01｜微生物组：新发现的人类进化伙伴

你好，我是段云峰，欢迎来到《人体微生物组课》。这是一门科技前沿课程，我向你介绍科学界正在爆发的一个前沿研究领域：人体微生物组。

注意，人体微生物之后加了一个“组”，为什么非要加这么一个“组”字呢？背后大有讲究。但是回答这个问题之前，需要先解决一个问题：为什么要研究人体微生物呢？答案很简单，因为我们遇到了困难了，解决不了问题了。我给你举一个例子。海苔，就是吃的那种海苔，特别有营养。

日餐里的寿司、手卷外面包裹的那片绿色的东西，就是海苔。但生物学家解码了基因，发现人类没有消化海苔的基因。也就是说，人类根本就没办法消化海苔。人的各种能力都是基因的某种表达，这个观念已经深入人心了。科学家也做了大量的研究发现。

基因参与决定了你的方方面面，比如身高的上限，嗅觉的灵敏度，酒量好不好等等等等。这就有冲突了。你没有消化海苔的基因，但是你能消化海苔。这怎么解释呢？答案只能指向一个方向：我们的很多能力，并不完全来自基因。来自谁呢？科学家找到了这个帮手。

这就是这一讲的标题，“微生物组，新发现的人类进化伙伴”身上。这个标题，有三个关键词：新发现的、微生物组和进化伙伴。我们下面一个一个来解释。

为什么是“新发现”

先说“新发现的”。怎么算是“新发现”呢？微生物组的研究方法，是一个全新的思路。研究微生物组的科学家相信，人类，还有其他多细胞的生物，都不是我们原来以为的独立“个体”，而是和几十万亿微生物一起，组成的一个集合体。

按照这个思路，他们建立了新的研究方法，开发了新的研究工具，比如基因测序技术和数据分析技术，通过这些技术，获得了对这个集合体的新认知。我们的问题是，这个研究思路，是什么时候建立的呢？我们不能用第一次出现类似想法的时间作为起点，因为想法很多，随时都能冒出来。

但是一个想法，很多科学家开始相信，并且逐渐诞生新的研究纲领，有大量的聪明人和科研经费投入，特别是形成了一个关键的里程碑事件，这才算“开始”的起点。

选来选去，我找到一个重要的里程碑事件，那就是 2007 年，作为全球科技风向标的美国投入 2 亿多美元，启动了“人类微生物组计划”。这个计划的主要内容是，对人体内微生物的基因组序列进行测序，让我们知道了人体内的微生物到底有多少，都有什么。

我觉得，这是微生物组这个研究思路获得科学共同体认可的标志。 2007 年距离 2020 年，是多长时间呢？只有 13 年。我们再看近 10 年科学共同体对这个领域的评价。2011 年，《科学》杂志把肠道微生物研究评为年度十大科学突破之一。

2012 年之后，包括《科学》杂志在内的各大顶级杂志，都陆续推出了各自的微生物组专辑。2020 年 1 月，顶级学术杂志《自然》，把微生物组当成了“年度十大最值得关注的生物科技”之一。这么一看，说“新发现的”，应该还是成立的吧。

当然，这个学科的拼图没有拼完整，很多地方还很模糊，但是已经不影响我们看到一个新的图像，一个新的世界。

什么是“微生物组”

接下来，我们说说“微生物组”，为什么微生物之后要加一个“组”字？你肯定注意到，科学家有时候说“基因”，有时候说“基因组”。差别在哪里呢？基因是指一个可以遗传的 DNA 片段，这个片段可以编码我们的某种能力。

比如你能不能喝酒，就看在编码的基因当中，分解酒精的酶能不能产生，活性高不高，活性高，你分解酒精的能力就强，酒量就好。而基因组是指，生物体内全套的遗传物质。注意啊，基因组大于基因的总和，因为全套的遗传物质当中，有编码区和非编码区，还有一些我们还没搞清楚的部分。

编码区里的就是基因，非编码区里是 DNA，但不是基因。所以，加了一个“组”字，就是指“全套”的所有遗传物质。理解这个区别，我们就知道为什么前面提到的那个里程碑事件，叫“人类微生物组计划”了。我们也要对微生物组的“全套”遗传物质进行测序。不过，对微生物组测序的工作量，要比基因组大得多。

因为人体基因组是一套遗传物质，但是人体微生物有很多种，比如一般人体中有大肠杆菌这样的细菌，有酵母菌这样的真菌，甚至还有一种叫噬菌体的病毒，它们的基因都要进行测序。我们是在对多物种的无数套遗传物质进行测序。

而且，每个微生物都是独立的生物，我们不仅要对它们的基因进行测序，还要研究它们作为一个生物实体的作用和功能。在这些工作全都完成之后，才有下一步的分析。“人体微生物组”当中的“人体”是一个总称，它包括口腔、肠道、皮肤各个位置。

比如我们说“肠道微生物组”的时候，那就是说人体肠道内，肠道微生物的遗传物质总和。

之前，有些科普文章也把“肠道微生物组”叫作“肠道菌群”，是一个意思。我们强调的，不是肠道这个位置，而是这个范围内的微生物作为一个整体所提供的功能。就比如我们开头提到的那个问题，为什么人类明明没有消化海苔的基因，但是却可以消化呢？答案就在我们的肠道微生物组里。

海洋中一些细菌里，有能分解海苔的酶，肠道微生物如果能从海洋细菌那里借来这种酶，那问题就解决了，你就可以放心吃海苔了。还有一个重要的问题要澄清。我们到处走动，一会儿去哈尔滨，一会儿去三亚，肯定会遇到各种各样的微生物。

那么人体微生物组的内容不就太庞大了吗？和自然界当中的微生物种类不就几乎一样了吗？那还有什么研究价值呢？所以，我们必须对哪些微生物属于人体，哪些不属于，给出一个标准。哪些微生物属于人体微生物组呢？

那些能适应人体环境，能在人体繁衍的微生物，才算是人体微生物组的一部分。学科上，我们把这种状态叫“定殖”，固定下来，成功繁殖。再强调一下，能在人体内定殖的微生物就算是人体微生物组。能定殖非常不容易，我拿肠道微生物组来举个例子。

肠道微生物主要来自食物，但能经过胃酸的考验，成功到达肠道的微生物，数量特别少。而且食物当中的微生物大部分都需要氧气，而肠道里的氧气浓度非常低，有些微生物即使成功到达肠道，因为受不了缺氧的环境，也完不成繁衍，迅速就死掉了。

再比如皮肤微生物组，皮肤上氧气多，微生物没有缺氧的烦恼，但皮肤经常很干燥，更耐旱的微生物才能定殖。我想提醒你，在我课程里，使用“人体微生物组”的时候，更多地偏向说人体整体或者某一个部位的全部微生物组合。而使用“人体微生物”的时候，更多地偏向说这是一个虚拟的行为主体。

为什么是“进化伙伴”

微生物组对人类来说意味着什么呢？用一句话来回答，就是我们这一讲标题的后半部分，“人类的进化伙伴”。什么样的伙伴，可以称为进化伙伴呢？能为人类提供价值，同时依赖人类完成它自己的生存和繁衍，和人类建立了稳定、长期关系的生物，都可以称为人类的进化伙伴。

比如，爱斯基摩犬，就和在北极圈生活的人结成了稳定的长期关系。在北极那样的环境下，全年冰天雪地，食物种类又特别少，每年还有好几个月见不到太阳。在这么严酷的条件下，人类怎么活下来呢？这多亏了爱斯基摩犬。

人类在北极的各种活动，比如外出打猎、搬家、运送货物，都得靠爱斯基摩犬，人类离不开它们。而爱斯基摩犬，在那样的环境下也不可能独自生存。在北极，爱斯基摩犬就是人类的进化伙伴。从这个角度说，微生物组也是当之无愧的人类进化伙伴。我举几个例子。

人体微生物能帮助我们转化能量。

咱们早就知道，小肠可以把食物转化成能量给人体供能。现在科学家发现，这些能量当中的 10%，其实来自微生物。

它们会把人本来消化不了，或者不好消化的食物，就比如海苔，转化成人体能用的能量。人体微生物能帮助我们合成营养物质。有研究者测算了一下，人体血液里运输的小分子营养物质，最多有 36%都是微生物组提供的。人体微生物能帮助我们的免疫系统提升能力。

比如一些革兰氏阴性菌的菌体成分，能协助人体免疫系统正常工作，帮助人体维持健康。我们在课程接下来的部分会详细讨论。这里就不再多说了。有人说，人类的基因组，是“极简基因组”。

意思是说，我们现在的基因，是能适应环境的最少基因，因为有了微生物组，我们不用对每个能力都编码。微生物组替我们编码了多少基因呢？跟你说一个数据，人体基因组只有 2 万多个基因，而我们可以调动的，是微生物组中的 988 万个基因。

你看，你哪里还是你自己，你是你和微生物组，共同组成的“超级生物体”。

总结

总结一下这一讲的内容。从“人类微生物组计划”启动到现在，人体微生物组依然是一个前沿领域。对于“人体微生物组”，我们强调的，不是“人体”这个位置，而是这个范围内的微生物作为一个整体所提供的功能。它能为人类提供价值，依赖人类完成它自己的生存和繁衍，和人类建立了稳定长期的关系，它是我们新发现的人类进化伙伴。

思考题

我们说微生物组是我们新发现的进化伙伴，要说人类的进化伙伴，你可能会想到能运送货物的马，能帮忙耕地的牛，你还能想到哪些生物是我们的进化伙伴吗？欢迎留言告诉我。作为进化伙伴，微生物组是怎么帮我们适应环境的呢？我们下一讲来回答这个问题。