大便的话主要是因为粪臭素（3-甲基吲哚）和吲哚。这两种物质虽然在浓度极低时会有香气，但只要浓度稍高就会产生恶臭。有数据表明，粪臭素在空气中达到0.00056ppm（0.0030毫克/立方米）就会很臭。公猪的膻味也是粪臭素导致的。
大便里的粪臭素和吲哚都是食物中的色氨酸被肠道菌降解的产物。这边先介绍粪臭素和吲哚形成的生化反应过程，然后讲一下臭味在进化上的意义。
将色氨酸降解产生吲哚的酶是色氨酸酶（Tryptophanase），广泛存在于各种细菌中，包括拟杆菌、梭菌、大肠杆菌、霍乱弧菌、普通变形杆菌、液化无色杆菌等等。色氨酸酶的辅酶是磷酸吡哆醛（PLP，维生素B6），可以将色氨酸（也就是吲哚丙氨酸）裂解为吲哚和脱氢丙氨酸，脱氢丙氨酸异构成亚胺结构而水解成丙酮酸和氨。总反应式为 。
色氨酸转化为粪臭素需要分多步。首先是转氨酶将色氨酸转化为吲哚丙酮酸。这种类型的转氨酶和色氨酸酶一样，分布非常广泛。然后吲哚丙酮酸会转化成吲哚乙酸，最后是吲哚乙酸脱羧形成3-甲基吲哚也就是粪臭素。很多种拟杆菌、梭菌以及一些双歧杆菌都可以产生吲哚乙酸。产生粪臭素的肠道菌种类相对少，主要也是拟杆菌和梭菌，还有一些红蝽菌纲（Coriobacteriia）的革兰氏阳性菌，比如产粪臭素消化道杆菌（Tractidigestivibacter scatoligenes，原名产粪臭素奥尔森氏菌）和齿龈奥尔森氏菌（Olsenella uli）。不少产生粪臭素的细菌本身不能产生吲哚乙酸，也就是说只能把其他肠道菌产生的吲哚乙酸转化成粪臭素。
吲哚乙酸是植物生长素，在植物中可以通过多种途径合成。但是肠道菌产生吲哚乙酸的途径和植物并不相同，可能由一个类似于丙酮酸脱氢酶的吲哚丙酮酸脱氢酶催化。丙酮酸脱氢酶将糖酵解产生的丙酮酸转化为乙酰辅酶A，
而吲哚丙酮酸脱氢酶通过类似的机理将吲哚丙酮酸转化为吲哚乙酰辅酶A。
有氧呼吸中乙酰辅酶A会进入三羧酸循环，无氧呼吸中乙酰辅酶A有多种去向，比如产乙酸菌（肠道菌中有很多就是产乙酸菌）中乙酰辅酶A经过磷酸转乙酰酶催化，产生乙酰磷酸，再经乙酸激酶催化形成乙酸和ATP。
所以吲哚乙酰辅酶A可能也是经过类似的过程被肠道菌转化为吲哚乙酸。乙酰磷酸转化为乙酸时会形成一分子ATP，所以吲哚乙酰辅酶A变成吲哚乙酸时可能也能给细菌提供ATP。
目前发现一些肠道菌可以产生脱羧酶将吲哚丙酮酸转化为吲哚乙醛，所以在吲哚丙酮酸直接脱氢之外，可能存在由吲哚乙醛脱氢产生吲哚乙酸的方式。
吲哚乙酸经脱羧转化成粪臭素。生理状态下羧基带有负电荷，直接脱羧将负电荷转给没什么吸电子能力的甲基是不可能的。所以催化吲哚乙酸脱羧的是一个甘氨酰自由基酶（Glycyl Radical Enzyme，GRE）。
GRE需要一个自由基SAM酶帮助，在活性位点的甘氨酸残基的α碳原子上失去一个氢原子形成自由基。关于自由基SAM酶怎么夺取氢原子说来话长，可以看一下下面这篇文章。
简单地说，GRE形成自由基后会夺取吲哚乙酸的α碳原子上的氢原子，形成吲哚乙酸自由基。然后吲哚乙酸自由基脱羧变成3-甲基吲哚自由基，GRE自由基再把氢原子还给3-甲基吲哚自由基就产生了3-甲基吲哚。
简单地说，GRE形成自由基后会夺取吲哚乙酸的α碳原子上的氢原子，形成吲哚乙酸自由基。然后吲哚乙酸自由基脱羧变成3-甲基吲哚自由基，GRE再把氢原子还给3-甲基吲哚自由基就产生了3-甲基吲哚也就是粪臭素。
有研究表明粪臭素对肠道有负面影响，可能导致肠道菌群失调，而且粪臭素可以被肠道吸收，对肺和肝造成毒性。甚至有研究表明，粪臭素有基因毒性。粪臭素会被某几种细胞色素P450氧化成含亚胺结构的3-亚甲基假吲哚（3-methyleneindolenine），3-亚甲基假吲哚会造成DNA烷基化，具体机理是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶的氨基对α,β-不饱和亚胺的共轭加成。
类似于3-亚甲基假吲哚的用亚胺结构引发DNA烷基化的活性可见于多种来源于肠道菌的毒素，比如吲哚亚胺和克雷伯霉素。
粪臭素的这种破坏DNA的毒性似乎主要发生在肺部。一方面，将粪臭素氧化成3-亚甲基假吲哚的几种细胞色素P450主要分布在肺部，肝脏的细胞色素P450氧化粪臭素主要产生的是吲哚-3-甲醇和2,3-环氧-3-甲基二氢吲哚。另一方面，虽然肝脏也能产生少量3-亚甲基假吲哚，但肝脏也有大量的谷胱甘肽，可以迅速解毒。
粪臭素本身是疏水的芳香族化合物，可以通过激活芳香烃受体促进细胞色素P450表达，使自己先被氧化再破坏DNA。这种机理也是苯并芘等化合物致癌的机理。
粪臭素通过激活孕甾烷受体、芳香烃受体还可以产生其他的生物学效应。总的来说，很多证据表明粪臭素对人体有负面影响，这可能就是人觉得粪臭素难闻这一点在演化上的意义。
但是，人不可能不产生粪臭素。所以，粪臭素可能对人有有利的一面。可能是在低浓度小有积极的作用，而浓度过高就会对人不利。
参考文献：
Fu B, Nazemi A, Levin BJ, Yang Z, Kulik HJ, Balskus EP. Mechanistic Studies of a Skatole-Forming Glycyl Radical Enzyme Suggest Reaction Initiation via Hydrogen Atom Transfer. J Am Chem Soc. 2022;144(25):11110-11119. doi:10.1021/jacs.1c13580
Su X, Gao Y, Yang R. Gut Microbiota-Derived Tryptophan Metabolites Maintain Gut and Systemic Homeostasis.Cells. 2022;11(15):2296. Published 2022 Jul 25. doi:10.3390/cells11152296
Liu D, Wei Y, Liu X, et al. Indoleacetate decarboxylase is a glycyl radical enzyme catalysing the formation of malodorant skatole.Nat Commun. 2018;9(1):4224. Published 2018 Oct 11. doi:10.1038/s41467-018-06627-x
Dodd D, Spitzer MH, Van Treuren W, et al. A gut bacterial pathway metabolizes aromatic amino acids into nine circulating metabolites.Nature. 2017;551(7682):648-652. doi:10.1038/nature24661
Weems JM, Lamb JG, D'Agostino J, Ding X, Yost GS. Potent mutagenicity of 3-methylindole requires pulmonary cytochrome P450-mediated bioactivation: a comparison to the prototype cigarette smoke mutagens B(a)P and NNK.Chem Res Toxicol. 2010;23(11):1682-1690. doi:10.1021/tx100147z
