生物学的“上帝粒子”是什么?

作者 / 管理员 ·2016-11-23 生物学
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在生物学领域,很难有基础发现能引起足以媲美希格斯粒子的轰动效应是因为大多数生物学问题都不像寻找希格斯粒子那样,最终会有一个或是或否、极其确定的答案,也没有一个标志性的时刻来表明问题已经解决。

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生物学家苦苦思索:什么样的重大发现,能与物理学中的希格斯粒子相提并论呢?

撰文 海蒂·莱德福(Heidi Ledford)

翻译 赵旭丹

本文原载于《环球科学》。

生物学家或许没有理由嫉妒物理学家,因为通常说来,前者的经费更多,享有更多的商业利益以及更广泛的支持。然而在去年12月,物理学家着实让生物学家嫉妒了一把:经过一周的舆论造势和各种猜测之后,欧洲大型强子对撞机(LHC,位于瑞士日内瓦附近)的物理学家就希格斯粒子公开发表了一次演说,在全球范围内引起了极大的关注。

希格斯粒子,也就是俗称的“上帝粒子”,是用来解释亚原子粒子行为的标准模型所缺少的最后一块拼图。LHC的物理学家得到的结果,是迄今为止关于希格斯粒子存在的最有力的线索。为了寻找“上帝粒子”,物理学家已经努力了许多年,耗资数十亿美元。如果确认发现了“上帝粒子”,将是这项长期研究的一大胜利,也将对未来的研究产生至关重要的影响。因此,物理学家对LHC的结果非常关注。那天,美国哈佛大学的理论粒子物理学家丽莎·兰德尔(Lisa Randall)凌晨4点就起来和媒体交流,然后通过网络直播观看了LHC物理学家的演说。她说,“对于LHC的这次发现,早就流言四起,很多人都在谈论它的意义有多么重大,让人非常激动”。

那么在生物学领域,怎样的基础发现才会引起足以媲美希格斯粒子的轰动效应?就这个问题,《自然》杂志询问了许多生物学家,他们认为,在生物学领域,通过大规模国际合作来解决大问题的案例比比皆是,上世纪末的人类基因组计划就吸引了无数科学家。然而,大多数生物学问题都不像寻找希格斯粒子那样,最终会有一个或是或否、极其确定的答案。英国布洛德研究所的神经科学家史蒂文·海曼(Steven Hyman)说,“在生物学中,最重要的问题通常是比较散乱的,也没有一个标志性的时刻来表明问题已经解决”。

尽管如此,《自然》杂志的调查结果表明,生物学领域从来不缺少引人瞩目的重大问题。这些问题包括:生命从哪里出现、如何诞生,以及它为什么会结束。

外星生命是否存在

1964年,美国古生物学家乔治·盖洛德·辛普森(George Gaylord Simpson)撰文,尖锐地批评了太空生物学(exobiology,在其他行星上寻找生命的学科)。他写道:“这个所谓的‘科学’,首先得证明它的研究对象是存在的才行!”这一记重拳直接导致大批研究者退出太空生物学这一新兴领域。

但是,美国普林斯顿大学的行星科学家克里斯托弗·希巴(Christopher Chyba)认为,辛普森这样批评是不公平的。多年来,希巴一直认为,寻找希格斯粒子与寻找外星生命其实是一样的,因为科学家都不确定,他们寻找的对象是否存在。2005年,希巴撰文驳斥了辛普森:“我们怎么能对物理学的问题那么重视,而一到生物学的问题,却不以为然呢?”

美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心的天体生物学家克里斯·麦凯伊(Chris McKay)说,可以把寻找外星生命看作验证“生物学标准模型”的方法。“这是一个由DNA、氨基酸、蛋白质以及遗传密码组成的模型,这个模型描述了所有生物体的共性,也是我们所知道的生命的基本框架”。他还补充道,如果在其他星球上发现了与这一标准模型的架构完全不同的生命——或许是基于迥然不同的生物化学基础,那将表明,创造生命系统的方法不止一种。

还有些生物学家说,要产生希格斯粒子那样的轰动效应,并不需要在其他星球找到其他生命形式存在的证据。“只要在火星上发现和我们类似的生命,就足够令人兴奋了,”美国斯克里普斯研究所的生物化学家杰拉尔德·乔伊斯(Gerald Joyce)说,“接下来的问题是:它们最初从何而来?”

不过,LHC寻找希格斯粒子的研究人员,起码知道他们要寻找的是什么,而寻找其他生命形式的天体生物学家则面临着一个更大的逻辑挑战:他们首先要确定,什么样的线索是最有说服力的。通常与生命相关联的化学物质,比如甲烷和液态水,它们的痕迹有助于确定哪些行星需要重点关注,但仅靠大气中的这些线索来证实生命的存在,是不能令人信服的,希巴说。

麦凯伊认为,太阳系中有三个地方最可能存在生命:土卫二,这是一颗绕着土星旋转的冰冷卫星,根据NASA的“卡西尼号”探测器发回的信息,该星球上很可能存在液态水,并且其表面的裂缝中还在喷发着有机物质;火星,不过是“曾经的火星,而不是现在的火星”;还有木卫二,它冰封的表面下可能存在大量液态水。火星科学实验室(即“好奇号”火星车)计划于今年8月登陆这颗红色星球,它载有一台简单的质谱仪和激光光谱仪,可以用于检测甲烷,寻找生命的初步迹象。但这一太空之旅不大可能带来确切证据。

探寻外星生命的另一条路径,是寻找那些非常复杂、以至于在缺少酶的情况下无法通过简单化学合成而产生的有机分子。“假设你初次来到地球,并且采集了一些这里的物质,”麦凯伊说,“你会发现,这个星球上到处都是像叶绿素、DNA一样巨大而且复杂的分子,这完全不同于混合在一起的简单化学物质。”在其他星球上寻找复杂有机分子的工作,需要经过特殊处理和净化的设备,以保证不会携带地球污染物,而目前NASA前往火星或木卫二的计划中,还没有加入这样的设备。“我觉得,科学家会尽量避免使用这样的设备,”希巴说,“预算非常吃紧,但如果真的到了紧要关头,我们也不得不咬牙硬上。”

美国斯克里普斯海洋研究所的行星地球化学家杰弗里·巴达(Jeffrey Bada)说,在其他行星的岩石中寻找化石是另一种常见的思路。“这种方法确实很简单,但如果没找到化石,你能够确定那里从来没有过生命吗?”麦凯伊说,只有找到化石,或者生命存在的证据,才足以让人信服。“最后,你还是得找到生命体,”他说,“不必是活着的,但一定要有。”

地球上有外来生命吗

外星生命,以及希格斯粒子,可能就在我们身边。有人猜想,地球上存在一个“影子生物圈”(shadow biosphere),那里有大量从未被发现的生命,因为科学家完全不知道在哪里能看到这个生物圈。它所包含的生命,可能基于一种完全不同的生物化学原理,使用其他形式的氨基酸,甚至采用一种全新的、不依赖于DNA或蛋白质的存储、复制和执行遗传信息的机制。

美国应用分子进化基金会的化学家史蒂文·本纳(Steven Benner)说,这个观点听上去似乎很不靠谱,但其实并非如此。科学家以前就找到过影子生物圈。本纳说,显微镜的发明向人们展示了一个全新的世界,而古细菌的发现,也打开了通往另一个世界的窗户。“问题在于,这样的事情会再次发生吗?”

问题的关键在于,要确定寻找的目标以及方法。科学家通常利用DNA或RNA测序来寻找新的物种,但这种方法不可能找到那些不依赖于DNA或RNA的生命。

有些科学家推测,沙漠岩漆可能是影子生物圈的产物。这是一种特殊的深色物质,覆盖在许多沙漠岩石表面,其来源尚未探明。本纳建议,可以在常规生命无法存活的低谷或裂缝中寻找,例如温度极高、辐射极强或化学环境极为苛刻的地区。

美国劳伦斯·伯克利国家实验室的费立萨·伍尔夫-西蒙(Felisa Wolfe-Simon)和同事就采用这种思路,在莫诺湖(位于美国加利福尼亚州)富含砷的环境中寻找生命。2010年底,他们宣布发现了一种新的生命形式,可以用砷代替DNA和蛋白质中的磷——这似乎是一种与常规生命完全不同的生命形式,但后来,科学家至少尝试过一次,希望在实验中重现这个发现,但以失败告终。

另一种方法是基于生命体的大小来寻找。本纳说,如果细胞的存在不依赖于大量的核酸和蛋白质,它们就可以变得更小,或许能小到在仅有纳米级大小的岩石孔洞中生存。这正是美国犹他大学的分子遗传学家约翰·阿特金斯(John Atkins)的思路,他正在同英国自然历史博物馆的理查德·赫林顿(Richard Herrington)一起,沿着这个方向努力。他们打算研究不同年代和来源的岩石,搜寻岩石上直径小于100纳米的孔洞,并对洞中的物质进行测序。通过分析基因序列,筛选出不含核糖体(合成蛋白质的细胞器)蛋白编码片段的核酸序列,他们希望能找到源于RNA、不含蛋白质的生命形式,它们的起源或许与现有生命相同,但沿着一条完全不同的路径进化。“从地质学上讲,RNA世界的产生应该是相当迅速的,”阿特金斯说,“因此它有可能出现过许多次,难道不是吗?”

生命如何起源

即使科学家一时找不到其他生命形式,如果能弄清楚我们熟悉的地球生命如何出现,依然会成为生物学中的重要突破。

乔伊斯说,总有一天,科学家会知道如何从零开始,创造一个可以进化和复制的系统。他告诫说,这一目标的达成不会像寻找希格斯粒子一样,成为一项“声势浩大、跨越终点线的科学运动”,但它将会回答一个关键性的生物学问题:生命是如何从原始汤中产生的?而这将揭示地球生命的起源。美国波士顿大学的合成生物学家詹姆斯·柯林斯(James Collins)说,“我们永远不可能确切地知道地球生命如何起源,但至少可以验证那些看似合理的假设”。

多个实验室都已经取得了进展。乔伊斯等人首先提出RNA世界的概念,他们认为,能编码信息并催化化学反应的RNA分子,其复制与进化的速度比降解更快。众所周知,RNA是不稳定的,随着时间的推移,RNA系统逐渐被DNA和蛋白质系统取代,因为DNA存储信息更可靠,而蛋白质的催化剂功能更全面。巴达说,“向DNA和蛋白质的转变,使得进化出更复杂的生命成为可能”。

2009年,乔伊斯实验室发表的一篇论文报道说,他们构建的一个RNA系统可以自主完成达尔文式的进化过程。不过,乔伊斯说,这个系统还是需要酶和人工干预,创造出RNA序列后,才能启动整个反应。直到现在,他们都没有找到可以让这个系统自发启动的条件。“我们还面临着一些挑战,”乔伊斯说,“不过,这个系统的运转变得越来越高效了。”

美国哈佛大学医学院的杰克· 绍斯塔克(Jack Szostak)和同事采用另一种方法来创造原始细胞。他们首先把RNA包裹在脂质囊泡中,囊泡会自动生长并分裂,但包裹在其中的遗传物质却因缺少酶而无法复制。

有些人认为,RNA可能还有一个前体。斯克里普斯研究所的拉玛那拉叶南·克里希纳穆提(Ramanarayanan Krishnamurthy)正在检测一些新型的、可能形成于原始时代的有机聚合物,希望从中找到能够复制和进化的物质。“RNA绝不是最早的生命物质,”巴达说,“它太复杂了。在RNA之前,一定还有其他形式的生命物质,而那正是我们目前的兴趣所在。”

我们能否延长生命

英国爱丁堡大学两位研究衰老的科学家琳达·帕特里奇(Linda Partridge)和尼古拉斯·巴顿(Nicholas Barton)在1993年的一篇综述中,向老年医学(gerontology)领域传递了一条“不幸的信息”:影响衰老的生物学网络非常复杂,这意味着“改造几个基因,或者干预几个生理学信号通路,不大可能阻止衰老的发生”。

实际上,情况已经发生了改变。美国密歇根大学的理查德·米勒(Richard Miller)说,“20年前,我可以忍受他们的说法,但是现在还这么说可就错了。”

大约在帕特里奇和巴顿发表他们的综述8个月后,美国加利福尼亚大学旧金山分校的辛西娅·凯尼恩(Cynthia Kenyon)和同事研究发现,单一基因的突变会使秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的寿命延长一倍。3年后,美国南伊利诺伊大学的安杰伊·巴特科(Andrzej Bartke)领导的团队发现,携带单一基因突变(导致激素缺陷)的小鼠,其寿命比未携带该突变的小鼠长68%。

这两篇论文以及此后的一系列研究都表明,显著减缓人类的衰老以及衰老相关疾病的发生是有可能的。这样的干预将对人类社会带来巨大影响:延长健康人的寿命,提高生产力,但同时,人类社会也不得不赡养更多的老年人,承受新的负担。从科学上讲,要想减缓衰老进程,需要解决一些足以和希格斯粒子相提并论的、与生命相关的根本性问题:我们为什么会衰老,控制衰老的通路是什么?如果关闭这些通路,会带来什么样的后果?

有证据表明,通过人工干预来延缓衰老是有可能的。2010年,米勒和同事指出,让小鼠服用雷帕霉素,就可以使雄性小鼠的寿命延长10%,雌性小鼠的寿命延长18%。而如果让小鼠或其他哺乳动物摄取的热量减少25%~40%,也可以延长它们的寿命。但没有证据表明,这样的方法对人类也有效,而且即使有效,也很难用于实践:雷帕霉素会抑制人体免疫系统,而且很少有人能忍受严格的饮食限制。

对这个领域来说,最大的挑战是如何证明一种药物能有效地延长生命——对人类而言,这需要60年甚至更久的时间。美国伊利诺伊大学的杰·奥申斯基(Jay Olshansky)说,应当设定一个明确的目标:使衰老相关疾病的发作和恶化延迟7年。“如果你研究过衰老相关疾病的风险,你就会发现,随着年龄的增长,每过7年,这一风险就会翻番,”他说,“如果你能使衰老相关疾病的发作和恶化延迟7年,就能将所有相关的风险减半。那意义将是十分重大的。”

米勒的目标与此不同,“我们要找到一种物质,让狗食用后,可以使它们的寿命延长15%~20%”。狗的寿命介于小鼠和人之间,被认为是长寿物种,并且与人类共同生活,米勒认为,对于衰老研究来说,狗是最理想的实验动物。

但是,衰老是一个非常复杂的生物过程,在这一点上,帕特里奇和巴顿并没有错。多数研究者认为,对于调控衰老以及衰老相关疾病的分子网络,现在的研究仅仅触及皮毛。“我不认为衰老的原因只有一个,”巴克衰老研究所负责人布莱恩·肯尼迪(Brian Kennedy)说,“但是,有些信号通路能够同时调控多个方面,其中可能就包括衰老。我认为,我们正在研究的许多基因和药物,与这样的信号通路有关。”

目前看来,比起确认希格斯粒子是否存在,延长生命的方法似乎更遥不可及。今年3月,研究人员宣布,在万亿电子伏加速器(Tevatron,美国费米实验室的粒子对撞机)中观测到一次对撞,与LHC的结果一致。这让物理学家更加激动地坚信,他们已经站在发现希格斯粒子的门口。

但是,“衰老研究的现状与希格斯粒子的情况相比,几乎完全相反,”英国纽卡斯尔大学的汤姆斯·克伍德(Thomas Kirkwood)说,“所有相关发现都告诉我们,要找到单一性的导致衰老的原因,几乎是不可能的。”

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