肠道微生物组——居住在人类肠道中的微生物世界——因其在健康中的关键作用而引起了科学家和临床医生的兴趣。然而，弄清哪些微生物对我们的健康产生影响仍然是一个谜。
为了更接近解决这一谜题，加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California - Santa Barbara）的物理学家埃里克·琼斯（Eric Jones）和珍·卡尔森（Jean Carlson）开发了一种数学方法，用于分析和模拟果蝇肠道细菌之间的相互作用。这种方法可能有助于更深入地理解人类肠道微生物之间复杂的相互作用。
他们的研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。
"特别是在过去20年左右的时间里，科学家们发现微生物组与身体其他部分、免疫系统以及大脑相互作用，"卡尔森实验室的研究生研究员琼斯表示。"许多疾病与肠道中特定的微生物组成有关。"
人类肠道微生物组目前过于复杂，无法进行全面分析。因此，由卡内基科学研究所（Carnegie Institution for Science）生物学家威尔·拉丁顿（Will Ludington）领导的研究团队使用果蝇作为模型生物，以揭示特定肠道细菌的存在如何导致宿主生物体的生理和行为效应。
在他们的论文《微生物组相互作用塑造宿主适应性》（"Microbiome interactions shape host fitness"）中，卡尔森、琼斯、拉丁顿及其同事研究了果蝇肠道中发现的五种核心细菌之间的相互作用，并计算了单个物种的存在或缺失如何影响果蝇的适应性，包括寿命、繁殖力和发育。拉丁顿表示："我们通常以黑白分明的方式思考细菌物种，将其视为疾病的致病因子——要么你有，要么没有。我们的工作表明，微生物组并非如此。特定物种的影响取决于其他共存物种的环境。"
基于先前的研究发现（细菌的存在与否会影响生物体的寿命，无菌宿主寿命更长），研究人员在此项目中的工作揭示情况远比这复杂。例如，某些细菌的存在可能会增加宿主的繁殖力，而其他细菌可能会降低寿命。拉丁顿解释道："当我们考察我们称之为果蝇适应性的总和——它生存和繁衍后代的机会时——我们发现存在一种权衡：寿命短但后代多，与寿命长但后代少之间的权衡。这种权衡是由微生物组相互作用所介导的。"
为了破译这些相互作用，拉丁顿进行了组合分析，培育了32批果蝇，每批都由五种细菌的独特组合占据。对于每种细菌组合，拉丁顿测量了果蝇的发育、繁殖力和寿命。对这些相互作用的分析需要卡尔森和琼斯开发新的数学方法。
"通常作为起点的模型是考虑成对细菌之间的相互作用，"研究复杂系统物理学的卡尔森表示。"这项研究表明，严格的成对模型并不能捕捉到所有观察到的果蝇特征。"
研究人员表示，该研究表明，细菌种群之间的相互作用对宿主整体适应性的影响与其存在一样重要——微生物组的影响不能仅仅归因于单个物种的存在或缺失。琼斯表示："从某种意义上说，微生物组对宿主的影响大于其各部分的总和。"
新开发的模型可以扩展到更好地理解人类微生物组中数千种不同细菌之间的相互作用，这反过来可能揭示与微生物组相关疾病的许多联系，包括情绪障碍、神经功能障碍、自身免疫疾病和抗生素耐药超级细菌。
"在许多情况下，感染是由我们体内一直存在的细菌引起的，这些细菌通常由原生肠道细菌控制，"卡尔森表示。她解释说，感染并非某种新的可怕细菌，而是其他细菌种群发生了变化，导致感染性细菌不受限制地生长。
"这实际上是要理解这些系统的种群动态，"她说道。
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