肉食者只是臭屁，素食者卻毀天滅地——腸道菌群與放屁這件大事

受朋友所託，在他的微信公眾號生信者言的果然科學欄目下開了個專題，打算講講生命起源的那些事兒。開始只是想寫一些關於生命元素與生命之間的小小趣事，聊以消遣，構思幾篇後便收不住了野心，雄心勃勃的想把生命最初的歷程描述一遍。

事物自有其始，對於生命來說，對於這40億年來地球上繽紛多彩的有機世界，一切大概都得追溯到空氣中遊離著的碳元素上——還原性的甲烷（CH4）與氧化性二氧化碳（CO2）。

那就從一個有趣的小故事開始吧。

以下是正文。

導讀：人類腸道中有兩種古老的微生物，它們曾經在20多億年前主宰地球；而現在，它們的此消彼長可能決定著你在社交禮儀方面的表現，並且，也可能決定著地球的命運。

相信很多人都有在公共場合無法抑制屁意的尷尬經歷，尤其是在電梯這樣的密閉空間里，如果屁不臭的話，還好一些，可是有的時候那氣味卻無比刺鼻，使人幾乎無法度過那漫長的幾十秒。一個人平均每天要以屁的形式分10到15次排放大約500 mL的廢氣，因此，放屁可以說是困擾每一個人社交禮儀的事情。

可是有的屁不怎麼臭，有的屁卻非常臭；有的時候屁的量又非常大，這是為什麼呢？其中的一個原因，可能是和你腸道中的兩種微生物有關：其中一類屬於古菌（Archaea），叫做產甲烷菌（Methanogens）；另一類屬於我們通常所指的細菌（Bacteria），叫做硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria）。

下面讓我們一一道來。

一、祖先的遺產

產甲烷菌是一種古菌。古菌曾經叫過古細菌這個名字，顧名思義，在20世紀70年代以前，古菌被認為是細菌的一個分支，直到1977年，伍斯（C.R.Woese）通過核糖體保守序列分析發現，它們應該是一個與細菌和真核生物並列的分類單元，從此整個細胞生命界被分成了三個域：細菌域、古菌域和真核域。產甲烷菌是一種完全厭氧的古菌，它們只能生活在沼澤或者動物腸道等嚴格厭氧的環境中；它們是自養型生物，無須從外界攝取有機物，而是通過將氫氣與二氧化碳結合生成甲烷來產生自身所需的能量——這也是產甲烷菌這一名稱的由來。

產甲烷菌利用二氧化碳和氫氣生成甲烷的簡要公式：CO2+ 4 H2→ CH4 + 2H2O

如果你曾經了解過林恩.馬古利斯（LynnMargulis）的「內共生學說（Symbiogenesis）」，即第一個真核細胞的起源，是由一個古菌吞噬了一個細菌而生成，被吞噬的細菌慢慢退化成了線粒體，那麼，你可能好奇過，這個吞噬了細菌的古菌到底是什麼樣子。現在，有些科學家相信，產甲烷菌可能就是最初的那個古菌：真核生物的DNA序列和產甲烷菌的最近源，並且它們的組蛋白的結構甚至其與DNA纏繞的形式都那麼驚人的相似。

從這個意義上講，往前推20多億年，我們的祖先很可能是一個產甲烷菌。

古菌絕大部分屬於「極端微生物（Extremophiles）」，例如泉古菌門(Crenarchaeota)中的很多類群，就喜歡生活在深海海底熱煙囪這樣的極端環境中。它們離我們的現實生活都比較遠。而產甲烷菌則是古菌中少有的和我們密切相關的類群。農村中用動物糞便發酵沼氣的功臣，就是產甲烷菌；而漂浮在沼澤上面氤氳的迷霧，以及因之而起的搖曳鬼火，也是產甲烷菌的小把戲。

產甲烷菌對人類的最大貢獻，莫過於全世界那巨大儲量的天然氣了。作為與石油和煤炭同等重要的能源之一，天然氣也是影響人類近現代歷史的重要因素，甚至直到現在也在左右著世界的格局——佔全球天然氣探明儲量14%的北方-南帕斯天然氣田處於卡達與伊朗交界的海灣，而為了這巨大的能源，卡達竟不惜與海合會國家（沙特、阿聯酋等國家）斷交。因石油而起的海灣危局剛平息沒多久，天然氣卻馬上要掀起波瀾，中東的土豪們也是不願安生片刻啊。而這，全是要拜20多億年來產甲烷菌不間斷的產甲烷作用——這祖先的遺產所賜。

二、誰打開了那個臭雞蛋

甲烷是無臭無味的氣體，可並不是所有氣體都沒有氣味。有一種被教科書描述為「有臭雞蛋氣味」的氣體，大概是不少理科同學的童年陰影——化學實驗課上的那種刺鼻氣味可不好聞。這種「有臭雞蛋氣味」的氣體就是硫化氫。教科書上的描述可謂相當精確，因為臭雞蛋的臭味兒，就是來自硫化氫。

硫酸鹽還原菌也是一種厭氧菌，靠將硫酸鹽還原成硫化氫為生。它們在自然界中分布廣泛，任何有硫的地方都可能發現它們的身影。蛋白質中含有硫元素，這些硫元素被硫酸鹽還原菌利用，就生成了硫化氫。因此，富含蛋白質的雞蛋放久了，被硫酸鹽還原菌所分解，釋放出那難以忍受的氣味。同樣的，肉類放久了，或者任何含蛋白質多的食物放久了也都會變得臭烘烘的，這也離不開硫酸鹽還原菌的辛勤勞作。

產甲烷菌和硫化氫還原菌都是非常古老的物種，它們至少在大氧化事件（GOE，即Great Oxygenation Event，26億年前）之前就存在於遠古時代的海洋中了——實際上，因為在大氧化事件之前的地球大氣為還原性大氣，大氣中充滿著甲烷、二氧化碳、氫氣等還原性氣體，那個時代存在的所有生命體都是單細胞的厭氧原核生物。這種富含二氧化碳和氫氣的大氣層非常適合產甲烷菌的生存（氫氣和二氧化碳都是它們製造甲烷的原料），可以想像，產甲烷菌可能當了好幾億年的地球霸主，並有可能維持著富含甲烷的還原性大氣的穩定，而硫酸鹽還原菌可能也孜孜不倦的將原始大洋中的硫酸鹽還原成硫化氫，為還原性大氣的穩定貢獻著一點力量——直到藍細菌（和紫細菌）開始把大氣變得富氧。

富氧的大氣對厭氧生命來說是災難性的，過多的氧氣不但氧化了所有能氧化的物質——單質鐵、硫化氫、甲烷——它們還殺死了那個時候地球上絕大部分的居民——厭氧的生命。缺少了氫氣和甲烷這些「食物」，空氣中又到處都是「有毒」的氧氣，產甲烷菌們只好退回到那些無氧的角落，苟延殘喘。硫酸鹽還原菌還好過一點——硫元素被氧化為硫酸鹽，為它們提供了原料，使它們可以在缺氧的水中繁榮起來。

行使光合作用的細菌（藍細菌和紫細菌等）改變了整個地球的面貌，殺死了地球上絕大部分的居民，從這以後，地球大氣從此再未變回還原性大氣，產甲烷菌及硫酸鹽還原菌也沒再能站上生命的主要舞台。然而，在地球上那些缺氧的角落裡，它們依然在孜孜不倦的改變那些元素的存在形式，進行著爭奪資源的大戰——包括人們的腸道。

腸道中的資源大戰

人類（及其它動物）的腸道中存在著多種多樣的細菌和古菌等微生物，有研究顯示，人類腸道中可能存在著上千種微生物，其中產甲烷菌和硫酸鹽還原菌都是比較重要的類群。它們中的很多都能在代謝過程中生成氣體，例如很多異養型細菌都能將有機物最終分解為二氧化碳和水。這些氣體隨著腸道排除體外，就成了我們所說的「屁」。在能產生氣體的腸道微生物中，產甲烷菌和硫酸鹽還原菌無疑是很重要的兩類。

我們的腸道就像是菌群無時無刻進行著資源爭奪戰的宏大戰場，各類細菌菌群此消彼長，當運送到腸道中的食物中碳氫化合物（糖類和脂肪等）很多時，異養微生物就像得到了天賜，迅速的將它們氧化分解成二氧化碳和水，生產能量；而氧氣消耗完、二氧化碳開始積聚的環境，就成了產甲烷菌的天堂——他們開始製造甲烷；當運到腸道中的蛋白質多一些（富含硫元素），硫酸鹽還原菌便開始猖狂起來，隨之在腸道中積攢起來的便是讓我們難堪的罪魁禍首——硫化氫了。

所以，當吃肉多一些時，屁就不可避免的變得臭一些了，吃豆類多一些也有類似的效果；而吃紅薯等高能量食物多的時候，雖然屁不會那麼臭，可是卻會放個不停，畢竟產二氧化碳和甲烷的效率，要比產硫化氫的效率高的多。關於這一點，養牛羊的人跟養貓狗的人可能也會有不同的體會。難怪尼克.萊恩曾風趣的戲謔到，「改變你的社交禮儀，請從改變食譜開始。」

順便一提，臭鼬和放屁蟲等放屁的特殊臭味，是它們自身腺體分泌的低級硫醇，醛和氰化物等，嚴格來講並不屬於「屁」，自然也和腸道菌群沒有關係。

三、毀天滅地的素食者

是多吃肉食，放少而臭的屁，還是多吃碳氫化合物，放多而無傷大雅的屁呢？你會怎麼選擇呢？

或許每個人都有自己的理解與想法，或許通過調節飲食，注意攝入營養的均衡性，可以使腸道菌群產生的氣體量又少，味道又小——對腸道菌群的研究，是有可能做到這一點的，我們也會在文明社會的社會交往中更加如魚得水。

但研究腸道菌群的意義，遠遠不止你的社交禮儀這麼簡單。這可能還關係著我們的未來：放屁，是一個巨大的環境問題。因為屁裡面的甲烷和二氧化碳，是溫室氣體。

別緊張，不是我們的屁，是牛的屁。

肉食的能量利用效率和素食的能量利用效率是有很大差異的。這從肉食動物和素食動物的飲食習慣中就可以一瞥端倪：老虎和獅子捉到一隻獵物就可以撐好幾天；而牛和羊每天都要花十幾個小時用於進食草料。據悉，一頭牛每天要吃30-50斤的草料。這些草料在牛的胃和腸道里通過產甲烷菌產生了大量甲烷，每年每頭牛都要排放70-120公斤的甲烷。而甲烷的溫室氣體效應值，是二氧化碳的23倍。

按照一頭牛每年釋放甲烷100千克計算，這個量摺合到二氧化碳當量是2300千克。相當於一輛百公里油耗8升的汽車跑1.2萬千米的碳排放，還是很可觀的。

折算一下，生產每千克的牛肉釋放的溫室氣體摺合二氧化碳是34.6千克，每千克羊肉17.4千克，每千克豬肉6.35千克，每千克雞肉則只有4.57千克。

這是什麼概念呢？養一頭牛對環境的污染，約等於養一輛勤開的家庭型小汽車。而根據統計，全球任何時刻都有大約10億頭牛，比汽車的數量還多！這還沒有將養殖的雞、豬和羊算進去。對於溫室氣體的共獻，汽車行業可能得排在養殖業後面。

包括中國在內的很多國家都很重視這個問題，有很多科研機構在研究如何解決這個問題。通過改變養殖牛的食譜從而改變牛腸道中的菌群組成，有可能使牛排放的溫室氣體沒那麼「兇猛」。還有科學家動了收集這些「牛尾氣」的主意，畢竟，甲烷是一種溫室氣體，但也是天然氣的主要組成成分，將這些「牛尾氣」收集起來，也是非常可觀的一個能源來源。

產甲烷菌與硫酸鹽還原菌雖然不再主宰地球，但是它們在所有能生存的無氧角落裡，依然在持續不斷的釋放著甲烷和硫化氫，努力的將地球大氣變得「還原性」一點。

對它們來說，這20多億年，時間彷彿從來沒有走過。即使地球上的各種元素（碳元素、硫元素等）在生命體內循環了一遍又一遍，地球的環境依然在好氧生物與隱藏在角落裡的厭氧生物的明爭暗鬥中保持著微妙的平衡。好氧生態也依然壓倒性的佔有優勢。

這可千萬不要被「放屁」破壞了啊！