这，是一篇有“味道”的科普…
2019/8/8 7:00:00谭璞 科学大院
俗话说人吃五谷杂粮，没有不生病的。有没有人不生病笔者不知道，但是有一点倒是可以保证，每天正常吃饭的人里没有不放屁，不拉屎的。
说起这两个难兄难弟，大家首先想到的肯定是它们不那么令人愉悦的味道。我们今天故事的主角，就藏在这不怎么芬芳的味道背后。
图1(图片来源：veer图库)
“酸爽”的味道 从何而来？
为什么大便和屁有臭味？主要是由于它们都含有带异味的挥发性物质，而这些物质则是食物残渣在肠道中被微生物“调戏”产生的。
婴儿出生后的第一次大便被称为胎粪，主要含有羊水毛发和消化道上皮碎片之类的代谢产物。而胎粪其实是不臭的，这是因为新生儿的肠道中非常干净，没有任何能使有机物发酵的细菌等微生物，自然也不会产生挥发性物质。新生儿开始进食之后，环境中的各种微生物也会进入婴儿的消化系统。新生儿(尤其是母乳喂养的婴儿)肠道中数量最多的两种微生物就是婴儿双歧杆菌和乳酸菌。因为这两种细菌大量存在于酸奶等乳制品中，所以大家常说刚出生的小孩有奶味，不止是体味，据说他们的粪便也有淡淡的奶味。
图2 双歧杆菌显微照片，其代谢产物有轻微的奶味 (图片来源：双歧杆菌维基百科)
随着生长发育，人开始进食更多种类的食物，各种各样的微生物也随着食物进入了肠道中，并随即安家落户。这些进入肠道的微生物并不只是老老实实地停留在此，它们也会分解人体没能充分吸收的养分(主要是肌肉和植物纤维等)，给自己生存和传宗接代提供能量。在这个过程中它们也会排出自己的代谢废物，其中有的是易溶于水的分子，而有的则是容易挥发的分子，这些带有异味的挥发性物质就是大便和屁臭味的来源了。
肠道微生物的种类非常繁多，一个人肠道内的寄生微生物大约有上千种(包括细菌和真菌)。其中一部分实在是人畜无害，并不产生带有浓重气味的气体；而另一些对人的嗅觉就不那么友好了，它们的代谢产物中常常含有硫，胺基，短链脂肪酸，吲哚等容易产生浓郁气味的分子，这也正是文初提到的那种不太芬芳的气味的主要来源。这些带有异味的挥发性物质，有些会随着吞下的空气一起排出，这个过程俗称放屁。另一些会停留在大便内，并在排便后的很长时间里持续散发着气味(想象一下很久没人打扫的旱厕)。换句话说，屁和大便里的异味气体，基本上是同源的。
笔者对屁里所含的不同气体及其肠道微生物来源做了一下简单的梳理，如果大家对这个重口味的话题很感兴趣，请看下面的表格：
表1 (表格来源：作者自制)
肠道微生物研究：
热门，但对研究者有挑战
聊到这，可能有的朋友会很好奇，研究人员对大便和屁的构成了解得这么透彻，到底有什么用呢。对这些异味气体的研究，是为了更好地了解藏在它背后的大boss：我们亲爱的肠道微生物。
其实医学界很早就对肠道微生物的功能有了一些了解。比如前文提到在婴儿肠道内大量存在双歧杆菌和乳酸菌，可以帮助婴儿更好地分解母乳中不好消化的低聚糖，抑制有害菌的增殖，还可以刺激婴儿免疫系统的发育等。而梭菌、乳杆菌等肠道细菌可以帮助成人分解难以消化的蛋白和膳食纤维。摄入不同类型的食物也会刺激不同类型的肠道微生物，进而导致不一样的“屁味”。
图3 (图片来源：veer图库)
而最近十年来，科研人员发现除了消化相关的功能以外，肠道微生物还有着一些奇特的“隐藏功能”。比如异常的肠道菌群会导致肠炎和肠易激等消化系统慢性病，进行粪便移植(俗称吃瘦子的屎)能帮助胖子减肥等等。这些与消化系统直接相关的研究还算容易理解。可近来还有些研究发现肠道微生物会影响人的运动能力、智力、睡眠状况甚至和阿尔兹海默症(即老年痴呆)的发作有关系(见参考文献1)。这些研究是否是玄学，咱们暂且按下不表。但如此多的相关论文，足可以证明目前对肠道微生物功能的研究可以算是热得烫手，红得发紫。
图4 传统大便微生物组分析的大致流程，每个样本处理的步骤之间往往还需要多次清洗 (图片来源：作者自制)
但很不幸，想研究肠道微生物，基本都得和粪便打交道。目前对肠道微生物组的分析主要采用的是宏基因组测序法，再通过生物信息学的方法反推回样本中存在什么样的微生物。其中最关键的是提取微生物RNA这一步，需要对大便样本进行步骤繁多的处理。而这项工作的特殊性使得处理肠道微生物相关的原始样本成为了一项不太吸引人的苦差事，毕竟喜欢玩屎的人还是少数。正是这项工作的复杂和艰苦，让针对肠道微生物的RNA组学检测很难被纳入常规临床诊断技术的范围里。(如果是常规临床检测，恐怕医院检验科的同志要骂娘了。)
现在你知道研究屁有啥用处了吧？
大便和屁中的那些带有异味的气体，虽然闻着令人不快，但正好能给科学家们提供解决问题的一个新思路：既然不同的微生物能产生不同种类的气体，那能不能通过屁，或者大便中的挥发性气体构成反推回产生它们的微生物，进而推断与微生物相关的肠道疾病呢？
图5 不同肠道疾病患者的粪便挥发性有机物质(VOC)的构成有很大区别(原图来自参考文献2，由本文作者汉化)
答案基本上是肯定的，虽然由于样本采集的难度问题，目前几乎还没有人直接“测屁”，但已有数篇文章证明了使用目前最为灵敏的气体成分分析技术：气相色谱-质谱联用法(GC-MS)检测粪便中可挥发性有机物(VOC)的可行性，并发现了不同的挥发性成分构成与不同的肠道疾病存在显著关联(见参考文献2,3：肠道疾病患者的粪便VOC均有较多的丁酸，但克罗恩病患者的样本中二甲硫较多，溃疡性结肠炎患者的样本中丁酸乙酯含量很低。如果用人话来解释，就是由于涉及的微生物不同，同样是拉稀这个症状，不同病因的患者，屎和屁的味道都不太一样。
这样的方法虽然依旧需要对大便样本进行预处理，但其处理流程远比提取粪便中的微生物遗传信息要容易得多。随着小型化低成本气相色谱技术的发展，医院购置这类气相色谱仪将不是什么难事，届时粪便VOC的检测将会有机会成为标准化临床检测中的一部分(见参考文献4)。
图6 密西根大学研发的一种便携式二维气相色谱装置。图片来源：参考文献4
也许，正是这种听起来有些重口味的方法，能将高大上的肠道微生物研究，带入到寻常百姓的就医体验中来呢。
致谢：
特别感谢侯玉柱博士，佘金岩博士，周梦莲博士和王思聪同志对本文提供的帮助。
参考文献:
1. Kowalski, Karol, and Agata Mulak. "Brain-gut-microbiota axis in alzheimer’s disease." Journal of neurogastroenterology and motility 25.1 (2019): 48.
2. Walton, Christopher, et al. "Analysis of volatile organic compounds of bacterial origin in chronic gastrointestinal diseases." Inflammatory bowel diseases 19.10 (2013): 2069-2078.
3. Garner, Catherine E., et al. "Volatile organic compounds from feces and their potential for diagnosis of gastrointestinal disease." The FASEB Journal 21.8 (2007): 1675-1688.
4. Lee, Jiwon, et al. "On-site monitoring of occupational exposure to volatile organic compounds by a portable comprehensive 2-dimensional gas chromatography device." Analytical methods 10.2 (2018): 237-244.
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