人類消化道的分段式結構將宿主的消化過程和大部分微生物細胞從空間上隔離開來，使得人體自身能夠優先對攝入的食物進行選擇性消化、吸收和利用。人體腸道不同區段的生理功能和理化條件存在很大的差異，從近胃端到直腸部位，消化道內部的pH從強酸性逐漸升高到中性；進食帶入的氧氣也不斷排出和消耗，進入結腸後環境接近無氧狀態；而具有抗菌活性的物質，包括抗菌肽、膽汁酸和免疫球蛋白A(IgA)等,濃度從小腸到結腸逐漸降低。這些腸道條件的逐漸變化使得腸道菌群結構和密度在不同區段表現出縱向和軸向的分佈差異性。
從胃開始到結腸，人體消化道的微生物密度和多樣性都逐漸升高。在胃裡，由於強酸性(pH1.5~2)的壓力、強烈的蠕動和稠厚黏液層的存在，微生物的密度只有10~1000CFU/mL。幽門螺桿菌( Helicobacter pylori)是少數能夠在胃裡生存的細菌。其他能夠在胃裡檢測到的細菌包括 Streptococcus、Prevotella、Rothia、Veillonella和Haemophilus等，但是目前並沒有確切的證據表明這些細菌是能夠在胃裡定植還是隻作為“過客”被檢測到。從近胃端的十二指腸到空腸以及近端迴腸，微生物的密度為102~103CFU/mL，到末端迴腸進一步上升到108CFU/mL。小腸中的優勢菌類群包括Streptococcus、Veillonella、Enterococcus、Enterobacteriaceae、Bacteroides、Ruminococcus、Dorea、Clostridium、Coprococcus、Weissella和部分Lactobacillus。由於採樣較為困難，健康人小腸菌群結構的報道比較少。Zoetendal等人採集了小腸到胃的迴流樣本（ileostoma effluent），利用生物芯片的方法研究了健康人近端小腸的菌群結構，發現Streptococcus sp.、Escherichia coli、Clostridium sp.等是小腸的優勢菌，且整體結構存在較大差異。大腸的環境相對於小腸更適合微生物的生長：pH值在弱酸性至中性，空間大，膽汁酸濃度低，蠕動慢且營養物質停留時間長。另外，大腸內免疫系統對細菌的耐受度更高，使得大腸菌群的密度可達1011CFU/mL。由於大腸內氧氣含量極低，還原性的環境使得大腸中的細菌絕大部分（99%以上）都是嚴格厭氧菌。結腸菌群（糞便菌群）主要由6個門的細菌組成：Firmicutes、Bacteroidetes、Actinobacteria、Proteobacteria、Fusobacteria和Verrucomicrobia。這些細菌類群在種或菌株水平有非常高的多樣性，整體進化結構具有類似扇形的特徵。除細菌以外，腸道中還存在少量的真菌、古細菌、原生動物和病毒，其功能目前研究較少，但也有與疾病相關的報道。
人的整個腸道黏膜，包括小腸和結腸，都存在一種特化的細胞——杯狀細胞（gobletcell），這種細胞能夠分泌黏液，覆蓋在整個腸道表面。這層黏液具有潤滑作用，更重要的是作為人體對抗腸道病原菌入侵的第一道防線，並且一直處於不斷更新中。小腸具有單層、較薄的黏液層，緊貼於上皮細胞上。結腸的黏液層較厚，且分為兩層：緊貼上皮細胞的緻密內層（約100μm）和疏鬆外層。結腸內層黏液幾乎處於無菌狀態，外層黏液的厚度約是內層的3~4倍，且穩定定植著105～106CFU/mL的微生物。結腸黏液層的整體黏度從近端到遠端逐漸升高，因此近端結腸的黏膜相關菌數量高於遠端結腸。Bacteroides等部分缺乏運動能力的球菌生活在黏液層表面，而Eubacterium等有運動能力的桿菌則偏好進入黏液層的中層。導致黏液內外層菌群定植差異的因素除了緊密程度不同導致的物理阻隔之外，還受到宿主分泌的抗菌物質以及氧氣含量的影響，越接近黏膜細胞層，抗菌物質和氧氣的濃度越高。腸道內產生黏液層的這一生物學特徵在進化上十分保守，從兩棲動物到哺乳動物都具備。微生物和宿主在腸道黏液層內發生著密切的相互作用，進化上始終保留著這一特殊的生態位，更體現了菌群-宿主的相互作用對兩者的生存和進化的重要性。
不同個體之間的腸道微生物組的物種組成、相對丰度以及多樣性在不同的個體之間存在很大的差異。研究人員通過培養、測序等方法比較不同個體之間的腸道菌群結構，試圖尋找不同個體共有的物種組成。他們發現有幾個主要的物種是大部分個體共有的。例如普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）和單形擬桿菌（Bacteroides uniformis）等，但這些物種在其他研究中也有發現，有些個體中這些物種的比例不到0.5%。研究表明，儘管個體之間腸道菌群的結構多樣性具有很大差異，但功能基因的類型及丰度卻非常相似。Turnbaug等人對18個個體的腸道菌群進行了宏基因組分析，發現不同個體之間腸道菌群的物種組成差異很大，但功能基因卻非常相似，分析結果表明酶水平上共有的功能類群高達93%，但物種水平上共有的屬卻非常少。從更大的人群腸道菌群的測序結果獲得的數據，例如美國的HMP計劃以及歐盟的MetaHIT計劃，也表明不同個體之間腸道功能基因具有相似性。
閱讀更多 普唯爾 的文章
