人类微生物:一个你未曾听过的重要器官

清代文学家沈复在《童趣》中写道,“余忆童稚时,能张目对日,明察秋毫,见藐小之物必细察其纹理,故时有物外之趣”,字里行间洋溢着孩童时的天真无邪和好奇活泼。现在,假如我们有一台时空穿梭机,启动引擎穿越到清代,并聘请沈复到“造物研究所”担任首席PI并给他配备最高分辨率的显微镜,他的“童趣”能否成为“自然”的封面故事呢?

我们不得而知,但可以确定的是,他能发现另一个世界——微生物的王国。离我们最近,或者说与我们相伴左右的微生物即为人类微生物,它们分布在我们体表和体内,在维持身体健康方面发挥着重要作用。所谓“圣人见微以知萌”,你一定好奇自己身上的微生物有怎样的千姿百态,现在让我们一起走进石一鸣老师视角下的人类微生物吧。

人类微生物事实一:差之毫厘,谬以千里

不同身体部位之间的微生物存在巨大的差异

人类文明,尤其是科技文明的发展史构建于人类认知水平的逐步提升之上。早在公元前5050年,新克罗人已经开始尝试将尸体制作成木乃伊,直到古埃及第一王朝,人们发现亚麻布包裹能有效防腐,而后又发展出涂抹树脂、各种香料等来保存尸体的方法,以求来世的灵魂能找到今世的归宿。

与中国古代“心为本体”的思想相似,受限于医学解刨学知识的匮乏,他们在想方设法保存心肝脾肺肾等内脏的同时,却将人的中枢——大脑弃而远之。

伴随现代医学的兴起,解刨学让我们有能力定位人体每个器官的位置,甚至精细匹配它们的功能,但与当时古埃及人的处境一样,基于机械论的宏观尺度考察也让我们丢失了许多看不见摸不着但极其重要的信息——人类微生物。

直到测序技术的出现,尤其是人类基因组计划、人类微生物组计划第一阶段、人类肠道宏基因组计划等的完成,这一重达2kg的庞大群体才揭开了自己的面纱。

人类作为生物进化过程中的一个种属,不同个体之间的基因组差异不足1%,但有意思的是,微生物含量和组成则大相径庭;拿肠道微生物来说,你和你形影不离好闺蜜的相似度仅约10%,差异如中非秃鹰和南非企鹅的不同一样大。但即便如此,它们都是我们无法抛弃的忠实小伙伴。

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人类微生物分布图

人类微生物事实二:你的身体不只是你

人类 = 体细胞 + 微生物细胞

在大众的视野中,“谈微生物色变”似乎是一个心照不宣的常识,因为以细菌为主体的微生物往往与食物腐败和疾病感染同时出现。

但实际上,世事纷杂,人类自身就是一个巨大的微生物宝库:我们有约30万亿的体细胞、基因总数约2.3万个,但令人震惊的是,人类微生物细胞有约100万亿、基因总数高达200万~2000万个,足足甩了人类好几条街。

得益于复杂微生物组的相互作用,它们的协同活动帮助我们消化食物、提供营养物质、发挥免疫保护作用,是我们天天有活力的后勤保障力量。

我们已经知道我们每天都在携带着与大脑同等重量的微生物奔波劳累,是一个行走在祖国大好河山的超级“生态系统”,但这庞大的群体从何而来呢?所谓“龙生龙,凤生凤,老鼠的儿子会打洞”,自然界的小孩子都会从父母那里习得生存的要义;同样的,我们的微生物“星星之火”也来自我们伟大的母亲。

在我们呱呱落地时,我们经过的场所就成了肠道微生物的第一盏火苗:如果分娩顺利,我们会从妈妈的阴道中来到人世,此时我们便携带了母亲阴道中的微生物;但如果长得太大或胎位不正,医生会选择在妈妈肚子上开个小孔,手动将我们取出,这样一来,我们保护了妈妈的生命,但同时也失去了宝贵的阴道微生物,接受到的更多是体表微生物,而后者对我们的保护作用远不及前者。

即便如此,母亲怀胎十月,我们的顺利分娩是对母亲赋予生命最大的感激,也是对母亲辛劳最诚挚的告慰。

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人类微生物发挥重要功能

人类微生物事实三:人如其食

You are what you eat.

随着我们的成长,我们会接触到形形色色的人群和事物,包括朋友、宠物、昆虫、植物、高科技产品等等,它们也自然而然成为了我们微生物的供应者。

“人是铁,饭是钢,一顿不吃饿得慌”,我们需要通过进食来补充能量,我们的肠道微生物同样也需要,但它们没有太多的自主权,我们吃什么,它们就只能吃什么;所以,我们的饮食习惯长期影响着肠道微生物的组成:高脂肪、高蛋白、低纤维的饮食会导致肠道微生物多样性降低,进而导致肠道炎症、免疫疾病等的发生;相反,高纤维、低红肉含量的饮食习惯能使体内微生物更多样化,能很好地改善我们的免疫系统。

敲黑板,为了健康,我们一定要“多吃蔬菜多锻炼,少吃油炸少躺平”。同时,还有另一个重要的影响因素,那就是抗生素。大家都了解“超级细菌”,这是一种无法被所有现有药物有效杀死或抑制的细菌,而抗生素的滥用恰恰是有可能导致这种细菌产生的罪魁祸首。

中医讲究“阴阳调和”,可以简单地理解为一种平衡。在健康的人体中,肠道微生物就处于这种动态平衡中,但一旦由于某种原因打破了这种平衡,迎面而来的便是种种的生理疾病,比如,心脏病、肠炎、肠癌、肥胖症、抑郁、哮喘等。

以肥胖为例,肥胖个体由于长时间的“暴饮暴食”或某种天资,赋予了肠道微生物极强的食物消化能力,吃高热量食物吃上瘾的肠道微生物在享受盛宴的同时会分泌化学物质来刺激肥胖者神经细胞,使其有更大的冲动胡吃海喝,造成肥胖的恶循环。

而正常个体的肠道微生物在接触到高纤维食物时会分泌短链脂肪酸,这是一种信号分子,可以“命令”还没摄入脂肪的脂肪细胞减少摄入、已经“沦陷”的脂肪细胞加速脂肪代谢,构建健康饮食的良循环。

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微生物失调导致种种疾病发生

 人类微生物事实四:“药罐子”

人类微生物蕴藏巨大的药物开发潜能

加利福尼亚大学洛杉矶分校医学院生理学教授贾雷德·戴蒙德于1997年出版了一部巨著——《枪炮、病菌与钢铁:人类社会的命运》,将病毒对人类社会走向的影响与枪炮的摧残、钢铁的发展相提并论,甚至认为其更胜一筹。

自2019年年末至今,普天之下一直被裹挟在新冠疫情的阴霾之下,戴口罩和测核酸已然成为了日常生活的刚需。得益于呼吸机、疫苗等技术的发展,我们正缓慢走在疫情防控攻坚战的收尾阶段。

但远在600多年前的先辈们受限于医疗水平的落后,并没有我们如此幸运。1347至1351年间,“黑死病”席卷欧亚大陆,夺走了约7500万至2亿人的生命;而引起这场瘟疫的主角,是小小的鼠疫耶尔森菌,通过跳蚤叮咬传播。

人们对瘟疫的恐惧一直都存在,中国民间也因此产生了五位瘟神:春瘟张元伯,夏瘟刘元达,秋瘟赵公明,冬瘟钟仕贵,总管中瘟史文业,是传说中能散播瘟疫的恶神。直到1928年,微生物学家亚历山大·弗莱明偶然发现青霉菌群落周围没有细菌,从而得到了人类历史上第一种抗生素——青霉素。

青霉素的发现对于人类防止感染带来了划时代的进步,挽救了数百万二战的伤员,也因此被英国首相丘吉尔评价为“二战时最伟大的发明”,和原子弹、雷达并称为“二战三大发明”。既然抗生素的发现及工业化生产只有不到100年时间,而微生物的进化历程要远超前于人类的进化,古人为何不会轻易就因为致病菌殒命呢?

这里自然有人体免疫系统的作用,但还有一个极其重要的影响因素——人类微生物。现在已经有诸多研究者证实,分布于人体不同位置的微生物会分泌多种抗生素,从而有效杀死少量侵染的致病菌,与免疫系统一同保卫着我们的身体健康。

人类微生物种类纷繁多样,基因千奇百怪,是一个巨大的资源宝库,而目前就我们的理解能力,只窥探到不足2%,可谓冰山一角,好比我们只看到了茫茫宇宙中的璀璨星河,而更加迷人的暗物质和暗能量还等待着我们去挖掘和探索。

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人类微生物产生的抗生素

人类微生物事实五:以“毒”攻毒

人类微生物蕴藏巨大的医学治疗价值

中国自古有“是药三分毒”的说法,抗生素也不例外,其在治病救人的同时,不合理的使用也带来了严重的耐药菌问题。

美国印第安纳州一患者持续六个月伴随头晕、腹痛、恶心等症状,被医生诊断为艰难梭菌感染,这是一种能引起强烈腹泻的致病菌,患者每天要上二十多次卫生间,生活极其“艰难”。

对症下药,医生开了很多常规的抗生素治疗药方,最后甚至拿出了抗生素界的“扛把子”——万古霉素。但不幸的是,感染这名患者的艰难梭菌具有很强的抗万古霉素耐药性,最后一个杀手锏,王牌药物也被踢下了擂台,似乎一切变得无计可施,就跟当时的恐龙家族目睹毁灭性陨石砸向自己家园一样。

在面临切除整个大肠还是等待死亡的抉择时,患者选择了第三个选项——粪便移植。通俗来讲,就是将正常人体的粪便通过医疗手段移植到患者肠道内,从而重构患者的肠道菌群,增加其多样性,让其恢复到艰难梭菌感染前大家和睦相处的时光。

幸运的是,这种以“毒”攻毒的方法发挥了奇迹般的疗效,患者肠道菌群在治疗三天后逐渐恢复到正常水平,种种症状也得到缓解,生活不再像以前那般“艰难”。

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粪便移植用于治疗艰难梭菌感染

人类微生物之于我们,就像蜜蜂之于花朵,花朵之于美学。人生在世没有根蒂,飘泊如路上的尘土。朋友,请善待自己,善待你的人类微生物。

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