肠道细菌动态遵循生态规律

《纽约时报》的一篇新论文指出，肠道微生物群中看似混乱的细菌汤比最初看起来更有组织，并遵循一些适用于鸟类、鱼类、热带雨林甚至复杂的经济和金融市场的相同的生态法则微生物学性质哥伦比亚大学欧文医学中心瓦格洛斯内科和外科医学院的研究人员进行了研究。

研究肠道微生物群的研究人员面临的主要挑战之一是其庞大的规模和惊人的组织复杂性。数以万亿计的细菌，代表着数千个不同的物种，生活在人类的肠道中，它们以无数且不断变化的方式与彼此和环境相互作用。

这项研究发现了肠道细菌动力学的多种原则，这应该有助于研究人员了解是什么使肠道微生物群健康，它如何在疾病和不健康饮食中受到干扰，并为我们改变微生物群以改善健康提供了方法。

人们对肠道微生物群的动态仍然知之甚少

尽管目前的DNA测序技术可以识别和跟踪肠道中的细菌，但“控制肠道微生物组短期和长期变化的生物过程仍然知之甚少，”该研究的资深作者说，丹尼斯Vitkup，哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科医学院系统生物学和生物医学信息学副教授。

作为确定描述肠道微生物群落的因素的第一步，Vitkup和他的合著者，研究生Brian W. Ji和Ravi U. Sheth以及研究科学家Purushottam Dixit和Konstantine Tchourine，寻找描述四个健康人群肠道微生物群动态变化的数学关系，随访一年。他们还分析了连续几周每天喂食高纤维或高脂肪食物的小鼠获得的微生物组数据。

利用这些数据，研究人员探索了微生物群落动态的各个方面之间的统计联系，比如各种细菌随时间的波动和丰度，或者不同微生物在人体肠道中持续存在的平均时间。Vitkup说:“到目前为止，是否存在描述这些复杂细菌群落动态的自然法则还是一个悬而未决的问题。”

混沌涨落遵循统计规律

不出所料，他们发现人类和小鼠肠道微生物群的组成和日常变化有很大的波动。但引人注目的是，这些明显混乱的波动遵循了几个优雅的生态法则。

Vitkup说:“就像许多动物生态系统和复杂的金融市场一样，健康的肠道微生物群永远不会真正处于平衡状态。”“例如，某一种细菌在第一天的数量在第二天就不一样了，等等。它不断波动，就像金融市场中的股票或山谷中的动物数量，但这些波动不是任意的。事实上，它们遵循泰勒幂律(Taylor’s power law)所描述的可预测模式。泰勒幂律是动物生态学中一个成熟的原理，描述了波动与不同物种细菌的相对数量之间的关系。”

其他发现的肠道微生物规律也遵循了在动物生态和经济系统中经常观察到的原则，包括肠道细菌丰度随时间缓慢但可预测地漂移的趋势，以及物种在可预测的时间从肠道微生物群中出现和消失的趋势。

Vitkup说:“令人惊讶的是，微观生物群落——比之前分析的宏观生态系统要小六个数量级——似乎也受到一套类似的数学和统计原则的控制。”

法律允许识别异常的细菌行为

这些通用原则应该有助于研究人员更好地理解是什么过程控制着肠道中的微生物动态。利用统计学定律，哥伦比亚大学的研究人员能够识别出具有异常波动的特定细菌物种。这些剧烈波动的细菌与有记录的肠道不适时期或人类出国旅行有关，为这项研究提供了数据。因此，这种方法可以立即让研究人员了解和识别哪些特定的细菌越界，并以潜在的有害方式行为。

利用小鼠的数据，研究人员还观察到，与健康的高纤维饮食相关的微生物群相比，不健康的高脂肪饮食相关的微生物群的时间漂移速度明显更快。这表明，生态规律可以应用于理解各种饮食变化如何影响或缓解持续的微生物群不稳定性。

肠道微生物作为微型生态实验室

哥伦比亚大学研究人员的这项研究也为利用肠道微生物群落作为探索一般生态关系的模型系统打开了一个令人兴奋的机会。Vitkup说:“生态学家们就这些自然生态规律产生的原因和方式争论了多年，但没有明确的答案。”“以前的生态学研究大多局限于观察性研究，对动物和植物可能需要几十年的时间。一些关键的实验，比如添加或移除特定物种，根本无法进行。”

相比之下，肠道微生物组提供了一个理想的微型实验室，在那里研究人员可以很容易地操纵不同的变量，如微生物的数量和组成，然后探索环境影响的各个方面。Vitkup说:“我们的下一个目标是利用肠道微生物群来了解这些一般生态规律的起源。”