第一章 人体微生物组概述
人体是由自身细胞和共生微生物细胞构成的超级生物体，按照简单的比例计算，人体中有10%的本体细胞，有90%的微生物细胞，因此人体有两套基因组，一套是从双亲那里继承来的约1%基因的遗传性基因组，另一套则是后生环境中获得的约99%基因的共生微生物基因组，这两套基因组共同控制了“人体-微生物代谢轴”。
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肠道是人体微生物密度和群落多样性最高的部位。人体消化道的分段式结构将宿主消化过程和大部分微生物细胞从空间上隔开，使人体对摄入的食物进行选择性的消化吸收。肠道不同区段的PH、氧气、抗菌活性物质浓度等理化条件逐渐发生变化，使得肠道菌群结构和密度在不同区段表现出纵向和横向的差异。肠道微生物的物种组成、相对丰度、多样性等在不同个体之间存在差异。但研究表明，尽管个体之间肠道菌群结构差异较大，但功能基因的类型和丰度却非常相似。小肠中的优势菌群包括：
研究者期望找到不同个体共有的物种组成，提出概念“核心菌群”：存在于受调查个体中的大部分（50%以上）的微生物类群；Rob knight于2009年提出肠道核心菌群的5种模型：substantial core、minimal core、no core、gradient、subpopulation 。虽然核心微生物类群可能代表了不同人群的肠道菌群所共有的重要特征，但目前的研究还在限于对具体组成的描述，并未能将核心菌群和宿主健康联系起来。
另一部分的研究者则希望深入了解人体肠道菌群组成结构的个体差异，提出“肠型”概念，即认为人体肠道菌群组成的变化通常是分层的而不是连续的，根据组成结构划分为有限的肠道菌群类型，每个类型都被某些优势细菌类群主导。目前已发现可能存在的3种主要肠型：分别以Bacteroides、Prevotella、Ruminococcus为优势细菌的肠型。不同肠型与年龄、性别、生活地域、BMI等生理特征没有直接关联，而与长期的饮食习惯有关：高脂高蛋白饮食的个体趋向于以Bacteroides属主导的肠型，而以复杂碳水化合物饮食者更青睐与Prevotella属主导的肠型。
婴儿在出生之前，在母亲的子宫内是处于无菌状态的，随着婴儿出生时与母体产道、皮肤接触，后期哺乳，外界环境的影响，细菌开始在肠道及其表面迅速定植。新生儿肠道菌群的多样性非常低，随着婴儿发育、肠道心态发育以及断奶后饮食的改变，肠道菌群的组成结构发生改变，多样性明显增加，其中，中兼性厌氧菌数量下降、严格厌氧菌逐渐增多并占主要优势。到1-2.5岁后，其肠道菌群的多样性基本与成人趋同。肠道菌群发育成熟后，在没有巨大扰动的情况下，会维持一个动态平衡。老年人的肠道菌群结构与年轻人明显不同，另外老年人的肠道菌群结构更容易发生变化。
成年人的肠道菌群结构在一定时期内保持相对稳定，但会受到一下条件影响：遗传背景、年龄、生活方式、卫生条件、健康状态、药物（特别是抗生素）、饮食结构。肠道菌群的结构是由肠道菌群和宿主在其所处环境下共同进化决定的。
人体与宿主的共同进化，提供了宿主不具备的酶和生化代谢通路。人体与肠道菌群之间形成互利共生的关系，宿主的生理表型以及营养状态可以影响肠道菌群的结构，相反，肠道菌群也可以影响宿主的疾病和健康表型。肠道菌群的功能主要表现在代谢、营养、保护等方面。
肠道菌群的主要代谢功能是：发酵宿主不能消化的食物成分或肠上皮细胞产生的内源性粘液。菌群代谢复杂碳水化合物通常是对宿主有益的，这个过程中会产生具有健康效益的短链脂肪酸；蛋白质被肠道菌群代谢后会产生对宿主有害的毒素甚至抗癌物质。复杂碳水化合物的降解是依靠多个微生物合作并分布进行的，复杂碳水化合物以不溶性颗粒抵达结肠，需要多种肠道微生物覆盖在颗粒物表面进行分解，才能最终完全被利用。这种消化过程中各成员之间的作用机制和整体代谢网络尚需进一步研究。肠道内蛋白质发酵的主要途径是脱氨作用，产生脂肪酸和氨气，还包括酚类、吲哚以及硫化物。
肠道菌群的营养功能：肠道微生物群落具有极为丰富的基因，包括编码与宿主基因不同的酶和生化途径的基因，从而为宿主提供更多的能量和可吸收的必要物质。由肠道微生物代谢的物质，能够通过肠道吸收或肝肠循环等方式进入血液，人体中三分之一的小分子物种来源于肠道。其中有一部分能够起到抗炎、抗氧化、缓解疼痛、提供B族维生素、维生素K以及产生能量等有益作用。
肠道菌群的免疫功能：肠道菌群对于宿主免疫系统（肠粘膜）的建立和发育具有重要作用（免疫系统记忆机制）。长期定植在肠道中的细菌能够防御外源性微生物的入侵，避免其对宿主的破坏，并能严格限制出现在肠道内的机会致病菌的数量。
肠道菌群的生态平衡是决定机体健康的重要因素，正常的菌群结构可以促进机体健康，而菌群失调会造成疾病的发生或加重。肠道菌群失调已被认为与超过50种疾病有关，包括2型糖尿病、结直肠癌、肝硬化、高血压、肌痛性脑脊髓炎（ME）、慢性疲劳综合征（CFS）、孤独症谱系障碍（ASD）等。
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