产出生的婴儿体内的微生物跟母亲阴道的菌群基本是相像的，剖腹产婴儿体内的微生物则更接近母亲皮肤的微生物群落，这可能也解释了剖腹产婴儿更容易患上哮喘、过敏、甚至肥胖等。哺乳动物通常都是通过产道出生，由此获得和母体共同进化的具有保护性的微生物，剖腹产婴儿则失去了这层保护。

婴儿排泄物里微生物菌落的变化

罗伯教授基于人类微生物工程的数据图，与250个健康成人的数据对比观察了一个新生儿成长过程中菌群的变化（如右图）。

黄球代表婴儿排泄物里微生物菌落的变化。每周取样，第一天时婴儿微生物菌落和母体阴道生物菌落相似，可以推测他是顺产儿。随后黄球一直向下变动，向底端成人粪便菌落靠近，每周婴儿粪便微生物菌群都有变化，每周的差异都远比成人个体之间的差异大得多，然后这种差异幅度逐渐变小，直到接近成人粪便菌落，这大约要花上两年。

（责任编辑 / 刘婷  美术编辑 / 周游）