食物中的“暗物质”

物理學家认为,暗物质是指无法通过对电磁波的观测进行研究的物质,也就是不与电磁力产生作用的物质。暗物质质量占宇宙总质量的85%左右。

美国达能公司首先提出了“营养暗物质”的概念,以此形容食物中一些未知的成分。那么,什么是营养暗物质?以方便面为例,一包普通方便面的配料表列出近40种成分,虽然其中很多是添加剂,但确实也包括一些“真正的食物”,如黄豆、辣椒、芝麻、虾、白菜、海带、蘑菇、凤尾鱼和墨鱼等。最重要的是,其中有一种含有大量营养暗物质的食物——大蒜。大蒜中就含有那些我们还不了解却可能会影响人体健康的成分。

迄今为止,在食物怎样影响人体健康方面,大多数研究的对象仅限于150种关键的营养成分,它们只占食物中所有成分种数的一小部分。食物是各种各样结构复杂的物质组合。对人体最重要的3种主要营养成分——蛋白质、碳水化合物和脂肪在不同条件下的结构都可能是不同的,所以都具有多样性。虽然人体对矿物质、维生素和其他营养物质的需求量较小,但它们对健康也有深远影响。

营养成分构成“食物宇宙”

美国农业部国家营养数据库收录了数十万种食物成分信息,并把它们分为188个不同种类。例如,在该数据库中含有“大蒜”的食品超过5.8万种。在“生蒜”条目下,又包含67种常量营养物质和微量营养物质,其中一些甚至量化至浓度低于千万分之一。这些数据看起来很详细,但其实远远不够全面,因为至少遗漏了大蒜中一些典型的风味化合物,如蒜氨酸。其实,不仅是大蒜,很多食物中所含的罕见成分都被遗漏。2003年,科学家开始填补这一缺憾,在原有的150种营养成分中增加了38种黄酮类化合物(与降低心血管疾病风险相关的植物化合物,常见于浆果类、芹菜等食物中)。虽然38个种类看上去并不多,但科学家为此付出了巨大努力。

2010年左右,一个国际研究团队决定搭建一个更全面的食物成分信息数据库,目的是把各种食物成分的详细信息都一一列明。遗憾的是,该团队费了大量功夫,也只列出了几十种食物的成分信息,离他们所期望的成百上千种相去甚远,这是因为他们对哪怕最普通的食物中所含的微量营养物质也几乎完全不了解。于是,他们查阅了大量资料,并借助实验室化学分析,最终建立了一个庞大的数据库——食品数据库(FooDB)。FooDB包括约7万种食物成分,这一数量是美国农业部国家营养数据库的近400倍。美国农业部国家营养数据库的信息只涵盖生大蒜中的67种化合物,但FooDB则列出了2306种。

沙棘浆果类都富含黄酮类化合物,食用可降低心血管病风险。

然而,FooDB提供的数据仍不能代表食物成分的全貌,因为在其列出的大蒜所含的2306种化合物中,只有146种被成功量化。而且,整个FooDB数据库中像大蒜这样有一部分成分已被量化的食物种类仅占15%。可以这么说,当我们谈论大蒜的营养价值时,我们所提到的其实只是大蒜所含营养物质种类的冰山一角。由此可见,我们严重低估了食物的复杂性。而且,不仅食物中的化学物质很复杂,它们进入人体肠道与微生物相互作用后会转化成什么别的化学物质也未知。那么,我们为什么要把吃进肚子里的食物进一步复杂化呢?因为饮食中的暗物质无论好坏都可能会影响我们的健康,所以鉴定出食物中的每种物质是营养科学发展的关键。

营养成分的主体:营养暗物质

到目前为止,科学家仍无法确定营养暗物质对健康的影响。有科学家认为,其中一些被忽视的化合物对健康很重要。

但一些营养学家对此并不认同。他们认为,与营养流行病学相关的食物成分都是已知的,非传染性疾病(如血栓、骨质酥松和龋齿)几乎都与这些成分有关。所以,需要解决的问题是厘清多种已知食物成分共同对人体产生的作用。至于营养暗物质,哪怕它们真实存在,但与人体健康无关,也就没有研究价值。还有一些人认为,所谓的营养暗物质大都以极微量存在,对人体的影响可忽略不计。

但这样的结论未免太过武断,因为有些食物中已确定成分的浓度是营养暗物质浓度的数十亿倍,但浓度并不是唯一的关键因素。例如,尽管日常100克正常饮食中所含的维生素E仅为几微克,维生素E却是人体必不可少的营养物质之一。

为了探索“食物宇宙”的边界,前述团队又搜索了另一个数据库——毒性基因组学数据库,该数据库中包含数千种化学物质与人体相互作用机制的信息。他们发现,美国农业部发布的67种大蒜成分中有37种已确定与人类某些疾病有关,而FooDB数据库中2306种大蒜成分中有574种对健康有潜在影响。基于这一发现,他们认为,食物中那些大量未知的暗物质带来的不确定性,导致营养科学研究往往无法得出一致和可复制的结果。这对那些热衷于严格执行营养建议的人来说并不陌生:这个星期有新闻说喝红酒对人体有好处,但下个星期可能又有新闻说喝红酒没有好处。如果对食物营养成分没有一个完整了解,那么就不能严格定性某种食物对健康的影响是好是坏。

骨质疏松。在饮食中若只注重补钙而忽略了维生素D,也会影响骨骼健康,如导致骨质疏松。血栓的产生与饮食密切相关。

除了主要营养物质,个别微量营养物质也如此,如β-胡萝卜素。根据流行病学研究,人体内β-胡萝卜素水平过低可能增加患心脏病的风险。但有研究显示,在饮食中单独添加β-胡萝卜素并不能降低患心脏病的风险。科学家认为,一个潜在原因是β-胡萝卜素在植物中并非单独存在,而总是与其他大约400个分子共同存在。因此,要检测β-胡萝卜素对健康的影响,就需要将其与其他分子一同进行检测。另一方面,肠道微生物也扮演着重要角色,因为大多数营养暗物质都是由肠道微生物负责分解、转化的。即便摄入同种食物,不同的人获得的营养物质的种类和量都可能不同,这是因为每个人肠道中的微生物种类和代谢水平都不同。

所有这些都表明,食物总体好比一个小宇宙,其中我们未知的营养物质(即营养暗物质)也像宇宙中未知的暗物质一样,等待我们去探索。这看起来太复杂,好像无从下手,但人类基因组测序计划为科学家提供了一种思路。在2005年人类基因组计划完成之前,只有大约1.4%(编码蛋白质的部分)的人类DNA被认为对生长发育有意义,其余98.6%则被认为是“废物”。但我们现在知道,在与疾病有关的DNA序列中,约有三分之二属于这些所谓的“废物”中。虽然这些DNA序列不直接编码蛋白质,但其中许多都控制着基因的表达。

现在,我们对营养物质与健康之间关系的理解与我们对DNA和遗传流行病学之间关系的认识有很多相似之处。雖然这并不意味着饮食和健康之间的大多数关联是由营养暗物质构成的,但如果把我们吃进体内的98.6%的化合物都当作不重要的东西,那就太不明智了。

因此,科学家已经开始绘制营养暗物质的完整图谱。目前用于分析食物的方法仍是利用质谱和磁共振等耗时长且费劲的实验室技术,但科学家已在设计新方法。

探索营养暗物质的意义

前述团队的所有成员都不是营养学家,而是物理学家。他们擅长利用大数据和复杂的网络科学来探究人类疾病的遗传起源等问题。他们认为,基因只是5%~20%的疾病诱因,而其余80%~95%的诱因很可能是各种食物成分。于是,他们创建了一个文本挖掘工具“食品挖掘器”(FoodMine),以挖掘科学文献中有关食物成分的零星信息。FoodMine发现了大蒜中一种物质(二烯丙基二硫醚,一种可能对健康有益的辛辣风味分子)的浓度信息。此外,FoodMine还发现了大蒜的另外96种成分,这些成分甚至在FooDB数据库中都没有列出。除大蒜外<b ,对可可做同样的研究也发现了238种新型化合物。这说明现有数据库中的信息还非常不完整。目前,科学家正利用FoodMine发掘更多食物信息。他们的目标是覆盖所有最常见食物,以提升我们对食物化学复杂性的全面理解。

如果能实现这一目标,那么下一个挑战是探索烹饪会将食物中的化学成分转化为哪些其他成分。一些烹饪方法会把原本没有毒性的物质转化成有毒物质。例如,通过烧烤可把食物加工得很美味,但经过烧烤的食物中可能含有致癌物。所以,烹饪和加工可能会使营养暗物质转变成另一种营养暗物质或有害物质。

除肠道微生物和烹饪外,人体新陈代谢也是影响营养物质转化的因素。如此看来,本身就未知的营养暗物质经过一系列转化过程而形成的最终形态有极端复杂性,而这些最终形态才是影响健康的关键。而且,现在我们的食物中有很大一部分并非天然食物,其中不少都添加了食品添加剂。营养暗物质和这些添加剂经过肠道微生物分解和人体新陈代谢后最终会转化成什么,更不得而知。

要想识别出食物中的每一种化合物已经是一个挑战,而要找出这些化合物与人类生理系统的相互作用机制则是更大的挑战。要想完全解析食物对人体健康的影响,科学家需要把每一种营养物质分子与其在人体多种不同细胞中的分子效应联系起来。这虽然比不上探索宇宙暗物质那样遥不可及,但也需要大量繁重的实验室工作。好在人工智能技术正飞速发展,我们对食物中暗物质的探索之路也将会越来越平坦。

探索食物中暗物质的最终目标,是描绘出营养物质与人类健康之间相互作用的一幅完整的对应图。虽然这是一项巨大的工程,需要关于个人基因组、微生物组和其他因素的更多数据,但要真正了解人类健康和食物营养之间的复杂性,这或许是唯一途径。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午11:24。
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