绪论：被忽视的“代谢器官”
在人类对自身生命奥秘的探索中，我们曾一度将代谢调控的全部功过归于激素、神经和脏腑器官。胰岛素被视为血糖的“总开关”，肝脏被奉为物质代谢的“化工厂”，脂肪组织则被看作被动的能量“仓库”。然而，近二十年的微生物组学研究，正以前所未有的深度改写这一认知图景。
人体肠道内栖息着数以万亿计的微生物，其数量远超人体自身细胞总数，其编码的基因数量更是人类基因组的百倍以上。这些微生物并非被动的“寄居者”，而是以一种高度活跃的方式参与着宿主的生命活动。它们发酵膳食成分，释放生物活性代谢物；它们调节肠屏障的完整性，影响炎症状态；它们与远端器官——脑、肝、脂肪——进行着持续的“跨界对话”。
当代代谢医学正在形成一个新的共识：人体的能量秩序，并非由某一个器官独立决定，而是由宿主与微生物共同构成的“共生系统”协同治理。理解这一系统的运行规则，已成为破解肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝等代谢性疾病的关键。
1. 能量摄取：微生物的“二次加工”
（1）被遗漏的能量来源
传统的营养学以“热量摄入-热量消耗”的简单模型解释能量平衡。然而，这一模型忽略了一个重要环节：食物中相当一部分成分——主要是膳食纤维和抗性淀粉——无法被人类自身的消化酶分解，它们几乎完整地抵达结肠，在那里等待着另一群“工人”的处理。
这便是肠道菌群登场之处。这些微生物拥有人类基因组所缺乏的大量碳水化合物活性酶，能够将复杂的植物多糖降解为可发酵的单糖和寡糖。这一过程不仅为微生物自身提供生长所需的能量和碳源，更重要的是，其发酵产物——主要是短链脂肪酸——可以被宿主吸收利用，成为人体能量预算中不可忽视的一部分。
（2）短链脂肪酸：能量的“二次回收”
短链脂肪酸（主要是乙酸、丙酸和丁酸）是肠道菌群发酵膳食纤维的核心产物。其中，丁酸是结肠上皮细胞的首选能量底物，为肠道屏障的维护提供燃料；乙酸和丙酸则被吸收进入血液循环，抵达肝脏和外周组织，参与更广泛的能量代谢。
那么，这一“二次回收”究竟贡献了多少能量？2025年发表于《Cell》的一项系统性研究给出了迄今最精确的量化答案：对于西方饮食模式的人群，肠道菌群发酵提供的能量约占人体总能量需求的2%-5%；而对于以植物性饮食为主的非西方人群，这一比例可高达10%。这意味着，同样是摄入1000千卡的食物，不同个体的肠道菌群“抽成”比例可能相差数倍——这正是“同样饮食，不同命运”的微生物学解释。
（3）能量摄取效率的个体差异
菌群对能量的“抽成”并非一成不变。其效率取决于三大变量：饮食底物的可及性（膳食纤维的多寡）、菌群组成（产短链脂肪酸菌群的丰度）、以及结肠转运时间（影响发酵与吸收的时长）。
更重要的是，这种差异可能转化为体重的差异。经典的“能量收割”假说认为，某些个体的菌群具有更强的从食物中提取能量的能力，使得同样的热量摄入导致更高的能量净得，从而增加肥胖风险。尽管这一假说仍需更多临床证据，但它揭示了能量平衡方程中一个长期被忽视的变量——微生物的“中介费”。
2. 能量储存与消耗：微生物的“分流指令”
如果说能量摄取是“进账”，那么能量储存与消耗便是“支出分配”。肠道菌群不仅影响总能量的多少，更决定这些能量将以何种形式存放、或者是否被燃烧。
（1）脂肪储存的微生物指令
短链脂肪酸在这一环节扮演着双重角色。丁酸已被证实能够促进脂肪氧化和棕色脂肪组织的产热作用，推动能量向“燃烧”方向分流；而乙酸和丙酸则倾向于促进脂肪合成与储存。这一微妙的功能分化意味着，菌群产物的“配比”直接影响能量在体内的分配路径。
更为精巧的调控来自次级胆汁酸。肠道菌群对肝脏分泌的初级胆汁酸进行化学修饰，生成多种次级胆汁酸，后者通过激活法尼醇X受体和G蛋白偶联受体TGR5，调节脂质代谢、胰岛素敏感性和能量消耗。当菌群失衡时，这一信号通路的紊乱与脂肪肝、胰岛素抵抗密切相关。
（2）脂肪组织的“褐变”信号
白色脂肪组织储存能量，棕色脂肪组织消耗能量产热——二者之间的平衡是能量稳态的核心。近年研究发现，肠道菌群能够影响白色脂肪向“米色”脂肪的转化（即“褐变”过程），从而改变能量的储存/消耗比例。
一项来自美国糖尿病学会的研究揭示了一条全新的信号轴：肠道mTOR信号通路通过调控抗菌肽的表达，进而影响菌群组成及其代谢物，最终远程控制白色脂肪的褐变过程。将褐变表型小鼠的菌群移植给野生型小鼠，足以在受体小鼠中重现褐变和血糖改善——这强烈提示，菌群本身携带着决定能量分配方向的“指令”。
（3）极端状态下的能量优化
在能量匮乏的极端状态下，菌群的能量调控功能显得尤为珍贵。2025年一项以果蝇为模型的研究发现，肠道共生乳酸菌产生的乳酸能够显著延长宿主在饥饿状态下的存活时间。机制研究揭示，乳酸的作用并非作为直接能量底物被分解，而是通过推动氧化磷酸化过程，提高宿主从有限饮食中提取能量的效率。这一发现揭示了菌群代谢物作为“内分泌信号”协调宿主能量代谢的新范式。
3. 能量调控的网络：肠道-器官轴
肠道菌群并非孤立运作，它通过一个复杂的信号网络与全身各器官保持对话。理解这张“能量调控网络”，是把握菌群与代谢关系的核心。
（1）肠-脑轴：食欲的远程遥控
饥饿与饱腹感是能量摄入的第一道闸门。肠道菌群通过多种途径参与这一闸门的调控。短链脂肪酸可刺激肠道L细胞分泌胰高血糖素样肽和酪酪肽，这些肠激素进入血液循环或激活迷走神经，向大脑传递“已饱”信号。某些菌株还能合成或调节多巴胺、γ-氨基丁酸、血清素等神经递质，间接塑造宿主的食物偏好。
（2）肠-肝轴：代谢的中枢处理
肝脏是物质代谢的核心枢纽。经肠道吸收的微生物代谢物——包括短链脂肪酸、乙醇、三甲胺、吲哚类物质——均需经过肝脏处理。其中，三甲胺在肝脏被氧化为三甲胺氧化物，后者已被证实与动脉粥样硬化和心血管风险正相关。而吲哚类物质则通过激活芳香烃受体，维护肠屏障完整，减轻肝脏的炎症负荷。
（3）肠-脂肪轴：储存的远程指令
前文所述的脂肪褐变调控，是肠-脂肪轴的典型例证。此外，菌群代谢物还可直接影响脂肪细胞的功能。例如，丁酸可促进脂肪细胞表达解偶联蛋白，增加产热；而脂多糖等内毒素则可激活脂肪组织的炎症通路，诱导胰岛素抵抗。
4. 失衡的代价：代谢疾病的微生态解释
当肠道菌群的结构与功能偏离健康状态——即“微生态失衡”——时，上述精密的能量调控网络便可能走向紊乱。
（1）肥胖：能量收割与炎症的双重驱动
肥胖者的肠道菌群普遍呈现多样性下降、产丁酸菌减少的特征。一方面，“高效能量收割”假说认为，某些菌群结构使得宿主从饮食中提取更多能量；另一方面，失衡的菌群可导致肠屏障功能受损，脂多糖等内毒素渗漏入血，引发低度炎症，进而推动胰岛素抵抗和脂肪堆积。
（2）型糖尿病：支链氨基酸的阴影
2型糖尿病患者体内，一类特殊的菌群特征被反复观察到：能够合成支链氨基酸的菌群丰度升高，导致血液中支链氨基酸浓度上升，后者与胰岛素抵抗密切相关。这一发现将菌群代谢物与经典代谢病标志物直接相连，提示菌群干预可能成为改善胰岛素敏感性的新靶点。
（3）营养不良与恶病质：能量供给的崩溃
在能量匮乏的另一端，菌群的失调同样参与疾病进程。营养不良儿童的肠道菌群呈现“幼稚化”特征，功能成熟度不足，无法有效从有限饮食中提取能量。而在癌性恶病质中，菌群的氨基酸与脂肪代谢功能失调，进一步削弱了本已稀缺的能量供应。
5. 模型与量化：从定性描述到定量理解
随着研究的深入，该领域正经历从“发现现象”到“量化机制”的范式转变。
（1）大型人群研究揭示的关联图谱
2024年发表于《Nature Communications》的一项研究，对近9000名受试者进行了深度代谢表型与菌群功能分析，识别出145条与代谢健康显著相关的细菌代谢通路，近87%的通路与多个代谢指标同时相关。这一“关联图谱”为理解菌群功能的复杂性提供了重要参考。
（2）数学模型的介入：DAMM模型
为从机制上量化菌群对能量平衡的贡献，研究者开发了“消化、吸收与微生物代谢”数学模型。该模型追踪摄入的宏量营养素在消化道中的命运，明确计算上消化道直接吸收与结肠微生物发酵后吸收两部分的能量贡献。与传统阿特沃特因子相比，DAMM模型能够捕捉饮食和菌群差异带来的能量吸收变异，为个体化的能量预测提供了工具。
（3）通量分析框架的建立
如前所述，2025年《Cell》研究建立了一个整合细菌代谢、消化生理和宏基因组学的系统框架，首次实现了对发酵产物“通量”而非“浓度”的量化。这一框架的突破在于认识到：粪便中的短链脂肪酸浓度只是“快照”，是生产与吸收动态平衡的结果，真正对宿主有意义的是“每日吸收总量”。这一视角转换，将推动未来研究走向更精准的量化。
6. 临床转化：靶向菌群的代谢干预
基于对菌群-代谢关系的理解，靶向菌群的干预策略正在兴起。
（1）饮食干预：塑造菌群的第一手段
饮食是塑造菌群的最强力杠杆。高纤维饮食可富集产丁酸菌，提升短链脂肪酸产量，改善胰岛素敏感性；地中海饮食通过多酚和不饱和脂肪酸丰富菌群多样性；而生酮饮食则减少双歧杆菌，但提高产酮菌比例。值得注意的是，“越多越好”并不适用——某些个体对特定纤维补充出现不良反应，提示干预需要精确匹配个体菌群特征。
（2）益生菌与后生元
特定菌株的补充正在探索中。Akkermansia muciniphila、Christensenella minuta等与瘦表型相关的菌株，已被作为候选益生菌进行研究。直接补充菌群代谢物（后生元），如丁酸或丙酸，则是绕过活菌、直接干预的另一种思路。
（3）菌群移植
粪菌移植将健康供体的整个菌群生态系统移植给患者，已在复发性艰难梭菌感染中取得惊人成功。在代谢疾病领域，早期研究表明，将瘦供体的菌群移植给代谢综合征患者，可短期改善胰岛素敏感性。这一领域仍在快速发展中。
结语：与微生物共舞的能量秩序
当我们重新审视人体的能量代谢，一个更完整、更复杂的图景逐渐浮现：
能量平衡不再只是热量摄入与消耗的简单算术，而是宿主与数万亿微生物共同书写的动态方程。肠道菌群既参与能量的“收取”（发酵膳食成分），也影响能量的“分配”（储存或燃烧），还通过肠-脑轴调控“需求”端（食欲）。它们是能量的共同管理者，是代谢的隐形协调者。
从临床转化的视角，这一认知带来了新的希望：如果菌群是能量代谢的“中枢节点”，那么靶向菌群便是恢复代谢秩序的可行路径。但这同时也带来了新的挑战——每个人的菌群都是独特的生态网络，干预需要精准匹配，而非“一刀切”。
我们正在进入“微生物代谢时代”。在这个时代，理解那座肠道里的“微生物城市”的交通规则，或许才是恢复能量秩序、延缓代谢疾病、实现个体化健康管理的关键所在。
未来已来，只是分布不均。而它正藏在我们肠道深处，等待着被进一步发现和理解。
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