肠道微生物群——人类肠道微生物的世界——因其在健康方面的关键作用而引起了科学家和临床医生的兴趣。然而，分析哪些微生物对我们的健康有影响仍然是个谜。
加州大学圣巴巴拉分校的物理学家埃里克·琼斯(Eric Jones)和珍·卡尔森(Jean Carlson)开发了一种数学方法来分析和模拟果蝇肠道细菌之间的相互作用，让我们离解决这个难题又近了一步。这种方法可以使我们对人类肠道微生物之间复杂的相互作用有更深入的了解。
他们的发现发表在 美国国家科学院院刊。
卡尔森实验室的研究生研究员琼斯说:“特别是在过去20年左右的时间里，科学家们一直在发现，这种微生物群与你身体的其他部位、免疫系统和大脑相互作用。”“许多疾病都与肠道中的某些微生物成分有关。”
到目前为止，人类肠道微生物群的多样性还无法完全分析。相反，由卡内基科学研究所生物学家威尔·卢丁顿(Will Ludington)领导的研究小组将果蝇作为一种模型生物体，来分析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。
卡尔森、琼斯、鲁丁顿和同事们在他们的论文《微生物群落相互作用塑造宿主的适应性》中，研究了苍蝇肠道中发现的五种核心细菌之间的相互作用，并计算了个体物种的存在与否如何影响苍蝇的适应性，包括寿命、繁殖能力和发育。卢丁顿说:“我们认为细菌物种的经典方式是在黑白分明的背景下作为疾病的媒介——要么你有，要么没有。”“我们的研究表明，微生物组的情况并非如此。特定物种的影响取决于其他物种所处的环境。”
之前的研究发现，细菌的存在与不存在会影响有机体的寿命(无菌宿主寿命更长)，在此基础上，研究人员在这个项目上的工作揭示，情况要微妙得多。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。卢丁顿解释说:“我们研究了我们所说的苍蝇的健康状况，也就是存活和繁殖后代的机会。我们发现，在后代多的情况下，苍蝇的寿命短，而后代少的情况下，苍蝇的寿命长。”“这种权衡是由微生物群相互作用介导的。”
为了解释这些相互作用，卢丁顿进行了一项组合试验，饲养了32批果蝇，每批果蝇都有5种细菌的独特组合。对于每种细菌组合，卢丁顿都测量了苍蝇的发育、繁殖力和寿命。对相互作用的分析需要卡尔森和琼斯开发新的数学方法。
卡尔森说:“一个通常可以作为起点的模型是考虑成对细菌之间的相互作用。”卡尔森的研究深入复杂系统的物理学。“这项研究表明，严格的两两配对模型并不能捕捉到所有观察到的苍蝇特征。”
研究人员说，这项研究表明，细菌种群之间的相互作用对宿主整体健康的影响和它们的存在一样重要——微生物群落的影响不能仅仅归因于个体物种的存在或不存在。“从某种意义上说，”琼斯说，“微生物对宿主的影响不仅仅是各部分之和。”
新开发的模型可以扩展到更好地理解人类微生物群中成千上万种不同种类的细菌之间的相互作用，从而阐明与微生物相关的许多疾病之间的联系，包括情绪障碍、神经功能障碍、自身免疫性疾病和耐抗生素的超级细菌。
卡尔森说:“在许多情况下，感染是由我们体内的细菌引起的，这些细菌一直存在于我们体内，并且被本地的肠道细菌所控制。”她解释说，并不是说感染是一种新的可怕的细菌，而是其他细菌的数量发生了变化，导致感染细菌无限制地生长。
她说:“这实际上是为了了解这些系统的种群动态。”
