生命八卦:行走在人体迷宫

一觉醒来，火星到了 2006年3月，美国航空航天局（NASA）发射的一颗探测卫星终于进入了火星轨道，即将开始为期四年的科学考察。这颗探测卫星是2005年8月份就发射了的，假如这是载人飞行的话，为期半年的长途旅行要耗费大量的食物和水，目前没有任何火箭能够产生足够的推力把这些给养送到遥远的火星上去。怎么解决这个难题呢？有一个办法十分诱人，那就是让宇航员们冬眠。
其实，冬眠这一招很早就被科幻小说家想出来了，不少以星际旅行为主题的电影里都出现过类似情景。不过宇航界一直没有下大力气去研究，毕竟人类目前的技术手段*多只能把宇航员送到月球这样的近距离目标，犯不上冒那么大的风险。但是按照NASA*近提出的火星计划，需要一次送六名宇航员去火星，单程就需耗时六个月，先不说食品、氧气和水的供应问题，光是解决这些宇航员因长期封闭所产生的心理问题，就足够NASA忙活的。于是，这个冬眠计划终于被提到议事日程上来了。
其实，早在2004 年，欧洲宇航局就公布了一项研究成果，提出一种名叫DADLE 的类似鸦片的化学物质能够诱发松鼠进入冬眠期。但是这项实验从理论上讲并没有太大的突破，因为松鼠本来就会冬眠，科学家对一些已经失去冬眠能力的哺乳动物更感兴趣。
2005 年， 美国西雅图一家癌症研究所的科学家马克·罗斯终于做到了这一点。他领导的科研小组成功地诱导大鼠进入了冬眠期，而且所用的诱导剂也是一种哺乳动物自身就能产生的化学物质：硫化氢（H2S）。稍微有点生化常识的人都知道，硫化氢是一种有毒气体，普遍存在于下水道和石化工厂的“酸性气田”中。它能够和细胞色素C 氧化酶结合，而这种对新陈代谢很重要的蛋白质通常都是结合氧气的，于是硫化氢剥夺了细胞利用氧气的能力，这一原理非常类似于一氧化碳（煤气）中毒。
那么，这种毒气怎么会诱导冬眠的呢？事情还得从一种线虫说起。罗斯的研究小组发现，绝对无氧的环境可以诱发线虫进入冬眠状态，再恢复供氧后也不会对线虫造成损伤。但是，微量的氧气（0.01% ～ 0.2%）却会让发育中的线虫试图继续发育的过程，结果则是致命的。这种低氧环境非常类似于人类的缺血状态，因为即使把人放在完全没有氧气的屋子里，人血液中剩余的氧气也将使人体组织无法达到完全无氧的状态。因此，低氧状态下线虫的死亡和人类在缺氧状态下的死亡是很类似的。
那么，怎样才能使人体组织处于完全缺氧的状态呢？美国匹兹堡大学的科学家曾经做过一个有名的实验，他们先通过诱导的办法让实验狗心脏停搏，然后用低温生理盐水为这些狗施行换血，生理盐水携带氧气的能力比血液低很多，因此狗组织中的含氧量被显著地降低了。这些狗丧失了意识，不再有呼吸和心跳。然后科学家再用输血的办法使狗苏醒，这些狗没有一只表现出任何损伤。很显然，完全无氧状态能够诱导像狗这样的高等动物进入冬眠状态。
但换血这个办法太过麻烦，危险性也大。有没有更好的办法呢？有，那就是使用氧气的竞争剂。大部分这类竞争剂都是有毒的，因为它们会妨碍细胞利用氧气产生能量的过程。一氧化碳就是这样一种知名度很高的竞争剂，但是它结合血红细胞的能力太过强大，因此罗斯他们只好尝试使用其他的氧类似物。硫化氢属于常见的工业毒气，有关它的资料和数据十分详细，因此它被选中了。
罗斯把大鼠暴露于高达80%的硫化氢气体中，结果大鼠的体温很快下降，*后稳定在比环境温度高2℃的地方。它们的二氧化碳排放量显著降低，*终可降低10倍，显示它们的新陈代谢速率降到了正常大鼠的1/10。这些大鼠均停止了活动，表现出意识丧失的状态。换句话说，原本不会冬眠的大鼠被硫化氢诱导进入了冬眠期。
那么，这种冬眠状态是被动诱导出来的，还是大鼠体内本身就有的一种应急功能呢？罗斯认为是后者。他在论文中指出，地球上的早期生命所处的环境和现在很不一样，那个时候地球上只有硫化氢，生物只能利用硫化氢来产生能量。随着氧气量的增加，生物逐渐进化出了氧代谢，但是仍然保留了硫代谢的机制。事实上，氧代谢和硫代谢从机理上看十分相似，至今人体还会自发产生硫化氢，只不过此时的硫化氢所扮演的角色发生了转变，变成了氧代谢的拮抗剂。当细胞缺氧或者用氧过度时便会自发产生硫化氢，通过和氧气竞争来减缓氧代谢的速率。也就是说硫化氢的这种平衡功能其实是细胞固有程序的一部分。
这个例子再次说明，从进化的角度看问题是一种很有用的思维方式，很多看似奇怪的生命过程都可以从进化中找到答案。
这项实验意义重大，也许在不远的将来，我们将能够读到下面的报道：铃铃铃……闹钟响了。宇航员一觉醒来，火星到了。