与孤雌生殖相比，两性繁殖似乎有着非常高昂的代价，但为什么绝大多数高等生物包括人类却选择了后一策略一直是进化生物学的重要议题之一。进化生物学中著名的“红皇后” 假设(Red Queen Hypothesis)以及社会学中“性别冲突”理论等都试图从两性之间既竞争又合作的角度探讨两性生殖的进化优势。例如，“红皇后”假设指出两性繁殖有利于对付高致病性的寄生生物（寄生虫、病原菌、病毒等）的侵害。那么非寄生生物，特别是对宿主有利的共生生物，包括与人体大量共存的肠道菌群、生殖道菌群等，他们与两性生殖又有什么关系？

　　近日，中科院昆明动物所马占山研究员与美国Ohio州立大学Robin Taylor教授的一项合作研究首次对这一问题提供了回答线索。该研究通过对2000多份人体肠道和生殖道菌群样本的分析研究发现，人体肠道与生殖道菌群在“菌群异质性”方面存在显著差异，但生殖道系统内部, 确切讲就是阴道菌群和精液菌群的菌群异质性则无显著差异。据此作者推断，人类生殖系统内部保持相对同质的菌群环境应该是有利于受孕（精子与卵子的结合）。人类生殖系统菌群与宿主之间则应该存在协同进化关系。而显然，存在于消化系统的肠道菌群则没有选择压力与生殖系统菌群保持同质。

　　菌群异质性是如何度量的? 异质性定义和度量本身就是一个类似于“红皇后”假设的复杂科学议题，作者采用了Taylor幂法则(Taylor Power Law: TPL)理论模型。Taylor幂法则由已故昆虫生态学家LR Taylor于1961年发表于Nature杂志，其最先是在种群生态学中发现，也就是说适用于研究单一物种。马占山于上世纪80年代提出种群聚集临界密度概念，并对TPL做出扩展解释，2012年又将其扩展到群落生态学，从而该模型可以用于研究像菌群这样有成千上万微生物构成的生物群落，包括肠道菌群群落等系统。TPL或者PLE（马占山扩展的幂法则）会给所观察的系统测定出一个异质性参数，类似于测定重力加速度（这是一个比喻）。例如地球和月球有不同的重力加速度系数 (地球g=9.8)，同一个人在月球上花同样的力气会比在地球上跳得更高跑得更快。因此两个人要进行跳高比赛就应该是在同样的引力场星球进行。类似的，两性繁殖中，配子（精子和卵子）的追逐也应该是在同样“势能”的环境中进行。 那么存在于受孕环境中的“看客”（菌群）自然也就应该自觉维持同质的势能环境。

　　该论文合作者即为LR Taylor的儿子Robin Taylor博士。Robin Taylor 早年主修物理学，获英国帝国理工学院博士学位，上世纪70年代开始与其父亲合作发表了关于TPL的一系列论文（包括多篇发表在Nature杂志的论文）。Robin Taylor的贡献之一是发现TPL其实可以从物理学的势能方程推导出来，他将其称为D-方程。通过理论模拟研究推断TPL异质性参数主要由自然选择决定，因而具有重要的进化生物学意义。D-方程可以模拟出自然界各种复杂的种群动态现象，包括著名的混沌现象（蝴蝶效应背后的数学模型）。Robin Taylor 于2019 年出版了长达600多页的专著《Taylor 幂法则: 自然秩序和规则》(Taylor's Power Law: Order and Pattern in Nature)。

　　早期关于TPL主要理论发表在 Nature 杂志。近年来似乎重新受到学者广泛关注: 2015年以来美国科学院院刊(PNAS)和科学(Science)先后发表了一系列重要理论探讨文章。2017年国际生态学大会组织了一个关于TPL的专题讨论会。有趣的是该领域一些经典文献署名是 Taylor & Taylor (即由Taylor父子完成)，或许更有趣的是Taylor的孙女也加入了应用TPL研究动物肠道菌群的行列，并为其父亲的新书设计了封面。

　　马占山与Robin Taylor的论文近日在线发表于国际知名生态学期刊 Oikos. 该研究受到国家自然科学基金，云岭产业技术领军人才项目，云南省科技厅，遗传资源与进化国家重点实验室，以及中科院动物进化与遗传交叉创新卓越中心等的资助和支持！

　　Ma ZS* & RAJ Taylor (2020) Human reproductive system microbiomes exhibited significantly different heterogeneity scaling with gut microbiome, but the intra-system scaling is invariant.　

　　Oikos, vol. 129: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/oik.07116