作者： Zach Aanderud 博士作者： Zach Aanderud 博士
本文介绍了肠道微生物群的基本生态学。 突出强调肠道微生物群的三大实质性益处，包括保护大脑免受肠道微生物群化学物质的侵害
在我们的每条大肠中，都生活着数万亿的微生物，它们共同组成了一个位于我们健康中心的支持器官–肠道微生物群。在地球上的任何生物群或微生物群中，我们的肠道中微生物的密度最高，主要属于细菌，但也有真菌、古细菌和原生生物。我们的消化道内生活着 5000 多种不同种类的微生物，重量约为 2 千克或 4.4 磅，几乎是我们大脑重量的两倍（Bäckhed 等人，2005 年；Sekirov 等人，2009 年；Sender 等人，2016 年）。我们本身既是细菌又是人类，微生物群中的细胞数量相当于我们自身的细胞数量。
此外，如果我们研究一下负责这种活动的基因，我们的肠道微生物群表达的基因可能比我们自己的基因组多≥100 倍，有 330 万个独特的编码基因，而我们整个人类基因组只有 23 000 个基因（阿蒙和桑德森，2017 年）。
但是，在我们关注肠道微生物群遗传多样性所带来的多种多样的基本功能之前，我们需要先讨论一下消化道的生态学。 从根本上说，我们的消化是在一个生态系统中进行的，在这个生态系统中，生物（即我们的胃肠道、肠道微生物群）和非生物成分（即我们吃的食物）相互作用。 让我们逐一分析这些组成部分。
胃肠道
虽然营养物质在吸收部位附近的可获得性最高，但胃和小肠中的微生物数量相对较少。 由于胃内容物的 pH 值低、胆盐对微生物的毒性以及消化液流动相对较快，这些区域的微生物数量受到限制。 多达 90% 的消化发生在这些氧气浓度相对较高的地方（Rinninella 等人，2019 年）。
相比之下，位于胃肠道远端的大肠保留和继续消化食物的时间是小肠的六倍，并在低氧环境中为我们提供多种其他服务。 在肠道内，肠上皮细胞构成胃肠道的一层或管腔表面或内衬。 这一层有两大功能：吸收有益物质进入人体，以及限制有害物质或微生物进入人体。 为了适当地执行这些任务，肠上皮细胞在人体和肠道之间生成了肠粘膜屏障，防止肠腔内容物不受控制地转移到体内，并将细菌收容在大肠内。
肠道微生物组
我们肠道微生物群的 99% 以上都在大肠中，这些细菌要么是粘膜相关细菌，由于靠近上皮细胞，会对我们的免疫和代谢健康产生长期影响（Juge 2022），要么是更短暂的自由生活细菌，每天通过我们的大肠。 在粘膜层中占据一席之地的细菌是大肠的真正居民，而自由生活的细菌只是在肠道中 “搭便车”。 在大肠结肠这个低氧环境中，你会发现厌氧细菌主要由细菌门（芽孢杆菌门，即以前的固醇菌门）、类杆菌门、放线菌门和半单胞菌门（即以前的变形菌门）以及属组成。 乳杆菌属（Bacteroides）、梭状芽孢杆菌属（Clostridium）、粪杆菌属（Faecalibacterium）、优杆菌属（Eubacterium）、反刍球菌属（Ruminococcus）、肽球菌属（Peptococcus）、肽链球菌属（Peptostrptococcus）和双歧 杆菌属（Bifidobacterium ）（Rinninella et al 2019）。其他菌属，如埃希氏菌属和乳酸杆菌属的数量较少。
您的食物
最终，我们粪便干重的 60% 是肠道微生物群细菌。 我们肠道中数量庞大的细菌所需的碳和能量有几个来源：复杂的膳食多酚、可消化纤维、其他碳水化合物、蛋白质和未被消化的脂肪、宿主分泌物（粘蛋白）的成分以及脱落的上皮细胞。 大肠中细菌的多样性程度令人震惊，这表明存在着多种生态位，这些生态位不仅是由我们自身的生理机能创造的，而且是通过复杂的食物网形成的，在食物网中，一种细菌的副产品可能成为其他细菌的底物（沃尔特，2008 年）。 我们的饮食决定了有助于微生物群多样化的食物类型。
肠道微生物群为健康提供了大量基本益处，本文将重点介绍其中三项–增强免疫系统、产生维生素/对抗毒素，以及产生影响心理健康的神经递质。
增强免疫力
健康的肠道微生物群能极大地促进免疫系统，或由器官、细胞和蛋白质组成的复杂网络，保护我们的身体免受感染。 居住在大肠中的细菌会改变肠道化学成分，完全占据肠道空间，并分泌抗菌蛋白，将潜在病原体拒之门外。 我们肠道中的细菌通过发酵代谢食物，产生乙酸、丁酸和丙酸等短链脂肪酸（SCFA）。 这些 SCFAs 可降低胃 pH 值，抑制艰难梭菌等有害病原体的生长，从而增强宿主的抗菌免疫反应（Ouyang et al 2022）。艰难 梭菌是一种机会性腹泻病原体，在全球范围内造成了严重的发病率和死亡率，通常是由抗生素治疗引起的（Gregory et al 2021）。
有助于增加 SCFA 含量的食物有膳食多酚、果寡糖以及菊粉、抗性淀粉、树胶和果胶等不易消化的碳水化合物和纤维。 此外，肠道微生物群中的许多常驻和暂居细菌会产生少量抗菌分子，即细菌素（如微菌素、肠球菌素和葡萄球菌素），它们有能力消灭特定的定植病原体（Heilbronner 等人，2021 年）。 SCFA 还有助于保持肠上皮细胞的完整性。
微生物的失衡或粘膜屏障的破坏会增加肠道上皮细胞的通透性，这一过程被称为菌群失调。 不幸的是，肠道菌群失调会加剧多种自身免疫性疾病，包括类风湿性关节炎、多发性硬化症和乳糜泻（Chang 和 Choi 2023 年；Chen 和 Vitetta 2021 年）。 健康的肠道微生物群有助于维持体内平衡，支持免疫系统的正常运作。
维生素和毒素
我们健康所必需的特定维生素只能在肠道微生物群中产生。 大多数维生素必须由外部来源提供。 维生素存在于各种食物中，但这意味着饮食不当可能会导致维生素缺乏。
令人意想不到的是，我们的肠道微生物组可以从头合成维生素，尤其是高达 30% 的维生素 K 和 B 族维生素，如核黄素、烟酸和钴胺素（Nysten 和 Dijick，2023 年）。 维生素 K 是骨骼、认知能力和心脏健康所必需的，而维生素 B 组则是维持整体健康所必需的，对能量水平、大脑功能和细胞新陈代谢都有影响。
维生素对我们的健康至关重要，但其他化学物质却对我们极为有害。 从人为产生的污染到食品添加剂和杀虫剂，我们不断受到异生物（即生物体环境中通常不存在的化学物质）的侵袭。 如果没有肠道微生物群的新陈代谢，许多异种生物就会达到有毒浓度（Croom，2012 年）。 由于基因的多样性，健康的肠道具有强大的新陈代谢能力，可以对无数的异生物进行生物转化，远远超过我们自身的新陈代谢潜力（Dikeocha 等人，2022 年；Abdelsalam 等人，2020 年）。
肠道与大脑的联系
您的大脑和肠道微生物群通过数以百万计的神经细胞持续对话。 肠脑联系是指生活在胃肠道中的细菌与中枢神经系统之间的生化信号传递。 生化信号由神经递质（Reynoso-Garcia 等人，2022 年）启动，如 SCFAs（Obata 和 Pachnis，2016 年）、5-羟色胺（5-HT，5-羟色胺）、γ-氨基丁酸（GABA；Pokusaeva 等人，2017 年）以及皮质醇等激素（Valles-Colomer 等人，2019 年）。 肠道和大脑共同直接或间接地影响着情绪、认知和大脑疾病的病理生理学。
例如，我们95%的神经递质血清素是在肠道中产生的，它能调节情绪（即情绪、睡眠、消化、恶心、愈合、骨骼健康、血液凝固和性欲；特里和马格里斯，2017年）。 抑郁症等其他神经精神疾病也与肠道菌群失调有关。 一般来说，随着抑郁症的发生，芽孢杆菌的减少会导致 SCFAs 的减少，从而影响肠道屏障（Huang 等，2018 年）。 此外，抑郁症患者体内的双歧杆菌水平也会降低，而重新引入益生菌物种，如长双歧杆菌和短双歧杆菌，可以减少抑郁行为，增加5-羟色氨酸和丁酸盐的分泌（Tian 等，2019 年）。
归根结底，当我们有直觉、胃里有蝴蝶效应或相信自己的直觉时，我们在一定程度上是在倾听肠道微生物组和大脑之间的串扰。
我们与肠道微生物群共同组成了一个 “超级有机体”。 我们相互依存。 我们的肠道微生物群拥有数万亿个细胞、数千种不同的物种和相对无限的基因功能，它们在我们的生活中发挥着不可或缺的日常功能，而我们却大大低估了这些功能。 我们需要欣赏和培育我们的微生物组，这样我们才能从我们的健康中心充分受益。
关于作者
Zach Aanderud 拥有博士学位，是杨百翰大学微生物生态学和生物地球化学教授。 他在俄勒冈州波特兰出生长大，曾就读于比亚大学、加州大学戴维斯分校和密歇根州立大学。
参考资料
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