我们的肠道里有超出想象的微生物群，成千上万亿的细菌物种，它们以复杂的方式相互作用，既能维持我们的健康，又能引起疾病。梳理出这些内在原因似乎是一项不可能完成的任务。
现在，微生物学家已经从一个不太可能的来源找到了帮助: 物理学。
一项新的实验表明，一个被称为相变的强大概念可以预测复杂的生态系统ーー比如那些由你肚子里的细菌组成的生态系统ーー的行为。这一发现可以帮助我们保持肠道健康，甚至保护其他复杂的生态系统，如热带雨林和珊瑚礁。
费尔南达 · 皮涅罗(Fernanda Pinheiro)是研究细菌生态学和生理学的物理学家，他没有参与这项工作，他说: “这是一项美丽的工作。”。
物理学中的相变过程是这样的: 你真正需要了解的关于大量粒子的一切——例如，一杯水中的1023个分子是液体还是固体，或者一块金属中的无数原子是否会自动排列成磁体——往往受到一些简单因素的控制，比如温度和压力。早在20世纪70年代，理论家们就提出了类似的两个因素--物种总数和物种之间相互作用的强度--可以预测复杂的生态系统是否会保持稳定，例如雨林中的数千个物种。
但事实证明，检验这些理论具有挑战性。这是因为通常没有办法通过实验来操纵自然生态系统中的种群规模或物种间的相互作用。芝加哥大学的生态学家 Seppe Kuehn 没有参与这项研究，他说: “你没有一个旋钮可以让狮子更好地吃斑马。”。
为了解决这个问题，麻省理工学院(MIT)的物理学家杰夫 · 戈尔(Jeff Gore)和他的同事们在实验室里创造了定制的生态系统。他们从波士顿地区一个自然保护区的土壤中挖出了24种细菌，从线虫的内脏中又挖出了24种。他们将微生物在塑料井中一起培养，并增加和减少营养物质的浓度，以控制不同物种之间相互作用的强度。营养物质越多，不同物种之间的竞争就越激烈。
随着混合物种数量的增加或物种间相互作用强度的增加，实验生态系统经历了三个不同的阶段。起初，每个物种的数量都保持稳定。然后，当物种的数量或物种之间的相互作用超过一定的阈值时，系统突然进入一个新的阶段，其中一些物种开始灭绝。随着实验人员不断增加物种和提高营养水平，整个系统进入了第三阶段: 剩余物种的数量开始剧烈波动，表明整个生态系统已经失去了稳定性。
研究报告作者、麻省理工学院机械工程专业研究生胡(音译)说，结果是: 只有两个变量ーー物种数量和平均相互作用强度ーー决定了不同微生物的混合体是稳定的还是混乱的。
Kuehn 说，今天发表在《科学》杂志上的这篇论文首次报道了基于物种相互作用和物种多样性的可复制阶段转变。
理论家们长期以来一直怀疑，像戈尔团队发现的那种波动可以让大量物种共存，因为当一个物种的数量减少到一个较低的水平时，就可以为另一个物种的生长创造空间。斯坦福大学的物理学家丹尼尔 · 费舍尔(Daniel Fisher)没有参与这项研究，他说，这项研究“让人们有理由相信，自然界中也可能存在这样一个阶段”，这可能有助于解释为什么如此多的物种能够在现实世界的生态系统中共存。
但是在自然界中，有机体生活在复杂的空间结构和外部影响的环境中，戈尔的团队没有检查，费舍尔指出。例如，肠道被划分成不同的区域，不断地被营养物质、化学物质和水淹没。费舍尔表示，由于这种复杂性，“(这项发现)是否与现实世界中的任何事情有关，目前还悬而未决。”
然而，这项工作是“非常重要的一步,”麦迪逊威斯康星大学麦迪逊分校的生物化学家奥菲莉亚 · 文图雷利说，她没有参与这项研究。例如，这一进展可以帮助研究人员设计肠道细菌的混合物，这些细菌将保持健康，并抵抗艰难梭菌等病原体的接管，这些病原体可能会导致严重的腹泻和疼痛，甚至死亡，她说。
作为下一步，Venturelli 希望看到研究人员记录实验室老鼠肠道或其他较少人工生态系统中的微生物阶段转变。“如果能够测试 Jeff 的团队在更现实的环境中发现的一些想法，我会非常激动。”
皮涅罗说，这项研究还可以为测试细菌群落发生抗生素抗药性的可能性提供基础。
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