人类的大脑是一个能量奇迹，相对于身体大小而言，它消耗的葡萄糖远超几乎所有其他器官。这种代谢需求支持着诸如神经信号传递、突触形成和信息处理等关键功能。在灵长类动物中，由于其高脑化商（EQ，即大脑大小与身体大小的比例），为大型大脑提供能量的挑战尤为突出。
人类拥有所有灵长类动物中最高的EQ，表现出显著高于预期的日常能量消耗，超过了仅凭身体大小所能预测的水平。然而，使这种代谢适应成为可能的生物机制仍然难以捉摸。一项新的研究揭示，肠道微生物——我们消化系统中的微小居民——可能在满足这些能量需求方面发挥着关键作用，重塑了我们对大脑进化的理解。
新的研究表明，肠道微生物组可能影响了能量的可用性，从而促进更大脑的发展。肠道微生物群（GM）执行许多对宿主代谢至关重要的功能，如生产短链脂肪酸（SCFAs）。这些化合物包括乙酸、丁酸和丙酸，是纤维和氨基酸发酵的副产品。SCFAs作为能量来源，影响着诸如葡萄糖生成、胰岛素调节和脂肪沉积等关键代谢过程。尽管这些微生物代谢物已与糖尿病和肥胖等条件相关联，但它们在为能量需求旺盛的灵长类动物大脑提供燃料方面的潜在作用却鲜有探索。
研究人员假设，不同灵长类物种之间的肠道微生物变异可能介导代谢策略，使某些物种能够在平衡其他生理需求的同时优先考虑大脑的能量供应。这项发表在《微生物基因组学》上的研究通过一项控制实验测试了这一想法，该实验使用了小鼠来研究肠道微生物对代谢的影响。
在研究中，科学家们将无菌小鼠接种了来自三种灵长类动物的肠道微生物：人类、松鼠猴和猕猴。人类和松鼠猴被归类为“大脑优先”物种，因为它们的大脑生长迅速，成年后大脑较大，整个生命周期都需要大量能量。相比之下，猕猴的大脑生长较慢，成年后大脑较小，分配给大脑功能的能量较少。
研究人员监测了小鼠的生理变化，包括体重增加、脂肪沉积、空腹血糖和肝功能，以及微生物组成和SCFA的产生。他们的发现揭示了肠道微生物如何影响宿主代谢的显著差异。
接种了大型大脑灵长类动物（人类和松鼠猴）肠道微生物的小鼠表现出更高的食物摄入量、升高的葡萄糖生成和更大的能量使用。这些特征与维持大型大脑的代谢需求相符。高EQ灵长类动物接种的小鼠似乎也显示出更高的能量生成。相反，接种了猕猴微生物的小鼠体重增加更快，储存能量为脂肪，反映出一种优先考虑体能功能而非大脑能量的代谢策略。
首席研究员、西北大学人类学副教授Katherine Amato解释说：“我们知道，大肠中的微生物群落可以产生影响人体生物学某些方面的化合物，如代谢和胰岛素抵抗。这项研究表明，它们也可能在进化权衡中发挥作用。”
研究结果表明，肠道微生物不仅有助于宿主代谢，还可能与其灵长类宿主共同进化，以支持特定的能量策略。这一发现为我们提供了一个新的视角，来理解灵长类动物（包括人类）大脑增大的进化过程。
有趣的是，接种了人类和松鼠猴微生物的小鼠表现出类似的代谢特征，尽管这两种灵长类动物亲缘关系较远。这表明，它们共有的大型大脑特性，而不是密切的进化亲缘关系，驱动了微生物组成和功能的相似性。正如Amato指出的那样：“这些发现表明，当人类和松鼠猴分别进化出更大的大脑时，它们的微生物群落发生了类似的变化，以帮助提供必要的能量。”
这项研究突显了微生物生态系统对宿主生物学的深远影响。它支持了这样一种假设，即肠道微生物通过改变代谢途径，为特定的生理需求（如大脑生长和维护）提供能量，从而塑造进化适应。这项研究提出了关于肠道微生物在灵长类进化中更广泛作用的有趣问题。研究人员计划扩大实验范围，纳入更多具有不同大脑大小的灵长类动物的肠道微生物。他们还打算研究这些微生物产生的具体化合物，并探讨它们对宿主特性（如免疫功能和行为）的影响。
这项研究的意义不仅限于进化生物学。通过揭示肠道微生物如何影响能量代谢，科学家们可以开发出治疗代谢疾病的新方法，并探索优化人类大脑健康的策略。
研究结果强调了在进化研究中整合微生物生物学的重要性。虽然以前的研究主要集中在影响大脑大小的遗传和环境因素上，但这项研究表明，肠道微生物是代谢适应的关键参与者。获得的见解不仅阐明了塑造灵长类动物生理的进化压力，还提供了关于人类健康和发展的一个引人注目的新视角。
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