腸内細菌
ヒトをはじめ哺乳動物は、母親の胎内にいる間は、基本的に他の微生物が存在しない無菌の状態にあるが、出産後は外部環境にいる微生物と接触して、一部は常在菌として定着する。生後3-4時間後には、あるものは食餌を介して、あるものは母親などの近親者との接触で、あるものは出産時に産道で感染することによって、様々な経路で微生物が感染し、その微生物の一部は体表面、口腔内、腸を含む消化管内、鼻腔内、泌尿生殖器系などで、それぞれの部位における常在性の微生物になる。一部の原生動物や古細菌を除き、その多くは真正細菌であり、一般には常在細菌と総称されることが多い。このうち消化管の下部にあたる、腸管内の常在細菌が腸内細菌である。腸の内面を広げるとテニスコート1面分にも相当しさながら花畑のように細菌類が生息していることから「腸内フローラ」とも呼ばれる。フローラは「花畑」を意味する。1960年頃までは腸内には大腸菌しか認識されていなかったが、今日ではこうした考えが一般化した。
腸内環境は嫌気性であり、腸内細菌の99%以上が嫌気性生物である偏性嫌気性菌に属している。これらの腸内細菌の代謝反応は還元反応が主体であり、また種々の分解反応が特徴的となっている。嫌気呼吸の種類には、嫌気的解糖、硝酸塩呼吸、硫酸塩呼吸、炭酸塩呼吸などがあり、基質を還元することによって代謝に必要な電子を得ており、例えば、硝酸塩から亜硝酸塩を、硫酸塩から硫化水素を、炭酸からメタンを生成するような例がある。
腸内の細菌叢を構成している腸内細菌は、互いに共生しているだけでなく、宿主であるヒトや動物とも共生関係にある。宿主が摂取した食餌に含まれる栄養分を主な栄養源として発酵することで増殖し、同時に様々な代謝物を産生する。
リトコール酸(Lithocholic acid)は、脂質を可溶性にして吸収を高める界面活性剤の役割をする胆汁酸の一種である。結腸内において微生物の活動により一次胆汁酸であるケノデオキシコール酸から二次胆汁酸として生合成される。この反応は一部の腸内細菌が有する胆汁酸-7α-デヒドロキシラーゼによってリトコール酸が生成される。腸内細菌の総菌数の 1 - 10パーセント程度の多くの菌株が低い胆汁酸-7α-デヒドロキシラーゼ生産能を有することが確認されている。リトコール酸は、人や実験動物に発癌をもたらすとされている。発がん性を有するリトコール酸などの二次胆汁酸を作り出す腸内細菌は、いずれもクロストリジウム属に属するものでシンデンス菌、ハイレモンアエ菌、ヒラノーニス菌など6種類のものがとりあえず発見されている。
無菌動物とは、体内および体表に微生物(ウイルスや寄生虫を含む)が存在しない動物(現実的には検出可能な全ての微生物が存在しない動物)のことである。無菌動物はウイルス、細菌、寄生虫などの要因を制御するために無菌のアイソレータ内で飼育される。無菌動物は、盲腸の容積が大きく、寿命が長いなどの特徴を有する。自由摂食環境下で無菌マウスと通常マウスを比較したところ、無菌マウスの寿命が長かった結果が得られた。
腸内細菌には大型動物に利益をもたらす面も害をなす面もあるが、どちらが大きいのかについては不明である。無菌動物の場合、寿命が普通個体よりも長いので、総計すれば害の方が大きい、との可能性もある。しかし、現実社会ではヒトが無菌状態で生活することはできない。
生後1か月経つと胎便という黒い粘質便が出て、生後3か月間はフィルミクテス門が優勢となる。
乳児が成長して離乳食をとるようになると、バクテロイデス属 (Bacteroides) やユーバクテリウム属 (Eubacterium) など、成人にも見られる嫌気性の腸内細菌群が増加し、ビフィズス菌などは減少する。
野菜を含む食事をとるようになるとバクテロイデス属が全体の30%程度を占めるようになる。
さらに加齢が進み、老人になるとビフィドバクテリウム属 (Bifidobacterium)の数はますます減少し、かわりにラクトバシラス属 (Lactobacillus) や腸内細菌科の細菌、ウェルシュ菌(Clostridium perfringens)などが増加する。
日本人を含めた12カ国のヒトの腸内細菌26種の構成を調べたところ、日本人には他の国民に比べて放線菌門ビフィズス菌(Bifidobacterium)、フィルミクテス門クロストリジウム綱ブラウチア(Blautia)、放線菌門Collinsella、フィルミクテス門バシラス綱レンサ球菌(Streptococcus)、未分類のクロストリジウム綱の菌(Unclassified Clostridiales)が最も多く存在していた。また、日本人の腸内細菌は、炭水化物や海藻類の食物繊維の代謝能力が高く、産生される水素をメタン産生よりも酢酸産生に利用する傾向が強かった。
硫化水素産生菌が産生する硫化水素が潰瘍性大腸炎の原因ではないかとの指摘がある。大腸の粘膜に硫化水素を代謝する酵素が存在するが、その処理量以上の硫化水素に大腸がさらされることが潰瘍性大腸炎の原因となるのではないかとの指摘がされている。硫化水素はミトコンドリアに所在するシトクロムcオキシダーゼを阻害することにより毒性を発現する。高濃度の硫化水素に曝露されることでアポトーシス関連蛋白質であるカスパーゼ3の活性化、ミトコンドリアからのシトクロムcの遊離が見られ、ミトコンドリアを介したアポトーシスが誘導される可能性がある。大腸粘膜を傷害するおそれのある有害な物質の発生を制御するためシソ科を中心としたいくつかの植物の抽出物を動物にあたえることで硫化水素やメタンチオールの発生を抑制することが明らかになった。イギリスで行われた調査では約3分の1のヒトがメタン菌を保有するメタン生産者である。メタンガスを作らないヒトでは、水素を利用するメタン菌の代わりに硫酸還元菌が水素や乳酸を利用して硫酸イオンを還元し、硫化水素をつくる。