让微生物为我所用


联合国粮农组织专家正在推动微生物群系科学在从营养到生态系统等各个领域的发展

微生物群系是指生活在所有脊椎动物体内及体表的所有微生物的基因组。虽然微生物群系还只是一门新的学科,但已经帮助人类更好的理解了食物与非传染性疾病之间的关系。©Kateryna Kon/shutterstock.com

13/04/2021

1826年,法国美食家Brillat-Savarin曾经留下一句俏皮的名言:“告诉我你爱吃什么,我就能知道你是什么样的人。”

两百多年过去了,许多极具开创性的研究表明,我们吃的食物不仅给我们的身体带来能量,给我们的心灵带来愉悦,更滋养着肠道微生物群系中数以万亿计的微生物,而这一过程正是人体与环境最重要的交互窗口。

“微生物群系”是指生活在所有脊椎动物体内和体表的所有微生物的基因组。其背后的科学仍在起步阶段,但却已经帮助人类解答了许多饮食相关的非传染性疾病的谜题,比如癌症和糖尿病,甚至还有与人类的情绪相关的问题。微生物群系告诉我们,“代谢”也许不能简单理解为将食物转化为能量的流水线作业,而更像是由微生物为媒介引导的极为复杂的相互作用过程,微生物在其中的作用也许就像心脏或肝脏之于人体,重要性可见一斑。

“这不仅仅关乎于人,”正在为粮农组织撰写基准报告的微生物学家 Fanette Fontaine表示,“我们就是行走的生态系统。”

肠道微生物群系与人类大脑的重量差不多,其中包含约1000种细菌,它们的变异性很高,只有六分之一的种类可以在大多数个体中发现。

随着技术的不断发展,基因组测序速度越来越快,成本也逐渐下降。因此,我们得以识别出大量的细菌、病毒、原生动物和真菌,了解它们的功能和作用范围。研究发现,他们当中许多原本被视为潜在危险入侵病菌而避之不及的微生物,其实一直在发挥重要作用,训练人类的免疫系统,影响着对健康生活至关重要的各种大脑与身体功能。

我们已经发现,有些肠道微生物群系会导致肥胖——即便热量摄入不高;还有些则与2型糖尿病、心血管疾病、哮喘、过敏和儿童发育迟缓密切相关。

左/上:肠道微生物比我们自身的消化系统更擅长消化纤维! ©Moving Moment/shutterstock.com 右/下:有些肠道微生物群系与过敏或哮喘、糖尿病等问题有关联。©Elizaveta Galitckaia/shutterstock.com

扩展“可食用”的定义

迄今为止研究获得的证据表明:我们要多食用可发酵的膳食纤维。

人类自身的器官无法消化大多数膳食纤维,但肠道微生物可以。它们可以消化膳食纤维,并产生有益的小分子(短链脂肪酸),成为人类能量的重要来源。

精加工的食品可能就缺少相应的元素,因此最终会影响到肠道细菌的生存。“肠道并不是贫瘠的沙漠,如果好细菌都饿死了,坏细菌就来了,”Fontaine说。

我们每个人在出生时都会获得母亲所赠的第一份微生物组大礼包。母乳中也含有特殊的糖分子,它对婴儿并没有营养价值,但是可以促进婴儿肠道中的“双歧杆菌”菌群(双歧杆菌在儿童后期成长过程中与改善代谢信号、降低体重、减少炎症有关)。

当肠道微生物群系失衡,有一些不太友好的微生物为了生存可能会去消耗蛋白质和脂肪来获得能量,而不是复杂的碳水化合物。这会干扰到胰岛素抵抗,生成多余的脂肪细胞,甚至可能会致癌。有些微生物还可能会降解肠道中的粘液屏障,而这是我们防御几种慢性疾病常见的轻度炎症的主要堡垒。

“微生物群系科学正在重新定义营养科学,它并不仅仅是食物营养成分的研究,”粮农组织粮食安全专家Karel Callens说。目前,Callens正在建立粮农组织的非正式跨学科微生物群系团队。他指出,一些关键的维生素、氨基酸甚至神经递质都是我们肠道中微生物作用的重要副产物。

Fontaine补充说:“近几十年来,我们的生活方式发生了前所未有的变化。微生物群系的反应比我们的基因组更快。而反应速度的差异可能会扰乱我们与微生物群系的共生关系,可能会对我们的健康造成损害。”

她指出,我们的基因组在几千年里与饮食习惯共同衍化,因此,增加饮食中植物性食物的多样性也许能弥合这一差距。

我们对微生物和它的作用的了解也许还不到微生物世界的1%,然而,微生物对人类、动物、植物和环境的健康至关重要。因此,微生物群系科学也成为了粮农组织“同一个健康”举措中的重要组成要素。 ©Alpha Tauri 3D Graphics/shutterstock.com

开辟新领域

“微生物群系中并不存在我们通常想象中的边界,”Callens说。

因此,Callens认为,粮农组织推行的“农业粮食体系”非常适合于评估微生物世界的运行方式,并审视微生物群系受到的环境污染和气候变化的影响。

“这一项研究帮助我们更清晰的了解了健康的意义,”粮农组织研究气候变化、生物多样性及环境的生态学家Anne Bogdanski说。“人类也是共生生物——没有这些小小的微生物,我们就无法生存。”

她又补充道,微生物群系研究还将推动“同一个健康”举措的实施。“同一个健康”关注到人类、动物、植物和环境健康之间最基础、最错综复杂的联系。

迄今为止,我们对微生物的了解也许还不到所有微生物的1%,而且在我们已知的信息中,对细菌的认识要远大于其它微生物的。至于各种微生物如何参与到相互交织的生态系统作用中,我们还有太多的未知。

例如,北美的科学家最近发现了一种会杀死秃鹰的疾病的致病原因。有一种至今未知的蓝藻在一种外来入侵水草物种上生长。而用来除掉这些水生杂草的除草剂与蓝藻相互作用,形成了致命的脂溶性神经毒素,杀死了吃过这些水草的秃鹰。

这样的组合告诉我们,微生物群系在农业生产、林业和渔业中扮演着隐秘而关键的角色。细菌和真菌就可以建立互惠互利的合作关系,帮助营养的有效吸收,维护植物的健康。80%的土壤有机质来源于微生物,因此,要想恢复土壤的含碳量,打造健康的生态系统,微生物群系研究还存在着巨大的潜力。

超越绿色革命

“在可持续生物经济的领域中,微生物应用具有巨大的潜力,” Bogdanski表示。研究一个微生物群系可以为创造出全新的肥料、生物刺激素或针对某些有害生物的生物农药铺平道路。“这其实更加属于基于自然而不是基于技术的解决方案,”她补充道。

微生物群系并不是一碗随便往里面加料的沙拉。它更像一片“雨林”,或者说,是一个自身相互作用的微生物环境。

Callens强调,要将微生物群系科学纳入政策讨论的范畴,确保不让发展中国家掉队,粮农组织扮演着重要的角色。“这关乎超越绿色革命。”


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2. Zero hunger, 3. Good health and well-being