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科普:鼠类肠道中的微生物王国 精选

已有 4117 次阅读 2017-7-26 17:55 |个人分类:科普随笔|系统分类:科普集锦|关键词:鼠类,肠道微生物,大自然

鼠类肠道中的微生物王国

薄亭贝  王德华

 

微生物是生物界的一个大类群,它们的身影无处不在。空气、土壤、海洋湖泊,到处都有。

我们人的身上也有微生物,主要分布在人身体体表及与外界相通的腔道里,口腔、鼻腔、咽喉、肠道以及泌尿生殖道等部位都有大量的微生物。胃肠道细菌的种类繁多且数目巨大,约占机体微生物总量的78%,人类肠道微生物的数量有1014之多,约为我们身体细胞数量的510倍。更不可思议的是,人体每天排出的粪便,其干重的1/3都是细菌。人类等动物的肠道具有高温、缺氧、营养物质丰富等特点,是非常适合微生物生存的场所。

鼠肠道菌群及其生理功能

鼠类的共生微生物有两种来源:垂直传播:出生时来自母体的微生物。水平传播:来自环境和周围同伴的微生物。对于鼠类来说,垂直传播的微生物占主要部分。

在鼠类的肠道中生活的肠道菌群按照功能可分为三类:一、共生菌群:主要有拟杆菌、梭菌、双歧杆菌、乳酸杆菌等,这些菌最为庞大,占到了肠道菌群的99%以上,它们与寄主形成良好的合作关系,可以辅助消化多种食物,还可以保护肠道。二、条件致病菌群:主要有肠球菌、肠杆菌等。这些菌数量不多,当肠道处于健康状态时,共生菌群占压倒性优势,条件致病菌群就不会致病;但如果共生菌群被破坏了,条件致病菌就会引发多种肠道疾病。三、致病菌群:如沙门氏菌、致病大肠杆菌等,这些菌是健康的破坏者,当它们通过食物或者其他途径进入肠道,且数量占上风时,就可导致腹泻和食物中毒等。  

研究人员已经对数十种哺乳动物的肠道菌群组成结构进行了分析,发现宿主的食性不同会影响肠道菌群的多样性。如生活在中国的两种鼠兔高原鼠兔(Ochotona curzoniae)和达乌尔鼠兔(Ochotona dauricus),后者主要分布在内蒙古草原,分布面积很广,食物资源不同,土壤中微生物结构有差异,导致不同区域的达乌尔鼠兔肠道菌群差异显著。

鼠肠道微生物的重要作用

鼠类肠道中的微生物王国对鼠类自身的生长和繁殖发挥着重要的作用,首先是参与鼠类体内糖类和蛋白质的代谢过程,促进铁、镁、锌等元素的吸收;其次可以影响宿主的行为和能量代谢,帮助宿主适应环境;再者能够调节免疫系统功能并抑制病原菌感染;最后还有调节情绪和缓解焦虑的作用。

1、帮助鼠消化和吸收能量    

肠道细菌最重要的功能是帮助消化和吸收,它们可以提供许多宿主不具备的酶和生化代谢通路,通过发酵降解多糖(淀粉、纤维素、胶质)和没有被吸收的寡糖从而产生能量。这些细菌的发酵产物被宿主吸收之后,能提供机体约10%的能量来源。

布氏田鼠(Lasiopodomysbrandtii)是生活在内蒙古草原的一种可爱又顽强的啮齿动物,属于仓鼠科田鼠属,体形小、不冬眠,是严格的植食性鼠。布氏田鼠的盲肠发达,可以分解植物的纤维素,在这个过程中起关键作用的就是微生物。微生物把盲肠变成了一个大发酵罐,可以帮助布氏田鼠更好地吸收营养。布氏田鼠盲肠内主要的肠道菌有拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、变性菌门(Proteobacteria),其中厚壁菌门中的乳杆菌(Lactobacillus)和拟杆菌门中的双歧杆菌(Bifidobacterium)是有益菌,能促进蛋白质单糖等营养物质的吸收,产生维生素B等大量有益的物质。肠道菌群除了能分解多糖、促进消化吸收外,还会产生大量短链脂肪酸,这些短链脂肪酸是结肠的好养料,供结肠细胞的生长和发育。肠道微生物对于脂肪的积累也起不小的作用:有一项研究将相同年龄和遗传背景的无菌小鼠和正常小鼠喂以标准饲料后,无菌小鼠的食物摄入量增加了29%,但体重却降低了42%。如果再将正常小鼠的肠道菌群移植到无菌的小鼠体内,2周后无菌小鼠的脂肪反而增加了60%,并产生胰岛素抵抗。这个实验说明了肠道微生物与鼠的身体脂肪积累有很大的关系。

2. 帮助鼠适应周围的环境    

在自然环境中,季节变化会导致野生动物的食物资源和食物种类都发生改变。为了消化不同类型的食物,肠道菌群能够感应鼠的食物和季节性环境因子的变化,并做出适应性调整,进而调控鼠的能量代谢。如随着季节的变化,森林姬鼠(Apodemusdraco)的食物由昆虫为主转变为以植物的种子为主,同时肠道中菌群中乳酸菌属Lactobacillus)所占的比例逐渐降低,而另枝菌属(Alistipes)和螺杆菌属Helicobacter)所占的比例则显著升高。

随季节变化,许多鼠会选择在冬季冬眠或蛰眠以应对饥饿和寒冷。冬眠动物的肠道微生物会怎样变化呢?多纹黄鼠(Ictidomys tridecemlineatus)是一种典型的冬眠动物,它们在夏季摄食量高,身体储存大量脂肪,到了冬季就进入冬眠状态,降低体温和代谢率,慢慢消耗脂肪以维持生存。多纹黄鼠的肠道(尤其是盲肠)主要被三类菌占领着,分别是拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和疣微菌门(Verrucomicrobia)。多纹黄鼠在冬眠时期盲肠内的肠道菌群结构会发生剧烈变化,丰富度和多样性都会减少。厚壁菌门的数量下降,而拟杆菌门的数量会增加,北极黄鼠也有与其相似的现象。

冬眠期间肠道菌是怎么生活的呢?其实一些肠道微生物仅仅依靠鼠的粘液、脱落的上皮细胞营养物质、胰腺分泌物和胆汁就可以生存。达乌尔黄鼠(Spermophilus dauricus)也是典型的冬眠动物,它在冬眠时期肠道微生物的多样性也会大大降低,而夏季又会恢复,这种周期的变化对于脂肪的积累和消耗是很有帮助的。

3. 守护鼠的健康    

现在人们越来越认识到肠道菌群的有益功能。正常菌群的生长和繁殖会在动物体肠道内形成一层菌膜屏障,抑制并排斥过路菌群的入侵和群集,调整宿主与微生物之间的平衡状态。

从健康的角度来说,肠道菌群的代谢产物乙酸和丙酸能调节糖代谢,降低血糖和血脂水平。研究人员建立高胆固醇血症的仓鼠模型,发现其肠道的双歧杆菌浓度与高密度的脂蛋白呈正相关关系,说明肠道菌群能帮助胆固醇排出和降低血脂。肠道中的优势菌乳酸菌和双歧杆菌,都可以发酵多糖产生乙酸和乳酸,以抑制病原微生物生长,有抗感染和除毒素的功能。

肠道菌群的保护健康作用可以不仅仅如此,它们还有健脑的功效:肠道菌群可以影响小鼠的大脑神经系统发育。研究表明鼠类肠道细菌可控制大脑内小胶质细胞的成熟过程及其功能,而小胶质细胞在帕金森症及阿尔茨海默氏症等疾病中扮演重要角色也就是说,肠道菌群与帕金森症及阿尔茨海默氏症有着重要的关系,说不定可以成为治疗这些疾病的新思路。

肠道菌群还可以分解有毒物质,如生活在美国西部的莫哈维沙漠的沙漠林鼠Neotomalepida),其食物是石炭酸灌木,这种灌木的叶子上有一种有毒物质会严重损害老鼠、兔子等啮齿动物的肾脏和肝脏。如果其他动物不小心吃了就会中毒,但沙漠林鼠则完全不用担心,因为它们的肠道菌群(尤其是抗毒细菌)会把所食植物产生的有毒次生代谢物给消化掉,从而保障了宿主的健康。这样沙漠林鼠就能够享用其他动物不能享用的植物了。

4. 调节鼠的情绪

  现代社会的抑郁症也与肠道微生物有密切关系。控制人类以及某些哺乳动物情感的五羟色胺、多巴胺激素,95%是在肠道里面合成的。科学研究发现无菌小鼠血液中的羟色胺浓度明显低于自然小鼠,如果向无菌鼠肠道植入适当的肠道菌群,它们血液的羟色胺浓度便可以恢复正常,自然也会感到愉快,缓解抑郁。同样的,肠道菌群失调也会引起焦虑症,例如空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni )的入侵,破坏了小鼠肠道微生物平衡,便可引起小鼠焦虑样行为。

总之,鼠类可以在肠道菌群的帮助下更好的生存下来,肠道菌群可以根据季节和食物的变化而作出相应的适应性调整,还可以改变其身材。人类是否也可以借助微生物的作用,像鼠一样该胖的时候就胖,该瘦的时候就瘦呢?或者通过改变肠道菌群来治疗抑郁和调节情绪呢?对鼠的研究告诉我们这完全是可以实现的,未来科学家终将会把肠道微生物功能的秘密解开,人类的梦想就会变成现实。

(说明:本文应《大自然》邀请所写,文章是研究生薄亭贝写的,文字经编辑加工。发表在20177月刊第四期上,见下面链接。)

   

7 大自然-2017-第四期鼠肠道中的微生物王国.pdf






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