在經(jīng)典的生物多樣性隨時空尺度變化的理論中，一只熊貓和一千只熊貓在分量計算上是沒區(qū)別的。
　　近日，中科院昆明動物所馬占山團隊通過對人體菌群多樣性時空變化的研究，對“生物多樣性隨時空尺度變化”的經(jīng)典理論作出了一系列擴展，突破了這一局限。
　　突破生物多樣性
　　經(jīng)典理論
　　馬占山是昆蟲學和計算機雙料博士，曾在硅谷做過10年軟件工程師，現(xiàn)在從事計算生物學研究。其實驗室研究領(lǐng)域之一就是人類菌群醫(yī)學生態(tài)學。2014~2016年，他與美國馬里蘭大學合作開發(fā)出了目前仍處于國際先進水平的三代基因測序軟件，這一領(lǐng)域針對最新超長讀段的軟件技術(shù)在近期取得了重要進展，其發(fā)明專利也已被受理。
　　生物多樣性理論認為物種數(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60年代科學家提出了“物種—時間關(guān)系”，并在古生物進化領(lǐng)域研究獲得了一系列驗證。90年代科學家進一步擴展提出了“物種—時間空間關(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，而不考慮物種個體的數(shù)量，即一只熊貓和一千只熊貓所占分量沒有區(qū)別。
　　“通過理論的更新，我們可以根據(jù)研究和應用目的進行權(quán)重的調(diào)整。例如，如果研究或應用目的是珍稀動植物保護，則應對其增加權(quán)重；而如果研究或應用目的是不同小龍蝦品種的養(yǎng)殖，則權(quán)重自然應該傾向于普通豐度，甚至高豐度物種?！瘪R占山說。
　　他表示，這些新概念、模型和估計方法可以有效解決多樣性評估中顧此失彼的困境。從而為研究多樣性隨時空尺度變化幅度的評估提供靈活通用、功能強大的定量分析方法和工具。
　　醫(yī)學也要講生態(tài)
　　“醫(yī)學生態(tài)學”名詞最早是由法國微生物學家林奈于20世紀30年代提出，當時主要用于研究大氣污染或環(huán)境變化對人類健康的影響。
　　美國于2008年啟動了“人類微生物菌群宏基因組計劃”，馬占山回國前曾是參與該計劃的科學家之一。他回國后組建了“計算生物與醫(yī)學生態(tài)學”實驗室。
　　“基因測序技術(shù)的發(fā)明對人體菌群的研究產(chǎn)生了革命性的突破。將基因測序應用于人體菌群的研究技術(shù)被稱為宏基因測序技術(shù)?！瘪R占山說。
　　基因測序通常是指對單一物種基因組的測序。而人體內(nèi)的微生物不是單一物種，是成千上萬種微生物，如果采用普通基因測序技術(shù)，對微生物逐種測序，顯然效率極低。于是，科學家在10多年前發(fā)明了可以一次測定樣本中所有微生物物種所攜帶基因的“宏基因測序”技術(shù)。但難題是：人體90%以上微生物物種至今無法人工培養(yǎng)。宏基因測序技術(shù)發(fā)明之初，科學家其實就已經(jīng)預料到了該技術(shù)對醫(yī)學研究將產(chǎn)生深遠的影響。哈佛大學醫(yī)學院前院長Sydney Burwell在2011年預言：10年后我們會發(fā)現(xiàn)，醫(yī)學院現(xiàn)在所教授的內(nèi)容有一半是錯的。
　　“7年后的今天，我們可以發(fā)現(xiàn)他的預測并非言過其實。目前已知與菌群相關(guān)的疾病至少多達兩位數(shù)，包括大眾所熟悉的肥胖、糖尿病、痛風、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
　　馬占山認為要把菌群作為人體生態(tài)系統(tǒng)的成員，它們理所應當?shù)卣加羞m當?shù)纳鷳B(tài)位。換句話說，人們不應該將它們無理逐出自然家園。而工業(yè)化和現(xiàn)代生活方式以及現(xiàn)代醫(yī)學實踐已經(jīng)對人體腸道菌群產(chǎn)生了深刻影響。
　　事實上，人類對抗生（菌）素濫用與殺蟲劑使用是今天許多健康問題的起因。而新興的菌群醫(yī)學生態(tài)學自然應該受到重視。人與自然的和諧應該包括與自身菌群的和諧。正是基于以上理念，馬占山團隊將醫(yī)學生態(tài)學定義為：以計算生物信息學、理論生態(tài)學為主要技術(shù)手段和理論基礎(chǔ)，研究人體菌群相關(guān)疾病的發(fā)病機制、發(fā)生風險評估，以及早期診治技術(shù)。在過去5年中，馬占山團隊已經(jīng)圍繞該領(lǐng)域申請了10多項國家發(fā)明專利。團隊還與美國哈佛大學、北卡大學、佛蒙特大學和英國帝國理工學院的國內(nèi)外學者進行著廣泛合作研究。
　　2015年馬占山團隊通過對美國學者關(guān)于母乳菌群測序數(shù)據(jù)的生物信息學分析發(fā)現(xiàn)了母乳菌群網(wǎng)絡(luò)中“機會性病原菌”的存在。機會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菌所壓制，因此難以興風作浪。而當哺乳衛(wèi)生狀況出現(xiàn)問題，或者母親免疫力下降時，母乳菌群對于機會性病原菌可能失去控制，從而導致乳腺炎發(fā)病。這一假設(shè)也被廣泛認為是迄今為止對于乳腺炎發(fā)病機制最為合理的解釋。
　　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，目前市場上所有配方奶粉中DHA并非自然產(chǎn)生。目前這兩項研究發(fā)明專利已經(jīng)進入實質(zhì)審核階段。
　　“其實我們所居住的室內(nèi)環(huán)境微生物菌群也存在類似時空動態(tài)變化關(guān)系。”這是他們的最新研究發(fā)現(xiàn)。
　　（原載于《中國科學報》 2018-10-29 第6版 院所)