在自然界的各種生態(tài)系統(tǒng)中，微生物以群落即微生物組的形式廣泛存在并相互作用，從而深刻地塑造著地球生物圈的功能。記者8月8日從中國科學(xué)院青島能源所獲悉，該所單細(xì)胞中心提出了一種基于大數(shù)據(jù)搜索的理論模型，通過建立一個全球性的微生物組相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)，從多個尺度探索不同生態(tài)系統(tǒng)之間菌群的內(nèi)在關(guān)聯(lián)與演化規(guī)律。相關(guān)成果近日發(fā)表于《美國微生物學(xué)會會刊》上。

人類和哺乳動物的演化歷程，可通過各種地質(zhì)年代遺留下來的化石及其中蘊(yùn)含的古DNA來揭示。但是在漫長的時光旅程中，各種生態(tài)系統(tǒng)中菌群演化與互作的痕跡往往已湮滅殆盡。

為從全球尺度上重現(xiàn)與理解微生物組間的演化途徑和互作過程，中國科學(xué)院青島能源所荊功超和青島大學(xué)張玉鳳等組成的研究小組提出一個理論模型：微生物組可通過改變其內(nèi)諸多物種的組合和數(shù)量比例等方式相互轉(zhuǎn)化，以適應(yīng)各種生存環(huán)境與選擇壓力。因此，微生物組的演化與互作等關(guān)系，能基于其結(jié)構(gòu)相似性進(jìn)行推測。

基于這個模型，研究人員運(yùn)用前期開發(fā)的微生物組搜索引擎(MSE)，基于微生物組結(jié)構(gòu)的相似性高低，構(gòu)建了首個全球性“微生物組相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)(MTN)”。該全局性網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點包含177022例菌群樣本、113億條16SrRNA序列，來自于從人體各個部位到各種生境的20大類生態(tài)系統(tǒng)。

有趣的是，與現(xiàn)實中社會人際網(wǎng)絡(luò)等相似，MTN也是一種無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。此類網(wǎng)絡(luò)的典型特征是，大部分節(jié)點只和很少節(jié)點連接，而有極少的節(jié)點卻與非常多的節(jié)點連接。這種“樞紐”節(jié)點的存在，使得此類網(wǎng)絡(luò)對意外故障有強(qiáng)大的承受能力，但面對協(xié)同性攻擊時則顯得脆弱。因此，MTN的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性，為目前地球上微生物組的多樣性成因與意義提供了一個全新的理論視角與原理詮釋。

令人意外的是，在MTN中，雖然微生物組的結(jié)構(gòu)與其各自迥異的生態(tài)系統(tǒng)有著顯著的關(guān)聯(lián)性，但每個菌群與任一其他菌群之間平均只相距“七”步，也就是，通過6個“親戚”，便可實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化。因此，微生物組在全球范圍上具有其內(nèi)在的同源性。這一發(fā)現(xiàn)，對于重構(gòu)歷史上曾經(jīng)存在過的微生物組或設(shè)計全新的菌群，具有指導(dǎo)意義。

研究人員還基于MTN繪制出了全球尺度、單個菌群精度的“微生物組相互轉(zhuǎn)化路線圖”，從而刻畫了在不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部與之間，每個微生物組最可能的演化途徑和互作過程。例如，該路線圖表明，海洋最有可能與靠近海岸的魚類等非哺乳動物交換菌群成分，而沙土和淡水則是植物和人體與自然界進(jìn)行菌群交換的“門戶”。因此，這一路線圖將成為研究微生態(tài)系統(tǒng)間互作機(jī)制的新工具。

隨著全球環(huán)境的變化和人類文明的進(jìn)程，每天有無數(shù)菌群從地球上消失，同時也有無數(shù)的菌群浮現(xiàn)出來。得益于其長期的菌群數(shù)據(jù)積累和高效的計算比對能力，MSE能夠于數(shù)小時內(nèi)、在一臺個人計算機(jī)上，針對新出現(xiàn)的菌群數(shù)據(jù)點進(jìn)行MTN的全局更新。因此，運(yùn)用MSE，研究人員將持續(xù)拓展與更新MTN，并開發(fā)多尺度全方位的可視化系統(tǒng)，從而為微生物組的起源、演化與互作研究提供基于大數(shù)據(jù)的理論模型和計算工具。