肠道菌群多样性离不开的“缺陷菌”以及看《Cell》如何量化菌群的能量贡献

谷禾健康

从吃什么到谁在消化

我们常常纠结于吃什么，食物的卡路里、蛋白质或脂肪含量，却可能忽略了一个关键问题：这些食物进入我们体内后，到底发生了什么？

我们吃下的每一口饭，其实都不是我们一个人在享用，在我们肠道里，还住着数万亿的成员——肠道菌群。我们吃进去的营养，需要先经过它们的“再加工”和“巧分配”，才能真正为我们所用。

我们很多人其实已经了解肠道菌群这个系统至关重要，但其内部精密的运作逻辑，对我们而言就像一个黑箱。

• 这些微生物成员是如何在一个拥挤、资源有限的环境里协同工作的？
• 它们之间是否存在一种约定的社会规则？
• 它们的集体行为又如何在宏观层面影响宿主的能量代谢？
• …

关于这些问题，我们用两篇研究来解析这一微观世界的运作机制。

发表在《The ISME Journal》的研究深入微观，揭示了菌群的“社会规则” 。肠道中大部分细菌都存在“氨基酸合成缺陷”，也就是说它们无法独立制造所有生存必需的氨基酸。这种缺陷却不一定是坏事，某种程度上反而驱动微生物群落多样性、稳定性，促成了它们之间广泛的“交叉喂养”（cross-feeding），形成了一个高度依赖、紧密协作的社会网络。

另一篇发表在《Cell》的研究，则是聚焦宏观，首次量化了菌群的“经济贡献” ，也就是说肠道微生物群每天向人体“输送”多少能量以及这一过程受饮食影响的规律。

通过构建一个精密的系统通量模型，该研究精确计算出，肠道微生物群的发酵产物（乙酸、丙酸、丁酸等）可为人体提供每日2%~10%的能量。这个比例受饮食结构（尤其是纤维摄入量）的显著影响，明确了微生物对宿主能量平衡的具体贡献值。

如果说前一篇回答了菌群之间如何协作，那么后一篇是让我们了解了菌群的协作对我们有什么用。这两篇一起能够让我们更系统、更完整地理解肠道菌群不仅是一个随机的微生物集合，而是一个遵循着内部协作规则、并能对外部宿主产生巨大影响的、有组织的生态系统。

本文将立足于这一整体视角，整合两大前沿发现，深入剖析菌群内部的互补协作逻辑与对宿主的代谢贡献，进而揭示“营养-微生物-宿主健康”核心轴线中的多层级调控规律。

01
氨基酸依赖与群落稳定性：微生态互补的基石

氨基酸合成能力缺陷在肠道细菌中非常普遍

人类肠道内有些细菌，自己造不出某些生存必需的营养物质。比如氨基酸或维生素，它们必须依靠外部环境或其他细菌提供这些物质才能活下去，这种情况就叫“营养缺陷型”。这种“专性营养需求”会对单个细菌和整个菌群系统都产生很大影响。

发表在《The ISME Journal》这篇文章，通过对一个包含5414株肠道细菌的基因组目录进行分析后，选取了其中3687个高质量的基因组进行深入研究发现：

氨基酸合成能力缺陷在肠道细菌中非常普遍。例如，近64%的菌株缺乏合成色氨酸的能力。被“丢失”最多的氨基酸（如色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等），恰好也是人类自身的必需氨基酸。

预测的氨基酸缺陷被分为人类必需和非必需氨基酸

doi.org/10.1038/s41396-023-01537-3

然而，这种看似的缺陷并非生存劣势，而是一种高效的进化策略与生态分工。

• 个体竞争优势：对单个营养缺陷型细菌而言，当环境中存在现成的营养时，它无需耗费能量去合成，便可将节省下的资源用于加速繁殖，从而在特定条件下获得竞争优势。
• 群落协作与稳定：从整个群落层面看，这种普遍存在的营养缺陷促使细菌间形成了广泛的“交叉喂养”（Cross-feeding）关系。缺乏特定合成能力的菌株依赖群落中的其他“供养者”，由此在肠道内形成了一个复杂而稳固的代谢互助网络。这对维持整个肠道生态系统的多样性和长期稳定至关重要。

更有趣的是，研究还揭示了这种营养缺陷与特定发酵产物生成之间的深刻关联。例如：

• 缺支链氨基酸（亮氨酸/异亮氨酸/缬氨酸）→ 乳酸产量高
• 缺谷氨酰胺 → 丁酸/丙酸产生多
• 缺天冬酰胺 → 琥珀酸产量升高

这表明，当合成氨基酸的代谢路径被关闭时，其前体物质会被重新导向其他途径，生成对群落乃至宿主健康至关重要的发酵产物。

doi.org/10.1038/s41396-023-01537-3

总而言之，肠道菌群中的营养缺陷并非弱点，而是驱动群落形成社会性分工的关键。

有的细菌不会做饭，只能吃别人做的饭，但因为社区里有人乐意做、多余的饭还能分享，因此大家都能活得更好，整个微生物群落变得更有分工、更稳定。

通过这种交叉喂养，菌群不仅实现了整体的稳定与繁荣，更获得了强大的稳态韧性，使其在面对饮食波动或药物干扰等外界压力时，能更好地维持其核心功能，也增强了微生物与宿主之间的代谢联系。

“营养缺陷型”细菌越多，肠道菌群多样性越高

研究人员发现了一个有意思的现象：肠道菌群中“营养缺陷型”细菌的丰度，与菌群的多样性和长期稳定性呈显著正相关。也就是说，一个人肠道里营养缺陷型细菌越多，他的肠道菌群种类越丰富，也越稳定。

这其实验证了一个早期来自理论生态学的假说，即“代谢交叉喂养能创造新的生态位”。当细菌通过互相提供必需营养物来弥补彼此的合成缺陷时，它们便构筑了共存的基础，避免了直接的生存竞争。

为了验证该假说，研究团队分析了两个独立队列、跨度长达3~4年的纵向人体数据，结果高度一致：

• 稳定性预测：在研究初期，那些肠道内“营养缺陷型”细菌比例较高的个体，菌群组成在几年之后比那些营养缺陷型菌比例少的个体的菌群稳定得多。
• 互补性是关键：更为关键的是，当一个菌群内部不同菌株的营养缺陷种类差异越大（即代谢互补性越高，交叉喂养潜力越大），该菌群的稳定性也越强。

这意味着，一个高度依赖内部“互助网络”的菌群，其整体结构更加稳固，对饮食波动、药物使用等外界干扰具有更强的抵抗力。

研究者引用的另一项关于B族维生素的研究也佐证了此观点：在小鼠模型中，即使科学家改变小鼠饮食中B族维生素的含量，小鼠肠道菌群的组成几乎没变化；B族维生素“缺乏型”的菌群比例也没明显改变。这说明这些菌并不是靠饮食提供的维生素生存，而是靠菌群内部那些“会合成维生素”的菌种提供营养。

因此，这又进一步印证了他们的观点：

肠道中的营养缺陷并非个体的弱点，反而是驱动群落走向更高层次合作与韧性的关键机制。营养缺陷型菌群的越多，越是促进了普遍的交叉喂养，由此形成的复杂互助网络，是维持整个生态系统平衡、健康和具备自我修复能力的核心。

超越肠道：菌群产物的全身性健康效应

研究人员发现肠道里“营养缺陷型”细菌，不仅仅影响菌群结构，也和宿主的代谢状态、体重以及血液代谢物水平之间存在联系。

研究团队注意到以前人们关注焦点是，“肠道菌群的代谢怎么影响人体健康”，但从来没有人专门去了解“这些营养缺陷型细菌的数量会不会和人体健康参数有关”。于是他们第一次统计分析了氨基酸营养缺陷型菌的比例与受试者健康指标的关系。

结果他们发现几个有意思的点：

①

营养缺陷型菌越多，BMI指数越低

他们发现某些氨基酸营养缺陷型菌的总数量跟人体的 BMI 呈负相关，也就是说，一个人的肠道里这些“营养依赖型”细菌比例越高，他的体重（或体脂）往往越低。

虽然不能说明因果，但这暗示了这些细菌群可能和更健康或更瘦的代谢状态有关。

同时，他们没发现这些细菌的丰度和血细胞计数（也就是血象指标）之间有明显关系，所以这种关联主要是代谢方面的，而不是炎症或免疫系统方面。

②

与血液中某些代谢物水平有关

色氨酸营养缺陷型细菌的比例跟血液中 3-吲哚乙酸（3-IAA）和 3-吲哚丙酸（3-IPA）含量呈正相关。

这两种物质都是由色氨酸经过微生物代谢产生的“吲哚类代谢物”，它们已知具有抗氧化、抗炎、神经保护作用，还能调节肠道屏障和免疫系统。

换句话说：这种缺色氨酸合成能力的细菌越多，人体血液里好的代谢产物越多。这说明这些缺陷菌可能刺激或依赖周围菌群代谢色氨酸，从而促进这些有益代谢物的产生。

不止色氨酸，其他几种氨基酸营养缺陷型（比如谷氨酸、天冬氨酸缺陷等）也和这些吲哚类代谢物呈现正相关。这种一致的趋势表明，肠道中代谢互助可能会提高吲哚相关代谢流通量。

③

与其他代谢物也存在相关性（尤其是胆汁酸和含氮代谢物）

他们发现特定氨基酸营养缺陷型细菌的总比例和对甲酚硫酸酯呈正相关。

这种物质是由肠道菌群将酪氨酸分解后经肝脏代谢转化的产物，通常被认为与肠道代谢活性有关。尽管高水平时可能与肾功能或炎症风险相关，但它也代表了一种活跃的芳香族氨基酸代谢通量。

这些胆汁酸变化说明，肠道代谢生态（由菌群活动决定）确实能影响宿主的脂肪吸收、胆盐循环与炎症信号。换句话说，这种“谁缺什么营养、谁提供什么”的群落特征不光影响菌和菌之间的平衡，也会通过代谢物反馈到宿主的肝脏和消化系统。

血清代谢物水平与肠道微生物组中营养缺陷型细菌频率之间的部分斯皮尔曼相关性

④

没有发现明显的氨基酸水平变化

意思是，虽然菌群结构（营养缺陷型比例）跟体重、代谢物水平有关系，但血液中的游离氨基酸浓度本身并没有明显改变。

这意味着这些影响不是因为“血液里多了或少了某种氨基酸”，而是因为菌群间代谢互动带来的代谢网络变化。

这为氨基酸交叉喂养提供了功能性证据：它不仅是“微生物之间共享营养”的现象，更是宿主健康稳态的化学纽带。

以上这些发现为“交叉喂养”提供了强有力的功能性证据。它不仅是微生物之间维持生存的生态策略，更是一条连接菌群内部互作与宿主全身健康稳态的关键化学纽带。

02
量化微生物能量贡献

肠道菌群对宿主能量的直接贡献

肠道微生物群与人体的相互作用，主要通过一系列被称为发酵产物的小分子（以乙酸、丙酸和丁酸为主）来介导。

这些分子由大肠中厌氧微生物产生，这些微生物主要以植物性食物中的复合碳水化合物为食，如膳食纤维和抗性淀粉，以及通过小肠和粘蛋白的膳食蛋白质。

产生后，绝大部分发酵产物会被结肠上皮细胞吸收，并整合到宿主的代谢网络中，发挥多重生理效应：

• 能量供应：直接作为能量来源，为宿主贡献一部分日常所需的热量。
• 信号调节：作为信号分子，它们能调节免疫细胞的活性，并通过“肠-脑轴”参与饱腹感的信号传递。
• 环境塑造：它们会降低肠道腔的pH值，这种化学环境的改变会直接影响哪些微生物能更好地生长，从而塑造整个菌群的结构。

► ▷

我们要讲的这篇发表在《Cell》的研究，其核心突破在于建立了一个“系统级通量模型”。

它是一个强大的计算框架，能够定量分析在真实生活状态下，人体肠道每天究竟产生了多少发酵产物，以及这些产物的代谢去向。

利用这个框架，研究者发现：

超过90%的可被微生物利用的碳水化合物最后会被转化为发酵产物，而这些发酵产物的大部分都被人体吸收。

这意味着发酵产物是肠道微生物与宿主之间最重要的代谢交换物质，对宿主的信号传导、行为和能量平衡都有显著影响。

微生物对能源供应的贡献

在缺氧的大肠中，微生物利用复合碳水化合物（膳食纤维、抗性淀粉）产生短链脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸）。

这些能量丰富的分子随即被结肠上皮细胞高效吸收，直接汇入人体的能量代谢系统。这一过程对宿主总能量的贡献不容小觑，其具体程度与饮食结构紧密相关：

• 微生物发酵可提供2%–5% 的日常能量需求（西方饮食）
• 这一贡献率可达10% 的能量供给（非西方高纤维饮食）

换算成绝对通量，这意味着人体每天从肠道吸收的发酵产物总量约为 450–1500 mmol。这种“微生物供能”机制，因其难以直接测量，在传统营养学评估中常被忽视。而这项研究的定量模型则明确指出，它是一股对人体能量平衡有显著影响的“代谢暗流”。

DOI: 10.1016/j.cell.2025.07.005

饮食与菌群的明确分工：
饮食决定“量”，菌群决定“质”

研究的核心在于厘清了饮食与菌群在肠道发酵过程中的不同角色。结论非常明确：

饮食结构（尤其是微生物可利用碳水化合物 MACs 含量）是决定发酵产物通量的主因。

相比之下，菌群组成的变化对总产量的影响较小（约±10%），但它显著影响发酵产物的具体构成（如丁酸和乳酸的相对比例）。

研究团队首次利用宏基因组与通量模型估算了健康人肠道的发酵产能：

输入

每天约有 50–80克 的可发酵碳水化合物（MACs）进入结肠。

转化

微生物将其高效转化为 450–1500 mmol 的短链脂肪酸。

输出

这为宿主提供了 2%–10% 的总能量需求，具体比例因饮食模式而异。

这些SCFAs并非均质，而是有明确的组成和分工，其中：

• 乙酸：占比约60%，是主要产物，主要被肝细胞用于脂质代谢；
• 丙酸：占比约25%，进入糖异生通路；
• 丁酸：占比约15%，是结肠上皮细胞首选的能量来源，并发挥关键的抗炎作用。

这一发现可以用一句话概括：

“吃什么”（饮食）决定了发酵的总能量，而“谁在吃”（菌群）决定了这些能量以何种形式（哪种SCFA）被利用。

例如，高纤维饮食（>35 g/天）能显著增加短链脂肪酸总产量，促进产丁酸菌（如 Roseburia、Faecalibacterium）增殖，从而增强肠道的抗炎屏障。

相反，富集高蛋白与低碳水饮食则会使代谢转向蛋白质分解，增加氨和硫化氢等潜在有害物质的产生，使某些潜在致病菌（如 Bilophila wadsworthia）扩增。

营养-微生物共代谢模型：预测健康的新坐标

核心结论与研究启示

饮食作为核心驱动因素

研究最终明确指出，饮食是决定肠道发酵产物种类与总量的核心驱动力。它通过双重机制发挥作用：一方面，直接决定了可供发酵的底物（主要是MACs）的数量；另一方面，长期饮食模式会选择性地塑造菌群的结构。

研究者强调，理解宿主健康和微生物作用时，必须同时考虑饮食、微生物群组成与发酵产物之间的相互作用轴线。

对研究方法的反思与建议

该研究的一个重要启示是，粪便样本检测存在巨大局限性。由于高达95%的短链脂肪酸在结肠段即被宿主吸收，粪便中的残留量远不能反映肠道内真实的生产通量。因此，准确评估肠道发酵活动，必须超越简单的粪便分析，转而采用结合了饮食记录和微生物代谢通量计算的系统模型。

全球饮食模式与肠道生态的关联

将此模型应用于全球不同人群，研究揭示了饮食模式对肠道发酵功能的深刻影响。

数据显示，工业化国家（如美国的NHANES队列，平均产量286 mmol/天）的发酵产率显著低于仍保持传统高纤维饮食的人群（如哈扎狩猎采集者，产量最大可达~1000 mmol/天）。

发酵产物对宿主的能量贡献率也在 1.7% 至 12.1% 之间大幅波动。这些证据表明，现代饮食的精加工趋势可能正在系统性地削弱人类肠道微生物组的能量代谢功能。

对动物模型外推的审慎态度

研究还发现，实验常用的小鼠模型与人类在肠道发酵上存在显著的物种差异。按体重归一化后，小鼠的SCFA产率（~400 mmol/kg/天）远高于人类（~7 mmol/kg/天），其对微生物发酵的能量依赖也更高（小鼠>21% vs. 人类<12.1%）。

这一差异提醒科研人员，在涉及全身性代谢、能量平衡及行为的研究中，将小鼠数据直接外推至人类需格外谨慎。尽管如此，在局部肠道层面（比如每单位肠道表面积吸收的发酵产物量，人和鼠的数值相近），两者具有可比性，使小鼠在研究局部互作机制时仍具价值。

研究的宏观意义：迈向定量微生物生态学

总结来看，这项工作的核心贡献在于推动微生物组研究从定性的“存在性分析”迈向了定量的“通量分析”。它不再仅仅回答“微生物产生了什么分子”，而是通过整合代谢组学、宏基因组学和饮食数据，精确计算出宿主与微生物之间关键代谢物的交换速率与规模（即“通量”）。

这种对“剂量”的明确计算，为理解发酵产物如何具体影响宿主生理（即“剂量-效应关系”）提供了坚实的数据基础。

作者最后强调，这一强大的定量框架不仅适用于发酵产物，还具有广阔的应用前景，未来可扩展至氮循环、气体代谢、蛋白质降解等其他关键的宿主-微生物相互作用领域，从而开启一个系统化、定量化理解人体共生生态系统的新篇章。

• 氮循环——宿主与微生物之间氮元素的转化和交换；
• 气体代谢——微生物之间的“交叉喂养”过程中产生和利用的气体，如氢气（H₂）和二氧化碳（CO₂）；
• 蛋白质分解——微生物分解蛋白质时释放的支链脂肪酸和有毒副产物（如硫化氢），这些物质会影响宿主健康。

03
外源性营养调控与个体化预测的前景

精准氨基酸补充：基于菌群代谢特征

通过外源性氨基酸干预，可有选择地促进益生菌生长：

• 色氨酸：可能通过促进菌群交叉喂养，间接增加吲哚类代谢物（3-IAA、3-IPA）的生成，后者已被证实具有抗炎及屏障保护作用；
• 谷氨酸/谷氨酰胺：与产丁酸菌（如Faecalibacterium prausnitzii）的活性相关，可能通过代谢网络调节短链脂肪酸生成；
• 复合氨基酸配方：如谷氨酸与半胱氨酸的组合，或可协同增强菌群的代谢互补性，进而强化抗炎屏障功能。

这种“氨基酸-选择性补养”策略可能成为未来益生营养的新方向。但其具体菌株配对及剂量效应仍需实验验证。

碳源结构优化：调控能量产物比例

通过调控可发酵碳水化合物的含量与结构，可以：

• 提高丁酸/丙酸比，促进抗炎途径；
• 降低蛋白质腐败发酵产物（氨、吲哚胺）累积；形成低炎症、高能效的代谢生态。

当菌群有充足、优质的碳源（可发酵碳水化合物）作为能量时，它们会优先利用这些碳源，从而减少对蛋白质的分解（即腐败发酵）。这会直接降低氨、硫化氢、部分吲哚和酚类等潜在有害物质的产生。

体化代谢预测：AI + 代谢组学融合

展望未来，我们可以通过整合微生物基因组尺度代谢模型、宿主代谢组学信息以及个体饮食数据，并利用机器学习算法进行深度分析，从而构建一个强大的综合预测模型。

该模型将能够精准评估个体的能量回收效率，预测其罹患肥胖、炎症性肠病（IBD）、2型糖尿病等代谢相关疾病的风险趋势，并模拟不同营养干预方案的个性化反应。这标志着我们正迈向一个能够为精准营养和预防医学提供坚实科学循证依据的新时代。

综合以上两篇《The ISME Journal》与《Cell》的标志性研究成果，一个突破性的生命科学框架逐渐清晰：肠道微生物群落本质上是一个分布式代谢系统 。其核心机制体现为“营养缺陷-代谢互补-发酵能量”的级联功能网络，三者通过动态互作构成人体代谢稳态的关键调控枢纽。

氨基酸营养缺陷型的普遍存在，说明肠道微生物早已从“个体独立的代谢单元”进化为“代谢互助的生态集合体”，代谢功能呈现出模块化和分工化趋势。

这令人联想到人类社会的分工协作：厨师专注烹饪、医生钻研医术、教师传道授业，正是通过放弃全能、追求专精，整个社会系统更能高效运转。菌群的营养缺陷何尝不是如此？

这种“丧失功能以换取依赖”的策略并非退化，而是一种进化经济学的最优解——正如团队成员通过各司其职提升整体效率，微生物通过外部化代谢与共生交换，降低了整个系统的能量成本。

群落层面的发酵产物研究进一步表明，这种微观的营养依赖会在更高层次上塑造整个碳流通量网络。

《Cell》的研究则将这一微观协作的宏观效应进行了精准量化，研究表明，正是通过交叉喂养（cross-feeding）等复杂的内部协作，菌群构建了一个强大的能量生态系统，最终能为宿主贡献每日高达2%-10%的能量。

这是从抽象概念到具体数值的飞跃，证明菌群这个微观社会，集体协作产生的巨大外部价值。这与人类社会的合作共赢理念不谋而合：供应链中上下游企业的互补、科研团队中不同领域专家的协作，都在印证同一个真理——真正的强大是群体互哺所带来的可量化的集体增益。

长期来看，这种“机制解析-模型构建-临床转化”的闭环路径，将重新定义健康管理的范式——从传统的宿主中心视角转向“菌群-宿主生态系统”的动态平衡监测。

未来，随着多组学检测成本的下降与算法迭代，这种“预测-干预-验证”的闭环管理模式有望成为常规临床实践的重要组成部分。结合AI驱动的多组学整合技术，我们有望实现从“疾病治疗”到“代谢稳态预测与维护”的跨越，为个性化营养干预与代谢疾病防治提供全新工具。

参考文献：

Starke S, Harris DMM, Zimmermann J, Schuchardt S, Oumari M, Frank D, Bang C, Rosenstiel P, Schreiber S, Frey N, Franke A, Aden K, Waschina S. Amino acid auxotrophies in human gut bacteria are linked to higher microbiome diversity and long-term stability. ISME J. 2023 Dec;17(12):2370-2380.

Arnoldini M, Sharma R, Moresi C, Chure G, Chabbey J, Slack E, Cremer J. Quantifying the varying harvest of fermentation products from the human gut microbiota. Cell. 2025 Sep 18;188(19):5332-5342.e16.