這,是一篇有“味道”的科普
2019年08月08日09:37

  來源:科學大院

  俗話說人吃五穀雜糧,沒有不生病的。有沒有人不生病筆者不知道,但是有一點倒是可以保證,每天正常吃飯的人里沒有不放屁,不拉屎的。

  說起這兩個難兄難弟,大家首先想到的肯定是它們不那麼令人愉悅的味道。我們今天故事的主角,就藏在這不怎麼芬芳的味道背後。

圖1(圖片來源:veer圖庫)
圖1(圖片來源:veer圖庫)

  “酸爽”的味道 從何而來?

  為什麼大便和屁有臭味?主要是由於它們都含有帶異味的揮發性物質,而這些物質則是食物殘渣在腸道中被微生物“調戲”產生的。

  嬰兒出生後的第一次大便被稱為胎糞,主要含有羊水毛髮和消化道上皮碎片之類的代謝產物。而胎糞其實是不臭的,這是因為新生兒的腸道中非常幹淨,沒有任何能使有機物發酵的細菌等微生物,自然也不會產生揮發性物質。新生兒開始進食之後,環境中的各種微生物也會進入嬰兒的消化系統。新生兒(尤其是母乳喂養的嬰兒)腸道中數量最多的兩種微生物就是嬰兒雙歧杆菌和乳酸菌。因為這兩種細菌大量存在於酸奶等乳製品中,所以大家常說剛出生的小孩有奶味,不止是體味,據說他們的糞便也有淡淡的奶味。

圖2 雙歧杆菌顯微照片,其代謝產物有輕微的奶味 (圖片來源:雙歧杆菌維基百科)
圖2 雙歧杆菌顯微照片,其代謝產物有輕微的奶味 (圖片來源:雙歧杆菌維基百科)

  隨著生長髮育,人開始進食更多種類的食物,各種各樣的微生物也隨著食物進入了腸道中,並隨即安家落戶。這些進入腸道的微生物並不只是老老實實地停留在此,它們也會分解人體沒能充分吸收的養分(主要是肌肉和植物纖維等),給自己生存和傳宗接代提供能量。在這個過程中它們也會排出自己的代謝廢物,其中有的是易溶於水的分子,而有的則是容易揮發的分子,這些帶有異味的揮發性物質就是大便和屁臭味的來源了。

  腸道微生物的種類非常繁多,一個人腸道內的寄生微生物大約有上千種(包括細菌和真菌)。其中一部分實在是人畜無害,並不產生帶有濃重氣味的氣體;而另一些對人的嗅覺就不那麼友好了,它們的代謝產物中常常含有硫,胺基,短鏈脂肪酸,吲哚等容易產生濃鬱氣味的分子,這也正是文初提到的那種不太芬芳的氣味的主要來源。這些帶有異味的揮發性物質,有些會隨著吞下的空氣一起排出,這個過程俗稱放屁。另一些會停留在大便內,並在排便後的很長時間里持續散發著氣味(想像一下很久沒人打掃的旱廁)。換句話說,屁和大便里的異味氣體,基本上是同源的。

  筆者對屁里所含的不同氣體及其腸道微生物來源做了一下簡單的梳理,如果大家對這個重口味的話題很感興趣,請看下面的表格:

表1 (表格來源:作者自製)
表1 (表格來源:作者自製)

  腸道微生物研究:

  熱門,但對研究者有挑戰

  聊到這,可能有的朋友會很好奇,研究人員對大便和屁的構成瞭解得這麼透徹,到底有什麼用呢。對這些異味氣體的研究,是為了更好地瞭解藏在它背後的大boss:我們親愛的腸道微生物。

  其實醫學界很早就對腸道微生物的功能有了一些瞭解。比如前文提到在嬰兒腸道內大量存在雙歧杆菌和乳酸菌,可以幫助嬰兒更好地分解母乳中不好消化的低聚糖,抑製有害菌的增殖,還可以刺激嬰兒免疫系統的發育等。而梭菌、乳杆菌等腸道細菌可以幫助成人分解難以消化的蛋白和膳食纖維。攝入不同類型的食物也會刺激不同類型的腸道微生物,進而導致不一樣的“屁味”。

圖3 (圖片來源:veer圖庫)
圖3 (圖片來源:veer圖庫)

  而最近十年來,科研人員發現除了消化相關的功能以外,腸道微生物還有著一些奇特的“隱藏功能”。比如異常的腸道菌群會導致腸炎和腸易激等消化系統慢性病,進行糞便移植(俗稱吃瘦子的屎)能幫助胖子減肥等等。這些與消化系統直接相關的研究還算容易理解。可近來還有些研究發現腸道微生物會影響人的運動能力、智力、睡眠狀況甚至和阿爾茲海默症(即老年癡呆)的發作有關係(見參考文獻1)。這些研究是否是玄學,咱們暫且按下不表。但如此多的相關論文,足可以證明目前對腸道微生物功能的研究可以算是熱得燙手,紅得發紫。

圖4 傳統大便微生物組分析的大致流程,每個樣本處理的步驟之間往往還需要多次清洗 (圖片來源:作者自製)
圖4 傳統大便微生物組分析的大致流程,每個樣本處理的步驟之間往往還需要多次清洗 (圖片來源:作者自製)

  但很不幸,想研究腸道微生物,基本都得和糞便打交道。目前對腸道微生物組的分析主要採用的是宏□因組測序法,再通過生物信息學的方法反推回樣本中存在什麼樣的微生物。其中最關鍵的是提取微生物RNA這一步,需要對大便樣本進行步驟繁多的處理。而這項工作的特殊性使得處理腸道微生物相關的原始樣本成為了一項不太吸引人的苦差事,畢竟喜歡玩屎的人還是少數。正是這項工作的複雜和艱苦,讓針對腸道微生物的RNA組學檢測很難被納入常規臨床診斷技術的範圍里。(如果是常規臨床檢測,恐怕醫院檢驗科的同誌要罵娘了。)

  現在你知道研究屁有什麼用處了吧?

  大便和屁中的那些帶有異味的氣體,雖然聞著令人不快,但正好能給科學家們提供解決問題的一個新思路:既然不同的微生物能產生不同種類的氣體,那能不能通過屁,或者大便中的揮發性氣體構成反推回產生它們的微生物,進而推斷與微生物相關的腸道疾病呢?

圖5  不同腸道疾病患者的糞便揮發性有機物質(VOC)的構成有很大區別(原圖來自參考文獻2,由本文作者漢化)
圖5 不同腸道疾病患者的糞便揮發性有機物質(VOC)的構成有很大區別(原圖來自參考文獻2,由本文作者漢化)

  答案基本上是肯定的,雖然由於樣本採集的難度問題,目前幾乎還沒有人直接“測屁”,但已有數篇文章證明了使用目前最為靈敏的氣體成分分析技術:氣相色譜-質譜聯用法(GC-MS)檢測糞便中可揮發性有機物(VOC)的可行性,併發現了不同的揮發性成分構成與不同的腸道疾病存在顯著關聯(見參考文獻2,3:腸道疾病患者的糞便VOC均有較多的丁酸,但克羅恩病患者的樣本中二甲硫較多,潰瘍性結腸炎患者的樣本中丁酸乙酯含量很低。如果用人話來解釋,就是由於涉及的微生物不同,同樣是拉稀這個症狀,不同病因的患者,屎和屁的味道都不太一樣。

  這樣的方法雖然依舊需要對大便樣本進行預處理,但其處理流程遠比提取糞便中的微生物遺傳信息要容易得多。隨著小型化低成本氣相色譜技術的發展,醫院購置這類氣相色譜儀將不是什麼難事,屆時糞便VOC的檢測將會有機會成為標準化臨床檢測中的一部分(見參考文獻4)。

圖6 密西根大學研發的一種便攜式二維氣相色譜裝置。圖片來源:參考文獻4
圖6 密西根大學研發的一種便攜式二維氣相色譜裝置。圖片來源:參考文獻4

  也許,正是這種聽起來有些重口味的方法,能將高大上的腸道微生物研究,帶入到尋常百姓的就醫體驗中來呢。

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