气温如同过山车？探索气候变化对肠道微生物组的影响

谷禾健康

今年的天气，如此的奇怪：

短袖和羽绒服之间，只差了一个降温

忽冷忽热，气温仿佛过山车…

11月初多地气温破纪录，冬天集体迟到…

早穿皮袄午穿纱，每天不知道穿啥…

再不冷都不好意思过圣诞了…

好在前几天，冷空气又开始冲业绩了！

当我们以为无限接近冬天的时候，

本周四温度又会飙升到20多度温暖如春…

之后又开启从二十多度到零下，断崖式下跌…

<截止发文前12月12日12:00 杭州天气预报>

气候变化改变了许多生态系统，对全球生物多样性产生了不利影响。有时候我们看到的表面上只是温度的变化，而在这背后，气候变化可能是多维的，超出了单一因素的变化。

这些因素包括气候变化和降水模式的改变、极端天气事件的强度和持续时间的增加以及季节性的变化。这些影响可以组合作用或产生涉及间接途径的级联反应，例如改变环境、食物供应等，从而影响人体健康。由此，人们越来越能感受到，异常天气直接或间接对胃肠道、肝脏、神经系统等疾病的影响。

而人体内和动物身上的微生物群，也可以受到一系列环境变量的影响。微生物群的变化会影响宿主的健康和生理机能。

注：微生物群可以代谢食物产生能量，支持免疫系统的发展和病原体的排除，并介导内分泌和神经功能。

气候驱动的宿主相关微生物群的变化可能会加剧气候变化对宿主的负面影响，或者可能通过增强宿主可塑性来缓冲气候变化的影响。

本文我们来了解一下，气候变化与人体健康之间的关联，包括胃肠道、肝病、心理健康等，其中一些联系是推测性的，需要研究来确认因果关系，了解这些可能有助于开发一些潜在的适应和缓解策略。

气候变化对身体、心理健康的影响

dx.doi.org/10.1136/gutjnl-2023-331187

01
温度变化对人体的整体影响

▼
快速降温对人体有什么影响？

• 低温下外周血管收缩，手脚供血不足；
• 低温皮肤受冷容易瘙痒等；
• 低温下肌肉收缩力下降，动作容易迟钝；
• 免疫力下降，更容易感染疾病或者引起慢病复发。

▼
人体为了适应温度变化，生理上有什么变化？

我们知道人体是恒温动物，体温维持在一定范围内，环境温度的变化不会影响体温。但人体需忍受环境温度的变化才能确保自身的生存和繁殖。为此会作出一系列的应激响应：

• 快速降温时，可能打寒颤，人体通过肌肉收缩颤抖来产生热量，促进棕色脂肪组织产热，从而提高体温；
• 低温时外周血管收缩减少热量散失；
• 选择性摄入富含热量的食物，例如冬天较少吃瓜果等寒凉的食物，增加吃的牛羊肉等频率，来增加体内热量。

▼
温度变化对肠道的影响

生命的组成部分本质上都对温度敏感。当温度太高时，蛋白质会变性，核酸会失去碱基配对，质膜会过于流动。当天气太冷时，一切都会变慢：酶的工作效率低下，质膜变得僵硬。

同样，温度变化会影响肠道各组分的生理功能，从而导致肠道功能紊乱。例如，低温可能减弱肠道蠕动，影响粪便排泄；极端高低温可能降低肠道黏膜的免疫功能。

天气较冷的时候，有些对冰凉的食物很敏感，可能一不小心就会腹泻、便秘或腹痛等情况发生，但并非每个人都这样。同样的环境同样的饮食，部分人容易出现肠道症状，而另一部分人没有不适，这可能与肠道菌群相关。

从某种角度来说，温度也会影响肠道菌群。

Getty Images; iStock

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肠道微生物对温度胁迫的适应能力如何呢？

微生物和其他生物体会在特定温度范围内生长，并对超出其最佳状态的温度做出响应。

大肠杆菌和其他肠杆菌科成员具有耐热性；这个科中的许多物种在比典型吸热宿主更冷和更温暖的温度下都能很好地生存。例如，肠道致病性耶尔森氏菌将在接近 0°C 的温度下继续生长，而实验室中的大肠杆菌菌株将从大约 8°C 生长到 42°C，并且很容易进化到在高达 48°C 或更高的温度下生长。

事实上，变形菌门的成员在响应许多环境压力时具有功能灵活性。此外，该组的致病成员（如沙门氏菌、耶尔森氏菌、假单胞菌和致病性大肠杆菌）明确响应宿主温度，将其用作上调毒力基因的环境线索。

这些温度响应基因在 42°C 的发烧样温度下往往比在 37°C 时更强烈地上调；铜绿假单胞菌中的温度响应酶同样显示出高达 45°C 的效率增加。艰难梭菌是另一种主要的人类肠道病原体，在 37°C 和 41°C 的体外生长同样良好。

总之，这些观察结果表明，肠道病原体既能耐受又能利用宿主温度变化。

02
温度变化对消化系统的影响

➤ 1
快速降温对胃肠道及菌群的影响

天气冷起来了，人们往往会选择一些高热量的食物，饮食中可能会选择一些高脂肪类的食物，如牛肉、羊肉、猪肉等，但不一定很快长胖。

一篇文献探讨了哺乳动物肠道微生物群对寒冷暴露和宿主体温过低的反应性。啮齿动物和人类中，Lachnospiraceae 的丰度和多样性以及短链脂肪酸的产生随着体温下降而持续增加。体温过低的小鼠也具有更好的代谢健康，并且不太容易受到高脂肪饮食诱导的肥胖。

微生物群通过影响宿主产热，帮助维持体温

有大量证据表明微生物群不仅对低温有反应，而且还会影响宿主的产热作用。在冷应激期间，哺乳动物主要通过非颤抖产生体热，这是棕色脂肪组织中发生的代谢过程。

在寒冷暴露中，动物能够通过激活棕色脂肪组织（BAT）来产生热量，同时通过促进白色脂肪组织“褐变”的方式来维持体温。

在非颤抖产热过程中，宿主线粒体蛋白 UCP1（解偶联蛋白 1）将质子运输与 ATP 合成解偶联，从而产生热量。

微生物群改善饮食中的能量获取

缺乏微生物群的哺乳动物在基线时体温较低，暴露在寒冷环境中会经历更严重的体温过低。这可能是因为当微生物群存在时，可以改善饮食中的能量获取，促进产热。

暴露于寒冷环境 1-6 天的小鼠肠道微生物群表现出群落多样性下降、厚壁菌门:拟杆菌门比例下降、疣微菌相对丰度降低。

寒冷应激的传统饲养动物中短链脂肪酸产量的增加，似乎是食物摄入量增加的结果，从而为微生物代谢并最终为宿主产热提供了更多燃料。

当粪便从体温过低的啮齿类动物移植到健康啮齿类动物时，短链脂肪酸的产生和体温调节能力也得到改善。

微生物发酵纤维也会直接产生代谢热

人类肠道微生物群在发酵过程中产生 60 kcal/h 的热量，约占个体静息时产生的总热量的 70%。

这些发现共同表明，微生物群的代谢活动有助于促进宿主产热。

以上是寒冷也就是气温下降后，人体及肠道微生物群的变化。气候变化同时也意味着极端高温事件的出现，那么炎热的天气又会对人体及肠道菌群带来什么影响呢？

➤ 2
高温对胃肠道和肝脏的影响

环境温度升高与肠病、肾病、胆病之间存在关联

热浪与炎症性肠病(IBD)患者急性发作的风险增加有关。在热浪期间，热浪期间每增加一天，IBD发作的风险增加4.6%（95%置信区间（CI）：1.6-7.4%，P=0.0035），传染性胃肠炎发作的风险增加4.7%（95%CI：1.8-7.4%，P=0.0020）。

环境温度升高与胆道疾病入院之间也存在潜在联系；潜在的机制仍有待阐明。

一项研究汇编了 1999 年至 2009 年加利福尼亚州肝胆和肾脏系统疾病的每日住院人数数据，并将其与气象数据相匹配。温暖季节较高的平均温度与尿路感染[每10°F变化百分比：7.3，95% CI：5.6，9.1]、败血症[增加百分比：2.9；95% CI: 1.5，4.3]、尿路结石[增加百分比:15.2；95% CI：10.3，20.4]和复合性肾病的入院率显著增加有关。此外，温度升高与胆道疾病入院人数增加有关。

极端高温会影响哺乳动物的生理功能

患有慢性疾病（例如慢性肝病）的人更容易受到过热的影响。

注：过热定义为体温调节失效导致核心温度高于36℃-37.5℃的正常范围。过热与发热这一更常见的体征不同，后者由炎症反应时细胞因子激活所致，受下丘脑水平调控。

极端高温对人体的影响包括：

• 缺血，缺血是由于外周血管舒张以向环境散热而发生的。
• 肝细胞坏死可由代偿性内脏血管收缩导致的缺血和缺氧引起，并可导致急性肝损伤，在极端情况下可导致急性肝衰竭。
• 极端高温导致的细胞毒性也会导致胰腺炎
• 肠粘膜屏障受损，增加通透性，从而导致内毒素血症。
• 由于对上皮细胞的热毒性和内脏循环的变化导致氧化应激
• 气候变化会影响所有粘膜表面的上皮屏障。腹泻、脱水和电解质不良可能随之而来。

以上我们是从直接的角度来了解温度变化对人体的影响，从更宏观的角度来说，温度改变也意味着气候的变化，这可以从土壤、空气等环境来间接影响人体健康。

➤ 3
气候变化对胃肠道的间接影响

气候变化→土壤菌群→肠道菌群→慢病

气候变化相关的温度升高会对土壤微生物的生长产生负面影响，导致土壤微生物组成的改变。研究表明，全球变暖可以通过减少土壤不稳定的碳、增加寡营养细菌(Oligotrophic bacteria)，减少真菌和放线菌来改变生态系统。土壤微生物组组成的改变可能会影响土壤中磷、硫和氮的循环。

土壤微生物组组成的退化直接影响生产农产品的土壤质量下降。土壤中有机物含量低，会降低作物微量营养素的质量和数量，人类严重依赖农产品和畜牧业来满足食物需求。肥沃的土壤会创造出优质、有益健康的食物，对身体健康产生积极影响。然而，土壤中营养物质和养分的缺乏，会降低食物的营养价值，进而损害肠道菌群的正常功能和新陈代谢。

粮食作物质量的降低可以通过增加变形菌丰度和减少拟杆菌来改变肠道微生物群的组成。这些变化会通过改变体内必需微量和大量营养素的产生来进一步影响人类健康状况。

气候变化→农作物歉收、化学品→肠道菌群→慢病

由于气候变化，农作物歉收现象日益严重；用于作物生长的化学品和杀虫剂可能会改变肠道微生物组的组成，降低肠道菌群多样性。

由此产生的肠道菌群失调可能会影响肠易激综合征、炎症性肠病 (IBD) 和结直肠癌的病理生理学，以及从肥胖到神经退行性疾病的非胃肠道疾病。

doi: 10.3390/ijerph18115510

空气污染→炎症、氧化应激、肠道菌群→慢病

空气污染和颗粒物 (PM) 水平上升现在也与人类许多器官系统疾病的发展有关，并可通过炎症、胰岛素抵抗和氧化应激产生影响。空气污染与脂肪肝病、慢性肝损伤和肝硬化的发生有关，但具体机制仍有待确定。

颗粒物与肠道微生物的相关研究

Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022

代谢功能障碍相关的脂肪肝病 (MASLD) 与气候危机有关

因为农业破坏和粮食不安全的加剧，导致对超加工食品的依赖以及随后出现的营养不良和/或肥胖，空气质量差，导致缺乏户外运动和积极旅行，久坐不动的生活方式和肥胖。许多医生担心气候变化、肥胖和营养不良的协同流行正在导致 MASLD 的流行。

微囊藻毒素（蓝绿藻的一种肝毒性副产品，由于气候变化而增加，会污染饮用水和游泳场所）可导致进行性 MASLD，并通过其对微生物组的影响增加炎症性肠道病理学和实验模型中的恶性肿瘤。

气候可以改变肠道微生物群组成

并通过直接和间接途径影响宿主的健康

doi.org/10.1111/1751-7915.14276

气候变暖下的冰川融化，传染病增加

人类遇到的超过 50% 的传染病因气候变化而加剧，预计到 2030 年，腹泻病发病率将增加 10%，主要影响幼儿。

与气候变化相关的洪水导致饮用水污染和甲型肝炎和戊型肝炎等水源/肠道感染的爆发。人们发现冰川中肠道病毒含量丰富，由于全球变暖加剧，冰川融化时，这些冰川和永久冻土中处于休眠状态的病毒和细菌病原体可能会被唤醒，并在周边现有和新的动物群之间传播。大量新型病毒颗粒会释放到相连的水体中。海水温度上升也为肠道病毒提供了更适宜的环境。

气温升高，细菌性疾病风险增加，部分病毒病原体风险降低

某些细菌的生长；胃肠道细菌感染（包括弧菌感染）已有报道，甚至远至波罗的海和北海附近的地区。平均气温每升高 1°C，非伤寒沙门氏菌病、志贺氏菌病、弯曲菌病、霍乱、大肠杆菌肠炎和伤寒病的发病风险就会增加。由于气候变化引起的洪水，带来钩端螺旋体病、弯曲杆菌和隐孢子虫病的爆发。

另一方面，轮状病毒和诺如病毒在全球变暖的环境中可能会减少，因为这些病毒在较温暖的温度下生存能力较差。在 4°C 下观察到的轮状病毒感染性高于 20°C 下的轮状病毒感染性。

以上，我们了解了气候变化通过土壤微生物群、农用化学品、空气污染物、冰川融化等方面来影响肠道菌群，从而影响人体健康。

03
气候变化对心理健康的影响

据报道，气候危机对心理健康产生负面影响，进而影响胃肠道健康。粮食不安全和生活成本都受到影响。

doi.org/10.1016/j.hnm.2022.200165

生态焦虑和压力与物质滥用有关

这可能与酒精相关的胃肠道疾病和病毒性肝炎的发展有关。北极的升温速度大约是全球变暖平均速度的四倍，越来越多的文献记录了这些变化对人们心理健康和药物使用脆弱性的影响。

气候变化与物质使用增加联系起来的途径

doi.org/10.1177/17456916221132739

气候变化正在增加急性和慢性环境压力源的频率和严重程度 (a)。这些压力源的影响因个人脆弱性和接触严重程度而异 (b)，并通过五个独立途径增加有害物质使用风险 (c)。这些途径会引发与增加有害物质使用 (d) 相关的适应不良应对措施，需要采取缓解和适应行动 (e)。这五种途径中的每一种都可以单独、并行或交互地操作以增加风险。

气候变化引发恐惧、内疚、焦虑、悲伤等情绪

世界各国调查显示，气候变化会引发强烈而复杂的情绪反应，包括担忧、恐惧、愤怒、内疚、焦虑、悲伤、绝望等情绪，尤其是在年轻人中。

一项针对 10 个国家 10000 名 16-25 岁人士的调查发现，超过 45% 的受访者表示，他们对气候变化的想法和感受损害了他们的日常生活和功能，年轻人感到“没有未来”，“人类注定要灭亡”等。

当我们感到压力或焦虑时，由于大脑向肠道发送的信号，我们最终可能会感到胃部或肠道不适。另一方面，肠道通路的破坏可能会影响我们身体的压力反应、情绪唤醒、情绪、动机，甚至更高层次的认知功能，如决策。

微生物群-肠-脑轴 (MGB) 的双向交流

Singh S,et al., Microorganisms.2022

一些研究表明，精神疾病患者有“肠漏”，这使得肠道微生物能够通过肠道屏障进入血液。循环中的白细胞可以感知这些微生物，并通过释放一些细胞因子引起炎症反应，这些物质能够穿过血脑屏障并直接作用于大脑。这种不健康的炎症级联反应也与抑郁和焦虑有关。

肠-脑相互作用障碍的负担也可能随着酒精的增加而增加。

尽管这些负面情绪状态不应与精神病学诊断混为一谈，但对自然环境的破坏可能导致情绪困扰，并且情绪状态会影响物质使用。例如，负面情绪状态与吸烟者对尼古丁的渴望有关，并且在药物滥用复发中发挥重要作用。悲伤（但并非所有负面情绪状态）与长期烟草成瘾的风险增加有关。

04
气候变化对其他疾病的影响

➤1

温度影响骨骼疾病

外部温度是影响生理各个方面的环境参数，需要生物体不断适应其波动。骨质疏松症是最常见的代谢性骨病，其特征是骨量低和微结构恶化，导致骨骼脆弱并增加骨折风险。宿主对寒冷的适应部分是由肠道微生物群组成的改变介导的。

一项研究发现，温暖暴露（34°C）可以通过增加骨小梁体积、连接密度和厚度来防止卵巢切除引起的骨质流失，从而提高成年雌性和年轻雄性小鼠的生物力学骨强度。

doi.org/10.1016/j.cmet.2020.08.012

温暖会改变肠道微生物群的组成，温暖暴露后， Akkermansia muciniphila 的丰度显着增加。移植适应温暖的微生物群表型可复制温暖对骨质流失的保护作用。组合宏基因组学/代谢组学分析表明，温暖可增强细菌多胺生物合成，导致体内总多胺水平更高，从而增强骨骼强度。

➤2
癌症

人们普遍认为地球正在以前所未有的速度变暖，作物的地理分布和产量以及作物的叶际微生物群预计将受到气候变化的强烈影响。例如，产真菌毒素的黄曲霉能够在高温和干旱条件下生长。黄曲霉在极端炎热和干燥条件下的恢复生长是一个预期的和正在出现的困境。

摄入受污染的食物后，胃肠道尤其容易受到霉菌毒素的影响。一般来说，胃肠道中的肠道屏障起到过滤有害霉菌毒素的作用。然而，一些霉菌毒素对胃肠道产生有害影响，霉菌毒素可以改变正常的肠道功能，例如屏障功能、营养吸收，甚至影响肠道的组织形态。

黄曲霉毒素AFB1——肝致癌物

在气候变暖的情况下，真菌产生的黄曲霉毒素预计与原发性肝癌发病率增加有关。在人类食品和动物饲料中发现的最常见的霉菌毒素是AFB1。AFB1是公认的有效的肝癌物，并被国际癌症研究机构列为I类致癌物。肝脏是AFB1的主要靶点。AFB1和肝细胞癌之间存在很强的联系。同时，急性黄曲霉毒素中毒会引起腹痛、呕吐、水肿和死亡。

赭曲霉毒素OTA——肾致癌物

赭曲霉毒素主要由曲霉属和青霉属产生，赭曲霉毒素A（OTA）是该组中最普遍和最相关的真菌毒素。OTA的主要靶点是肾脏。先前的动物研究结果表明，OTA是一种有效的肾致癌物，国际癌症研究机构将 OTA 归类为可能对人类致癌的 2B 组致癌物。除此之外，OTA 是一种免疫抑制、致畸和肾毒性化合物。

室外空气污染、PM2.5——食道癌、肝癌

室外空气污染和PM（<2.5 μm）被认为是与气候密切相关的致癌物质改变。人们推测 PM 暴露与食道癌的发生之间存在联系。

一项对我国成年人的大型前瞻性队列研究发现，长期接触 PM 2.5与食道癌风险升高相关。

doi.org/10.1053/j.gastro.2023.03.233

对于每增加10μg/m3的PM2.5，食管癌发病率的风险比（HR）为1.16（95% CI，1.04–1.30）。

最近的一项系统评价提供了 PM 与结直肠癌和肝癌之间关联的证据，其中肝癌的证据最为有力。

据报道，塑料废物（由化石燃料制成）也具有致癌性，尽管日益严重的内部微塑料污染（目前通过受污染的海鲜和其他来源影响到世界各地的大多数人）对胃肠道疾病的影响尚不清楚。值得注意的是，在人类肝脏中检测到了微塑料。

人体组织样本中发现的 MP 颗粒示例

doi.org/10.1016/j.ebiom.2022.104147

结 语

气候变化是一个全球性的问题，气候变化与肠道菌群之间存在密切的关联，进而影响免疫调节和炎症过程。正在发育的免疫系统很容易受到气候变化的影响，从而改变个体对感染、特应性和自身免疫性疾病的易感性。这种影响可能导致胃肠道疾病的发展和加重。

因此，了解气候变化通过肠道菌群影响胃肠道疾病的途径，对于预防和治疗这些疾病至关重要。

考虑到未来随着全球气候变暖，环境温度的升高，细菌性肠道病原体引起的肠道感染可能会增加。一些风险可能在出生前就开始了，并在整个发育过程中产生叠加、交互和累积效应。

除了传统的感染后吃药等手段治疗之外，我们需要更多的监测方式，例如肠道菌群检测，提前预测潜在的肠道感染风险，并采取针对性的预防措施。

建立更强大的肠道菌群对于缓解极端气候变化带来的心理压力，减少细菌性肠道病原体的传播和感染风险是必要的。同时，我们也可以从个人做起，加强对环境问题的重视，共同为健康的未来努力。

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