大数据揭示饮食中的“暗物质”
我在厨房橱柜中搜索“暗物质”，并在一包进口面条中找到了它。包装袋上注明了它有几十种成分，其中许多是添加剂，但也有真正的食物——例如大豆、辣椒、芝麻、蘑菇、海藻、虾等，还有我正在寻找的大蒜。
我并不是说大蒜就是暗物质或者它含有真正的暗物质。暗物质是一种无法直接观察到的物质，物理学家认为，它广泛存在于宇宙中，约占宇宙所有物质的85％。但大蒜确实包含了所谓的“暗物质”：大蒜中有成千上万种化合物，它们有可能会影响到我们的健康，但到目前为止，人们并未完全了解它们。
“营养暗物质”一词是哈佛医学院的艾伯特-拉斯洛·巴拉巴西提出的。他认为，人们对饮食如何影响健康的理解仅限于150种主要营养成分，但是这些营养成分只占我们食物中的一小部分。所以，通过研究这些“暗物质”，可以帮助我们重新认识我们所吃的食物，以及了解它们对我们健康的影响。
饮食中大量不为人知的“暗物质”
我们知道，食物是由各种各样的化学物质组成的混合物。即使是我们熟知的“大量营养素”——蛋白质、碳水化合物和脂肪也千差万别，它还含有“微量营养素”——矿物质、维生素和其它生化物质，它们仅以微量存在，但仍会对健康产生深远的影响。
关于食物的这些成分，美国有个由农业部负责维护的营养数据库（简称USDA），其中包含了成千上万种食物的组成信息，分为188种不同的营养成分。当你搜索“大蒜”，该数据库会提供58055种包含该物质的食物——从生大蒜到加工的食品。生大蒜的条目会列出67种大量或微量的营养素，有的甚至还量化为每100克含量是多少，等等。这看起来可能很详细，但似乎还不够全面。例如，它忽略了大蒜中的某些成分，如蒜氨酸。
这是USDA数据库中普遍存在的一个问题，即它仅跟踪记录许多食物中常见的营养成分，因此忽略了那些罕见的部分。USDA从2003年开始填补这一空白，但到目前为止，也仅是在原有的150种成分中添加了38种类黄酮（一种与心血管疾病风险相关的植物化合物）。
大约10年前，一个国际研究团队决定编译一个更全面的数据库。一开始，由于他们对普通食物中微量营养素的了解很少，所以只能追踪记录几十种化合物。但是，他们通过检索相关的文献，进行自己的实验室化学分析，不断增加完善食物成分信息。最终，他们建立了一个名为FooDB的庞大数据库。
目前，该数据库已拥有约7万种营养化合物的信息，几乎是USDA数据库的400倍。例如，USDA数据库在生蒜中列出了67种化合物，但FooDB有2306种。
照此看来，以USDA为指导，食品中99.5％的成分都是个谜。甚至FooDB也还不完整，例如，在大蒜中列出的2306种化合物中，只有146种被定量，这意味着其它的2000多种化合物，含量还未知。这也是整个FooDB的不足——目前尚有约85％的营养成分尚无法被量化 。换句话说，关于我们所吃食物的组成，我们只窥探了其冰山一角。
也许有人开始产生这样的想法了：难道目前关于食物的知识几乎都是错误的？这个问题的答案我们暂且不去讨论，但必须指出的是，因为我们专注于大量营养素和卡路里，所以很多食物都被简化了。
其实食物非常复杂——当它进入我们的肠道时，它会与那里的微生物发生相互作用，从而变成其它化学物质，而这些物质对我们的身体会产生复杂的影响。因此，掌握食物中所含的所有化合物信息，将能对营养研究人员提供很多意想不到的帮助。
营养成分对人体的影响 复杂得超乎想象
现在很难确切地说所有这些化合物信息有什么作用，它对健康的影响在很大程度上也是未知的。但是，我们有充分理由相信，食物中某些被忽略的化合物会产生积极的影响。
然而，在营养学界，这种看法并不是很受欢迎。反对者认为，食物中大多数化合物都以微量存在（换句话说，即使存在所谓的营养暗物质，它的量也极少，起不到什么作用）。但是，这是一个误解。目前食物中营养素的浓度大约分为9个等级，但浓度并不总是影响因素。例如每100克食物中维生素E的浓度仅为微克，但我们知道，缺乏维生素E会对健康产生不利影响。所以，并不能说低浓度的化合物对健康没有影响。
为了证明确实存在“营养暗物质”且其对健康有重要影响，研究人员还求助于另一个数据库——比较毒物基因组学数据库，该数据库存有成千上万种化学物质与人体相互作用的结果。
他们研究了大蒜的67种“官方”成分（来自USDA数据库），发现了其中37种与人类健康和疾病有关。又对FooDB中大蒜的2306种成分进行了同样的处理，并发现了另外574种影响健康的化合物。他们认为，食物的复杂性可能正是营养科学经常产生不同结论的原因。
想必我们都有过这样的体验：上一周听“专家”说红酒会对健康有害，这一周又听“权威人士”说“不会”。类似的还有关于红肉、鸡蛋、饱和脂肪的说法等。没有对食物营养成分的全面了解，我们就无法确定哪种说法是正确的。
关于个别微量营养素的说法也是如此。例如β-胡萝卜素，根据流行病学研究，它对心血管疾病能起到抑制作用，但研究也表明在饮食中添加β-胡萝卜素并没有显示出对健康有好处。
为什么呢？一个原因可能是β-胡萝卜素在植物中从来都不是单独存在的，有约400个分子总是与它一起存在，生物学家检测到的可能是其他分子对健康的影响。另一个原因可能是微生物对“营养暗物质”的影响。大多数“营养暗物质”是通过肠道细菌化学转化而成的，由于我们无法控制肠道菌群或先天代谢的变化，这就意味着不同的人会从食物中获得不同剂量的代谢产物。这就是为什么研究不同食物的影响时，结果相对模糊的原因。
所有这些都表明了对食物的研究还很必要，且还有一段长路要走。
依赖计算机来分析营养“暗物质”
为了更深入地研究饮食对健康的影响，可能需要寻找一些新的途径。比如求助于正在兴起的大数据和复杂网络科学。必须指出的是，对“营养暗物质”进行研究的团队都是生物化学家而不是营养学家，他们专门探究人类疾病的遗传和起源。因为基因数据只能解释约5％～20％的疾病原因，而他们认为可以从食物中找到其余的原因，这才对食物营养产生了兴趣。
为了测试这种方法是否可行，研究人员开发了一个文本搜索工具，以搜索科学文献中有关食物成分的信息。他们先搜索了“大蒜”，找到了一些缺少的浓度数据。例如，它发现了一种二硫化物——另一个可能对健康有益的辛辣味道的分子。另外，它还发现了FooDB中甚至没有列出的另外96种大蒜成分。紧接着，他们又对“可可”进行了搜索，结果发现了238种新的化合物。这表明了有很多信息已经存在，但尚未被记录到数据库中。
大蒜和可可只是人们食用的大约2000种天然成分中的两种，为了将研究扩展到包括牛奶、苹果等在内的更多食品，他们又开发了一个名为“FoodMine”的文本分析工具，其目标是涵盖所有常见的主食，以便对饮食中的化学成分有更全面的了解。
这似乎还不够复杂。还有一个复杂的问题，那就是烹饪会将化学成分（包括“营养暗物质”）转化为其它成分，这些成分有时会对健康产生影响。例如，糖和氨基酸在高温下反应时，会产生新的分子，使烧烤食品变得美味，但这些反应还会产生丙烯酰胺，这可能是一种人类致癌物。
我们的新陈代谢也会对营养物质起作用，这增加了更多的复杂性。食物中的化合物通常会被口腔、胃和肠道中的各种酶进行化学转化。结果是，许多“营养暗物质”被转化为各种更小、更奇怪的代谢物，然后再循环回到血液和其他组织中。这些经过转化的“营养暗物质”对健康有着更大的影响。
此外，在食品加工过程中也会添加大量化学物质。这些物质在我们体内会发生什么情况尚不得而知。
鉴别食物中的所有化合物已经是一项巨大的挑战，而弄清楚它们与我们发生的生物反应则更是难上加难。最终，需要将所有的食物分子与它们在人体细胞中的影响联系起来。再一次，新的计算机技术扛起了这个重担。例如，USDA的一个团队正在开发一种系统，利用人工智能来预测我们吃完食物中的“营养暗物质”会发生什么。作为一个试水项目，这个人工智能系统在FooDB中寻找能够与某种蛋白质发生作用的化合物时，它找到了10种。其中的两种已知的，但是其他八种不是，包括芝麻中的芝麻素、利马豆中一种黄酮，以及茶、药草、香料中的化合物。
研究者们的最终目标是想建立一个营养素与人类健康之间相互作用的“全图”——这是一项宏伟的工程，需要更多有关个人基因组、微生物组和其他因素的数据，但这也是我们真正了解人类营养和健康关系的唯一途径。