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紫菜只爱日本胃:海洋微生物与肠道细菌交换基因

字号+ 作者:科学探索 来源:[db:来源] 2020-07-06 15:43 我要评论( )

紫菜只爱日本胃? 法国科学家们在研究海洋微生物如何消化海藻时,意外得到了一个令人大吃一惊的关于日本人的结果 俗话说一方水土养一方人,不同地方的人们有不同的饮食习惯,比如寿司,众所周知,这是日本人的最爱,而欧美人却可能对此感冒。一直以来,我们都...

紫菜只爱日本胃?

  法国科学家们在研究海洋微生物如何消化海藻时,意外得到了一个令人大吃一惊的关于日本人的结果……

紫菜只爱日本胃:海洋微生物与肠道细菌交换基因

  俗话说“一方水土养一方人”,不同地方的人们有不同的饮食习惯,比如寿司,众所周知,这是日本人的最爱,而欧美人却可能对此“感冒”。一直以来,我们都认为这只不过是一种口味上的喜好,但科学家的最新研究发现,某一特定的人群可能只能从某一特定的饮食中摄入能量。也就是说,只有日本人才能消化包寿司的紫菜,并获取能量,而北美人就没有这种能力。这一令人吃惊的实验结果或许可以表述为:日本人的胃天生就是为寿司而生的。相关研究结果已发表于著名的《自然》杂志。

意外的发现

  来自法国布列塔尼沿岸的罗斯寇夫生物研究所的化学家Mirjam Czjzek及其同事,一开始只是在研究海洋微生物如何消化海藻,他们对一种以海藻为食的海洋细菌非常感兴趣,并发现它能产生一种酶来分解海苔——也就是我们平常用来制成紫菜皮卷寿司的材料。要知道,海藻细胞壁的成分不同于陆生植物,构成海藻的多聚糖含有成串的硫分子,需要特殊的酶才能将它们分解。就如同一把钥匙开一把锁,一种特定的酶只能分解特定结构的多聚糖。

紫菜只爱日本胃:海洋微生物与肠道细菌交换基因

  科学家们找到了他们关注的酶,为了进一步确定这种酶的种类和作用,科学家分析了编码酶的基因,然后使用名为BLAST的计算方法扫描基因数据库,开始在公共数据库中大量比对筛选这些基因,希望找到这些基因还有可能潜伏在哪里,究竟有多少其他细菌拥有相同基因,这样也就能找到究竟还有哪些细菌有可能产生这种酶来消化海藻。

这一常规操作的结果使科学家们大吃一惊——

  意料之中的是,研究人员在几乎所有生活于海洋的细菌中都发现了这种基因;而几乎所有的陆地生物都不携带这种酶的遗传基因。这非常好理解,因为海洋细菌主要以海苔等海藻为食,而陆地生物并不需要消化海藻。但是,陆生生物中却有一个例外,而且这个例外竟然来自于人类的肠道样本。也就是说,这种酶并不局限于海洋生物中存在,它们还存在于人体肠内的细菌中——一种叫做Bacteroides plebeius的细菌,它们被发现存在于日本人体内。

  这一结果让科学家们十分兴奋,为了进一步确定实验结果,并搞清这些酶是否仅仅为日本人所特有,研究小组将13个日本人与18个北美人的微生物基因组进行了对比。结果是13个日本人中有5人带有这种肠道细菌酶,而18个北美人中连1个也没有。

紫菜只爱日本胃:海洋微生物与肠道细菌交换基因

发生在4万年前……

  实验的结果听起来非常有意思,酶-海洋细菌-日本人-紫菜,当这些关键词被串联起来,有些东西变得清晰起来。虽然这种酶在人体内存在的比例仅为 5/13,看起来很低,但科学家目前只是在日本人体内发现了这种酶,北美人却没有。科学家们立即意识到4万年前发生了什么事,让我们一起来还原一下——

  很久以前,刚刚抵达日本列岛的人们,与其他大洲的人们并没什么不同,只吃高等植物,Bacteroides plebeius也像生活在人体肠道内的其他微生物一样,已经拥有自己的基因序列,可以产生很多不同的消化酶来分解不同的食物,其中一些酶能够分解人自身的酶无法消化的食物,从而让人们得到更多的热量和营养。

  那个时候,这些肠道细菌产生的酶中还不包括可以消化海苔的酶,因为消化海苔并不必要。但在4万年前时,岛上的海苔成了饮食的一部分——或许是因为自然灾害粮食减产,或许是因为人多地少,或许仅仅就是为了尝鲜,总之,人们开始吃紫菜之类的海苔。

紫菜上的海洋微生物紫菜只爱日本胃:海洋微生物与肠道细菌交换基因

  当然,那时的卫生水平还达不到无菌消毒,于是,日本人吃紫菜时也不可避免地吃进了紫菜上的海洋微生物。紫菜里的多糖营养基慢慢对于肠道细菌产生了吸引力,为了消化这些多糖,肠道细菌和紫菜上的海洋微生物进行了一笔“交易”, 海洋微生物把自己一部分酶基因给了肠子里的微生物,而肠道细菌从此也就携带了这种能分解海藻类的遗传基因,并具备了消化紫菜获取能量的能力。

  如此看来这是一场对人类和微生物都很划算的非常公平的交易。但由于北美人当时没有选择紫菜作为自己饮食必需的一部分,当然海洋细菌也不会来“无私馈赠”。经过长年累月的进化积累,成就了今天的状况。

  科学家们相信,当日本人开始吃鱼、虾和贝类等其他食物时,来自海洋的细菌也会不请自来,同时也会与肠道细菌交换遗传基因片段。这些细菌在以后很长的时间中,通过多种方式逐渐成为了人类身体的一部分,帮助我们消化食物,摄入能量,发挥巨大的作用。

第二基因组

  说到肠道微生物,那真是劳苦功高。

  人体内含有数以兆计的微生物,总重量大约有1.5千克,一般认为其总数至少是人体总细胞数的10倍。这些细菌大部分寄生在人的肠道中,据估计,在肠道内大约存在1000种到1150种细菌,拥有330多万个基因,而人类只拥有2.3万多个基因,实在是相形见绌。

紫菜只爱日本胃:海洋微生物与肠道细菌交换基因

  在已发现的细菌基因中,研究人员只对其不足30%有过系统研究,另有40%基因虽然来自于已知细菌,但未经过仔细研究,还有至少25%的基因研究人员从未见过。这一巨大的宝库被称为我们的第二基因组。

  肠道微生物作用重大

  其中之一就是提供人类基因组中所缺的消化酶。肠道微生物帮助人们消化糖分、生成氨基酸和维生素以及将食物中复杂的化合物转化为人体所需物质。比如,来自陆地植物的多糖,它在整个进化过程中一直是人类饮食构成的主要部分,而它就是在肠道中被类杆菌所具有的高度特异性的多糖水解酶分解的。

  基因能够在不同的细菌当中穿梭交换,帮助彼此相互产生耐药性,也就是人们所说的横向基因转移。科学家曾假设过消化道细菌能从其他微生物中攫取基因,但一直还没有特别显著的实验例证,而此次的发现可以被认为是第一次得到了明证——肠胃细菌从食物中获取新的基因,并成功将其转化为自身基因,从而帮助我们从食物当中提取更多的能量。

  这既是细菌为了适应环境而进行的一种进化策略,同时,也是人类文化比如不同地域的饮食文化影响消化道细菌的一个例证。我们也可以假设,在人类历史上,这种消化系统进化过程,也就是吃进的细菌可能已经无数次地为肠道中微生物提供很有价值的实用基因资源,以帮助我们人类适应新的环境和新的食物。

  不可复制的案例

  这么看来,我们爱吃什么绝不仅仅只是个人饮食习惯和口味差异所决定的,而是有着更深层次的因素,或者说是更久远的因素。

  超级紫菜菌紫菜只爱日本胃:海洋微生物与肠道细菌交换基因

  不过,今天,如果北美人希望通过吃寿司,让自己肚子里的细菌也进化成“超级紫菜菌”,看起来似乎希望不大。因为基因转移毕竟是小概率事件。日本人之所以拥有“超级紫菜菌”,是因为日本人独特的饮食文化,一直以来大量食用海藻从客观上迫使肠道细菌有选择的压力,不得不保留消化海藻的基因;而并不热衷吃紫菜的北美人,他们胃中的微生物已经习惯了西方饮食结构,它们已安于现状,没有必要再去消化海藻多糖,也就无需费力得到那些基因并保留它们了。

  而且,最为关键的是,现在即使猛吃寿司,也没有任何可能再次获得海洋细菌的“无私馈赠”了,因为包寿司的紫菜已全部经过了消毒灭菌处理,上面几乎没有任何微生物存在,当然也就谈不上获取新的基因了。以此类推,我们可以想象,食物中的其他细菌都逃不过相同命运,也就是说,无菌食品带给我们的,或许是将一座至关重要的基因库的大门永久关闭。无疑,这将对调节我们的健康与疾病产生一定影响。

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