本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
这是一篇来自我的朋友和前同事 塔米·利伯曼 的客座文章。她是哈佛医学院系统生物学系 基肖尼实验室 的博士后，你可以在 Twitter 上关注她 @conTAMInatedsci。
作为一名新晋博士，我研究感染期间细菌的进化。我想更好地了解它们如何获得抗生素耐药性，以及当它们试图在我们体内生存时，可能还在适应什么。思考发生在人体内的无形进化过程非常有趣。
我也很喜欢思考我体内和体表那几磅重的细菌——哪些细菌在那里生存，它们是如何到达那里的，以及这对我的健康意味着什么。当然，还有我的微生物群系可能如何进化。也许你也一直在思考你身上那些无形的生态系统。
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因此，当 Indiegogo 上的两个不同活动为我提供了窥探我的微生物群系组成的机会时，我心动了。多年前，我通过 23andme 分析了我的基因组，这显然是下一步。
但我同时也很谨慎，因为微生物群系分析很麻烦（我不仅仅是指样本采集）。例如，几年前有报道称，我们每个人的肠道都属于三种典型的类型之一，称为“肠型”。从那时起，离散肠型的概念受到了相当大的质疑。问题在于微生物群系研究很困难。DNA 分析技术和分析方法尚不完善，仍在发展中。没有黄金标准，因为我们不知道如何在实验室中培养大多数肠道细菌，以检查它们是否真的存在。此外，我们的微生物群系是一个移动的目标，随着年龄和饮食而变化。那么，我从快照中究竟能学到多少呢？
“实验”
我开始想看看我到底能从一次拭子采样中收集到多少关于我的生态系统的信息。我从 American Gut 购买了两套肠道采样试剂盒，并从 uBiome 购买了一套。我想问两个问题——（1）两家供应商的结果有多大的差异？以及（2）即使在同一个人体内，甚至在一次便便中，也存在多大的变异性？
十月的一个星期四早上，收到试剂盒后，我终于准备好拉一次非常特别的便便（只是因为我将从中了解很多信息）。两家供应商都要求我擦拭脏污的厕纸，我对此稍作修改以适应我的比较。我用了两张不同的厕纸从同一条粪便中抓取了两小块粪便。我尽力通过将厕纸相互摩擦来使每个样本均匀化。然后，我对一个样本进行了两次拭子采样——每个供应商一次——并对另一个样本进行了 American Gut 的拭子采样。我寄出了样本，在网上注册了试剂盒，不情愿地填写了一大堆饮食和健康调查（用于每个供应商自己的研究），并等了几个月才收到我的结果。
uBiome 与 American Gut 对比
我的 uBiome 结果在三月份到了。然后，几周前，巧合的是，当我在参加我的第一次关于微生物群系的会议时，我的 American Gut 结果也出来了。我非常兴奋。
我最初预计供应商之间会存在大量分歧。但从一个非常积极的角度来看，从样本 1 中获得的 American Gut 和 uBiome 结果基本一致。American Gut 发现的所有频率高于 5% 的细菌也被 uBiome 发现，并且频率相似，反之亦然。我曾预计会发现更多差异（就像另一位用户发现的那样）。由于这些供应商可能使用了略有不同的 DNA 制备和分析方法，我发现这些结果既令人惊讶又令人鼓舞。
两家供应商之间最大的区别在于数据的呈现方式。American Gut 提供了一个表格和一个 PDF 文件，其中包含一些难以解释的图表。重要的是，American Gut 仅将您与各种人群的平均值进行比较，而没有提及我在健康人群中期望看到的“范围”（图 2）。更糟糕的是，他们显示了多个代表不同人群平均值的条形图，而这些条形图彼此非常相似（因为它们是对大型、相似的人群进行平均）。与这些条形图相比，我的微生物群系看起来可能是一个异常值——然而，正如我们将在下面看到的，它在健康人肠道的正常变异范围内。
uBiome 也有一些图表存在同样的问题，但也有非常informative的交互式图表，可以避免这个问题，并显示您的结果在正常变异范围内的位置。正如我们在图 3 中看到的，50% 到 76% 的厚壁菌门都在正常范围内。uBiome 交互式网站虽然仍处于测试阶段，但非常易于导航，并允许进行几种非常有趣的调查类型，我在这里就不赘述了。
粪便内变异性
真正的惊喜来自于比较同一份便便的两个区域。看看我寄给 American Gut 的第二个拭子中有多少厚壁菌门！厚壁菌门的数量从样本 1 的 64% 跃升至样本 2 的 76%。
厚壁菌门被认为与肥胖相关。这是否意味着我应该尝试改变我的微生物群系并减少厚壁菌门的数量以减轻体重？可能不是——因为我怀疑（原因我将在下面详述）这次拭子采样提供了有意义的结果。
为了理解为什么这两个样本中厚壁菌门的丰度有所不同，我们可以放大来看。我到目前为止展示的条形图将细菌分类到门（比界更精细一级的分类学级别），但两家供应商使用的数据类型可以将细菌分类到科和/或属级别。我从 American Gut 下载了详细的丰度表，并快速绘制了一个图，使用了为每个已识别细菌提供的最低分类级别。在两个样本中丰度相似的细菌将落在对角线上；离这条线越远，两个样本的差异就越大。厚壁菌门门的成员在图 5 中以红色标出
虽然大多数丰度在样本之间仅略有变化，但有两个巨大的异常值（以蓝色突出显示）解释了在条形图中看到的差异（图 4）。第二个样本是 15% 乳杆菌属（厚壁菌门的一个成员），而第一个样本几乎没有显示（在两家供应商的结果中）。第二个样本没有普雷沃氏菌属，而 uBiome 和 American Gut 都认为第一个样本中约有 12% 的普雷沃氏菌属！
这种变异性意味着什么？
这种粪便内变异，特别是普雷沃氏菌属（0% 对 12%）的变异，是一个相当大的问题。最近的几项研究都集中在普雷沃氏菌属上，认为它是我们微生物群系中一个与众不同的有时成员。这些研究以不同的严谨性，将普雷沃氏菌属确定为肠型的决定因素，在某些文化中富集，并与类风湿性关节炎和心脏病的预测因子相关。
我没有测试过这一点，但我敢打赌我可以找一两位微生物学家查看样本 1 的结果，并告诉我这种普雷沃氏菌属的丰度如何反映我的饮食。Jeff Leach 最近写了一篇关于微生物群系的长篇博客文章，重点关注普雷沃氏菌属，并将他和他的朋友之间普雷沃氏菌属丰度的变化与全谷物的不同消费联系起来。Michael Pollan 最近在 《纽约时报》上发表了一篇专题文章，感叹他在服用抗生素疗程后普雷沃氏菌属的流失。如果 Leach、Pollan 和其他人关注的这些微生物特征在他们进行第二次拭子采样后会消失吗？
从这种粪便内变异性中得出的主要信息是，我们需要抵制解释我们个人微生物群系数据的冲动。请注意，我说的是“解释”而不是“过度解释”。许多人在对待研究时都做得不错，持保留态度。但是，我们需要将这种怀疑应用于数据本身——记住空间异质性和其他变异性来源。这一点尤其重要，因为人们正在将这些结果用于各种用途，包括监测他们自己的家庭粪便移植。我们根本无法从单个样本中获得一个人微生物群系的全貌。
这是随机异质性还是系统生物地理学？
我在最近的微生物群系会议上与之交谈的一些专家对我发现粪便内变异性并不感到惊讶。他们告诉我，很明显，我们无法从单个样本中学到太多东西（如果这不“明显”，我可能正在尝试写一篇手稿而不是一篇博客文章……）。毕竟，我们的微生物群系会对我们吃的东西做出反应——而我早餐吃的东西与晚餐吃的东西不同。
为了解决这个问题和其他变异性来源，研究人员在进行比较研究（例如，肥胖与瘦弱）时会比较很多人，并随着时间的推移从个人身上采集许多样本。
但是，如果这些差异可能不是空间上的随机波动，而是系统性差异反映了粪便的生物地理学呢？微生物群很可能对结肠中的水分、时间和位置做出系统性反应。一些研究暗示存在这种生物地理学。然而，据我所知，还没有对粪便样本中微生物群落进行系统性研究，尽管有这个关于粪便中钩虫卵分布的有趣分析。
如果粪便中存在重要的空间差异，那么随着时间的推移从个人身上采集许多样本可能无法平均消除这种变异。经常在早餐前排便的人的便便在微生物学上可能与中午排便的人不同。两组人（例如，健康人和患有乳糜泻的人）在粪便的形状、长度或稠度上可能存在系统性差异（点击查看！）。他们的微生物群系可能基本相同，但看起来却大相径庭！
我希望肠道微生物群系研究人员将粪便内变异性纳入他们（长长的）可能的混杂因素列表中。
好吧，便便
重要的是要记住，这个“实验”的样本量很小。我的两个样本可能显示出极端的粪便内变异，而大多数人在他们的便便中会表现出更高的一致性。
但我的感觉是，微生物群系领域已达成共识，即个人内部和个人之间的变异性太大，无法从单个样本中得出有意义的结论。
然而，供应商掩盖了变异性的概念。他们确实包含了这些测试不具有诊断意义的警告（也许这是 23andme 应该做的），但没有声明数据本身可能不能很好地代表您的微生物群系。来自 American Gut 的报告掩盖了个人之间的变异性。随着人们对我们的微生物群系的兴趣激增，并且人们正在进行有风险的家庭粪便移植，对样本变异性的免责声明应该响亮而清晰。