人类是包含万亿微生物的生态系统，但是因为缺乏对非洲猿微生态系统的了解，对这套微生态系统的进化史尚不清楚。我们按顺序排列了成百上千的黑猩猩，倭黑猩猩、大猩猩的肠道菌群，发现了一条途径重建当代人类的肠道菌群如何从这些古老的种群中分离出来。在非洲猿多元化的过程中微生物组成的变化是缓慢的像钟表一样的速度，但是人类的微生物以更快的速度偏离原始状态。相对于野生猿类的微生物，人类饮食开始以动物性食物为主后就失去了祖先的微生物多样性。与社会中的个人相比野生猿个体定植了多门类，类，家族，属和种的细菌。这些结果表明，人类从大猩猩分离的过程中经历了一个肠道菌群耗减的过程。

人类体内的微生物由宿主的遗传、环境、生活方式决定，因此，人类独特的进化史及文化史转变了自身与微生物的联系。除了很多研究人类因地域和文华因素形成微生物种群的研究，人类在从一个物种进化到另一个物种、人类种群一个接一个的变迁中微生物种群的变化却并不清楚，缺乏原始人类种群的微生物种群的知识。

要想弄清楚人类进化史中微生物种群组成的变化情况，就要研究清楚外类群如非洲猿的微生物种群是怎样系统进化至人类微生物种群的。前期的关于人类和非洲猿肠道微生物种群的研究仅限于每种宿主的个别个体，没有发现区别宿主种属的精确的微生态方面的不同。对比黑猩猩，倭黑猩猩，大猩猩和人类之间微生物种群的不同时考虑到宿主进化过程中的相关性，有助于发现在宿主多元化过程中微生物种群的变化情况。

在此我们应用系统发育的方法识别进化至现存物种homo和大猩猩的的物种的微生物种群的变化，这项研究表明不同文化和地域背景的人类的微生物种群从野生猿转变的过程中是不成比例的。特别是，与原始人相比，人类的肠道微生物密度更低。

结果：

样本来源：我们收集了来自坦桑尼亚的上百只大黑猩猩的粪便（n=160），还有来自刚果民主共和国的（n=70）的倭黑猩猩的粪便，和来自喀麦隆的野生大猩猩的粪便（n=186）。图s1表示了样本采集区域，表1表示了样本和相应的信息。因为我们对标本的试验方法进行了标准化，所以我们可以编辑从如此大猿类种群和相应的人群获得的信息，这些人群包括：美国的城市生活人群，马拉维的乡村人群，委内瑞拉南亚马逊雨林的工业前生活方式人群，欧洲城市生活人群，坦桑尼亚的狩猎-采集的生活方式人群。

核心的猿类微生物的一致共生模式。

所有的人类和非洲猿种群都有一些列核心菌属，覆盖了大多数的个体样本（图2）。还有，每个人群中普氏菌和拟杆菌的相对丰度呈负相关，而拟杆菌的相对丰度与瘤胃球菌和对位拟杆菌呈正相关。

意义：

人类的生活方式深深影响着定植的微生物群落，这就是微生物，然而，人类微生物怎样从野生原始人微生物转化而来却并不清楚。为建立人类从猿类进化后肠道菌群是怎样变化的，我们归类了成百只大猩猩，倭黑猩猩，黑猩猩微生物组合定植情况，微生物种群的变化稳定的促进了非洲猿种群的变化，但在人类的微生物种群因为戏剧性的丢失了很多原始微生物多样性而加速发生变化。这些结果表明，从人类从猿类分化出来后人类的微生物种群发生了实质性的变化。

宿主进化过程中微生物组成的变化。

比较猿类不同种群的肠道菌群有助于了解原始人进化过程中肠道菌群的系统发育框架体系（图1）。我们推断在非洲猿发展史上不同族群微生物族群的转换最保守的解释了现存的宿主身上存在的微生物种群的不同。如果发现在对向血统或姐妹血统还有外部血统的样本中发现它们之间的微生物相对丰度有两倍的不同且这种不同以假设的校正的p<0.001基础上就可以说明它们的微生物种群发生了变化。对于进化至人类的那一支，只有它们在每个人类样本中都发现了才计入微生物种群组成变化中。

我们确定了35例从猿进化至现存物种的微生物相对丰度的变化，这其中17例在人类中也从homo和大猩猩进化而来后也存在。几种人类微生物组成的不同与宿主的营养有关。细菌的相对丰度与饮食中富含动物脂肪和动物蛋白正相关，将人类的肠道微生物种群丰度增加了5倍。相反，促进降解复杂的植物纤维产生并利用其终产物甲烷的古生菌在人类中间已经减少了5倍以上。相似的，在野生猿类中主要用来降解植物纤维的纤维菌的相对丰度在人类中也大幅减少。

非洲猿微生物像时钟一样的变化

尽管在宿主物种的生活方式和生态差异显著，在微生物群的组成应以较时钟像类人猿多元化过程中速度的变化（图2a）。除了宿主间生活方式和经济的不同，在猿多样化的进化过程中微生物种群也发生着钟表一样缓慢的变化（图2a）。每对野生猿种群之间肠道菌群的差异的平均水平的柯蒂斯相异（bcd）不同，与种群之间的进化距离是种线性相关（p＜10-6）。化石和遗传的证据表明，非洲猿用了500-1300万年完成了从黑猩猩-人的分离，而人类与大猩猩的之间的进化分离则用了1200-1300万年。

除了非洲猿自然的像钟摆一样的慢慢的进化至多样化，美国人群的肠道微生物改变速率更快，且比之前设想的根据进化年代不同而产生的人、大猩猩、大猩猩各个族群的肠道微生态变化更加复杂。基因基因bcd的分析，美国人群的肠道微生物与马拉维人群的肠道微生物之间的差异大于马拉维人与倭黑猩猩之间差异（p＜10-13）。美国人群和野生猿类的肠道微生物在主要的两个相对应的轴做成对β多样性在种群（表2）和97%可操作空间水平都是显著不同的（表3）。

区分不同人群的肠道微生物的改变。

对比野生猿类和人类的肠道微生物的变化可以初步解释形成现今人类族群之间微生物的不同包括区分美国人群的微生物。

人类微生物祖先多样性的减少。

对比取自不同物种和族群不同个体的成百份标本的16sv4序列使我们可以从分类学尺度确认整体微生物多样性的情况。我们发现与野生猿类相比来自在三个大洲的人类标本表现出一种维持较低的微生物多样性的生活方式。总体而言，与黑猩猩、倭黑猩猩或大猩猩相比人类个体含有较少的细菌门，类，次序，科，属和97%可操作区间（图3，图5s，图6s）。

野生猿类体内很多的细菌种类以更少的数量共存，而人类的体内细菌更少，且优势种群更少且有更低的丰度（表s7）。在委内瑞拉和马拉维人群中人类祖先微生物种群多样性减少更显著，但是在美国人群中更加显著，与黑猩猩、倭黑猩猩和大猩猩相比，在20000reads测序深度时微生物种类少30种。

讨论

对比黑猩猩、倭黑猩猩和大猩猩的肠道微生物可以帮助了解人类微生物的进化。特别是，我们通过确认人类各个种群共享的微生物种群和非洲猿独有的微生物重建了从人从黑猩猩进化到人类以来人类微生物的变化。我们的结果通过分析微生物证实了宿主之间对于微生物系统形成关系的组合信息。

现在已经提出人类近期的生活方式变化耗尽了人类野外生存的祖先中出现的微生物种群的多样性，但是这种假说没有经过对比人类和相近的宿主物种证实。之前有一个关于两个人和24个野生黑猩猩的调查发现人类的99%可操作区间较黑猩猩的低，但是小样本的研究不能对这种趋势进行统计学评价，也无法确认在人类微生物中始终未覆盖的微生物。我们观察到在个体的肠道菌群微生物多样性平均水平在猿类中大大不同，而人类中这种多样性是最小的。这种趋势不是任何文化实践的产物，这种趋势是显而易见的，无论你生活在美国的城市或是马拉维的小镇或是亚马逊的小乡村或是委内瑞拉。这项研究证实了在人类进化过程中肠道微生物减少的假说。在人类族群中，美国城市人群肠道菌群多样性最低，这种趋势之前就被yatsunenko观察到，说明在这一群人中肠道菌群多样性的下降更加明显。

另一方面，对于观察到的每个宿主物种肠道菌群多样性的解释是在大猩猩和黑猩猩同人类分支后自己发展了肠道菌群多样性。很难解释这些独立的肠道菌群多样性的增加，然而，在人类这一支文化和生态的不同可以清楚的解释菌群多样性的下降。扩展采集野外生活的与灵长类动物亲缘关系较远的动物标本，可以提供对于人类和野生猿类目前的菌群多样性的变化的原因这一互相矛盾的假说的解释的评价。

除了人类和非洲猿类微生物的显著不同，有一些细菌是宿主中共享的，可能代表了古老非洲猿类的微生物。此外，在宿主中的细菌共生模型在很多物种中都总结除了。这种结果反应了之前的描述：“肠型”和“社区型”：细菌用不同的普氏菌，杆菌，瘤胃球菌和帕拉菌装配人、黑猩猩、鼠的肠道微生物。因此，可能这些细菌种属中的生态学关系中的一致的共生模型遭遇人类和非洲猿类肠道微生物多样性的产生。从不同物种个体中提取肠道微生物标本还有助于确认人口水平的细菌的种类的平均相对丰度的分数。在系统发育朔评分析这些不同还有助于了解人类从其他物种中分支出来后肠道微生物组成的变化。

在人类进化过程中一致的和已知的饮食变化，与消化动物性食物有关细菌种类在人类肠道微生物中相对丰度上升，同时与植物性食物消化有关的细菌种属减少了。

虽然宿主生物种群的系统发育比较可以揭示宿主从另一物种分化出来的连续的微生物变化，但是遗传分化和生态文化差异怎样影响宿主肠道微生态的变化中的作用尚不清楚。取自相同的环境中进食相似食物的宿主的标本可以解释宿主固有的或者相反环境或生活方式对肠道菌群的影响程度。已经有尝试对比不同宿主微生物的共发生。例如：ley等研究显示亲缘关系较远的哺乳动物的肠道菌群的变化与宿主同住一个动物园有关。相似的，songet等研究发现与分开居住的宿主相比，共居的狗和人之间有更多的共同的可操作分类单元，但是狗的微生物与共居的人类之间还是明显不同的。同样，moeller等研究发现与生活在不同区域的大猩猩和黑猩猩相比同区域的大猩猩和黑猩猩有更多相似的细菌物种，但是即使是生活在相同的区域他们的菌群仍然是不同的。这些结果表明，尽管共享环境会导致一些细菌种属的交换，但是宿主的某些细菌对于环境对它没有影响。

结论：

我们用系统进化的框架分析了上百个人和非洲猿的微生物以重建在人类进化过程中微生物是怎样变化的。这种途径依赖于从已知系统进化关系的一支宿主的人口水平的微生物数据可以就宿主微生物的进化史提出问题。与野生猿类相比，人类的微生物多向性较远古人类减少了，而与动物性食物有关的微生物种类增加了。这种人类肠道为神武多样性减少的后果尚不清楚，但是较低的肠道菌群多样性与胃肠功能紊乱、肥胖和自身免疫性疾病有关。了解目前肠道菌群的变化对人类健康的影响有助于进一步研究古代猿类与常住微生物菌落的关系。

材料和方法：

样品收集和物种鉴定。新鲜的大猩猩和倭黑猩猩粪便标本分别从喀麦隆和刚果民主共和国的站点。来自贡贝和坦桑尼亚的黑猩猩粪便标本在排出后立即收集。所有标本随后被保存在rna溶液中（ambion）并存于-80℃。有每一领域专家确认每份标本的种属，并经宿主线粒体d-loop进行证实。

选择样品的处理、排序和统计方法。

之前已有 分析表明由西方文化和农耕文化所长生的微生物的系统差异并没有由于技术的变化造成的研究差异大。因此，物种之间组成的不同比之同一物种间个体之间的要大，这一现象也应该被跨越方法的进行研究。这里，我们选择之前使用的协议，使用珠打dna提取和illumina公司的v4区测序，已缩小技术的变化，使可以直接比较yatsunenko等人的非洲猿类的数据和人的数据。

序列处理和分类作业。质量过滤和序列处理用qiime v1.7软件进行。测序文件用split_libraries_fastq.py设置默认值进行解复用。序列被修饰成与yatsunenko等人的长度相等，把双数聚集串联起来。像yatsunenko等人一样序列用uclust_ref软件将97%otu聚集起来，且按照层次分类（门，类，序，家，属）。

一个核心的非洲猿微生物鉴定。人类和非洲猿的核心微生物必须出现在三分之二以上的个体中，计算成对的分类的数据的相对丰度的spearman相关分析r值。显著相关绝对值>0.3,宿主种属总结见表2.。这些分析流程图描绘在图s8了。

肠道菌群变化的简约的重建。为了进行简约性分析，产生用于目前研究的野生猿类的数据与三组人类的数据集进行比较。排除来自婴儿的数据。为重建发生在人类谱系的微生物成分的变化，我们确认了，在每个个体中相对于野生猩猩种群细菌类群表达达或下降大于至少两倍。为重建的微生物群落发生在分支为大猩猩的过程中微生物的变化，我们确定了在大猩猩个体中与人和大猩猩相比表达达或下降大于至少两倍的细菌。为重建进化为黑猩猩的那一支的肠道菌群成分的变化，我们确定了相对倭黑猩猩，大猩猩，和每个人的来说表达达或下降大于至少两倍以上的微生物细菌类群。为重建进化为倭黑猩猩的那一支的肠道菌群成分的变化，我们确定了相对黑猩猩，大猩猩，和每个人的来说表达达或下降大于至少两倍以上的微生物细菌类群。为重建yatsunenko等人取样的人群的肠道菌群成分的变化，我们确定了相对其他两个人群，大猩猩，和大猩猩的来说表达达或下降大于至少两倍以上的微生物细菌类群。这些分析流程图描绘在图s8了。

评价在伟大的野生猿类进化过程中的微生物变化的速率。我们用大猩猩、黑猩猩、倭黑猩猩从猿类中进化分离出来的时间后的时间的微生物变化属层bcds估计非洲猿的变化。从最近的进化分支时间估计以经验得出的野生黑猩猩和大猩猩种群的衍生时间结果显示在图3。为了验证yatsunenko等人取样的人群是否与比以进化分化时间为基础的预期的野生猿的微生物种群不同，我们计算了所有的人和猿标本的属层bcds（除婴儿），并且为了得到平均不同计算了99%置信区间。描述这些分析的流程图在图s8显示。

人群多样性和均匀度差异的检验。为了这个检验，我们对比了非洲猿和yatsunenko等人取得人类样本的微生物，因为这些数据是用珠打dna提取，pcr扩增16srdna的v4区，和illumina测序取得的。用t检验来评估是否细菌类群每种不同宿主种属和群体中个体中在测序深度20000reads是否不同（不包括婴儿）。在属的水平，我们在一系列的测序深度进行了稀疏的分析（图s6）。在测序深度20000reads评价样本的稳定性，宿主物种和群体的差异性稳定性检验用studentt检验。为确认人类细菌种群多样性的减少，我们计算了ochman等人的数据集中的每个分类和out数据，其中人类标本（2个）和野生猿（24例）的数据制备、加工及配对后用同样的方法进行比较。