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肠道细菌的动态遵循生态规律

肠道细菌的动态遵循生态规律

看似混乱的细菌性肠道微生物组的汤比乍看上去更有组织和遵循相同的一些生态法律适用于鸟类,鱼类,热带雨林,甚至复杂的经济和金融市场,根据一项新的纸在自然界微生物欧文在哥伦比亚大学医学中心的研究者。

研究肠道微生物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,代表了成千上万种不同的物种,生活在人类的肠道中,以无数的和不断变化的方式相互作用和环境。

这项研究发现了肠道细菌动力学的多种原理,这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,并提出了我们可以改变微生物群以改善健康的方法。

肠道微生物动力学仍然知之甚少

虽然目前DNA测序技术能够识别和追踪细菌在肠道随着时间的推移,“生物过程管理短期和长期的肠道微生物的变化仍然知之甚少,”说,这项研究的资深作者,博士,副教授丹尼斯·Vitkup哥伦比亚大学系统生物学和生物医学信息学的瓦大学的内科医生和外科医生。

作为第一步确定的因素描述肠道微生物群落,Vitkup和他的合作者,研究生布赖恩·w·吉和拉维Sheth和研究科学家Purushottam武断的话,Konstantine Tchourine,寻找数学关系描述动态变化四个健康人肠道微生物组的后一年。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力学的各个方面之间的统计联系,比如随着时间的推移,各种细菌的波动和丰度,或者不同微生物在人类肠道中持续存在的平均时间。“到目前为止,是否存在描述这些复杂细菌群落动态变化的自然规律一直是一个悬而未决的问题,”Vitkup说。

混沌波动遵循统计规律

不出所料,他们发现人体和小鼠肠道微生物组的组成和每日变化有很大的波动。但引人注目的是,这些看似混乱的波动遵循了几条优雅的生态法则。

“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达到真正的平衡,”Vitkup说。“例如,某一种细菌在第一天的数量在第二天是不一样的,等等。它不断地波动,就像金融市场上的股票或山谷里的动物数量,但这些波动不是任意的。事实上,它们遵循泰勒幂律所描述的可预测的模式。泰勒幂律是动物生态学中一个已确立的原则,用来描述波动如何与不同物种的细菌相对数量相关。”

其他发现的肠道微生物群落的规律也遵循动物生态学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落中出现和消失的趋势。

“令人惊讶的是,微观生物群落——比之前分析的宏观生态系统小6个数量级——似乎受到一套类似的数学和统计原理的支配,”Vitkup说。

法律允许鉴定异常的细菌行为

这些普遍的原则应该有助于研究人员更好地了解是什么过程控制着肠道中的微生物动态。利用统计定律,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种类。这些剧烈波动的细菌与记录在案的人类肠道不适或到国外旅行的时间有关,为这项研究提供了数据。因此,这种方法可能会立即让研究人员了解并确定哪些特定的细菌超出了正常范围,并以一种潜在的有害方式活动。

利用小鼠的数据,研究人员还观察到,与吃更健康的高纤维饮食的微生物组相比,与不健康的高脂肪饮食相关的微生物组在时间上的漂移速度要快得多。这表明,生态学规律可以用来理解各种饮食变化可能如何影响并可能减轻持续的微生物群落不稳定性。

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还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提供了一个令人兴奋的机会。“这些自然生态法则是如何产生的,为什么会产生,生态学家们争论了很多年,却没有一个明确的答案,”Vitkup说。“以前的生态学研究大多局限于观察性研究,对动物和植物进行观察性研究可能需要几十年的时间。而一些关键的实验,如添加或删除特定物种,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,例如微生物的数量和组成,然后探索环境影响的各个方面。“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法则的起源,”Vitkup说。

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