本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
這是一篇來自我的朋友和前同事 塔米·利伯曼 的客座文章。她是哈佛醫學院系統生物學系 基肖尼實驗室 的博士後，你可以在 Twitter 上關注她 @conTAMInatedsci。
作為一名新晉博士，我研究感染期間細菌的進化。我想更好地瞭解它們如何獲得抗生素耐藥性，以及當它們試圖在我們體內生存時，可能還在適應什麼。思考發生在人體內的無形進化過程非常有趣。
我也很喜歡思考我體內和體表那幾磅重的細菌——哪些細菌在那裡生存，它們是如何到達那裡的，以及這對我的健康意味著什麼。當然，還有我的微生物群系可能如何進化。也許你也一直在思考你身上那些無形的生態系統。
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因此，當 Indiegogo 上的兩個不同活動為我提供了窺探我的微生物群系組成的機會時，我心動了。多年前，我透過 23andme 分析了我的基因組，這顯然是下一步。
但我同時也很謹慎，因為微生物群系分析很麻煩（我不僅僅是指樣本採集）。例如，幾年前有報道稱，我們每個人的腸道都屬於三種典型的型別之一，稱為“腸型”。從那時起，離散腸型的概念受到了相當大的質疑。問題在於微生物群系研究很困難。DNA 分析技術和分析方法尚不完善，仍在發展中。沒有黃金標準，因為我們不知道如何在實驗室中培養大多數腸道細菌，以檢查它們是否真的存在。此外，我們的微生物群系是一個移動的目標，隨著年齡和飲食而變化。那麼，我從快照中究竟能學到多少呢？
“實驗”
我開始想看看我到底能從一次拭子取樣中收集到多少關於我的生態系統的資訊。我從 American Gut 購買了兩套腸道取樣試劑盒，並從 uBiome 購買了一套。我想問兩個問題——（1）兩家供應商的結果有多大的差異？以及（2）即使在同一個人體內，甚至在一次便便中，也存在多大的變異性？
十月的一個星期四早上，收到試劑盒後，我終於準備好拉一次非常特別的便便（只是因為我將從中瞭解很多資訊）。兩家供應商都要求我擦拭髒汙的廁紙，我對此稍作修改以適應我的比較。我用了兩張不同的廁紙從同一條糞便中抓取了兩小塊糞便。我盡力透過將廁紙相互摩擦來使每個樣本均勻化。然後，我對一個樣本進行了兩次拭子取樣——每個供應商一次——並對另一個樣本進行了 American Gut 的拭子取樣。我寄出了樣本，在網上註冊了試劑盒，不情願地填寫了一大堆飲食和健康調查（用於每個供應商自己的研究），並等了幾個月才收到我的結果。
uBiome 與 American Gut 對比
我的 uBiome 結果在三月份到了。然後，幾周前，巧合的是，當我在參加我的第一次關於微生物群系的會議時，我的 American Gut 結果也出來了。我非常興奮。
我最初預計供應商之間會存在大量分歧。但從一個非常積極的角度來看，從樣本 1 中獲得的 American Gut 和 uBiome 結果基本一致。American Gut 發現的所有頻率高於 5% 的細菌也被 uBiome 發現，並且頻率相似，反之亦然。我曾預計會發現更多差異（就像另一位使用者發現的那樣）。由於這些供應商可能使用了略有不同的 DNA 製備和分析方法，我發現這些結果既令人驚訝又令人鼓舞。
兩家供應商之間最大的區別在於資料的呈現方式。American Gut 提供了一個表格和一個 PDF 檔案，其中包含一些難以解釋的圖表。重要的是，American Gut 僅將您與各種人群的平均值進行比較，而沒有提及我在健康人群中期望看到的“範圍”（圖 2）。更糟糕的是，他們顯示了多個代表不同人群平均值的條形圖，而這些條形圖彼此非常相似（因為它們是對大型、相似的人群進行平均）。與這些條形圖相比，我的微生物群系看起來可能是一個異常值——然而，正如我們將在下面看到的，它在健康人腸道的正常變異範圍內。
uBiome 也有一些圖表存在同樣的問題，但也有非常informative的互動式圖表，可以避免這個問題，並顯示您的結果在正常變異範圍內的位置。正如我們在圖 3 中看到的，50% 到 76% 的厚壁菌門都在正常範圍內。uBiome 互動式網站雖然仍處於測試階段，但非常易於導航，並允許進行幾種非常有趣的調查型別，我在這裡就不贅述了。
糞便內變異性
真正的驚喜來自於比較同一份便便的兩個區域。看看我寄給 American Gut 的第二個拭子中有多少厚壁菌門！厚壁菌門的數量從樣本 1 的 64% 躍升至樣本 2 的 76%。
厚壁菌門被認為與肥胖相關。這是否意味著我應該嘗試改變我的微生物群系並減少厚壁菌門的數量以減輕體重？可能不是——因為我懷疑（原因我將在下面詳述）這次拭子取樣提供了有意義的結果。
為了理解為什麼這兩個樣本中厚壁菌門的丰度有所不同，我們可以放大來看。我到目前為止展示的條形圖將細菌分類到門（比界更精細一級的分類學級別），但兩家供應商使用的資料型別可以將細菌分類到科和/或屬級別。我從 American Gut 下載了詳細的丰度表，並快速繪製了一個圖，使用了為每個已識別細菌提供的最低分類級別。在兩個樣本中丰度相似的細菌將落在對角線上；離這條線越遠，兩個樣本的差異就越大。厚壁菌門門的成員在圖 5 中以紅色標出
雖然大多數丰度在樣本之間僅略有變化，但有兩個巨大的異常值（以藍色突出顯示）解釋了在條形圖中看到的差異（圖 4）。第二個樣本是 15% 乳桿菌屬（厚壁菌門的一個成員），而第一個樣本幾乎沒有顯示（在兩家供應商的結果中）。第二個樣本沒有普雷沃氏菌屬，而 uBiome 和 American Gut 都認為第一個樣本中約有 12% 的普雷沃氏菌屬！
這種變異性意味著什麼？
這種糞便內變異，特別是普雷沃氏菌屬（0% 對 12%）的變異，是一個相當大的問題。最近的幾項研究都集中在普雷沃氏菌屬上，認為它是我們微生物群系中一個與眾不同的有時成員。這些研究以不同的嚴謹性，將普雷沃氏菌屬確定為腸型的決定因素，在某些文化中富集，並與類風溼性關節炎和心臟病的預測因子相關。
我沒有測試過這一點，但我敢打賭我可以找一兩位微生物學家檢視樣本 1 的結果，並告訴我這種普雷沃氏菌屬的丰度如何反映我的飲食。Jeff Leach 最近寫了一篇關於微生物群系的長篇部落格文章，重點關注普雷沃氏菌屬，並將他和他的朋友之間普雷沃氏菌屬丰度的變化與全穀物的不同消費聯絡起來。Michael Pollan 最近在 《紐約時報》上發表了一篇專題文章，感嘆他在服用抗生素療程後普雷沃氏菌屬的流失。如果 Leach、Pollan 和其他人關注的這些微生物特徵在他們進行第二次拭子取樣後會消失嗎？
從這種糞便內變異性中得出的主要資訊是，我們需要抵制解釋我們個人微生物群系資料的衝動。請注意，我說的是“解釋”而不是“過度解釋”。許多人在對待研究時都做得不錯，持保留態度。但是，我們需要將這種懷疑應用於資料本身——記住空間異質性和其他變異性來源。這一點尤其重要，因為人們正在將這些結果用於各種用途，包括監測他們自己的家庭糞便移植。我們根本無法從單個樣本中獲得一個人微生物群系的全貌。
這是隨機異質性還是系統生物地理學？
我在最近的微生物群系會議上與之交談的一些專家對我發現糞便內變異性並不感到驚訝。他們告訴我，很明顯，我們無法從單個樣本中學到太多東西（如果這不“明顯”，我可能正在嘗試寫一篇手稿而不是一篇部落格文章……）。畢竟，我們的微生物群系會對我們吃的東西做出反應——而我早餐吃的東西與晚餐吃的東西不同。
為了解決這個問題和其他變異性來源，研究人員在進行比較研究（例如，肥胖與瘦弱）時會比較很多人，並隨著時間的推移從個人身上採集許多樣本。
但是，如果這些差異可能不是空間上的隨機波動，而是系統性差異反映了糞便的生物地理學呢？微生物群很可能對結腸中的水分、時間和位置做出系統性反應。一些研究暗示存在這種生物地理學。然而，據我所知，還沒有對糞便樣本中微生物群落進行系統性研究，儘管有這個關於糞便中鉤蟲卵分佈的有趣分析。
如果糞便中存在重要的空間差異，那麼隨著時間的推移從個人身上採集許多樣本可能無法平均消除這種變異。經常在早餐前排便的人的便便在微生物學上可能與中午排便的人不同。兩組人（例如，健康人和患有乳糜瀉的人）在糞便的形狀、長度或稠度上可能存在系統性差異（點選檢視！）。他們的微生物群系可能基本相同，但看起來卻大相徑庭！
我希望腸道微生物群系研究人員將糞便內變異性納入他們（長長的）可能的混雜因素列表中。
好吧，便便
重要的是要記住，這個“實驗”的樣本量很小。我的兩個樣本可能顯示出極端的糞便內變異，而大多數人在他們的便便中會表現出更高的一致性。
但我的感覺是，微生物群系領域已達成共識，即個人內部和個人之間的變異性太大，無法從單個樣本中得出有意義的結論。
然而，供應商掩蓋了變異性的概念。他們確實包含了這些測試不具有診斷意義的警告（也許這是 23andme 應該做的），但沒有宣告資料本身可能不能很好地代表您的微生物群系。來自 American Gut 的報告掩蓋了個人之間的變異性。隨著人們對我們的微生物群系的興趣激增，並且人們正在進行有風險的家庭糞便移植，對樣本變異性的免責宣告應該響亮而清晰。