微生物生态系统，也就是微生物组（microbiomes），涵盖了细菌、病毒、真菌等微观生物，它们在生态系统中形成复杂的多物种群落。微生物生态系统可分为自由生活型（如海洋、土壤）和宿主相关型（如昆虫、哺乳动物、植物体内），并对各自所处环境的健康状况有着重要影响。

宿主相关微生物组中，微生物与宿主经过长期共同进化，形成了互利共生的关系，这让微生物间的相互作用变得更加复杂。这些相互作用不仅受微生物 - 微生物动态影响，还受到宿主 - 微生物相互作用以及宿主选择压力的调控。

近年来，由于宿主相关微生物组在宿主生物学和健康方面的关键作用，以及人们希望利用这些知识改善健康状况，对其研究的关注度急剧上升。虽然从宏观尺度物种相互作用发展而来的群落生态框架，有助于我们理解微生物群落动态和组装，但要维持微生物组的稳定性，尤其是在人类活动干扰日益增多的情况下，全面了解决定微生物组组装的确定性（如环境筛选、宿主免疫压力）和随机（如随机定植、生态漂变）过程至关重要。

微生物具有遗传多样性高、个体小、生长速度快和进化时间短等特点，与宏观生物不同，因此传统生态理论需要进行调整才能适用于微生物生态学研究。明确宏观生态规则是否普遍适用于微生物组，对于改善微生物组管理意义重大。

本综述探讨经典群落生态理论在描述宿主相关微生物组方面的应用，强调这些框架如何适应微生物群落组成的研究。同时，还会阐述塑造微生物群落的随机和确定性过程，讨论在初始定植、维持和扰动后阶段将这些理论应用于宿主相关微生物组时面临的挑战，并概述影响生态理论在宿主相关微生物组中应用的宿主特异性因素。

多数宿主相关微生物组在初始阶段是无菌的，资源可用性和随机过程共同影响微生物的选择。早期定植者对微生物群落组装有着深远影响，最终会影响宿主的表型。比如，人类出生后低剂量使用青霉素，会选择特定的初始定植菌，影响回肠免疫基因，增加个体日后肥胖的风险；在植物中，早期定植者减少微生物乙烯的产生，能够促进幼苗生长，但同时降低了植物的抗逆性。

除了初始选择，物种到达的顺序和时间也会对早期定植动态和最终群落组成产生影响。“生态位（niche）” 由 Joseph Grinnell 在 1924 年提出，指生物体占据特定空间的潜力以及所需的行为适应。在宿主中，微生物组的组装受限于能够适应相应生态位的微生物。微生物生态位常由营养物质可用性决定，这也是初始定植和长期维持的主要选择驱动力。

宿主内的物理生态位差异很大，像植物的叶和根内圈，脊椎动物的盲肠或肠隐窝等特定解剖部位，都对微生物定植者施加着显著的选择压力。例如，人类婴儿肠道最初由耐氧细菌如肠杆菌科定植，随着肠道成熟，逐渐转变为以拟杆菌科为主的厌氧环境。

宿主特异性过程通过 “宿主筛选（host - filtering）” 进一步优化这些物理生态位，包括产生抗菌肽、激素信号传导和宿主生理过程等。这种选择在不同宿主物种中都有体现，有些宿主还会形成特殊生态位来支持特定微生物共生体，像短尾乌贼的发光器官适合费氏弧菌定植，蚜虫利用特化细胞容纳共生菌，豆科植物在根瘤中支持固氮菌生长。

“系统共生（phylosymbiosis）” 概念认为，宿主的微生物群落与其物种的相似性高于与远缘宿主的相似性，反映了微生物群与宿主的共同进化。

在初始定植过程中，优先效应起着关键作用。优先效应指早期到达的物种对后续定植者建立的影响，分为生态位抢占（niche preemption）和生态位修饰（niche modification）。早期定植者可能消耗共享资源，限制后来物种的成功定植，甚至导致竞争排斥；也可能通过创造或改变生态位，为后来的物种提供可利用的资源。

在健康人类婴儿中，微生物组成熟遵循特定顺序，打乱这一顺序可能引发多种疾病；在豆科植物中，接种不同菌株的顺序会影响植物生长和根瘤菌数量；在新生雏鸡中，早期定植的肠杆菌科能有效竞争资源，抑制有害沙门氏菌的定植。

此外，初级定植者还能通过影响宿主表型，如免疫反应和代谢，间接影响群落组成的演替。例如，婴儿双歧杆菌在早期定植时产生吲哚 - 3 - 乳酸，可减轻婴儿肠道的炎症反应；无菌动物在早期定植微生物后，其表型变化可逆转，这表明在关键发育阶段宿主 - 微生物群相互作用具有可塑性。研究对比常规和无菌动物发现，微生物定植对宿主表型影响显著，无菌小鼠皮肤细胞的先天免疫反应基因表达改变，使其对金黄色葡萄球菌的易感性增加。

微生物群落在初始定植后继续动态演变。即便在相对稳定的环境中，微生物群落成员间的相互作用也十分活跃，因此需要生态理论来解释已建立的微生物组中的中性过程和选择过程。塑造和维持群落组成的核心生态过程包括漂变（drift）、扩散（dispersal）、多样化（diversification）和选择（selection）。漂变指物种丰度的随机波动；扩散涉及生物体在不同空间尺度的移动；多样化由随机和确定性机制共同驱动，可增加遗传多样性，甚至导致物种形成；环境选择反映了物种间确定的适应性差异。此外，微生物间的正负相互作用对维持宿主相关微生物组的多样性也至关重要。

零模型理论和随机过程认为，微生物群落中物种丰度会自然波动，不受选择压力影响。Hubbell 的中性理论指出，群落组成由出生、死亡、定植和灭绝等随机过程塑造，物种形成或迁入维持着群落的多样性。该理论假设物种适应性相同，强调随机性是群落组成的主要驱动力。

基于中性理论的零模型在宿主相关微生物组研究中取得了不同程度的成功。研究发现，中性理论能解释棉铃虫肠道中大多数细菌分类群的分布模式，但部分分类群因宿主选择压力偏离中性；在多种宿主相关微生物组研究中，整体微生物群落结构符合中性理论预测；在无菌果蝇接种不同细菌组合的实验中，随机性在群落组装中起重要作用。

扩散是微生物群落多样性积累的关键过程。在健康肺部，口腔微生物的扩散对肺部微生物群落形成起主要作用，但在疾病状态下，宿主选择压力会改变群落组成。生态漂变也能导致群落差异，例如，独居的社会蜘蛛与群居蜘蛛相比，其微生物群落在组成上变异性更大，非核心共生体丰度更高。在合成微生物群落实验中，研究人员发现低扩散和高选择条件会放大随机效应对群落组成的影响。

多样化由随机和确定性因素驱动，微生物可通过突变和基因转移快速获得或失去功能性状，实现遗传变异和物种形成。不过，自然宿主相关微生物组中的多样化过程较难研究。而且，宿主与微生物共生体之间的紧密相互作用可能导致共同多样化，如在哺乳动物宿主研究中就发现了微生物共生体与人类和非洲猿宿主共同多样化的证据。

资源可用性和生态位划分在微生物群落维持阶段仍起着重要作用。继 Grinnell 提出生态位概念近六十年后，Rolf Freter 提出营养生态位理论，强调营养物质可用性作为选择压力，使能有效利用有限资源的物种得以生存。研究表明，宿主内的营养生态位高度特化且可细分，形成不同的微生境，支持多样化的群落。例如，在肠道中，利用硝酸盐的微生物在与上皮细胞相关的生态位占优势，而降解黏蛋白的物种则在外部黏液层生长旺盛。

资源竞争起初有利于最能利用有限资源的定植者，但随着时间推移，会促使群落成员适应并利用替代或未开发的生态位。在不同宿主物种中，从出生到断奶阶段资源可用性的变化，会引起微生物组在分类和功能上的改变。

生态过程强调个体微生物间的相互作用，这对维持群落组成和多样性至关重要。微生物间的相互作用包括共生（symbiosis），如交叉喂养（cross - feeding），一个生物体产生的代谢物可被另一个生物体利用，有助于构建更具多样性和抵抗力的群落。共生还包括偏利共生（commensalism）和寄生（parasitism）。

负相互作用，如竞争（competition）和捕食（predation），也会影响群落多样性和组装。Lotka - Volterra 竞争模型最初用于描述捕食者 - 猎物动态，广义 Lotka - Volterra（gLV）框架则扩展了传统竞争模型，纳入了正负相互作用，常用于研究复杂微生物群落的动态和驱动因素。

宿主相关微生物组常受到抗生素治疗、饮食变化、感染和环境压力等大规模干扰，这些干扰会显著改变群落结构和功能。生态理论认为，物种在性状或环境适应性上需存在差异，否则竞争排斥会淘汰适应性较弱的物种。但微生物群落常表现出功能冗余（functional redundancy），即多种物种可执行相似功能，这使得生态系统在群落组成变化后仍能维持功能。不过，功能冗余对干扰的缓冲能力取决于干扰的性质和规模。

在宿主相关微生物组中，短期或不频繁的干扰通常会导致群落组成的可逆变化，同时维持功能和宿主健康。例如，饮食干预可暂时改变微生物组成，但干预结束后通常会恢复到基线水平，前提是干扰未显著降低群落多样性；环境干扰时，某些分类群可能暂时增减，但由于功能冗余，功能稳定性得以维持。

中间干扰假说（Intermediate Disturbance Hypothesis，IDH）认为，适度频繁的干扰能使局部物种多样性最大化。虽然这在环境微生物组研究中得到证实，但在宿主相关微生物组研究中案例有限。不过，在蛇和中华绒螯蟹的研究中发现，病原体引入或盐度变化会增加微生物组多样性，支持了 IDH。

干扰会为机会性入侵者创造生态空间。抗生素治疗常降低肠道微生物多样性，使致病物种有机会定植并竞争过本土微生物；两栖动物因干旱导致的微生物组破坏会增加对病原体的易感性；红鲷鱼微生物组因污染而简化，使其更易受到入侵。

这些现象符合生物入侵理论（Biological Invasion Theory），该理论认为入侵微生物的成功取决于环境条件、营养可用性和本地群落结构等多种因素。干扰后竞争减少和生态位空缺有利于入侵者定植，而高多样性和功能冗余则可通过增强生态系统弹性来抵御入侵。

扰动后的恢复涉及次生演替，与初始定植不同，预存元素会影响群落结构。优先效应在群落恢复轨迹中起重要作用，关键物种在恢复早期通过改变营养环境支持后续定植者。

研究发现，不同环境中微生物组的恢复模式存在差异，哺乳动物相关微生物组在恢复过程中更倾向于恢复到原始状态，而环境微生物组则可能进入替代状态。不过，人类和其他哺乳动物对抗生素治疗等特定扰动的反应高度个体化，表明宿主在较大干扰后的恢复过程中对群落变化和潜在替代状态起主导作用。

宿主相关微生物生态系统具有独特特征，给生态模型的广泛应用带来挑战。生态模型需考虑宿主特异性因素，如基因型和免疫反应（包括先天免疫和适应性免疫），这些因素高度个体化且随时间动态变化。

测序技术的进步，如下一代测序（Next - Generation Sequencing，NGS），扩展了我们对微生物组动态的研究能力，但 NGS 存在局限性。例如，许多建模框架需要绝对丰度数据，而 NGS 难以准确获取；即使是提供 “功能” 信息的方法（如宏基因组学、宏转录组学），也只能对数据库中注释的基因进行准确建模，而这些基因在数据库中的代表性不足。目前，通过将估计生物量的计算纳入建模参数和利用机器学习整合复杂变量等方法，来提高预测准确性。

简单实验系统，如具有较简单自然群落的生物，在研究宿主微生物群组装方面有重要价值。利用定义明确的细菌群落，在体外或无菌宿主系统中研究生态过程，可验证生态理论，并将生态数据外推到自然或更复杂的微生物组。但简单模型可能无法完全反映自然微生物生态系统的复杂性，且无菌和模型方法依赖于可用的培养物和匹配的宿主环境，例如人源化微生物群的小鼠模型可能无法真实再现人类微生物组。目前，通过改进目标生物的培养方法和基因操作技术，有望提高简单模型结果的通用性。

在宿主内，宿主与微生物间持续的代谢交换使功能相互作用的预测和最终产物的准确测量变得复杂。代谢建模的进展通过整合微生物的潜在功能和生态理论，在一定程度上解决了这些问题。代谢图谱有助于描绘功能生态位，改进复杂群落组成的预测；将代谢模型与 gLV 框架结合，可研究益生菌定植，揭示代谢相互作用对菌株定植的影响；代谢建模还可改善群落相互作用的分类。

宿主基因型和免疫反应是宿主相关微生物组与环境微生物组的显著区别，宿主对微生物的选择有直接影响。宿主基因型通过生理属性对某些微生物进行非特异性筛选，在植物、无脊椎动物和脊椎动物中均有研究表明宿主基因型影响微生物组组成，但外部因素（如饮食）可能掩盖这种影响。

宿主免疫也会影响微生物选择。先天免疫是动植物的第一道防线，可识别微生物保守模式，既能抵御病原体，也能选择特定微生物并限制其在特定生态位定植。植物根分泌物中的抗菌物质可重塑微生物组，增强抗逆性；蜜蜂在抗生素治疗后，刺激先天免疫反应有助于微生物组恢复。

脊椎动物的适应性免疫通过特殊免疫细胞和抗体提供额外防御，针对病原体暴露产生特异性反应，训练宿主更高效地识别和应对后续感染。在哺乳动物中，特定 T 细胞群体可限制有害微生物，选择共生微生物，影响微生物组的稳态。例如，适应性免疫在粪菌移植治疗艰难梭菌感染后，对恢复 “健康” 微生物群起重要作用。

尽管先天免疫和宿主基因型对群落结构的影响已被广泛证实，但这些因素常被排除在生态理论之外。这是因为它们不仅存在个体差异，且免疫反应的演化与微生物组变化不同步，将其纳入生态建模存在挑战。目前，一些建模方法尝试通过纳入宿主因素来解决这一问题，如在 gLV 模型中应用宿主最大微生物承载能力，或利用捕食者 - 猎物动态研究宿主免疫细胞与病原体间的资源竞争，但生态理论在不同宿主生物群落中的通用性仍有待提高。

群落生态理论虽最初用于大规模生态系统，但在合适的背景下可对微生物群落动态研究提供有价值的见解。在可控实验系统，如无菌模型或器官芯片平台中，可精确操纵变量来验证生态预测，同时部分考虑宿主影响，这是生态理论应用的有效方式。此外，对健康宿主的纵向研究有助于长期观察生态模式，特别是在稳定环境中，可系统跟踪群落组装和演替。

理想情况下，基于模型系统的生态理论应应用于自然宿主研究，以检验其对自然现象的解释能力和在不同宿主微生物组中的适用性。将生态理论纳入生物学研究，无论是实验研究还是观察研究，都有助于加深我们对微生物群落组织的理解，尤其是宿主相关微生物组，其随时间动态变化明显，即使在健康宿主中也是如此。

应用生态框架研究宿主相关微生物组，在考虑微生物与宿主长期进化相互作用时尤为有用，可评估微生物组的稳定性、弹性和适应性。通过在这些场景中应用宏观生态理论，我们能为解释微生物组对环境变化的响应奠定更坚实的基础，最终提高预测和调控微生物群落动态的能力，更好地维护人类健康和生态平衡。

随着对微生物机制理解的加深和技术的进步，经典生态理论在理解微生物组方面的能力不断提升。然而，微生物生态系统的独特特征，如快速生长、高遗传多样性、宿主 - 微生物紧密共进化和短进化时间尺度等，对传统生态框架构成挑战，在宿主相关微生物组研究中体现得更为明显。

面对日益加剧的生态干扰，如气候变化、抗生素使用增加和新兴传染病出现，深入理解微生物群落组装和稳定性变得尤为紧迫。宿主相关微生物组的稳定性与宿主和生态系统健康密切相关，完善预测模型，纳入宿主特异性因素，将有助于改进解释和预测微生物组的理论框架，为保护和改善人类及生态系统健康提供有力支持。