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　　在經(jīng)典的生物多樣性隨時(shí)空尺度變化的理論中，一只熊貓和一千只熊貓?jiān)诜至坑?jì)算上是沒(méi)區(qū)別的。
　　近日，中科院昆明動(dòng)物所馬占山團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)人體菌群多樣性時(shí)空變化的研究，對(duì)“生物多樣性隨時(shí)空尺度變化”的經(jīng)典理論作出了一系列擴(kuò)展，突破了這一局限。
　　突破生物多樣性
　　經(jīng)典理論
　　馬占山是昆蟲學(xué)和計(jì)算機(jī)雙料博士，曾在硅谷做過(guò)10年軟件工程師，現(xiàn)在從事計(jì)算生物學(xué)研究。其實(shí)驗(yàn)室研究領(lǐng)域之一就是人類菌群醫(yī)學(xué)生態(tài)學(xué)。2014~2016年，他與美國(guó)馬里蘭大學(xué)合作開發(fā)出了目前仍處于國(guó)際先進(jìn)水平的三代基因測(cè)序軟件，這一領(lǐng)域針對(duì)最新超長(zhǎng)讀段的軟件技術(shù)在近期取得了重要進(jìn)展，其發(fā)明專利也已被受理。
　　生物多樣性理論認(rèn)為物種數(shù)量與生境面積的關(guān)系遵從冪法則，即“物種—區(qū)域面積關(guān)系”。20世紀(jì)60年代科學(xué)家提出了“物種—時(shí)間關(guān)系”，并在古生物進(jìn)化領(lǐng)域研究獲得了一系列驗(yàn)證。90年代科學(xué)家進(jìn)一步擴(kuò)展提出了“物種—時(shí)間空間關(guān)系”。然而，這一系列理論存在明顯局限性：只考慮物種的數(shù)量，而不考慮物種個(gè)體的數(shù)量，即一只熊貓和一千只熊貓所占分量沒(méi)有區(qū)別。
　　“通過(guò)理論的更新，我們可以根據(jù)研究和應(yīng)用目的進(jìn)行權(quán)重的調(diào)整。例如，如果研究或應(yīng)用目的是珍稀動(dòng)植物保護(hù)，則應(yīng)對(duì)其增加權(quán)重；而如果研究或應(yīng)用目的是不同小龍蝦品種的養(yǎng)殖，則權(quán)重自然應(yīng)該傾向于普通豐度，甚至高豐度物種?！瘪R占山說(shuō)。
　　他表示，這些新概念、模型和估計(jì)方法可以有效解決多樣性評(píng)估中顧此失彼的困境。從而為研究多樣性隨時(shí)空尺度變化幅度的評(píng)估提供靈活通用、功能強(qiáng)大的定量分析方法和工具。
　　醫(yī)學(xué)也要講生態(tài)
　　“醫(yī)學(xué)生態(tài)學(xué)”名詞最早是由法國(guó)微生物學(xué)家林奈于20世紀(jì)30年代提出，當(dāng)時(shí)主要用于研究大氣污染或環(huán)境變化對(duì)人類健康的影響。
　　美國(guó)于2008年啟動(dòng)了“人類微生物菌群宏基因組計(jì)劃”，馬占山回國(guó)前曾是參與該計(jì)劃的科學(xué)家之一。他回國(guó)后組建了“計(jì)算生物與醫(yī)學(xué)生態(tài)學(xué)”實(shí)驗(yàn)室。
　　“基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)明對(duì)人體菌群的研究產(chǎn)生了革命性的突破。將基因測(cè)序應(yīng)用于人體菌群的研究技術(shù)被稱為宏基因測(cè)序技術(shù)。”馬占山說(shuō)。
　　基因測(cè)序通常是指對(duì)單一物種基因組的測(cè)序。而人體內(nèi)的微生物不是單一物種，是成千上萬(wàn)種微生物，如果采用普通基因測(cè)序技術(shù)，對(duì)微生物逐種測(cè)序，顯然效率極低。于是，科學(xué)家在10多年前發(fā)明了可以一次測(cè)定樣本中所有微生物物種所攜帶基因的“宏基因測(cè)序”技術(shù)。但難題是：人體90%以上微生物物種至今無(wú)法人工培養(yǎng)。宏基因測(cè)序技術(shù)發(fā)明之初，科學(xué)家其實(shí)就已經(jīng)預(yù)料到了該技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)研究將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院前院長(zhǎng)Sydney Burwell在2011年預(yù)言：10年后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，醫(yī)學(xué)院現(xiàn)在所教授的內(nèi)容有一半是錯(cuò)的。
　　“7年后的今天，我們可以發(fā)現(xiàn)他的預(yù)測(cè)并非言過(guò)其實(shí)。目前已知與菌群相關(guān)的疾病至少多達(dá)兩位數(shù)，包括大眾所熟悉的肥胖、糖尿病、痛風(fēng)、腸炎、自閉癥、牙周炎、陰道炎、直腸癌等?！瘪R占山告訴記者。
　　人與自身菌群的和諧
　　馬占山認(rèn)為要把菌群作為人體生態(tài)系統(tǒng)的成員，它們理所應(yīng)當(dāng)?shù)卣加羞m當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)位。換句話說(shuō)，人們不應(yīng)該將它們無(wú)理逐出自然家園。而工業(yè)化和現(xiàn)代生活方式以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實(shí)踐已經(jīng)對(duì)人體腸道菌群產(chǎn)生了深刻影響。
　　事實(shí)上，人類對(duì)抗生（菌）素濫用與殺蟲劑使用是今天許多健康問(wèn)題的起因。而新興的菌群醫(yī)學(xué)生態(tài)學(xué)自然應(yīng)該受到重視。人與自然的和諧應(yīng)該包括與自身菌群的和諧。正是基于以上理念，馬占山團(tuán)隊(duì)將醫(yī)學(xué)生態(tài)學(xué)定義為：以計(jì)算生物信息學(xué)、理論生態(tài)學(xué)為主要技術(shù)手段和理論基礎(chǔ)，研究人體菌群相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制、發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及早期診治技術(shù)。在過(guò)去5年中，馬占山團(tuán)隊(duì)已經(jīng)圍繞該領(lǐng)域申請(qǐng)了10多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。團(tuán)隊(duì)還與美國(guó)哈佛大學(xué)、北卡大學(xué)、佛蒙特大學(xué)和英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行著廣泛合作研究。
　　2015年馬占山團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)美國(guó)學(xué)者關(guān)于母乳菌群測(cè)序數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了母乳菌群網(wǎng)絡(luò)中“機(jī)會(huì)性病原菌”的存在。機(jī)會(huì)性病原菌在健康母親母乳中也存在，但它們數(shù)量有限，通常被母乳菌群中其他細(xì)菌所壓制，因此難以興風(fēng)作浪。而當(dāng)哺乳衛(wèi)生狀況出現(xiàn)問(wèn)題，或者母親免疫力下降時(shí)，母乳菌群對(duì)于機(jī)會(huì)性病原菌可能失去控制，從而導(dǎo)致乳腺炎發(fā)病。這一假設(shè)也被廣泛認(rèn)為是迄今為止對(duì)于乳腺炎發(fā)病機(jī)制最為合理的解釋。
　　2016 年他們又發(fā)現(xiàn)了母乳菌群中控制腦黃金DHA產(chǎn)生的菌種。腦黃金對(duì)嬰兒正常發(fā)育的重要性早已廣為大眾所熟知，以至于許多嬰兒配方奶粉中都有添加DHA。但是，目前市場(chǎng)上所有配方奶粉中DHA并非自然產(chǎn)生。目前這兩項(xiàng)研究發(fā)明專利已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)審核階段。
　　“其實(shí)我們所居住的室內(nèi)環(huán)境微生物菌群也存在類似時(shí)空動(dòng)態(tài)變化關(guān)系?！边@是他們的最新研究發(fā)現(xiàn)。
　　（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2018-10-29 第6版 院所)