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2007年
近日南方一份周刊刊登了一篇反对反伪科学的文章,声称打击伪科学会打击科技创新,举的例子是:“去年的诺贝尔化学奖颁给了两位研究RNA的美国科学家,而
在20世纪90年代末RNA研究刚进入国内时,方舟子就联合国内一些学术权威对之大肆批判,说‘RNA水平研究’是‘杜撰’、‘痴人说梦’和‘招摇撞骗’
云云,将中国的RNA研究扼杀在萌芽中。”这真让我哭笑不得,不仅这个事例纯属捏造,而且我恰恰自己就做过所谓“RNA水平研究”,曾经是去年诺贝尔化学
奖唯一得主、美国斯坦福大学教授罗杰·孔伯格的同行,和他有一面之缘。
上个世纪90年代初,我还在美国大学攻读生物化学博士的时候,也正是对真核生物的转录现象研究最热门的时候。世界上的生物可以分成两大类:细菌、蓝藻等低
等生物的细胞没有真正的细胞核,叫原核生物,其他含有真正细胞核的生物则统称真核生物,包括人。转录现象是最基本的生命现象之一,它指的是遗传信息从脱氧
核糖核酸(DNA)传递给了核糖核酸(RNA),也就是说,如何以DNA做模板来合成RNA。为什么人体的每一个细胞都含有相同的一套基因组,却会出现不
同的形态和功能呢?这就跟转录过程的调控有关。癌症、代谢疾病等多种疾病,也与转录出现了异常有关。
原核生物的转录过程比较简单,一般是由一个RNA聚合酶和一个转录因子来完成的,在上个世纪七、八十年代对它已经研究得比较透彻了,大家就开始转向和我们
的健康更密切相关的真核生物的研究。这时情形变得极为复杂。不仅真核生物的RNA聚合酶要比原核生物的复杂得多,而且其转录过程需要众多蛋白质因子的参
与,已知大约有60种,最主要的是5种普遍转录因子,其中有一个是我的导师首先发现的,也是我当时的研究课题。这些因子有什么样的结构和功能,彼此之间是
如何相互作用的?显然,要阐明如此复杂的现象需要许多实验室的分工合作。
我有幸目睹和参与了这个巨大的谜团是如何逐步被破解的,错误的认识是如何提出而又被很快地纠正的。这项研究成果几乎是日新月异的。我记得当时《科学》杂志
曾请学界权威预测21世纪的科技进展,不少人都提到真核细胞的转录之谜将会得到破解。而其实进入21世纪不久,这个现象的奥秘大体上都已被搞清楚了。
既然这项研究如此重要,从中产生诺贝尔奖获得者就只是个时间问题了。这个领域的头面人物大约有四、五个人,我们当学生的有时候也会争一争诺贝尔奖委员会会
挑选出哪三个人。所以,当听到诺贝尔奖委员会最终决定只让罗杰·孔伯格一人代表“今天化学和分子生物学最为活跃的研究领域之一”(孔伯格的获奖演讲)获奖
时,我觉得有些意外,不由得胡猜会不会和他的父亲亚瑟·孔伯格的影响有关。老孔伯格同样在斯坦福大学当教授,并早在1959年获得诺贝尔生理学或医学奖。
我和老孔伯格也有一面之缘。与小孔伯格是在参加学术会议时见到的,与老孔伯格则是有一年他到我们系做学术报告,我碰巧被系里指派负责放幻灯。老孔伯格研究
的是另一个基本的生命现象:遗传信息的复制,即什么样的酶在复制DNA。1958年,他发表论文报告说他从大肠杆菌中发现、分离、纯化出一种能够合成
DNA的酶——DNA聚合酶,并成功地在细胞外用这种酶合成了DNA。一年后,诺贝尔奖委员会以空前绝后的速度表彰了老孔伯格的发现:1959年老孔伯格
和他以前的导师塞韦罗·奥乔亚分享诺贝尔生理学或医学奖,他是因为发现了DNA的酶合成,而奥乔亚是因发现了RNA的酶合成而获奖的。
这个奖颁发得的确有些仓促。在老孔伯格获奖十年之后,人们才知道,他所发现的DNA聚合酶并非细菌真正用于复制DNA的酶,在细胞内执行这个任务的是另一
种新发现的酶——DNA聚合酶III。老孔伯格的酶(被命名为DNA聚合酶I)只是在DNA复制中起修补作用(不过,这种酶后来在分子生物学研究和遗传工
程中发挥了巨大的作用)。值得老孔伯格欣慰的是,新的酶是他的二儿子托马斯·孔伯格在哥伦比亚大学读书时发现的。托马斯现在是加州大学旧金山分校的生物化
学教授。
老孔伯格的妻子是他的实验助手,他们一起共发现了一百多种参与新陈代谢的酶。他的自传有一个恰如其分的的题目叫做《为了酶之爱》。他的儿子能继承父业并发
扬光大并非偶然。他们从小就被老孔伯格带到实验室参与简单的实验,像罗杰·孔伯格说的,科学理性成了他们的第二天性。也许老孔伯格应该再写一本自传,题为
《酶之家》。
2007.1.29.
(《中国青年报》2007.1.31.)
(XYS20070131)
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2007年
卡雷尔是生物医学史上一位传奇人物,这倒不是因为他在1912年由于在血管外科手术的开创性贡献而获得诺贝尔医学奖,而是因为他在同一年做了一个更为惊人的培养“不死的细胞”的实验。
卡雷尔原是法国医生,1904年移民美国,到洛克菲勒研究所从事基础研究。1910年,美国生物学家罗斯·哈里逊报告发明了体外培养技术,把脊椎动物的组
织从体内切割下来后,放在体液中培养,这些细胞不仅能够存活,而且会继续生长和分裂。卡雷尔及其助手也试着把成纤维细胞从鸡胚胎的心脏分离出来放在鸡血清
中培养,每天更换培养液。从1912年1月17日开始,他们培养了16个样本。到当年9月份,只剩下了一个样本还活着,其他的都死了。
这时,卡雷尔发表论文宣布,他已找到了能让生物体组织在体外无限生存下去的培养条件。这个硕果仅存的样本似乎验证了卡雷尔的预言,就那么一直存活下去。卡
雷尔后来几次发表论文报告这个结果。1938年,卡雷尔离开洛克菲勒研究所,回到了法国。这个神奇的组织培养被他的合作者埃布林带到了一家公司继续培养。
卡雷尔在法国成为纳粹同伙,1944年去世。两年后,埃布林人为停止了培养,将它扔掉。
也就是说,这些从鸡胚心脏分离的成纤维细胞被持续培养了34年。如果考虑到有纪录的鸡的最长寿命为12年,这个实验似乎证明了只要给予合适的环境,鸡的细
胞就可以无限地分裂、生存下去,并没有内在的机制限制细胞分裂的寿命。卡雷尔的这个实验经过夸大后(其中一个版本是,卡雷尔让鸡的心脏在体外跳动了34
年),不仅对学术界,对大众也有影响。它似乎给了渴望长寿的人们一个希望:只要能找到合适的生活条件,人就不会衰老。直到几年前,国内一家推销“抗衰老”
假保健品的公司的宣传材料还声称,卡雷尔的鸡细胞之所以能不死,是因为使用了他们推销的那种“魔法分子”。
在卡雷尔做组织培养实验时,为了防止细菌污染,卡雷尔要求实验人员像做外科手术一样全身穿戴防护服和面具。这么苛刻的实验条件使得很多生物学家不愿意去重
复该实验,那些下了决心去尝试的人也没有人能够重复出卡雷尔的结果。即使在现在,用现代体外培养技术培养,也没有人能让鸡成纤维细胞的存活时间超过44个
月。
但是在1961年之前,没有人公开怀疑卡雷尔的实验结果。这一年,美国生物学家海弗里克完成了一篇论文,报告他们在体外培养人的胚胎成纤维细胞的结果。海
弗里克用的方法是将细胞放进培养皿中培养,让它们分裂、生长,直到铺满培养皿。在培养皿铺满一层细胞后,正常的细胞就会停止增殖。然后,将其中一小部分细
胞转移到另一个新鲜的培养皿中培养。海弗里克发现,即使在最合适的培养条件下,成纤维细胞也无法无限增殖下去,而是大概分裂了50代后就停止。
这篇论文被海弗里克投寄的第一家刊物退稿。审稿者指出:众所周知,只要条件合适,细胞在体外可以无限分裂,肯定是他们的培养条件出了问题。这篇论文在转投
另一家刊物发表后,已成为上个世纪60年代发表的大约2百万篇生物医学论文中被引用次数最多的论文之一,影响巨大。与卡雷尔的实验结果不同的是,海弗里克
的这个发现,后来被无数的实验室所证实。脊椎动物正常体细胞的分裂次数是有限的,这种现象被称为“海弗里克极限”。这个现象看来和衰老有关,但是究竟和衰
老有何关系,到现在也还不是很清楚。也有的细胞出现了突变,分裂次数不受限制,但是它们的生长也失去了控制,变成了癌细胞。换言之,某些癌细胞不存在“海
弗里克极限”,可以无限分裂下去。
但是卡雷尔实验用的并不是癌细胞,而是正常的成纤维细胞,为什么也会出现不死的奇迹?海弗里克认为是因为卡雷尔培养技术有问题,每天更新的鸡血清不纯。当
时的离心技术很粗糙,在血清中还含有新鲜的鸡细胞,也就是说,卡雷尔在无意中不断地加入了新的细胞进去,而不是最开始的那些细胞。
也有人早就怀疑其中有诈。1980年,芝加哥大学退休教授布克斯鲍姆回忆说,他曾经在1930年去洛克菲勒研究所拜访过卡雷尔实验室。当时卡雷尔在国外度
假,由埃布林接待。埃布林带他参观了实验室,但是却不让他看“不死的细胞”,声称担心受到污染。布克斯鲍姆背着埃布林找到了一位女实验员,请她带他去看
“不死的细胞”。结果他一眼就看出那些细胞已经快死了,于是女实验员秘密告诉他:如果这个细胞系死了,卡雷尔会很不高兴的,因此我们就时不时地往里面添加
新的胚胎细胞。
对这个指控,卡雷尔实验的一位合作者反驳说,这名女实验员反对纳粹,对卡雷尔的政治信仰很不满,想要败坏卡雷尔的学术声誉,她的说法是靠不住的。其他参与卡雷尔实验的人则不愿意就此事发表评论。
那么,卡雷尔究竟是实验操作有误还是有意造假,我们到现在只有猜测和孤证,不好下结论。有一点是肯定的:“不死的细胞”实验结果是靠不住的。正常体细胞的
分裂次数有限已被确认为一个科学事实。但是我们也没有必要因此贬低卡雷尔做体外组织培育的成就。要知道,在卡雷尔做实验的时候,抗生素还没有被发明出来。
在现在,往培养液里添加抗生素就可以有效地防止细菌污染,组织培育技术变得很简单,一名生物系高年级本科生就可以做到。但是,在没有抗生素的年代,能够把
一个组织培养样本不受污染地持续培养了34年,即使有意无意地在不断地添加新细胞,也算得上是一个传奇了。
2007.1.23.
(《经济观察报》2007.1.29)
(XYS20070129)
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2007年
我很喜欢看美国探索频道的“新侦探”节目。在节目中有时会出现这样的镜头:有人向警方报告其家人失踪了,警察来做调查,在失踪者家中搜索了一番,并未发现异样。往地上、墙上喷洒试剂,关上百叶窗,却发现地上、墙上有一块块的东西在发蓝光,表明那是血迹。原来失踪者是在家中被杀的,死前大量流血,只不过杀人者把房间清洗过了。你有没有想过警察用的是什么药剂,它为什么能把肉眼看不见的血迹检测出来?
警察喷洒的试剂的主要成分是过氧化氢和鲁米诺。鲁米诺是一种人工合成的有机化合物,早在1853年就被合成出来了。到了1928年,化学家首次发现这种化合物有一个奇妙的特性,它被氧化时能发出蓝光。几年以后,就有人想到利用这种特性去检测血迹。血液中含有血红蛋白,我们从空气中吸入的氧气就是靠这种蛋白质输送到全身各部分的。血红蛋白含有铁,而铁能催化过氧化氢的分解,让过氧化氢变成水和单氧,单氧再氧化鲁米诺让它发光。这种检测方法极为灵敏,能检测只有百万分之一含量的血,即使滴一小滴血到一大缸水中也能被检测出来,由此可知犯罪分子是多么难以把现场清洗干净了。
明白了鲁米诺发光的道理,就会知道这种检测方法其实并不那么可靠,不要一喷上鲁米诺试剂发现地上一片蓝光就大叫“有血”。既然鲁米诺发光是氧化导致的,这就意味着有很多氧化物以及能起催化作用的金属也能让鲁米诺发光,这其中包括日常使用的次氯酸漂白剂。如果犯罪分子用漂白剂清洗过现场,就有可能干扰鲁米诺的使用。这两种发光情况略有不同,漂白剂导致的发光是快速闪现的,而血迹导致的发光是逐渐出现的。有经验的侦探通常能对二者做出区分,不过也不一定都能做到。
怎么办呢?可以采取几种办法,一种是让现场干燥几天,漂白剂的干扰作用就会消失,而血迹即使过了许多年,还能让鲁米诺发光。另外一种办法是使用某种能抑制次氯酸的干扰作用的化合物。很显然不能使用抗氧化剂,因为那会把血迹与鲁米诺的反应也抑制住了。人们针对次氯酸的化学结构,例如针对它含有的氯原子,找到了合适的抑制物。最保险的办法是在用鲁米诺发光法检测到疑似血迹的物质后,用别的方法确定那的确是血迹。人们发现,血迹在被鲁米诺处理过以后,它含有的遗传物质DNA并没有被破坏掉,还能从中提取出来做鉴定。这样就几乎万无一失了。
类似的原理也被应用于医学临床检测。体检时有一项常规检查叫做查“便潜血”,这指的是消化道出血量很少,夹杂在粪便中的红细胞又被消化分解掉了,无法用肉眼和显微镜发现出血状况。这时可用化学试剂进行检测。医生用滤纸沾一点患者粪便,然后滴上含有四甲基联苯胺和过氧化锶的试剂。过氧化锶会产生过氧化氢。如果粪便中含血红蛋白,血红蛋白中的铁就会把过氧化氢分解成单氧,无色的四甲基联苯胺与单氧反应后变成了蓝色。
在人体体内新陈代谢过程中也会产生过氧化氢。过多的过氧化氢会对身体产生损伤,会导致衰老、癌症等后果。体内过氧化氢会与血红蛋白反应,形成高铁血红蛋白,使血红蛋白不能再结合、运输氧气,导致缺氧。为避免出现这种情况,血液中有过氧化氢酶能随时把过氧化氢分解成水和氧。在过氧化氢酶的保护下,正常人体内高铁血红蛋白的含量只占血红蛋白总量的0.5%。有的人体内缺乏过氧化氢酶,其高铁血红蛋白可达30-40%,需要用维生素C、甲基蓝之类的还原性药物进行治疗。
过氧化氢在体内也能发挥有益的作用,例如白细胞中产生的过氧化氢能用于消灭入侵体内的细菌。国外有人据此鼓吹一种“生物氧化疗法”,往病人静脉注射过氧化氢,声称能够用于杀灭体内的病菌、病毒,治疗各种疑难杂症,包括癌症、艾滋病等等。事实上并没有证据表明这种疗法确实有效,反而很危险,过量的过氧化氢进入血液,会破坏红细胞,导致溶血、贫血,甚至死亡。
不过,过氧化氢的确可以用做药物。常用来处理伤口的双氧水的主要成分就是过氧化氢。血液中的过氧化氢酶将双氧水中的过氧化氢分解产生氧气,因此双氧水涂到伤口上后就会冒泡,这样就有助于清洗伤口。同时,过氧化氢也能破坏细菌的细胞膜从而杀死伤口上的细菌,其中一个原因,就是因为细菌和人体细胞不一样,它没有过氧化氢酶,没法分解过氧化氢来保护自己。
2007.1.14.
(《中国青年报》2007.1.17)
(XYS20070117)
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12
2006年
自从中国启动转基因水稻审批程序,转基因大米有可能上中国人的饭桌这一消息在2004年年底披露之后,转基因大米的安全性问题就引起了媒体的广泛关注。国内媒体几乎一边倒地质疑转基因大米的安全性,甚至怀疑这是某些转基因技术研究人员为了经济利益拿中国人民的健康做试验的一场阴谋。与之相比,《转基因水稻——中国惊雷》一文还是比较客观、准确的。但是该文称:“食用转基因大米会有什么后果,它对国家的生物多样性会带来什么影响,中国的研究人员和政府官员都知之甚少。只有未来才能告诉我们,中国把希望寄托在这种风险未知的食物上是否押对了宝。”这种说法是很草率的。而对据说“正在单枪匹马地致力于检验转基因食品的潜在危险”的国家环境保护总局南京环境科学研究所研究员薛达元所提出的反对意见,该文也没有给出相应的回应,让读者不免对转基因大米心存疑虑。本文将对薛研究员的反对意见做出回应,目的就是想消除读者这种不必要的担心。
薛研究员称,对中国转基因大米是否有毒性只进行了一项研究:一些小白鼠被用转Bt基因大米喂养了3个月。结果没有检测到任何不良反应。“但是,这些研究不足以让我们做出让十多亿老百姓每餐食用转基因大米的决定。”实际上,这项研究可以说是多余的。美国农业部并不要求对Bt蛋白作动物毒性试验。这是因为Bt毒蛋白是已知对人体最安全的天然杀虫剂之一。我们敢下这个结论,是因为我们对Bt毒蛋白的作用机理有了非常透彻的认识。
Bt毒蛋白虽然号称“毒蛋白”,其本身实际上对昆虫也是无毒的,要被昆虫吃进去以后,才在昆虫肠道中被蛋白酶加工成有毒性的蛋白毒素,与肠道细胞表面上的受体结合,造成昆虫肠道穿孔。昆虫因此不再进食,1-3天后就饿死了。
但是这种情况不可能发生在人身上。这有几方面的原因。我们在吃食物时一般是要加热、煮熟才吃的,Bt毒蛋白是一种蛋白质,蛋白质加热后会变性,实验表明,Bt毒蛋白在60摄氏度的水中煮一分钟就失去活性。即使是生吃也没有关系,Bt毒蛋白只有在昆虫肠道碱性环境下才能加工成有毒的蛋白,而人的胃环境是酸性的,并且人的肠道细胞表面不含有毒素蛋白的受体,因此不会中毒。被人吃下去的Bt毒蛋白,会像其他蛋白质一样被消化、分解掉。
美国使用Bt毒蛋白做为生物农药已有几十年的历史,大面积种植含Bt基因的抗虫害转基因作物也已有十来年的历史,迄今未发现一例人畜因吃这种作物中毒的。用老鼠和绵羊做的实验也表明吃Bt毒蛋白不会影响哺乳动物的身体健康。
薛研究员的另一个反对意见是:“转基因水稻的秧苗会和野生水稻的秧苗杂交,导致后者彻底灭绝。”理论上,种植杂交水稻或任何人工培育的水稻品种的秧苗同样会和野生水稻的秧苗杂交,导致后者彻底灭绝,那么我们是否也应该反对种植杂交水稻或任何人工培育的水稻品种呢?转基因水稻与其他人工培育的水稻品种的差别在于多了那么一、两个外源基因,与水稻基因组含有的数万个基因相比,是微不足道的。如果不担心人工培育的水稻品种的基因会“污染”野生水稻,为什么就特别在乎这一、两个外源基因呢?实际上,正是因为这一、两个外源基因的存在,使我们很容易对转基因水稻是否“污染”野生水稻进行检测、追踪,从而保护那些未受“污染”的野生水稻,相反地,要检测、追踪杂交水稻对野生水稻的“污染”,就很难了。
薛研究员还有一个反对意见,是昆虫将会对转基因作物产生抗性。这种情形几乎必然会出现,但是并不构成反对转基因作物的理由。正如细菌会对抗生素产生抗性并不成其为反对使用抗生素的理由。对此,我们需要考虑的是如何采取措施尽量避免或延缓昆虫抗性的存在。即使某个地区的昆虫对某种抗虫害转基因作物产生了抗性,也没有什么可怕的,并不意味着“转基因植物对农业的种种好处也将化为乌有”。它不过意味着那种抗虫害转基因作物已不适合在那个地区种植,需要研究、种植其他类型的抗虫害转基因作物了。
就像任何一门技术,转基因技术使用不当,也会出现问题,但是这些问题在其他传统育种技术中也都会存在,没有必要因此就特别害怕它。转基因技术其实仍是传统的育种方法的延伸,只不过比传统育种技术更为精确,更有目的性,更容易控制而已。转基因作物所面临的健康、环保问题,传统作物同样也有。由于采用了更精确的技术和受到更严格的管理,转基因作物和食品可能甚至比常规作物和食品更安全。
2006.11.8.
(载法国《新发现》(Science & Vie)中文版2006年12月)
(XYS20061222)
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