通過(guò)“月宮365”實(shí)驗(yàn)揭示的人類腸道微生物群的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化
《Acta Astronautica》：Temporal dynamics of human gut microbiota revealed by the “Lunar Palace 365” experiment
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時(shí)間：2026年02月28日
來(lái)源：Acta Astronautica 3.4
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腸道菌群多穩(wěn)態(tài)與生態(tài)記憶機(jī)制在長(zhǎng)期封閉環(huán)境下的研究
王文心|郝志凱|郭玉飛|馬曉宇|崔靜薇|劉洪
杭州國(guó)際創(chuàng)新研究院生物醫(yī)學(xué)工程與工程醫(yī)學(xué)創(chuàng)新中心，北京航空航天大學(xué)，中國(guó)杭州311115
摘要
隨著載人深空探索的進(jìn)展，在長(zhǎng)期密閉環(huán)境中維持微生物組的健康對(duì)生命支持系統(tǒng)至關(guān)重要。腸道微生物群是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，表現(xiàn)出穩(wěn)定性和多種穩(wěn)定狀態(tài)，但在生物再生生命支持系統(tǒng)（BLSS）中的生態(tài)演替和穩(wěn)定性仍知之甚少。本研究基于“月宮365”實(shí)驗(yàn)，分析了三個(gè)任務(wù)階段中八名宇航員的376份糞便樣本。通過(guò)結(jié)合宏基因組測(cè)序和基于Jensen-Shannon距離的聚類分析，我們重建了腸道微生物群落的動(dòng)態(tài)軌跡，識(shí)別出穩(wěn)定狀態(tài)配置，并評(píng)估了模擬窗口黑屏和停電等環(huán)境干擾的響應(yīng)。盡管條件受到嚴(yán)格控制，腸道微生物群仍表現(xiàn)出顯著的個(gè)體間差異和多種穩(wěn)定配置，在不同分類單元中觀察到與階段相關(guān)和個(gè)體特定的時(shí)間模式。環(huán)境干擾顯著改變了微生物的穩(wěn)定狀態(tài)，并引發(fā)了延遲恢復(fù)，這表明存在“生態(tài)記憶”機(jī)制。本研究定義了BLSS中腸道微生物群的演替模式和穩(wěn)定性，強(qiáng)調(diào)了宿主相關(guān)的影響，并為未來(lái)太空任務(wù)中的微生物組健康策略提供了基礎(chǔ)。
引言
隨著人類深空探索技術(shù)的進(jìn)步，在長(zhǎng)期密閉環(huán)境中確保人類健康已成為生物再生生命支持系統(tǒng)（BLSS）研發(fā)的關(guān)鍵焦點(diǎn)[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。作為深空任務(wù)中可持續(xù)居住的關(guān)鍵技術(shù)手段，BLSS正從概念驗(yàn)證階段邁向?qū)嶋H應(yīng)用。在BLSS中，宇航員需要在幾乎完全與外部環(huán)境隔絕的生態(tài)系統(tǒng)中生活較長(zhǎng)時(shí)間。這種長(zhǎng)期的密閉狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致他們的生活條件、晝夜節(jié)律、營(yíng)養(yǎng)攝入和心理狀態(tài)的深刻變化，進(jìn)而可能影響腸道微生物群的組成和功能穩(wěn)態(tài)[6]、[7]、[8]。作為宿主健康的關(guān)鍵調(diào)節(jié)成分，腸道微生物群在維持免疫平衡、營(yíng)養(yǎng)代謝、屏障完整性和神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)方面發(fā)揮著重要作用[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，在BLSS框架內(nèi)，腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的個(gè)體間差異以及不同穩(wěn)定狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換仍不清楚。目前，MARS500項(xiàng)目初步表征了密閉環(huán)境中腸道微生物群的時(shí)間動(dòng)態(tài)[18]，另一項(xiàng)研究探討了多部位微生物組和代謝組的聯(lián)合時(shí)間變化[19]。然而，這些研究存在顯著局限性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)使用的技術(shù)分辨率較低（如16S rRNA測(cè)序），且采樣時(shí)間點(diǎn)有限，難以系統(tǒng)地捕捉群落狀態(tài)轉(zhuǎn)換和潛在的生態(tài)演替過(guò)程。因此，仍有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題尚未得到解答：（1）人類腸道微生物群在長(zhǎng)期密閉環(huán)境中是否經(jīng)歷分階段演替和穩(wěn)態(tài)重組？（2）在高度一致的環(huán)境條件下，微生物群落是在個(gè)體間趨同，還是保持個(gè)體特有的軌跡？（3）微生物群落如何響應(yīng)并從系統(tǒng)內(nèi)的突然干擾中恢復(fù)？
“月宮365”實(shí)驗(yàn)為探索這些生態(tài)問(wèn)題提供了前所未有的機(jī)會(huì)。該實(shí)驗(yàn)在月宮1（LP1）設(shè)施中進(jìn)行，是一項(xiàng)為期370天、多階段的長(zhǎng)期密閉研究，兩組宇航員在三個(gè)連續(xù)階段交替居住。它真實(shí)模擬了深空任務(wù)中人類在封閉棲息地的居住情況，并包含了幾項(xiàng)有利于系統(tǒng)研究腸道微生物群時(shí)間演替的關(guān)鍵特征[1]。LP1是一個(gè)高度密封的BLSS，幾乎與外部物質(zhì)交換隔絕，從而最小化了外源微生物的干擾，為觀察腸道微生物組的內(nèi)源性動(dòng)態(tài)提供了理想的環(huán)境[7]。溫度、濕度和微生物背景等環(huán)境參數(shù)受到嚴(yán)格控制[20]，同時(shí)宇航員遵循標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間表和飲食，在一致的健康條件下生活[21]。這些措施確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了微生物群落動(dòng)態(tài)評(píng)估中的混雜因素[8]。
在這項(xiàng)研究中，共收集了“月宮365”實(shí)驗(yàn)三個(gè)任務(wù)階段中八名宇航員的376份縱向糞便樣本，涵蓋了暴露于密閉生活環(huán)境之前、期間和之后的時(shí)間點(diǎn)。基于宏基因組時(shí)間序列分析重建了腸道微生物群落的動(dòng)態(tài)軌跡，并使用基于Jensen-Shannon距離的聚類分析識(shí)別出穩(wěn)定狀態(tài)配置及其演替模式。在密閉階段，觀察到不同個(gè)體之間腸道微生物群組成的變化，最顯著的是Bacteroidetes和Firmicutes之間的相對(duì)平衡發(fā)生了與階段相關(guān)的變化。這些模式在第一階段和第二階段宇航員之間有所不同，而第三階段則顯示出最一致的方向性響應(yīng)。在干擾實(shí)驗(yàn)中，光照剝奪顯著改變了微生物組的穩(wěn)定狀態(tài)，而短期停電的影響較小。然而，長(zhǎng)期停電明顯擾亂了穩(wěn)定狀態(tài)并引發(fā)了可逆的群落重組。此外，一些群落變化表現(xiàn)出延遲效應(yīng)，表明腸道微生物群可能具有“生態(tài)記憶”機(jī)制。總體而言，本研究描述了人類腸道微生物群在長(zhǎng)期密閉生活條件下的動(dòng)態(tài)演替和穩(wěn)定性，為深空任務(wù)中的微生物群落調(diào)節(jié)和環(huán)境干預(yù)提供了理論基礎(chǔ)。
“月宮365”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)人員及設(shè)計(jì)
月宮1（LP1）是一個(gè)用于生物再生生命支持系統(tǒng)（BLSS）的完全封閉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，位于中國(guó)海淀區(qū)（116°25′29″E，39°54′20″N），總面積為160平方米，體積為500立方米。氧氣、水和食物等基本生命支持物質(zhì)都在月宮1內(nèi)循環(huán)利用，形成了一個(gè)模擬地球生態(tài)環(huán)境的封閉系統(tǒng)以維持生命。LP1包括兩個(gè)植物艙（每個(gè)艙體尺寸為10×6×3.5立方米）
“月宮365”實(shí)驗(yàn)中腸道微生物群的時(shí)間分析
“月宮365”實(shí)驗(yàn)在LP1設(shè)施中進(jìn)行，該設(shè)施由兩個(gè)植物艙和一個(gè)綜合艙組成（如圖1所示）。作為迄今為止最長(zhǎng)且最完全封閉的BLSS實(shí)驗(yàn)，它于2017年5月10日開(kāi)始，2018年5月15日結(jié)束，持續(xù)了370天[31]。實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)連續(xù)階段，兩組宇航員交替執(zhí)行任務(wù)：第一階段由第一組（宇航員A、B、C和D）完成
討論
在長(zhǎng)期的太空任務(wù)中，宇航員必須在封閉和受控的環(huán)境中生活較長(zhǎng)時(shí)間，面臨許多可能影響生理和心理適應(yīng)性的挑戰(zhàn)[33]。社會(huì)隔離、晝夜節(jié)律紊亂、微重力和與任務(wù)相關(guān)的壓力等因素會(huì)擾亂腸道微生物群的組成，進(jìn)而影響代謝、免疫和神經(jīng)功能，對(duì)整體健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)
結(jié)論
本研究基于“月宮365”的長(zhǎng)期密閉實(shí)驗(yàn)，追蹤了八名宇航員在三個(gè)任務(wù)階段中腸道微生物群的時(shí)間動(dòng)態(tài)、生態(tài)穩(wěn)定性和演替模式。在密閉期間，一些個(gè)體的腸道微生物群組成發(fā)生了變化，最顯著的是Bacteroidetes和Firmicutes之間的相對(duì)平衡發(fā)生了與階段相關(guān)的變化，個(gè)體間和實(shí)驗(yàn)階段間存在顯著差異。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
馬曉宇：資源、方法學(xué)、正式分析。崔靜薇：可視化、方法學(xué)。劉洪：撰寫——審稿與編輯、資金獲取、概念化。王文心：撰寫——初稿、驗(yàn)證、方法學(xué)、數(shù)據(jù)管理、概念化。郝志凱：撰寫——審稿與編輯、資源、方法學(xué)、概念化。郭玉飛：方法學(xué)、研究、數(shù)據(jù)管理
數(shù)據(jù)可用性聲明
數(shù)據(jù)可應(yīng)要求提供。
利益沖突聲明
? 作者聲明沒(méi)有已知的可能會(huì)影響本文工作的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
致謝
我們感謝郭玉飛博士在數(shù)據(jù)分析方面的貢獻(xiàn)，感謝郝志凱教授在樣本收集和數(shù)據(jù)分析方面的支持，以及感謝劉洪教授對(duì)“月宮1”平臺(tái)的支持。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：82371891）的支持。
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