谨慎设计并记录实验动物饮食有助于提高实验可重复性。

上世纪80年代，有两组研究人员提出过一个看似简单的问题：动物少吃一点，能活更久吗？美国国立卫生研究院（NIH）和威斯康星大学麦迪逊分校的两组研究人员喂养恒河猴（Macaca mulatta），将实验组的卡路里摄入量控制得比对照组低30%。威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员发现，限制卡路里摄入后，猴子活得更久、更健康[1,2]，而NIH则没有观察到类似结果[3]。

为搞清楚差异何在，科学家们检查了实验设置。他们发现，虽然两组实验对卡路里摄入量的限制程度一致，但饮食的不同可能导致了最终的实验结果不同[4]。“饮食就是又一个变量，”美国海洋生物学实验室的分子生物学家Kristin Gribble说，“如果饮食在不同实验中有差异，在解释实验结果时，应当考虑进这个额外变量。”

以前研究人员在设计实验时往往会忽略动物饮食的重要性，美国阿拉巴马大学的水产动物营养研究员Stephen Watts说。他说：“只要动物看着挺高兴，状况不错，[研究人员]就不会往心里去。”

这种情况在1977年开始发生改变，当时，美国营养学会制定了消除医学研究中饮食干扰因素的方法指南[5]。科学家们随后为动物设施和实验室开发了多种标准化饮食，之后多种大鼠和小鼠的标准化饲料投入生产。“很明显，营养是提高实验严谨性和可重复性的关键因素之一。”Watts说。

但这种饮食仍然包含了许多差异。而且，还有许多常见动物模型并没有标准化饮食。有些饮食设计是出于成本和实用性的考虑，而非模拟动物的自然习性。所以，详细记录实验设计对于提高实验可重复性相当关键，印第安纳大学伯明顿分校的生物统计学家David Allison说。他曾致力于找出NIH和威斯康星大学那两项灵长动物研究之间的差异。他表示，把饮食细节纳入实验记录将帮助未来的研究人员“决定他们是否要重复这个实验，以及如何解释结果。”

标准化的不足

Allison说，研究人员在许多物种中都观察到食物变化会带来意想不到的结果，有“在科学上没太大意义”的小偏差，也有对结论产生深远影响的数据。例如，在Allison参与的一项长期研究中，由于从供应商处购买的某些批次饲料有杂质，大鼠患上了膀胱结石，这意味着他们没有动物能得出具有统计学显著性的结论，不得不重起炉灶，找出原因、解决问题，然后才能继续实验。在另一项研究中他们遇到了类似的问题，动物因摄入过多维生素A发生了皮肤病，虽然这不影响最终结论，但这些情况“让实验变得不像我们希望的那么干净”，他说，“寿命研究实验中时常出现这种情况，因为动物吃同样的食物太久了。”

哪怕是在短期实验且采取标准化饮食的情况下，也会出现实验性并发症。2018年，澳大利亚乐卓博大学的营养学家Caroline Tuck在研究短链可发酵碳水化合物（称为FODMAP），它们可加剧人类的肠易激综合征等症状。在研究小鼠模型中FODMAP含量不同的饮食时，她发现实验室标准化饮食中蛋白质、微观和宏观营养素水平有很大差异。研究团队成员、加拿大麦克马斯特大学的微生物学家Giada De Palma说：“所谓标准食物其实是很多不一样的东西。”为了评估不同食物的影响，他们给四组小鼠喂食不同的商业饲料，为期三周。他们发现，小鼠盲肠中的微生物多样性存在显著差异[6]，盲肠是小鼠食物发酵的主要肠道场所。

Tuck和De Palma强调，这些饮食并无好坏之分。但鉴于这些差异，他们建议使用颗粒饲料的科学家考虑其成分是否会影响研究结果。“在实验设计阶段就得考虑这个问题，”Tuck说，“而不是在事后反思，或是直接用实验室常规使用的饲料。”

此外，Tuck表示，研究人员应该报告细节，“发表文章时，我们会写明动物在什么时间获得食物和水，但明确列出饮食内容是什么也一样重要。”

详细的记录也帮助解决了卡路里限制是否让恒河猴活得更久这个问题。在回顾实验时，NIH和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员发现，截然不同的实验结果可能部分源于食物质量、喂食的时间和动物自己的进食选择[4]。比如，NIH的食物会放置整晚，猴子随时可以吃，而威斯康星的猴子下午的水果点心到了晚上就被收走了。

拥抱差异

另一种提高实验可重复性的方法是关注动物福利、丰富饮食多样性，加州大学旧金山分校的行为神经科学家Robyn Crook说。“非标准化饮食很有价值。”那些“极度紧张和受到剥削”的动物，哪怕得出的数据一致，对研究也没什么帮助。她说：“标准化到了一定程度就会影响动物福利，然后研究也会受到负面影响。”Gribble同意这个说法：“有些实验室给动物吃的东西跟在野外几乎毫不相干，这不是这些生物适应了的营养状况，仅此一点就能改变实验结果。”

例如，研究人员通常用大肠杆菌（Escherichia coli）喂养秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans ），但那是因为大肠杆菌好养，不是线虫喜欢吃。在2020年的一项研究[7]中，研究人员经常发现秀丽隐杆线虫在吃自然出现的细菌污染物，这些细菌也常出现在秀丽隐杆线虫生活的自然环境中。他们还发现，与喂食标准大肠杆菌菌株相比，以这些细菌饲养的秀丽隐杆线虫在基因表达、发育和繁殖等过程中发生了改变。当研究人员给线虫提供六种细菌菌株自助餐的时候，线虫会积极回避某些细菌，偏好选择另一些。

Gribble在实验室中用藻类和浮游植物喂养名为轮虫的微观水生动物。她说，食物生长方式不同会让轮虫的性状产生变化：在高光照条件下生长的浮游植物，比起低光照环境会产生更多脂质、更少蛋白质，这种差异能够影响到实验结果。

虾和其它小型水生物种的类似变化，也会影响吃它们的动物，例如章鱼和鱿鱼。Crook说，当她在实验室长期养鱿鱼时，就也要养虾来喂它们。她说，通过控制虾的食物来让鱿鱼的饮食标准化，这是可能的。但许多头足纲动物很难养在实验室，因此一些研究人员依赖于野外捕捉这些动物，也得去捉它们的食物。当用章鱼做短期研究时，出于成本和实用性考虑，她的团队会用野外捕获的食物或活鱼喂养章鱼。Crook研究的是疼痛神经科学，而非食物或动物饲养，“但不解决这些问题，你就没办法真的做头足类动物的研究。”她说，“这是动物健康的基础。” Crook鼓励研究人员在设计实验时考虑动物的自然历史。动物福利的核心之一是允许动物有一些控制力，她说。“何不在饮食上给它们一些选择呢？”

而且，关注动物福利能提高科学严谨性，Allison说。然后他说：“我们更有可能在广泛多样的环境中，发现那些保持不变的效应。”

参考文献：

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).