前言
从实现最佳健康的角度来说，营养学在许多方面都迷失了前沿。只是在不久前，营养在运动成绩、健康老化、退行性疾病以及最重要的，尽可能长时间地维持健康等方面的作用，才被那些除了早期推崇者之外的大众所意识到。为了更好地理解、调整以及提高营养在实现最佳健康上起的正面作用，营养学必须进行重大革新。
当谈到营养学领域时，其中有几个分支的革新已经时机成熟。但是在讨论营养革新之前，我们先从营养简史开始，帮助大家了解一下营养学发展到今天的历程。
必需微量营养素和常量营养素
说到必需营养素，我们指的是那些我们必须通过膳食或营养补充品来获取，以维持生命的化合物。这些营养素是必需的，因为我们的身体无法合成它们。必需营养素一般可以分成两类：1）必需常量营养素和 2）必需微量营养素。
常量营养素是那些我们需要较大量（一般大于1毫克）的营养素。这些是我们的细胞需要用来1）构造组成我们身体的结构和2）消耗以作为能量（脂肪、蛋白质和碳水化合物）的原材料。
必需微量营养素是那些我们身体需要但是需求量较小（一般小于1毫克）的矿物质和维生素。有些矿物质，比如类似钙，可以被认为是常量营养素，因为我们对其有较大剂量的需求。但是，由于我们无法消耗钙及其他矿物质用做能量，大部分营养学家将它们分到「微量营养素一类」。简单总结，必需「矿物质」是我们身体需要用来维持生命的「无机」物质；必需「维生素」是我们身体需要用来维持生命的「有机」化合物。
很早人们就意识到我们需要摄入食物（常量营养素）才能生存。人类也主要通过早期物理学家，很早就认识到由于骨骼的组成成分，矿物质很重要。但是必需维生素对于健康的作用，之前很长时期都相对较为神秘。进入21世纪后，我们有幸回顾，才意识到必需维生素的发现过程是多麽有趣。因此，维生素将是这一简短历史回顾的主要重点。
必须维生素的发现
尽管当时他们自己没有意识到，早期航海探险家其实为维生素的发现做出了巨大贡献。在他们漫长的航程中，水手基本只能吃脱水食品和鱼，而几乎没有新鲜水果和蔬菜。这种膳食让水手面临维生素C缺乏及坏血病。坏血病的严重症状（全身虚弱、牙齿脱落、出血点及严重淤青等）最早会在航程的头10至12週出现，这是历史上最早观察到并且记录下来的营养缺乏疾病。但是，人们同时观察到一旦水手抵达陆地并且开始摄入「酸性水果」，其症状最短会在一至两週内消失。英国海军最早意识到这个现象，并且开始採取措施在水手每日口粮中加入柑橘类果汁（主要是柠檬或青柠汁），这几乎完全治愈了水手的这个疾病。使得坏血病得以改善的具体化合物及确切原因，一直到1930年代早期，匈牙利科研人员Albert Szent-Györgyi发现维生素C时才被发现，这已经是上百年之后了。
再次强调，由于现代科学和医学的发展，我们得以有幸回顾过去， 坏血病为何会成为那些早期探险家的心头大患其实显而易见。维生素C极易溶于水。我们对于维生素C的日常需求较高，是因为人类是少数几种不能自身合成维生素C的动物之一。我们身体的回收循环系统不良这一事实，意味著维生素C通常是我们身体第一个耗尽的营养素。因此，坏血病是最早表现出明显症状的营养缺乏疾病之一。
让我们快进到1800年代，亚洲、加勒比海和太平洋岛屿上的欧洲殖民地广泛扩大，许多其他营养缺乏疾病慢慢开始被注意到。直到不同欧洲医生的各种观察被汇聚到一起，营养在预防营养缺乏疾病的重要性才得以明了。基本上来说，膳食统一、单一、受控及/或有限的水手、士兵、囚犯甚至包括家畜家禽成为了「疾病」高危群体。但是，要证明到底是什么导致了这些疾病，其实很难。让必需维生素的发现变得更加困难的是时机。对于营养缺乏疾病的研究，和「巴斯德革命」或「细菌致病理论」顶峰期处于同时代，那时候微生物被认为是所有疾病的根源。这导致了科研人员陷入了很多实验绝境。
直到1890年代，一位研究家禽鸡的荷兰医生发现了鸡（或是士兵）是否患上被称为脚气病的「神经疾病」，取决于它们被喂食了「糙米」还是「白米」。这一发现，为最终总结出「食物的成分」可能是健康或是疾病的成因这一理论，起了决定作用。这带来了1900年代的科学革命，这场革命持续到1941年，直到最后一种必需维生素叶酸被发现。
膳食指南的建立
第二次世界大战期间，正值全球战争和经济萧条，食物配给和饥荒问题蔓延，美国认为需要设定营养指南。显然是为了在战争中取得优势，美国国防顾问委员会命令国家科学院建立国家科学研究委员会，以探讨营养对于国防可能的意义。其目标是保持健康的战斗队伍及平民人口数量，并且帮助指导海外的救济援助工作。1941年，第一个推荐每日摄取量（或RDA）开始实施。儘管这些膳食指南最先由美国建立，全球许多国家直接採纳了该指南，或是使用在其基础上修改的版本。RDA（或是拓宽后现在被称为参考膳食摄取量的膳食指南 ）一般平均5至10年才更新一次。因此，至制定初以来，这些膳食指南仅被更新过为数不多次，就成为了我们今天看到的版本。
预防营养缺乏疾病的政府法规与最佳健康
必需维生素的发现过程和政府法规制定的共同点，在于都是为了「预防营养缺乏疾病及其他营养不良问题的汇集」。因此，这些政府法规、指南及建议从来没有为了达到「最佳健康」而考虑剂量问题。为了使监管机构最终将他们推荐的避免营养缺乏疾病的「最低量」修改成促进健康的「最佳量」，营养科学必须有重大的资金投入及发明新兴试验方法。 为了让普通大众从这项科学中受益，它必须易于接触且易于理解，并且最终包含简单和个人定制化的营养建议。想要将这些看上去截然不同的目标组合在一起实现，营养学必须有重大革新。
营养学的革新
营养研究的增加
我们的身体及细胞能运转，是因为其中发生的生化反应。为了使这些化学反应能进行并且尽可能有效进行，需要一些处于合适浓度、平衡及形态的营养素及辅助因子参与，才能达到最佳工况。直到今天，用来决定我们作为个体应该寻求每日摄入的「最佳水平」营养素的基本营养研究，仍旧非常匮乏。例如，为了尽可能提高运动员成绩或让我们健康变老的最佳营养水平是什么？比如更重要的，作为个体，我们如果想尽量长久保持健康（我们称为「健康长寿」），需要日常摄入的营养水平又是多少？
科学文献的缺乏，很可能是由于两个主要因素。第一，是营养研究的整体资金缺乏，包括来自政府机构及民间企业。为何缺乏来自很多政府机构的资金有多重原因，情况很複杂。但是不管怎样，相对于其他研究领域，针对营养研究的资金严重缺乏是事实。对于民间企业来说，大规模、长期的人体临床试验极其昂贵。这些临床研究每年能花费数百万美元。而且许多类似研究需要持续5、10、15、20年或更久，因此哪怕对于最大的企业来说，仅用利润来投资这些试验都成本过高。
其次，许多科学家近期都开始质疑「随机安慰剂对照试验」（被称为RCT）这种传统科学模型，是否对于营养临床研究来说是正确的方法。RCT很适合製药业，是因为他们实验测试的那些分子基本在我们体内都不是自然存在的。由于很多政府禁止为天然化合物申请专利，製药业必须得开发合成分子以便使用专利来保护他们的研究投资。这使得製药实验方法相对简单很多而且容易决定直接因果关系。他们的潜在新药物的成分在我们体内不是存在就是不存在；他们的潜在新药物不是有效就是无效。由于使用严格的二元法，这些研究要合算得多并且容易得出直接结论。
对于营养学来说，情况不是这样。进行类似人体临床研究时，我们身体都会由于我们摄入的食物，已经或多或少有个基线水平。让这个情况变得更为複杂的是，由于不同人摄入不同的特定膳食，有些人会某些营养素水平相对高，而有些人相对低。而在设计营养研究时，几乎不会考虑到这个情况。这些因素合在一起，使得营养实验方法变得很不容易。不同的基线水平增加了实验误差。由于实验误差可能会很高，这导致决定营养干预对于某个健康结果是否有直接因果关系变得很困难。没有合适的实验设计、没有大量测试对象以及合适的统计分析，这些製药和营养研究的核心差别常常能够解释发表的科学文献中的含糊结果。
让实验设计和结果的解读变得更困难的是营养素单独对任何生化/代谢途径都不起作用。在我们细胞内的任何特定代谢途径中，都会有多个营养素及辅助因子共同协作以促成生化/代谢反应。因此，在代谢途径需要其他营养素的前提下，去实验测试单一营养素并且衡量健康改善，最多也就只能报以一定希望而已。根据营养及生化/代谢科学，最佳实践手段包括在期待特定健康结果的给定生化/代谢途径上，实验提供所有营养素。可是，这违背了每个科学家学到的，有上百年历史的「科学方法」。
传统科学方法一般针对控制或安慰剂组，一次只改变一个实验变量。基本上对于和健康与疾病相关的所有营养情况，这都是一个有缺陷的方法。正确的营养及生化/代谢惯例要求，在给定代谢途径里想要改善健康，所有已知营养素都得实验提供。然而，这个习惯不仅违反传统科学方法，而且迫使结果的清晰因果关系解读变得更加困难。儘管很多研究营养及生化/代谢的科学家意识到了这一点，但当申请政府研究经费时，任何有别于传统科学方法的实验设计，一般都会被认为是「设计不合理」而导致拿不到经费。
简单来说，营养学的重大革新发生的前提是基本营养科学的复兴再生。这又取决于传统营养学实验设计能否改变教条。还需要发展出新的实验模板来回答营养实验问题。一些有前瞻性思维的生化/代谢科学家正是这样做的，寻找传统科学方法之外的新方法来解决营养研究问题。这些科学家将非假设驱动及非目标对比法带到营养科学。具体来说，他们同时给控制组很多营养干预，测量大量生化代谢结果，再根据已知生化代谢原则来重建数据。虽然这种方法花费高、更複杂且更费时间，但这些科学家得以找出多种营养介入和其对生化代谢途径的强关联。换句话说，他们让数据本身来作出结论，而不是由于实验设计的缺陷被迫将数据强行带入到预想或偏差假设中。这很有可能是未来营养学家会採用的方法。
最终，科研经费的增加、基本营养研究被重新重视和再次兴起及改进过的创新实验设计会给营养科学带来伟大的革新。
条件必需及非必需营养素及辅助因子
我们显然需要必需营养素才能生存及保持健康。但是有一个被称为「条件必需」营养素的新营养方向，正在逐渐被人们认识到。上面提到过，最后一种必需维生素（叶酸）是1941年发现的。儘管存在一些尚未确认但可能成为必需营养素的潜在候选，例如吡咯并奎琳醌（简称PQQ）、麦角硫因等，但发现其他完全必需维生素的可能性几乎为零。可是，随著营养研究的增加，很有可能会界定出越来越多条件必需营养素和辅助因子，包括条件必需维生素及矿物质。
什么是「条件必需营养素及辅助因子」呢？不同于必需营养素会直接导致营养缺乏疾病，条件必需营养素及辅助因子和营养缺乏疾病没有直接关联。但是，我们讨论的是那些可能无明显疾病症状，但导致代谢及细胞功能受损的潜在亚临床缺乏。
一种营养素或辅助因子可能会在我们人生不同阶段成为条件必需。比如，我们知道随著年龄增大，我们的身体对于矿物质及一些维生素的吸收不像年轻时候那麽高效。此外，研究表明像硫辛酸和左旋肉硷这些非必需营养素和辅助因子随年龄增长而降低。我们知道许多精英运动员和育龄女性往往需要更多铁及许多其他营养素，以最大化载氧能力来支持额外的运动和抚养子女压力。我们知道在受急性身体伤害后，维生素D水平会急降。我们知道在20岁之前我们就会获得这辈子大部分的骨骼质量，因此相对于体重来说，儿童比成人需要更多骨骼矿物质。
我们还需要更多地了解那些按照严格营养定义来说不算「必需」，但可能会导致亚临床和细胞、组织或器官功能受损的候选营养素及辅助因子。或者，设法描述通过提高补充剂用量能提供额外健康益处的那些条件必需营养素和辅助因子。将研究拓展到描绘条件必需营养素和辅助因子，从而更好地确定生命中每个特定阶段所需要的确切剂量，将会是营养学的伟大革新。
个体化营养
一些理论生物学家提出，在此时此刻及现在特定环境下，生出一个和我们完全一样的人的概率大约是1:400,000,000,000 （是的，1比400兆亿）。根据这个定义，如果现在地球上生活著400兆亿人口，那可能会有一个人各方面都跟您我一模一样。可是现在地球上只有七十亿人，存在两个完全一样的人几乎不可能。因此，很容易推测出我们都有个人化、独特及定制化的营养需求这一结论。
回顾历史，政府机构还没有考虑到这种差别化。许多来自各个监管机构的推荐都简单地将所有营养需求按照人口统一归类。直到近期，才意识到不同「人生阶段」可能有不同营养需求：比如我们的年龄、是否抽烟，及女性的话是否在孕期或哺乳期。
营养学想要出现有意义的创新，要提高营养的功效来促进最佳健康，了解更小及更明确定义的人群（当然最终目标是任何单一个体的具体明确营养需求）的特殊营养需要最为重要。
瞄准细胞及分子的营养素
我们很早就意识到我们的细胞有著被称为细胞讯号传输途径的广泛通讯网络。这些细胞讯号传输途径让细胞能够在单个细胞内部、和相邻细胞及与相隔很远的其他细胞交换信息。
这些细胞讯号传输途径的唯一目的是帮助细胞、组织或器官对其环境适应及反应。那麽它是如何工作的呢？在细胞表面和内部都有「感应分子」（一般是蛋白质）。类似于锁和钥匙，当正确的分子（钥匙）碰到了相应的感应器（锁），会激活细胞讯号传输途径，这时通讯开始了。想象一下多米诺骨牌被碰倒。一旦被激活，细胞讯号传输途径最终会让细胞、组织、器官甚至整个身体产生生理反应，会开始或停止生物过程。
某些营养素能作用于分子级，能够瞄准细胞讯号传输途径并让健康受益。比如，黑巧克力或葡萄籽中的化合物有助于心血管健康。咖啡因能产生肾上腺素的效果，提高我们的认知功能及提升运动成绩。某些来自植物的营养素（植物营养素）被证实能激活我们身体的天然排毒过程，其他一些营养素能起到非类固醇消炎药的作用（被称为NSAID）。这些都是由于营养素能在分子一级起作用，激活了细胞讯号传输途径。营养学家现在正利用分子内天然化合物的分子瞄准能力，以得到特殊、健康及有效的生理作用。
了解到底哪些营养素，需要具体多少剂量才能瞄准某条细胞讯号传输途径，最终让健康受益的研究还处于早期，其创新的时机已经成熟。
营养的「组学」革命
所谓「组学革命」最近在科学界非常流行，尤其是在生物科学界。这个短语说法来自很多生物学子领域的后缀，比如基因组学（研究脱氧核糖核酸DNA）、蛋白质组学（研究蛋白质和酶）、微生物组学（研究我们体内及体表的微生物）和代谢组学（研究代谢）。
「组学」的趋势来自于生物学里被称为「系统生物学」的某个概念，研究我们体内的各个独立系统是如何工作的以成就了现在的我们。这是从一种更计算或工程的方法来了解生物学：从了解我们的DNA和其对于我们对某种健康成效偏好的意义（基因组学），到我们的细胞如何将DNA资讯变成细胞蛋白质生产车间（蛋白质组学），到所有生活在我们体内及体表的互惠共生微生物如何与我们周围环境互动及影响我们的生理（微生物组学）。
系统生物学的承诺是研究那些系统间的複杂相互作用，以帮助我们了解生物的複杂性。虽然系统生物学本意是为了使用更少还原的方法来研究生物学，但它没能完全实现当初的承诺。由于发现细胞内有多个系统，因此只研究某个单一系统（基因组学、蛋白质组学和微生物组学等）无法让我们了解全部状况，事实上了解到的情况比那些独立系统间的实际互相作用要少得多。但是如果您认为从生物学角度来讲，我们只不过是一组生化反应的集合（也正是这些生化反应造就了今天的我们），那麽有一种「系统方法」能带给我们极佳的见解并且帮助我们在营养有所创新。这个承诺就是代谢组学。
代谢组学的承诺
正如上面所述，代谢组学研究的是我们整个代谢的生化学原理。代谢组学的承诺来自于其研究考虑了很多（如果不是全部的话）系统生物学下的子系统。按照等级分层来说，这是一个能考虑到同时包含所有潜在变量的系统，无论是继承自我们父母的DNA；无论我们将DNA转化成对细胞有用的蛋白质机器的效率怎样；无论是我们的微生物如何作用于生理学；也包含那些我们甚至都还没有讨论过的情况，比如我们对于营养素的吸收效率、我们的生活方式以及我们生活的环境。所有这些都直接或间接影响著我们的细胞生化反应，而代谢组学考虑到了全部这些。
代谢组学的承诺还来自于我们对于自身独特的细胞生化学的多年了解；可以说，我们体内每一个代谢途径都已经被详细研究过，不仅仅是那些主要方式和途径，还有那些次要途径和「代谢产物」。有著了解如此详尽的细胞生化学，包含了需要的生化反应物、代谢中间体及所有必需酶、辅助因子、维生素、矿物质等才能进行的生化反应，我们得以了解我们的代谢是处于功能最优化还是可能被扰乱了。正由于在我们身体内，每时每刻都有无数化学反应正在进行，我们完全可以获得每分钟甚至每秒钟的快照，来了解我们代谢的运行情况。
讨论了这么多，其实代谢组学的这个承诺正是其被耽误的原因。很多科研人员迴避全面代谢组学，因为其固有的複杂性。要完全了解我们的「代谢组」（组成我们代谢的所有东西），就必须在各种情形下，尽可能频繁地同时检测成千上万代谢产物，才能得到准确的描绘。不难想象，这複杂度呈指数倍快速增长。
但是，这个领域的技术在迅速提高。现在已经能够实验测量成百上千中代谢产物，并且能够测量的代谢产物种类每天都在增加。但是这种程度的複杂度只在基本代谢组学研究的初期才会出现。一旦获取到很多生活方式场景中某代谢组的一个精准快照，只需要使用少数几种代谢产物就能知道我们细胞的确切功能状态。这时回到营养，我们就能决定身体到底需要什么才能保持那些细胞工作于最佳状态。我应该吃什么？碳水化合物？蛋白质？脂肪？什么时候吃？我是否缺乏营养？我需要哪些营养？什么时候需要？需要多少剂量？代谢组学所能提供的粒度等级、特异性和即时反馈这些才是其真正承诺。
回到坏血病（维生素C缺乏疾病）的例子：个体牙齿脱落、容易淤青及通常死于心血管疾病（动脉瘤或心脏病）的原因是维生素C为胶原和成（将我们的细胞和血管保持在一起的「分子粘合剂」）所必须。在这个例子中，使用代谢组学，如果我们可以确定胶原和成及到目前为止看似无关的代谢产物是在何时受损的，我们就能介入并且推荐摄入维生素C来将代谢途径送回正轨。该代谢受损能远在任何临床症状出现前，或甚至在亚临床后果开始给细胞造成不利影响前就被发现。同时我们还能使用类似方法来最大化产生能量、合成肌肉、大脑功能及标记疾病或健康。基本上来说，每个生物过程都能使用代谢组学来最优化。
更好地来基本了解代谢组学，及使用何种代谢产物来标记最佳营养状态和健康，是营养学数一数二的革新。
医疗设备、健身追踪器、呼吸测试器及光学扫描仪
市场上目前有一些仪器可以让消费者测试某些重要健康指标。就目前能被接受的医疗设备来说，举几个例子，包括测量血压、脉搏波传导速度、体重、身体成分、血脂、胆固醇、C-反应蛋白、体温及血糖等的仪器。
健身追踪器的流行带来了一个全球数十亿美元的产业。显然，能做出即时健康测试反馈的设备会很有需求。最流行的健身追踪器能告诉我们走了多少步、跑了多远、游泳划水效率如何、骑车节奏及输出力量如何、心率、消耗热量及我们睡眠质量如何。
近年来，非侵入性技术卷土重来，使用特殊波长的光线来照射人体组织，以确定血氧饱和度、脉搏、黄斑色素密度、皮肤健康、含水量甚至某些营养素和抗氧化剂状态等健康指标，其中以血糖为「製药业巨头」的「圣杯」。您可能熟悉能测试我们血液中酒精含量的呼吸测试器。现在新的呼吸测试器也再次出现，但是测试的是我们呼吸中的代谢产物，以决定代谢健康甚至当场能给出疾病状态。
这个行业缺乏的是将上面提到的所有指标汇集在一起做成一个仪器，给出我们健康状态的综合状况。如果能将所有这些指标和科技汇总成一个单一设备，以即时检测我们的营养和健康状态，这会是营养的一个重大革新。
将医疗设备与营养、医疗和代谢组学数据组合
营养学中最后一个必要革新是将上面提到的综合设备仪器和营养、医学和代谢组学中的最新科学发现相结合。想象一下如果您能够手持一个医学仪器，将其贴近您的手指；或许只需要验一滴血或打出一道光、或对著管子吹口气就能获取一个您即时代谢（代谢组）情况的总体快照。您能使用这些信息，来获取您含量较低的营养素、您需要吃的食物或是否需要运动等建议。类似仪器能保证我们保持自身代谢和生化反应随时能最优化进行。我们能够最大化提高运动成绩、最优化健康，及最重要的——尽量长时间保持健康长寿。
融汇前沿营养突破（尤其是在代谢组学领域）及综合非侵入式医疗设备，给我们提供代谢健康及总体健康的即时快照，是能有意义影响人类健康的营养学终极革新。
结论
1800年代中期至1900年代中期是营养学的定义期。那100年给我们现今如何思考营养学定下了基调，用最少量的营养素来治疗营养缺乏疾病。我们需要改变现在的营养教条理念，从最少量营养变成最优量营养，来促进最佳健康。如果意义重大的营养学革新即将发生，需要重新强调和投入到对基本营养学的研究，尤其是营养素是如何作用于细胞水平的。科学界还需要开发及接受新的营养学科研方法，对营养研究需要更少採取还原方法、更多系统及工程方法。营养学中最有前途的系统方法是代谢组学，这也应该占到营养学研究的绝大部分。在代谢组学中使用新兴、非还原法、非目标对比及非假设驱动的研究方法会创造出许多真正的营养学革新。一旦我们对营养如何直接及间接影响代谢有了相对完整的认识，我们就能将这个认知结合到现有医疗设备以开发出新设备。这些加在一起，能将基础研究变成可用及可行的信息，使得任何消费者都可以採取行动最终提高他们的健康寿命。
这就是营养革新给我们的承诺。
