正文：个子较高的人肠道微生物群落的α多样性也较高？

脊椎动物从出生开始就被一种多样化的共生微生物群落定殖，并携带终身。这些共生微生物中的绝大多数生活在胃肠道中，几乎一半在血液中循环的代谢物与肠道菌群的生态组成横截面变异显著相关，因此，人体肠道菌群对我们表型的影响巨大。

肠道菌群为其宿主提供的一个关键的生态系统功能是抵抗肠道细菌病原体。具体来说，物种多样性较高的共生群落更容易饱和（Niche saturation）可用的代谢生态位，使得入侵性病原体不太可能定殖、竞争过共生菌并引起疾病，也就是说生态位饱和或营养竞争（nutrient competition）是微生物群排除入侵者的常见机制。类似的，粪便微生物群移植(faecal microbiota transplants,FMTs)前进行的清肠或抗生素处理是否就包含了这种机制？

α多样性指的是在特定生态系统或群落（如单个生物体的肠道微生物群落）中物种的多样性和丰富性的度量。尽管肠道菌群α多样性的许多决定因素（即给定样本中的分类群丰富度和/或均匀度）是已知的，包括饮食、肠道传输时间（intestinal transit time）和抗生素治疗，但肠道α多样性的大部分变异仍然无法解释。

先前的研究表明，脊椎动物的体型、人类身高和肠道微生物组α多样性之间存在正向缩放关系（缩放模式，scaling patterns），体型较大的动物，肠道也较大从而容纳更多的物种。以往的研究采用较旧的方法，通过16S rRNA基因扩增子和电泳来量化α多样性。2020年，Manor等人一项针对大型人类队列的研究也显示，个子较高的人肠道微生物群落的α多样性也较高。体型与肠道微生物群多样性缩放模式与其他生态系统中观察到的物种面积关系（species area relationships，SARs）相似，即面积较大的地方容纳的物种较多。然而，肠道中驱动这种类似SAR行为的机制尚未被探索。

先前的文献表明，像岛屿生物地理学理论（island biogeography theory，IBT）所描述的中性过程，可以解释这些模式。岛屿生物地理学理论是一个关于物种移民/迁出、出生/死亡和物种形成/灭绝的经典中性模型，预测了上述正SARs。具体来说，IBT认为较大的岛屿往往容纳更多的个体，最终导致更多的共存物种，因此，有人假设IBT可能解释了脊椎动物和人类中的大小-多样性关系，即SARs。

为了进一步探讨这一假设，2024年，Sarmiento等人建立了一个基于个体的模型（individual-based model，IBM），模拟肠道中的IBT，允许系统长度变化，包括移民（mmigration）、移出（emigration）、繁殖（reproduction）和单向流动系统（a unidirectional flow-through system）（图1）这些模拟考虑了脊椎动物体形和人类身高变化，以居住时间（residence time），即流量和系统长度之积作为面积SARs的代理，然后将这些模拟结果与实证观察结果进行比较。揭示了关于肠道微生物群多样性的有趣见解。这个基于个体的模型表明，肠道长度与物种多样性正相关，反映了在脊椎动物和人类中看到的模式。这表明，即使是假设所有物种都有相同生存和繁殖机会的简单模型，也可以帮助我们解释在各种动物和人类的肠道中生活的微生物的多样性模式。体型和肠道菌群多样性相互作用的方式可能会影响患肠道感染的风险。

先前的文献表明，像岛屿生物地理学理论（island biogeography theory，IBT）所描述的中性过程，可以解释这些模式。岛屿生物地理学理论是一个关于物种移民/迁出、出生/死亡和物种形成/灭绝的经典中性模型，预测了上述正SARs。具体来说，IBT认为较大的岛屿往往容纳更多的个体，最终导致更多的共存物种，因此，有人假设IBT可能解释了脊椎动物和人类中的大小-多样性关系，即SARs。

为了进一步探讨这一假设，2024年，Sarmiento等人建立了一个基于个体的模型（individual-based model，IBM），模拟肠道中的IBT，允许系统长度变化，包括移民（mmigration）、移出（emigration）、繁殖（reproduction）和单向流动系统（a unidirectional flow-through system）（图1）这些模拟考虑了脊椎动物体形和人类身高变化，以居住时间（residence time），即流量和系统长度之积作为面积SARs的代理，然后将这些模拟结果与实证观察结果进行比较。揭示了关于肠道微生物群多样性的有趣见解。这个基于个体的模型表明，肠道长度与物种多样性正相关，反映了在脊椎动物和人类中看到的模式。这表明，即使是假设所有物种都有相同生存和繁殖机会的简单模型，也可以帮助我们解释在各种动物和人类的肠道中生活的微生物的多样性模式。体型和肠道菌群多样性相互作用的方式可能会影响患肠道感染的风险。

图1 使用基于个体的方法模拟肠道微生物群多样性随时间的变化

在初始时间点（T0），个体从对数正态分布中生成，并以固定的移民率进入系统，同时个体随机繁殖并通过出口离开系统。如果系统尚未达到平稳状态，模拟将继续进行到下一个时间步（T1001 第1001个时间步），重复该过程直到达到平稳状态。图像底部的图表显示多样性随时间增加，最终达到稳定水平，表示模拟中的平稳点。当系统达到平稳状态时，计算该模型的稳态的α多样性。

先前的研究已经确定了影响脊椎动物肠道菌群α多样性的各种因素，包括肠道形态、进化历史和饮食。例如，具有更复杂肠道解剖结构的动物，如前肠和后肠发酵者，其微生物丰富度比食肉动物更高。Sarmiento等人这项研究发现宿主体型大小与肠道α多样性之间存在很强的正相关性，且独立于饮食、体重指数、年龄、性别等因素。这表明还有其他机制在起作用。

在人类中，身高与肠道菌群α多样性呈正相关，无论年龄、性别、体重指数、排便频率和饮食如何。研究表明年龄、体重指数和性别等因素都会影响多样性，其中女性通常具有更高的多样性。肥胖和体重指数与多样性呈负相关，因为纤维摄入量较低，炎症增加便秘与较高的多样性有关，而腹泻与较低的多样性有关。植物性饮食也有助于提高α多样性。Sarmiento等人借助岛屿生物地理学理论，解释了这种规模-多样性关系，模型显示流动生态系统长度（如肠道长度）的增加会导致物种多样性的增加，与实证观察结果相符。

这些结果表明，大小-多样性缩放是由一种独立于饮食摄入、炎症、健康状况或肠道运动频率的机制驱动的。同样，这些结果也为菌液移植中供体与受体匹配提供一定的依据。

下消化道微生物群落的α多样性与感染风险较高有关，这可能是由于生态位饱和假说。该假说认为，一个多样化的微生物落占据了所有可用的生态位，这使得有害病原体很难立足并引起感染。临床上，肠道微生物群α多样性的降低会增加对梭菌等病原体的易感性。Sarmiento等人的结果表明，由于多样性较低，身材矮小的人可能更容易发生肠道感染。基于此，他们提出了一种基于生物地理学理论并适应肠道环境的机械性解释。饮食因素，特别是蔬菜摄入量，对肠道多样性和感染风险有显著影响。较高的蔬菜摄入量与肠道多样性和较低的感染风险密切相关，强调了饮食在管理肠道健康中的重要性。就是说α多样性较低是艰难梭菌感染（CDI）的风险因素，且身高较矮的个体报告有CDI病史的比例更高，这一关系由α多样性介导，且蔬菜摄入与CDI病史有较强关联，这种关联也部分由α多样性介导。

总体而言，现在的研究展示了在脊椎动物和人类群体中，体型和肠道菌群α多样性之间的一致性比例关系。这种关联与许多潜在的混杂因素无关，如饮食、排便频率（bowel movement frequency，BMF）、体重指数（BMI）、年龄和性别。因此，体型与肠道α多样性之间的正相关关系可以通过适用于肠道的IBT模型合理解释。

论文（ISME J. 2024 Jan 8;18(1):wrae114）作者Sarmiento评论说：“我认为身高可能是个性化医疗的一个潜在候选。我们的研究表明，身高更矮的人可以通过改变饮食提高肠道微生物群多样性来获益。”如前文所述，摄入富含纤维的食物对艰难梭菌感染的预防作用似乎超过身高带来的影响，对此，论文（ISME J. 2024 Jan 8;18(1):wrae114）的通讯作者Gibbons评论说：“这表明饮食的影响比身高更大。比如，如果你比较矮，就要多吃蔬菜。”然而，华盛顿大学Christopher Damman认为，一个人的身高不一定与他们胃肠道的长度相互关联。他对用岛屿生物地理学观点所作的类比提出了质疑。他说：“虽然小肠在一定程度上与身高相互关联，但大多数肠道微生物群存在的结肠与体重和体重指数的相互关联度更高。” Damman还认为，与其说身高会影响肠道微生物的多样性，不如说是遗传或儿童时期营养不良导致了人们变矮，这些因素也可能影响他们的微生物群。“更多样的微生物群一般与健康饮食联系在一起，这也许会让儿童发育得更好或长得更高，这需要做很多工作，以便进行更缜密的评估。”

然而，影响结果的因素有许多，比如，新微生物进入肠道（移民）、它们如何生长以及它们如何通过消化系统向一个方向移动，所有这些都影响肠道微生物的多样性。自然地，该模型（图1）为研究或应用菌液移植提供了一个好的模式。又如2025年的文章显示在微生物物种-面积关系（SARs）的研究中，结果的差异主要源于不同的高通量测序数据处理算法以及它们与不同拟合模型的组合。

总之，由于该领域的科学仍在发展，这些发现突显了继续调查以揭示更明确答案的重要性。

附件：岛屿生物地理学（island biogeography）简介

01 生物地理学(Biogeography)

德国博物学家、地理学家、自然学家和探险家冯·洪堡（von Humboldt，1769–1859），被认为是近代地理学和生态学的奠基人之一，也是最早使用生物地理学(Biogeography)一词的学者之一。

生物地理学研究生物地理分布(或生物多样性)的时间、空间模式,以及生物学性状(遗传的、形态的、行为的、生理的、生态的等)的空间变化,并阐明生物地理分布的形成原因与机制的科学。生物地理学是一门复杂的综合性学科,跨越地理学、地质学、生物学等传统学科,其研究内容不但涉及类群分布格局的演化、区域一致性分布格局、地区间关系,还包括生物多样性相关问题。

Humboldt的发现和科学研究激发了大量未来科学家，激励着改变世界的思考者，其中包括Henry David Thoreau，John Muir和查尔斯·达尔文（Charles Darwin）。

02 岛屿生物地理学

自达尔文和阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（lfred Russel Wallace）时代以来，岛屿（Islands）就吸引了生物学家，推进我们对全球生物多样性模式及其基础机制的理解提供了大量理论发展。因此，它们通常被称为“自然实验室”（natural laboratories），为研究生态学、进化和保护之间的界面提供了场所。

那么，为什么岛屿，特别是孤立的海洋岛屿，让改变世界的思考者们研究起来如此着迷呢？

首先，海洋岛屿通常具有很高的特有种水平（即在其他地方找不到的物种）。

其次，这些类型的岛屿通常被称为“不和谐”（disharmonic），因为它们的生物群落代表了大陆生物群落的子集。这是扩散（dispersal）和环境过滤（environmental filtering）（图2）的结果：只有能够跨越海洋扩散到海洋岛屿的种群才会存在（dispersal filter扩散过滤），只有那些适应岛屿自身条件的物种才能持续存在（environmental filter环境过滤）。随后在岛屿上殖民的群体的多样化也可以增加不和谐的程度。总的来说，这些过滤器导致某些植物和动物群体在海洋岛屿系统中过度和不足的代表。例如，由于其扩散能力的降低，许多哺乳动物和两栖动物群体从孤立的海洋岛屿中消失。最近的研究还发现，这些过程导致世界各地的许多海洋岛屿上的生态群落（即在给定区域内的相似物种群，如鸟类）显示出不同的结构属性（例如，形态相似性比预期的大）。

第三个原因是海洋岛屿系统中普遍存在所谓的“岛屿综合征”。这个术语指的是一系列现象，包括鸟类飞行能力减弱和扩散能力丧失、对捕食者的天真无邪增加，以及草本植物群落向木本化的转变。然而，最引人注目的岛屿综合征例子可能是几个岛屿物种的身体大小相对于大陆近亲的变化，即所谓的“岛屿法则”，包括大型物种体型的减小和小型物种体型的增加。

图2 左图：人类的消化道与右图岛屿物种的组装何其相似？

右图：岛屿物种组装：岛屿上的物种只是那些在大陆上发现的物种（区域种群）的一部分，因为它们必须通过一个扩散过滤器（即它们必须能够到达岛屿）和环境过滤器（即，它们必须适应岛屿上的条件，以便在到达后能够持续存在）。那些能够到达并持续存在于岛屿物种通常会与它们的大陆亲缘种产生分化，形成新的（特有种）。因此，岛屿物种组合预计将与大陆上的物种组合不同。此外，人类使许多岛屿上的物种（例如，那些用红色标记的物种）灭绝，影响了我们对“自然”岛屿生物学的解释。

岛屿生物地理学中的关键过程通常被认为是定居（即物种扩散到岛屿并持续一段时间）、灭绝（这可能是局部灭绝——物种从岛屿消失）和物种形成。这些过程随后与各种岛屿特征联系在一起。在这个背景下，两个研究最深入的变量可能是岛屿面积和隔离。面积被认为通过多种途径影响岛屿多样性，包括较大的岛屿支持较大的种群，从而减少灭绝率，以及栖息地多样性的增加。更孤立的岛屿的定居率较低，因为对于潜在的定居者来说，到达这些岛屿更加困难；岛屿种群小但也在大陆上存在的物种，也不太可能通过大陆-岛屿扩散来增加其数量。隔离传统上是通过岛屿与最近大陆之间的距离来衡量的，但最近的研究强调了其他隔离措施的重要性，例如到最近岛屿的距离以及岛屿在一个群岛中的配置方式。

岛屿生物地理学是生物地理学中的一个领域，它研究影响孤立自然群落的物种丰富度和多样化的因素。该理论最初是为了解释发生在大洋岛屿上的物种-区域关系模式而发展起来的。

该领域由生态学家罗伯特·麦克阿瑟（Robert MacArthur）和爱德华·威尔逊（Edward Wilson）在1960年代创立，在他们的开创性专著《岛屿生物地理学理论》（The Theory of Island Biogeography，ETIB）中创造了岛屿生物地理学一词，，岛屿生物地理学理论首次从动态方面阐述了物种丰富与面积及隔离程度的关系，认为岛屿上物种的丰富度取决于新物种的迁入和原来占据岛屿的物种的灭绝。这两个过程的相互消长导致了岛屿上物种丰富度的动态变化。当迁入率与绝灭率相等时，岛屿物种数达到动态的平衡状态，即物种的数目相对稳定，但物种的组成却不断变化和更新。因此，物种丰富度保持不变，但随着时间的推移，物种的身份会发生变化，因为物种会灭绝，新的物种会殖民。此外，物种形成速率预计将随着岛屿面积（面积较大的岛屿有更多机会进行种群分裂，并且环境异质性更大）和岛屿隔离（更孤立的岛屿来自大陆的基因流更少）的增加而增加（图3）。

图3 岛屿生物地理学的平衡理论。移民/定殖率（I）和灭绝率（E）之间的决定了岛屿上存在的物种数量。隔离程度越高的岛屿，移民率越低。较大的岛屿，灭绝率较低。虚线表示不同岛屿面积和隔离程度的丰富度和周转率的组合。这种状态下物种的种类更新的速率在数值上等于当时的迁入率或绝灭率，通常称为种周转率( Species tur no ver ra te) 。这就是岛屿生物地理学理论的核心内容

25-7-20日于济南

肠道菌群的生物地理学与其区域多样性https://blog.sciencenet.cn/blog-526326-1492585.html

主要参考文献

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身高或可影响肠道菌群多样性—新闻—科学网，2023，https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/9/507864.shtm

Current Biology，2021, 31：1201-1207

Nat Rev Microbiol.2024 Feb;22(2):105-118.