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人體的消化系統是複雜且多樣的生態系，在腸道間各種菌種的競爭、互動，也與身體內的免疫系統達成平衡。 複雜的生態系統在大自然間也所在多有，大家耳熟能詳的熱帶雨林與珊瑚礁皆孕育了眾多生物、互動複雜又難懂的生態系。生態系的研究希望「見樹又見林」，但 對於專長是追根究底細探一個物種、擅長「見樹」的生物學家來說，同時要釐清生態系的諸多互動而綜觀大局「見林」，可以說是十分的困難。不過有個學門對於研究複雜系統內的互動相當有經驗，那就是物理學！取材自物理學的概念，今（2022）年麻省理工學院 （Massachusetts Institute of Technology, MIT）的物理學家戈爾（Jeff Gore）發表於《科學》（Science）期刊的研究，試圖以物理學「相變」（phase transition）的概念，在實驗室中透過微生物培養來研究生態內各因子的互動強度，甚至預測它的穩定性。

無論是一杯水、一顆鑽石都是由大量的分子所組成，由於這些分子之間會互相作用，要一個一個追蹤掌控它們的變化顯然有些不切實際，但是從物理學的角度 來看卻絕非無跡可尋。雖然分子間的個別運動繁多複雜且難以追蹤，但如果要討論整個系統（一杯水或一 顆鑽石）的變化，可以找到幾個簡單的控制因素。舉例來說，要讓一杯水從液態變為固態的水蒸氣，關鍵的因素就是溫度與壓力；要讓碳轉變為鑽石，關鍵在於壓力。而透過增加或減少溫度，使水變為水蒸氣或冰塊的整個系統改變，就是所謂的「相變」。物理學研究相變就是找出系統改變的關鍵因素，甚至進一步找出臨界點（critical point）──也就是我們所熟知的在一大氣壓力下水的沸點為100℃。那麼，複雜的生態系統可以用同樣的概念來做解讀嗎？決定生態系統生物多樣性變化的控制因素又會是什麼呢？

實驗顯示，當此「生態系統」中的物種數或物種互動強度有所變化時，系統本身可以出現三種不同的階段 表現。首先是「所有物種共存」的穩定期，每個種類 的族群大小維持穩定狀態。其次，如果物種數量或者 是互動的強度持續增加、突破特定的門檻之後，系統 會進入一個新階段「部分物種共存」的時期，某些物 種步入滅絕。最後，如果研究人員持續提高營養物質 與新物種，則剩餘的族群數量會劇烈的變動進入「動態波動」時期，整個系統會完全失去穩定。此實驗結果是第一篇在實驗室中證實物種數與交互作用的確會 影響「生態系統」中生物多樣性的「相變」，並且相變結果可以複製產生的研究。

不過這樣的成果是否反應了大自然也是如此？還有非常多的研究待進行。畢竟生物生活在複雜的空間中、受到 數不盡的外界因素影響，與本次MIT團隊實驗室培養的微生物系統仍有很大的差距。未來應更進一步進展到更接近現實的環境，如將相同的概念用以研究複雜的腸道 菌相變化。因為腸道菌所處的環境具有許多不同的分區，且環境狀況會持續被各種營養物質、消化液體經過，相較於實驗室仍十分複雜。團隊下一步預計研究實 驗小鼠腸道中的「微生物相變」，探索相同的概念在更自然的環境中會如何變化。

此研究已經被寄予厚望，有研究人員指出這樣的概念或許有助於研究如何保持腸道菌叢的健康，甚至於抵抗病原菌如艱難梭菌（Clostridium difficile）的肆虐；或者用於研究細菌菌叢的抗生素耐藥性是如何產生的。這些微生物「生態系統」的研究目前雖然僅止於在實驗室的試管中發生，但在不遠的將來可能進一步擴展進入現實世界，讓我們對現實世界的微生物互動有更深層的理解。

（123RF）

延伸閱讀
1. Hu, J. et al,. (2022). Emergent phases of ecological diversity and dynamics mapped in microcosms. Science, 378(6615), 85-89.
2. Popkin, G. (2022, October 6). Powerful physics tool could help scientists understand complex ecosystems. Science, https://reurl.cc/58oR07