根据《自然微生物学》的一篇新论文，肠道微生物组看似混乱的细菌汤比第一次出现时更井井有条，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生态规律由哥伦比亚大学欧文医学中心的研究人员提供。

研究肠道微生物组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。代表数千种不同物种的数万亿种细菌生活在人类肠道中，它们以无数种不断变化的方式相互影响，并与环境相互作用。

这项研究发现了肠道细菌动力学的多种原理，应该有助于研究人员了解是什么使肠道微生物组变得健康，如何在疾病和不健康的饮食中受到干扰，并提出了改变微生物组以改善健康的方法。

肠道微生物组动力学仍然知之甚少

尽管目前的DNA测序技术使得随着时间的推移识别和追踪肠道细菌成为可能，但是研究肠道微生物组短期和长期变化的生物学过程仍然知之甚少，”该研究的资深作者Dennis Vitkup说。博士，哥伦比亚大学瓦格洛斯内科医生与外科学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寻找了描述动力学变化的数学关系。对四个健康人的肠道微生物组进行了一年的随访。他们还分析了每天喂高纤维或高脂肪饮食的小鼠连续数周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组动力学各个方面之间的统计联系，例如各种细菌随时间的波动和丰度，或者不同微生物在人类肠道中连续停留的平均时间。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一直是一个悬而未决的问题。”

混沌波动遵循统计定律

正如预期的那样，他们发现了人类和小鼠肠道微生物组的组成以及日常变化的巨大波动。但令人惊讶的是，这些明显的混沌波动遵循了一些优雅的生态规律。

Vitkup说：“类似于许多动物生态系统和复杂的金融市场，健康的肠道微生物组永远无法真正达到平衡。”“例如，第一天特定细菌种类的数量在第二天就永远不一样，依此类推。它不断波动，就像金融市场上的存量或山谷中的动物数量一样，但这些波动并非任意的实际上，它们遵循泰勒幂定律所描述的可预测模式，泰勒幂定律是动物生态学中公认的原理，它描述了波动如何与不同物种的细菌相对数量有关。”

肠道微生物组的其他发现规律也遵循动物生态学和经济系统中经常观察到的原理，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时间从肠道微生物组中出现和消失的趋势。

Vitkup说：“令人惊讶的是，微观生物群落比以前分析的宏观生态系统小六个数量级，似乎受到一套类似的数学和统计原理的支配。”

法律允许识别异常细菌行为

这些通用原则应有助于研究人员更好地了解控制肠道微生物动力学的过程。使用统计定律，哥伦比亚研究人员能够识别出具有异常波动的特定细菌。这些剧烈波动的细菌与肠道疾病或人类出国旅行的文献记载时间有关，为研究提供了数据。因此，这种方法可以立即使研究人员了解并确定哪些特定细菌不符合要求，并以潜在有害的方式表现出来。

利用小鼠数据，研究人员还观察到，与不健康的高脂饮食相关的微生物群的时间漂移​​比以健康的高纤维饮食为食的微生物群的漂移快得多。这表明生态规律可用于了解各种饮食变化如何影响并减轻持久性微生物组不稳定性。

肠道微生物组作为微型生态实验室

哥伦比亚研究人员的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令人兴奋的机会。Vitkup说：“多年来，生态学家一直在争论为什么以及如何产生这些自然生态规律，而没有任何明确的答案。”“先前的生态学研究主要限于观察性研究，对动物和植物可能要花费数十年的时间。某些关键的实验，例如添加或去除特定物种根本无法进行。”

相反，肠道微生物组提供了理想的微型实验室，研究人员可以在其中轻松操纵各种变量，例如微生物的数量和组成，然后探索环境影响的各个方面。Vitkup说：“我们的下一个目标是利用肠道菌群了解这些一般生态规律的起源。”