人體微生物，為什麼是比基因還獨特的存在？

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文 | 陳根

從基因的角度來看，人類本質上是相同的，構成DNA的4種鹼基相互結合並且排序，指導著人類的生長、建造和運作。

千萬年來，人類的基因也一直穩定地遺傳，科學家曾對酵母、水稻和青蛙等生物體的整個基因組進行測序，研結果發現，我們星球上的所有生物在基因上都有一些重疊之處。之所以存在這種基因重疊，是因為我們在三、四十億年前擁有一個相同的單細胞有機體祖先。它被稱為最後的共同祖先。 許多共同基因，在數十億年的進化中得以儲存下來的。

但從微生物角度來看， 人和人之間卻是完全不同 。 兩個人同一身體部位上寄居的微生物種類都大不相同。隨機選擇兩個人，然後檢驗第一個人排洩物中的單個微生物細胞，然後再檢驗第二個人的——只有大約10％的概率會找到兩人都有的微生物細胞。

基於人和人之間全然不同的微生物群落，再加上越來越多證據證明微生物對人體健康的重要意義，如何改寫人體內的微生物群體以滿足人體的健康需求就成了科學家們研究的新方向。或許，這個人類從前忽略的人體微觀世界，帶來的影響還將超越人們的想象，並帶領人們進入一個全新的世界。

獨一無二的存在

50萬億，這大概是構成人體所有細胞的數量。然而，微生物細胞數量要遠遠超過人類細胞數量的總和，比例高達10:1——居住在人體的微生物數量大概有1000萬億，超過我們全身細胞數量的10倍。

諾貝爾獎得主Joshua Lederberg曾經指出，人體與共生微生物構成了超級生物體。我們的身體各處都存在微生物，面板表面、呼吸道、消化道等，其中90%以上的微生物都住在腸道里。如果按重量來算，中等體重的成年人身上大約有1.4千克的微生物。 這個分量甚至使微生物組成為人體內部最大的器官之一，即與大腦重量相仿，比肝臟略輕 。

科學家們還進一步發現，人體微生物的基因數量也遠遠多於我們的基因數量——每個人身體裡大約有2萬個人類基因，但人體攜帶的微生物基因卻有大約200萬到2 000萬個。 這意味著，從遺傳的角度來說，我們所繼承的基因99％都是微生物基因。

更重要的是，不同個體體內的微生物群落也是獨一無二的，它們在人體變老、旅行、吃各種食物以及服用抗生素時都在不斷變化。每個人體內的微生物群落對於天氣、季節、朋友、疾病以及日常生活中的許多其他變數都會做出相應的反應。

實際上，人們體內的微生物群落從出生起就開始形成。嬰兒在通過母親產道時獲得了這些微生物，因為產道內壁上有陰道細菌。雖然不同的女性個體有不同的陰道微生物組，但在懷孕期間這些微生物組都進入了相同的狀態。 可以說， 順產為嬰兒提供許多關鍵的基礎微生物，這些微生物佔據嬰兒的身體後，就開始不斷擴張，同時也在幫助嬰兒消化食物，促進生長髮育 。

與之相對的，剖宮產的嬰兒則擁有和順產嬰兒不同的微生物群落。紐約大學朗格尼醫學中心的研究員瑪麗亞·格洛麗亞·多明戈斯-貝洛研究發現，如果嬰兒是經由陰道出生，那他（她）身上的微生物就與母親陰道的微生物組相似；如果嬰兒是剖宮產出生的，那身上的微生物就與成人面板上發現的微生物相似，與順產嬰兒身上的微生物組完全不同。

當然， 微生物暴露和共生關係並不會在出生後就停止。 比如，飲食就有助於塑造不同人們體內不同的微生物組。接受母乳餵養與配方奶粉餵養的孩子，體內的微生物差別很大。其中，吃母乳的嬰兒可以接觸母乳中的特殊微生物，以及母乳中能促進益生菌增長的特殊糖。而當嬰兒開始吃固體食物的時候，嬰兒體內的微生物組會繼續進化。

另外，每個人的基因組和特定微生物之間都有著清晰的相互作用， 有著不同遺傳因素的人在接觸到相同的微生物時，會經歷不同的微生物共生過程、消化過程，甚至表現為不同的痤瘡、體味以及其他無數的特質差異。

實際上，居住在我們體內的每一個物種都有著自己的遺傳基因組。這些微生物群落所包含的DNA基因組數目要遠比我們人體的細胞數量多得多。由於我們每個人都是一個共生體，這些微生物的快速變化也在驅動著我們的身體和進化過程的快速變化。因此，我們也可以將微生物看作繼核心DNA基因組和表觀遺傳基因組之後的第三種基因組。

微生物與人體健康息息相關

每個人人體內的微生物群落不僅是獨一無二的存在，對於人體健康也有著不可替代的重要作用。實際上，微生物群落與肥胖、心臟病、自閉症、免疫力、記憶力、癌症和衰老都有著密切的關係。

生活在我們腸道和面板中的細菌群落會通力合作把食物轉化為營養物質，幫我們治癒創口、抵禦並驅離有害的競爭性微生物、製造維生素、分解毒素。如果沒有這些微生物，人體不僅無法很好地生存下去，更不可能保持健康。

尤其是腸道微生物，值得一提的是， 腸道菌群中大部分是有益菌 。腸道細菌作為腸道中的主要居民，通過中間代謝產物或表面抗原結構發揮相應的作用，參與機體生理活動的各個方面。腸道細菌可以將未被宿主消化吸收完的食物成分（主要是纖維）發酵成短鏈脂肪酸。腸道細菌還可以合成維生素供人體吸收，比如維生素K和B族維生素，以及部分人體所必需的氨基酸也都是由它們合成的。

在健康的人體內，部分腸道細菌能夠減輕炎症反應，增強免疫功能。此外，也有些腸道細菌可以間接影響人類的大腦活動，與人類睡眠、記憶力、產生焦慮、抑鬱症有關。比如腸道細菌直接分泌某些神經遞質，比如γ-氨基丁酸，可以幫助睡眠，維持和提高腦的年輕態。

顯然，微生物對人類身體健康有著實實在在的影響，不僅如此，微生物的祖先譜系對人類身體健康也有著實實在在的影響。

圖卡瑞斯是哥倫比亞副熱帶高地上的一座小鎮，那裡的人們飽受毒品暴力犯罪的侵擾。小鎮附近有一座雄偉的火山，鎮上有個小教堂。圖馬科也是哥倫比亞一座毒品盛行、犯罪猖獗的城市，它位於熱帶沿海區域。這兩個地方都不是熱門旅遊城鎮，但這兩個地方對於理解胃癌、微生物與人類基因組的相互作用來說是最前沿的試驗場—— 生活在圖卡瑞斯的人患消化道炎症後發展成胃癌的概率是住在圖馬科的人的25倍。 兩個城鎮都有90%多的人攜帶有同一種細菌——幽門螺旋桿菌，這種細菌往往與胃部潰瘍有關。

基於此，科學家通過跟蹤消化道中微生物的變異，發現了人類殖民程序的大致趨勢——圖卡瑞斯最早的人口是來自西班牙的白人和南美洲的原住民，致命的幽門螺旋桿菌感染則源自歐洲。圖馬科的人口最早主要來自非洲，和他們體內相對較弱的幽門螺旋桿菌來自同一塊大陸。 這種身體上的極度差異可以直接追溯到兩群人是如何與同一種微生物的不同亞類協同進化的 。

微生物改變人體健康狀況的例子不勝列舉。有些人吃了肉更容易得心臟病，因為他們的腸道細菌把維生素BT轉化成了氧化三甲胺，而氧化三甲胺會加速動脈粥樣硬化。還有些腸道細菌會製造一種酶，可以分解膽汁酸，從而減少脂肪的攝入、降低膽固醇水平。自體免疫性疾病，比如腸易激綜合徵、類風溼性關節炎、多發性硬化症以及格林-巴利綜合徵，都與特定的微生物有關。

打開了健康的新思路

面對微生物與人體的相互作用，馴服微生物，重寫人體內的微生物群落為人們走向健康打開了新的思路。

實際上，現代人體內的微生物群落已經與過去有很大不同，這是一件好事，因為在世界上大多數地方，直到現在連出生這件事情都意味著極度危險。在20世紀初時，美國有1/10的孩子在15歲前就夭折了。衛生設施的改善、接種疫苗、使用抗生素和飲用淨水改變了微生物群落，這極大地降低了新生兒的死亡率。

如前所述，我們已經知道，腸道微生物不僅可以讓我們腹瀉，也會影響我們的新陳代謝。我們的腸胃中有兩大細菌族群在爭奪統治地位，肥胖者體內的微生物族群中包含有大量的硬壁菌門，而擬桿菌門的數量則相對較少。

對於體重減輕或者做了胃旁路手術的人們而言，他們體內這些菌群的數量比例呈現出了顯著的下降趨勢。 在接受胃旁路手術的情況下，對患者產生影響的不僅是手術本身，還有由此帶來的消化道微生物族群的改變 。科學家在實驗中將瘦老鼠體內的消化道細菌移植入遺傳完全相同但體重超重的老鼠體內，僅這一項簡單的干預措施就使得超重老鼠的體重大幅下降。

這種治療方式對人類似乎也有所作用。超重的女性每天吞服兩個含鼠李糖乳桿菌的益生素膠囊，12周後體重減輕了5.4千克。但是，接受同樣治療的男性卻沒有出現體重下降。而如果繼續研究男性與女性之間的腸道微生物群落差異，我們可能就能明白這是為什麼。

在改善腸道微生物方面，另一項備受關注的技術，就是益生菌。益生菌是大多數天然存在於人體腸道內的細菌，也存在於發酵的食物中（如酸奶），主要包括不同種屬的雙歧桿菌和乳酸菌。益生菌被定義為活的微生物，當數量足夠多時，對健康就有益。益生菌被稱為“良性細菌”或“有益細菌”，可以通過膳食補充劑、酸奶和栓劑獲得。

如今，已經有許多研究者做了一些針對益生菌臨床試驗的研究。一些強有力的證據證實了益生菌對兒童腹瀉和成年人腸道易激綜合徵的預防和治療作用，應用前景包括預防和減少早產兒壞死性小腸結腸炎（一種急性腸道疾病）的發生。潛在的應用前景可用於治療肥胖症、降低膽固醇水平和治療腸道易激綜合徵。益生菌還可能產生其他影響，包括生產抗菌化合物，並通過與有害細菌競爭營養成分，與益生元一起把有害細菌擋在體外。

遺憾的是，按照目前的情況來看，圍繞益生菌的一個問題就是，相對於進行紮實的研究，人們更多的是拿它來炒作。比如，益生菌對人體腸道健康有益的特點在單獨環境下是否能起作用尚未得到證實。對於在超市裡買到的微生物製品，在被運到超市並且放在貨架上之後，大多數人也不清楚裡面是否還有活性微生物——微生物只在極其特定的環境裡才能生存。

當然， 我們在編輯和改變自身微生物群落的時候，也在改變自己的生活，改變自己和後代的生存狀態 。細菌群落甚至會影響我們的味覺和嗅覺。一項2010年的果蠅實驗研究顯示，食物結構相同的果蠅傾向於相互交配，而不去考慮其他果蠅。而一旦這些果蠅開始攝入抗生素，它們就會自由地和其他任何果蠅交配。

當然，從人體微生物組中研發的技術，也可以應用到寵物、家畜、野生動物身上，甚至用在地球之上。在這樣的背景下，人們就可以把微生物看作連線人類健康、動物和環境的一張網，並最終理解如何改善身體內部的微觀生態系統和我們自身的生態系統。（本文首發鈦媒體APP）