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肠道菌群多稳态与生态记忆机制在长期封闭环境下的研究
王文心|郝志凯|郭玉飞|马晓宇|崔静薇|刘洪
杭州国际创新研究院生物医学工程与工程医学创新中心，北京航空航天大学，中国杭州311115
摘要
随着载人深空探索的进展，在长期密闭环境中维持微生物组的健康对生命支持系统至关重要。肠道微生物群是一个复杂的生态系统，表现出稳定性和多种稳定状态，但在生物再生生命支持系统（BLSS）中的生态演替和稳定性仍知之甚少。本研究基于“月宫365”实验，分析了三个任务阶段中八名宇航员的376份粪便样本。通过结合宏基因组测序和基于Jensen-Shannon距离的聚类分析，我们重建了肠道微生物群落的动态轨迹，识别出稳定状态配置，并评估了模拟窗口黑屏和停电等环境干扰的响应。尽管条件受到严格控制，肠道微生物群仍表现出显著的个体间差异和多种稳定配置，在不同分类单元中观察到与阶段相关和个体特定的时间模式。环境干扰显著改变了微生物的稳定状态，并引发了延迟恢复，这表明存在“生态记忆”机制。本研究定义了BLSS中肠道微生物群的演替模式和稳定性，强调了宿主相关的影响，并为未来太空任务中的微生物组健康策略提供了基础。
引言
随着人类深空探索技术的进步，在长期密闭环境中确保人类健康已成为生物再生生命支持系统（BLSS）研发的关键焦点[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。作为深空任务中可持续居住的关键技术手段，BLSS正从概念验证阶段迈向实际应用。在BLSS中，宇航员需要在几乎完全与外部环境隔绝的生态系统中生活较长时间。这种长期的密闭状态会导致他们的生活条件、昼夜节律、营养摄入和心理状态的深刻变化，进而可能影响肠道微生物群的组成和功能稳态[6]、[7]、[8]。作为宿主健康的关键调节成分，肠道微生物群在维持免疫平衡、营养代谢、屏障完整性和神经信号传导方面发挥着重要作用[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，在BLSS框架内，肠道微生物生态系统的个体间差异以及不同稳定状态之间的动态转换仍不清楚。目前，MARS500项目初步表征了密闭环境中肠道微生物群的时间动态[18]，另一项研究探讨了多部位微生物组和代谢组的联合时间变化[19]。然而，这些研究存在显著局限性，因为大多数使用的技术分辨率较低（如16S rRNA测序），且采样时间点有限，难以系统地捕捉群落状态转换和潜在的生态演替过程。因此，仍有几个关键问题尚未得到解答：（1）人类肠道微生物群在长期密闭环境中是否经历分阶段演替和稳态重组？（2）在高度一致的环境条件下，微生物群落是在个体间趋同，还是保持个体特有的轨迹？（3）微生物群落如何响应并从系统内的突然干扰中恢复？
“月宫365”实验为探索这些生态问题提供了前所未有的机会。该实验在月宫1（LP1）设施中进行，是一项为期370天、多阶段的长期密闭研究，两组宇航员在三个连续阶段交替居住。它真实模拟了深空任务中人类在封闭栖息地的居住情况，并包含了几项有利于系统研究肠道微生物群时间演替的关键特征[1]。LP1是一个高度密封的BLSS，几乎与外部物质交换隔绝，从而最小化了外源微生物的干扰，为观察肠道微生物组的内源性动态提供了理想的环境[7]。温度、湿度和微生物背景等环境参数受到严格控制[20]，同时宇航员遵循标准化的时间表和饮食，在一致的健康条件下生活[21]。这些措施确保了系统的稳定性，减少了微生物群落动态评估中的混杂因素[8]。
在这项研究中，共收集了“月宫365”实验三个任务阶段中八名宇航员的376份纵向粪便样本，涵盖了暴露于密闭生活环境之前、期间和之后的时间点。基于宏基因组时间序列分析重建了肠道微生物群落的动态轨迹，并使用基于Jensen-Shannon距离的聚类分析识别出稳定状态配置及其演替模式。在密闭阶段，观察到不同个体之间肠道微生物群组成的变化，最显著的是Bacteroidetes和Firmicutes之间的相对平衡发生了与阶段相关的变化。这些模式在第一阶段和第二阶段宇航员之间有所不同，而第三阶段则显示出最一致的方向性响应。在干扰实验中，光照剥夺显著改变了微生物组的稳定状态，而短期停电的影响较小。然而，长期停电明显扰乱了稳定状态并引发了可逆的群落重组。此外，一些群落变化表现出延迟效应，表明肠道微生物群可能具有“生态记忆”机制。总体而言，本研究描述了人类肠道微生物群在长期密闭生活条件下的动态演替和稳定性，为深空任务中的微生物群落调节和环境干预提供了理论基础。
“月宫365”实验的实验人员及设计
月宫1（LP1）是一个用于生物再生生命支持系统（BLSS）的完全封闭实验平台，位于中国海淀区（116°25′29″E，39°54′20″N），总面积为160平方米，体积为500立方米。氧气、水和食物等基本生命支持物质都在月宫1内循环利用，形成了一个模拟地球生态环境的封闭系统以维持生命。LP1包括两个植物舱（每个舱体尺寸为10×6×3.5立方米）
“月宫365”实验中肠道微生物群的时间分析
“月宫365”实验在LP1设施中进行，该设施由两个植物舱和一个综合舱组成（如图1所示）。作为迄今为止最长且最完全封闭的BLSS实验，它于2017年5月10日开始，2018年5月15日结束，持续了370天[31]。实验分为三个连续阶段，两组宇航员交替执行任务：第一阶段由第一组（宇航员A、B、C和D）完成
讨论
在长期的太空任务中，宇航员必须在封闭和受控的环境中生活较长时间，面临许多可能影响生理和心理适应性的挑战[33]。社会隔离、昼夜节律紊乱、微重力和与任务相关的压力等因素会扰乱肠道微生物群的组成，进而影响代谢、免疫和神经功能，对整体健康构成风险
结论
本研究基于“月宫365”的长期密闭实验，追踪了八名宇航员在三个任务阶段中肠道微生物群的时间动态、生态稳定性和演替模式。在密闭期间，一些个体的肠道微生物群组成发生了变化，最显著的是Bacteroidetes和Firmicutes之间的相对平衡发生了与阶段相关的变化，个体间和实验阶段间存在显著差异。
CRediT作者贡献声明
马晓宇：资源、方法学、正式分析。崔静薇：可视化、方法学。刘洪：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。王文心：撰写——初稿、验证、方法学、数据管理、概念化。郝志凯：撰写——审稿与编辑、资源、方法学、概念化。郭玉飞：方法学、研究、数据管理
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢郭玉飞博士在数据分析方面的贡献，感谢郝志凯教授在样本收集和数据分析方面的支持，以及感谢刘洪教授对“月宫1”平台的支持。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：82371891）的支持。
