人體微生態 細菌來主宰

王治鈞

我們人類一直都關注自身健康，卻長期忽視非常關鍵的部分——微生物對人體的影響。作為人類的共生體，人體菌落的改變往往預示著健康狀況的變化。

人體微生物群是寄居在人體內的微小細胞生物群落，人體和微生物群組成了一個“生態系統”。人體只有43%的細胞屬于人類，而其他的部分則是由非人類組織的微生物細胞群組成——從荒漠般的皮膚表面，到嘴唇上的微生物部落，口腔內有微生物菌落的微型城鎮，甚至每一顆牙齒都是獨特的社區，而我們的腸道更是擠滿百萬億微生物的大都會……每一種微生物都各司其職，各盡其責。

為了更有效地了解人體內的微生物社區部落，很多微生物科學家開展了跨學科的研究。人類微生物研究領域的先行者羅伯·奈特（Rob Knight）教授是美國加州大學圣地亞哥分校微生物學創新中心主任，“地球微生物組計劃”、“美國腸道計劃”的發起者。羅伯教授的實驗室研究涉及對人類、動物和環境的微生物群落研究和相應計算技術的發展。大量微生物研究人員都是基于他的研究成果來開展工作的。

基于他的研究成果來開展工作的

羅伯·奈特教授在 TED 舞臺上，展示微生物對我們日常生活影響的諸多方面

微生態多樣性比地球更復雜

人體微生物是個超復雜系統，其生態多樣性甚至超過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。微生物也有類似的分布，但是在顯微鏡下，所有微生物看起來都長得差不多。

通過觀察微生物的DNA來分類，“人類微生物工程”項目繪制出DNA堿基，開發了可視化的計算機技術，可以將萬億字節的序列數據轉化成更直觀有效的分布圖。研究者從250個健康志愿者身上的不同部位提取到微生物數據，點的密集處代表某個身體部位，不同身體部位有著不同的微生物。同一個人口腔中和腸道中的微生物菌落有著天壤之別，對比地球生物分布圖，人體方寸間微生物的生態差別，要比地球上數百千米間的差別還要大。

人體微生物分布圖就像分開的大陸一樣

微生物數量之巨無人匹敵

人類的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量遠遠超過了我們自身的生理數據。

從細胞數量上比較：人類個體大概有 10 萬億細胞，但是我們身體中有 100 萬億的微生物細胞。它們的數量是我們的10倍。

從DNA數量來比較：我們每個人各自有 2萬個人類基因，而身體上的微生物則有200萬～ 2000萬的微生物基因。

所以不論怎么看，我們自身在數量上都被我們的微生物共生體遠遠超越了。

在我們留下人類 DNA 痕跡的時候，我們觸摸的東西上也會留下我們微生物的 DNA，你甚至可以將手掌上的信息與日常所用鼠標上攜帶的信息相比對，匹配率達到95%。

微生物群會隨地域、環境、飲食習慣而變化

人的腸道內大約生存著100萬億個微生物——它們有保護你免于感染、助消化和調節免疫系統的作用。然而，隨著人類身體適應現代生活，我們開始失去一些正常的微生物;與此同時，發達國家中，因為腸道內微生物失去多樣性而引發的疾病正在飆升。

明尼蘇達大學計算機生物學家丹·耐特斯（Dan Knights）教授在研究靈長類動物微生物時發現，外界環境會引起微生物群發生變化。

研究人員分別對越南和哥斯達黎加叢林中生活的兩個物種——越南白臀葉猴和哥斯達黎加猴進行追蹤研究。用它們的糞便進行DNA測序和比對，發現身處不同地域使它們的微生物群截然不同。野外動物腸道內的微生物群，像郁郁蔥蔥的熱帶雨林，呈現出復雜的多樣性;而圈養動物的微生物群，會逐漸趨同其他圈養靈長類動物。動物園里的動物健康狀況都不太好，存在著肥胖、消瘦、腸胃炎、腹瀉、腹脹等問題，有些動物幾乎難以存活。圈養猴子的腸道都被類桿菌和普氏菌所主宰，它們和現代人的腸內擁有相同的微生物群。

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

研究人員又對發展中國家和美國人的微生物群落進行研究，美國人體內微生物群的失衡導致肥胖、糖尿病和其他類似疾病明顯高發。不僅是在美國生活了好幾代的人存在這樣的問題，新移民和難民也一樣存在。

移民到一個新的國家后，會造成體內微生物群發生巨變，這些微生物群更容易導致肥胖以及其他一些現代病或者說西方病。研究者調研了兩個從東南亞移民到美國的團體，他們來到美國后，體內的微生物群失去了約20%;而那些移民美國后患肥胖癥的人，則失去了原來微生物群的1/3。

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

移民到一個新的國家后，會造成體內微生物群發生巨變，以至于更易肥胖及患上其他一些現代病或者說西方病

菌群植入、癌癥診斷改善健康有奇招

近年來微生物和疾病的相關性研究有很多，涉及炎癥性腸病、心臟病、結腸癌、多發性硬化、抑郁癥、孤獨癥，甚至肥胖。

肥胖對健康影響很大，如今我們僅通過腸道的微生物菌落，就可以判斷一個人是胖是瘦，準確率可達90%，而通過基因測序準確率只能達到60%。可見，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系。在無菌膜里養了很多小白鼠，然后嘗試對比地加入一些比較重要的微生物：

研究人員由此想到，可以設計一種微生物菌群，添加入食品中可達到減肥的效果。

為了改善夸休可爾癥（惡性營養不良）患兒的健康，將疾病菌落移植到老鼠身上，三周內老鼠體重就減少30%，后來實驗發現，通過補充花生黃油類營養物可以快速恢復小鼠健康的微生物群落，據此便可對患兒嘗試相應療法了。

羅伯的實驗室還接觸過一些特別案例。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，長達2年的抗體治療也未見效。后來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科小組在《自然》雜志公布了一種癌癥診斷新方法：通過機器學習方法識別血液中存在的微生物DNA特征，可以簡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據庫分析了上萬名癌癥患者腫瘤樣本，涵蓋33種癌癥類型，通過數百種機器學習算法，僅使用患者血液中的微生物數據就能來識別患者的癌癥類型。經過測試，這個模型對各種癌癥識別率超過81%～86%，相比大多數癌癥確診需要手術活檢，更快速便捷而低廉。

微生物的無限未來

人體微生物有著非常多的功能，能幫助我們消化，調節免疫系統，保護人體免受疾病攻擊并產生人體必須的維生素，甚至會影響我們的行為。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的，仍然需要加大對微生物的了解和研究。

比如，我們知道有一些人更招蚊子，那是因為我們的皮膚上存在不同微生物，一些微生物會產生易被蚊子察覺的化學物質，因此，我們是否能利用一些微生物來驅蚊呢？

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

所有這些還不為我們所知的微生物，在未來它們可能會怎樣服務于人類？

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敵人。

知識鏈接

人體第一個微生物菌群來自于母體

雖然人體本身的基因組不會變，但人體內的微生物群是可以改變的。

順產出生的嬰兒體內的微生物跟母親陰道的菌群基本是相像的，剖腹產嬰兒體內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嬰兒更容易患上哮喘、過敏、甚至肥胖等。哺乳動物通常都是通過產道出生，由此獲得和母體共同進化的具有保護性的微生物，剖腹產嬰兒則失去了這層保護。

嬰兒排泄物里微生物菌落的變化

羅伯教授基于人類微生物工程的數據圖，與250個健康成人的數據對比觀察了一個新生兒成長過程中菌群的變化（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，第一天時嬰兒微生物菌落和母體陰道生物菌落相似，可以推測他是順產兒。隨后黃球一直向下變動，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，每周的差異都遠比成人個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。

（責任編輯 / 劉婷? 美術編輯 / 周游）