謹慎設計并記錄實驗動物飲食有助于提高實驗可重復性。

上世紀80年代，有兩組研究人員提出過一個看似簡單的問題：動物少吃一點，能活更久嗎？美國國立衛生研究院（NIH）和威斯康星大學麥迪遜分校的兩組研究人員喂養恒河猴（Macaca mulatta），將實驗組的卡路里攝入量控制得比對照組低30%。威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員發現，限制卡路里攝入后，猴子活得更久、更健康[1,2]，而NIH則沒有觀察到類似結果[3]。

為搞清楚差異何在，科學家們檢查了實驗設置。他們發現，雖然兩組實驗對卡路里攝入量的限制程度一致，但飲食的不同可能導致了最終的實驗結果不同[4]。“飲食就是又一個變量，”美國海洋生物學實驗室的分子生物學家Kristin Gribble說，“如果飲食在不同實驗中有差異，在解釋實驗結果時，應當考慮進這個額外變量。”

以前研究人員在設計實驗時往往會忽略動物飲食的重要性，美國阿拉巴馬大學的水產動物營養研究員Stephen Watts說。他說：“只要動物看著挺高興，狀況不錯，[研究人員]就不會往心里去。”

這種情況在1977年開始發生改變，當時，美國營養學會制定了消除醫學研究中飲食干擾因素的方法指南[5]。科學家們隨后為動物設施和實驗室開發了多種標準化飲食，之后多種大鼠和小鼠的標準化飼料投入生產。“很明顯，營養是提高實驗嚴謹性和可重復性的關鍵因素之一。”Watts說。

但這種飲食仍然包含了許多差異。而且，還有許多常見動物模型并沒有標準化飲食。有些飲食設計是出于成本和實用性的考慮，而非模擬動物的自然習性。所以，詳細記錄實驗設計對于提高實驗可重復性相當關鍵，印第安納大學伯明頓分校的生物統計學家David Allison說。他曾致力于找出NIH和威斯康星大學那兩項靈長動物研究之間的差異。他表示，把飲食細節納入實驗記錄將幫助未來的研究人員“決定他們是否要重復這個實驗，以及如何解釋結果。”

標準化的不足

Allison說，研究人員在許多物種中都觀察到食物變化會帶來意想不到的結果，有“在科學上沒太大意義”的小偏差，也有對結論產生深遠影響的數據。例如，在Allison參與的一項長期研究中，由于從供應商處購買的某些批次飼料有雜質，大鼠患上了膀胱結石，這意味著他們沒有動物能得出具有統計學顯著性的結論，不得不重起爐灶，找出原因、解決問題，然后才能繼續實驗。在另一項研究中他們遇到了類似的問題，動物因攝入過多維生素A發生了皮膚病，雖然這不影響最終結論，但這些情況“讓實驗變得不像我們希望的那么干凈”，他說，“壽命研究實驗中時常出現這種情況，因為動物吃同樣的食物太久了。”

哪怕是在短期實驗且采取標準化飲食的情況下，也會出現實驗性并發癥。2018年，澳大利亞樂卓博大學的營養學家Caroline Tuck在研究短鏈可發酵碳水化合物（稱為FODMAP），它們可加劇人類的腸易激綜合征等癥狀。在研究小鼠模型中FODMAP含量不同的飲食時，她發現實驗室標準化飲食中蛋白質、微觀和宏觀營養素水平有很大差異。研究團隊成員、加拿大麥克馬斯特大學的微生物學家Giada De Palma說：“所謂標準食物其實是很多不一樣的東西。”為了評估不同食物的影響，他們給四組小鼠喂食不同的商業飼料，為期三周。他們發現，小鼠盲腸中的微生物多樣性存在顯著差異[6]，盲腸是小鼠食物發酵的主要腸道場所。

Tuck和De Palma強調，這些飲食并無好壞之分。但鑒于這些差異，他們建議使用顆粒飼料的科學家考慮其成分是否會影響研究結果。“在實驗設計階段就得考慮這個問題，”Tuck說，“而不是在事后反思，或是直接用實驗室常規使用的飼料。”

此外，Tuck表示，研究人員應該報告細節，“發表文章時，我們會寫明動物在什么時間獲得食物和水，但明確列出飲食內容是什么也一樣重要。”

詳細的記錄也幫助解決了卡路里限制是否讓恒河猴活得更久這個問題。在回顧實驗時，NIH和威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員發現，截然不同的實驗結果可能部分源于食物質量、喂食的時間和動物自己的進食選擇[4]。比如，NIH的食物會放置整晚，猴子隨時可以吃，而威斯康星的猴子下午的水果點心到了晚上就被收走了。

擁抱差異

另一種提高實驗可重復性的方法是關注動物福利、豐富飲食多樣性，加州大學舊金山分校的行為神經科學家Robyn Crook說。“非標準化飲食很有價值。”那些“極度緊張和受到剝削”的動物，哪怕得出的數據一致，對研究也沒什么幫助。她說：“標準化到了一定程度就會影響動物福利，然后研究也會受到負面影響。”Gribble同意這個說法：“有些實驗室給動物吃的東西跟在野外幾乎毫不相干，這不是這些生物適應了的營養狀況，僅此一點就能改變實驗結果。”

例如，研究人員通常用大腸桿菌（Escherichia coli）喂養秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans ），但那是因為大腸桿菌好養，不是線蟲喜歡吃。在2020年的一項研究[7]中，研究人員經常發現秀麗隱桿線蟲在吃自然出現的細菌污染物，這些細菌也常出現在秀麗隱桿線蟲生活的自然環境中。他們還發現，與喂食標準大腸桿菌菌株相比，以這些細菌飼養的秀麗隱桿線蟲在基因表達、發育和繁殖等過程中發生了改變。當研究人員給線蟲提供六種細菌菌株自助餐的時候，線蟲會積極回避某些細菌，偏好選擇另一些。

Gribble在實驗室中用藻類和浮游植物喂養名為輪蟲的微觀水生動物。她說，食物生長方式不同會讓輪蟲的性狀產生變化：在高光照條件下生長的浮游植物，比起低光照環境會產生更多脂質、更少蛋白質，這種差異能夠影響到實驗結果。

蝦和其它小型水生物種的類似變化，也會影響吃它們的動物，例如章魚和魷魚。Crook說，當她在實驗室長期養魷魚時，就也要養蝦來喂它們。她說，通過控制蝦的食物來讓魷魚的飲食標準化，這是可能的。但許多頭足綱動物很難養在實驗室，因此一些研究人員依賴于野外捕捉這些動物，也得去捉它們的食物。當用章魚做短期研究時，出于成本和實用性考慮，她的團隊會用野外捕獲的食物或活魚喂養章魚。Crook研究的是疼痛神經科學，而非食物或動物飼養，“但不解決這些問題，你就沒辦法真的做頭足類動物的研究。”她說，“這是動物健康的基礎。” Crook鼓勵研究人員在設計實驗時考慮動物的自然歷史。動物福利的核心之一是允許動物有一些控制力，她說。“何不在飲食上給它們一些選擇呢？”

而且，關注動物福利能提高科學嚴謹性，Allison說。然后他說：“我們更有可能在廣泛多樣的環境中，發現那些保持不變的效應。”

參考文獻：

1. Colman, R. J. et al. Science325, 201–204 (2009).

2. Colman, R. J. et al. Nature Commun. 5, 3557 (2014).

3. Mattison, J. A. et al. Nature 489, 318–321 (2012).

4. Mattison, J. A. et al. Nature Commun. 8, 14063 (2017).

5. American Institute of Nutrition Ad Hoc Committee on Standards for Nutritional Studies. J. Nutr. 107, 1340–1348 (1977).

6. Tuck, C. J. et al. Sci. Rep. 10, 17784 (2020).

7. Stuhr, N. L. & Curran, S. P. Commun. Biol. 3, 653 (2020).