人体寄居着大量的细菌——数量大约与人体细胞相当，其中大多数位于肠道，特别是结肠。包括多种细菌物种和菌株在内的不同微生物共同构成了肠道微生物群，它被认为在人类健康中起着核心作用，影响免疫反应以及各种疾病的发展进程。然而，尽管已有大量基于基因测序和动物模型实验的微生物群研究，人类肠道中微生物种群的动态仍然知之甚少。多伦多大学的Alinaghi Salari和斯坦福大学的James Cremer提出了一种包含人类大肠诸多特征的肠道环境生物物理模型[1]。通过该模型，研究人员明确了不同因素（如营养供应与消化、细菌生长以及一天内波动的生物量运输）如何影响整体肠道微生物群的种群动态（图1）。
肠道微生物群以复杂的方式与人体或其他动物宿主相互作用。除了帮助宿主消化食物外，微生物群还参与宿主免疫系统的成熟，并影响宿主细胞的增殖以及神经信号传导。肠道微生物群的组成对宿主健康有重要影响：一些组成异常与肥胖症和2型糖尿病等疾病相关。肠道微生物群还与一个主要的公共卫生问题有关：抗生素耐药性的发展，无论是在人类还是牲畜中。口服抗生素治疗可能促进微生物群中抗生素耐药菌株的生长，而抗生素耐药基因可能在微生物群内的不同细菌物种之间转移。鉴于这些重要影响，肠道微生物群的研究是一个极为活跃的研究领域。
肠道细菌在其自然环境中消耗食物、生长、相互作用并进化。理解这种相互作用对于确定是什么控制了肠道微生物群的组成至关重要，这可能有助于设计干预措施来改变这种组成以改善宿主健康。从物理角度来看，肠道环境非常复杂。它沿肠道主轴有一个整体定向的流体动力学流动，因为肠道内容物逐渐向前移动，大多数细菌被这一流动带走。肠道流体动力学的另一个特点是由于肠道周围肌肉收缩引起的混合和再循环。这些运动促进了消化。食物和细菌的浓度也沿肠道主轴显示出强烈的梯度。当食物进入上游时，简单营养物质首先被身体吸收，然后更复杂的分子被细菌分解，细菌反过来分裂并变得更多。最终，剩余的食物与许多细菌一起离开系统。此外，肠道环境具有重要的时间变异性，因为食物在用餐时间被摄入，排便也发生在离散的时间点。基于物理学的模型目前在理解这种复杂的肠道环境如何塑造微生物群的丰度、组成和动态方面发挥着关键作用。特别是，迫切需要能够阐明每个环境因素对微生物群影响的理论模型。
Salari和Cremer的新工作建立在Cremer及其同事先前开发的肠道微生物群开创性模型的基础上。这些模型考虑了肠道中微生物生长与流体动力学的耦合[2, 3]，并提供了关于肠道中食物和营养物质浓度梯度如何建立的见解。Salari和Cremer的新模型更为全面。一方面，它明确考虑了肠道的径向维度——将其视为圆柱体——以及由肌肉收缩引起的半径动态变化，这使得肠道具有可扩张性。在这个模型中，研究人员通过基于有限元方法的模拟研究了肠道环境对肠道细菌种群的影响（图2）。他们确定了多种因素，这些因素共同使得近端结肠（结肠的第一部分和中间部分）能够维持高但波动的微生物种群。这些因素包括时间依赖的食物摄入（每天三餐的摄入）、肠道的可扩展体积、肠道内容物的周期性质量运动以及存在一个受主流保护的袋状结构（在解剖学上称为盲肠）。有趣的是，如果不同时考虑这些物理因素，模拟将预测细菌种群的衰减，这与观察结果不符。同时考虑所有这些物理因素显然是恢复生物学观察特征的关键。
对影响微生物生长动态的关键生物物理成分的洞察为了解宿主生理如何控制这种微生物生长提供了窗口。这些新见解为更多的基础和应用研究开辟了许多方向，可能包括针对肠道微生物群设计医疗干预措施。特别是，这项研究可能对肠道细菌生态学及其相互作用（彼此之间以及与宿主之间的相互作用）的研究具有重要意义。一个重要结论涉及依赖交叉喂养的细菌（即它们以其他细菌物种代谢产生的复杂营养物质发酵产物为食）。Salari和Cremer的新模型表明，由于这些细菌生长较慢，它们无法有效积累。因此，大部分这些营养物质仍可供宿主作为能量来源。
最后，这项工作对理解肠道微生物群的达尔文进化具有重要意义。具体来说，研究人员评估了其模型得出的“有效”种群规模（细菌数量）。这个数字代表了一个不随时间变化的等效良好混合种群的大小，是突变体接管肠道细菌种群的重要指标[4, 5]。新的估计对应于比预期更小的有效种群规模——这一发现与我们对细菌多样性和物种更替的理解以及肠道微生物群进化更详细模型的开发相关。
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