在人体肠道内，存在 160 多种、100 万亿个微生物群落。微生物群落发挥作用，是通过多种微生物相互作用实现的。他们不是独立的个体，而是互相配合、互相影响、互相竞争的关系。这种关系复杂而又难以验证，人体内微生物群落的研究难度超出想象。

中国科学院深圳先进技术研究院研究员、博士生导师戴磊就是研究微生物群落的一名生力军。他在本科阶段进入中国科学技术大学学习，之后到麻省理工学院读博，期间，更灵活的思维模式，开阔的眼界，让他决定在物理和生物交叉领域进行一些尝试。回国后，他加入中科院，全心参与到合成微生物组学的研究中。

戴磊对 DeepTech 说：“研究人体内微生物群落之所以困难，有两个重要的原因。一是缺少研究工具，二是缺乏系统生物学思维。”

比如，艰难梭菌是人体内普遍存在的一种细菌，真正对人体产生威胁的不是细菌本身，而是在某些条件下，其释放的毒素。患上艰难梭菌感染（CDI）的病人会出现水样腹泻或腹部绞痛，严重时会脱水乃至威胁生命。而治疗 CDI 常用的抗生素法，会让细菌产生耐药性以至于导致 CDI 复发。

根据哈佛医学院的研究显示，20% 接受抗生素治疗的 CDI 病人会复发感染。当前，清除 CDI 的最佳方法就是 FMT，即粪便移植，统计数据显示，针对 CDI 复发患者，FMT 有效性约为 85%-90%。为什么 FMT 作用如此出色，科学家也不太清楚。

图｜人体肠道微生物群落 （来源：东方 IC）

生物学家搞不清楚的事，引起了麻省理工学院（MIT）物理学家的兴趣。杰夫?戈尔（Jeff Gore），也是戴磊的博士导师，他用严谨的物理学方法研究 “生物如何在复杂的社群中生存下去” 这一问题，大大推动了人体微生物群落研究这一领域的进步。

一个悖论和一个笑话

物理学家和生物学家看待问题的角度不同。在他们各自的领域，物理学家会问：“为什么它（物种）存在而不是不存在？” 生物学家会问：“为什么有很多物种而不是少数物种？”

著名英国生态学家 G. Evelyn Hutchinson 在 1960 年的美国自然主义者协会会议上，提出了 “浮游生物悖论（the paradox of the plankton）”。在一瓶海水中，存在着各种浮游生物，他们都在争夺相同的营养元素。根据达尔文的进化论，随着时间的推移，应该只有一种生物会占据生态位，但最后的结果是，竞争物种在生态系统中得以稳定共存，这不合理。

为什么获得优势的物种没有胜过其他所有物种？为什么不存在一种或几种生物，获得竞争优势后驱逐了所有其他的物种？自从达尔文完成《物种起源》，这个问题已经困扰了科学家 150 多年。

同样，在物理学领域，存在这样一个笑话：物理学家可以描述两个或者无限多个元素的系统，但是在 2 与无穷大之间，我们一无所知。通俗的说，物理学家清楚两个原子之间的相互作用；如果是一个房间内的原子，数量趋于无穷大，科学家可以用温度、压强等指标来描述这些原子集合的状态。但如果研究 100 个或者 500 个原子之间是怎样互相作用的，科学家就束手无策了。

一个悖论和一个笑话。其揭示的是同一个问题，即对一个生态系统或微生物系统，科学家难以研究其复杂的中间状态，要么只能对单个、两个元素的系统进行研究，要么对整个系统做出解释。

戈尔的研究极有可能打破这一瓶颈。

在上个世纪 90 年代后期，戈尔还是 MIT 的一名本科生。他与沃尔夫冈?凯特尔（Wolfgang Ketterle）一起开发了一种用于研究玻色 - 爱因斯坦冷凝物的实验仪器，凯特尔于 2001 年获得诺贝尔物理学奖。此后，戈尔进入加州大学伯克利分校学习生物物理学，并以博士后的身份再次回到 MIT，开始他位于物理学 - 生态学边界上的研究。

将 “精确” 与 “量化” 引入生态学研究

在戈尔看来，解释生物如何在复杂的环境中生存，一定存在一个 “大而美的理论”。他注意到，在先前的研究中，理论和测量方法并不能总是得以匹配。这意味着，明确的、清晰的、可复制的侧向方法是缺失的。因此，戈尔将微生物置于严格控制的环境中，并且用最先进的仪器跟踪每个微生物个体的命运，并且严格计数。

从简单到复杂，戈尔设计了一系列实验。

首先是在糖溶液中培养啤酒酵母菌落。这些酵母菌能够将不可食用的糖转化为可食用的糖，因此每个酵母菌都可以从邻近的酵母受益，但逐渐稀释的糖溶液会最终导致酵母菌落饿死。研究人员在数据中捕捉信号，预测酵母菌落会繁衍还是崩溃。