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細胞里與氧氣有關的那雙“手”-鄭州小程序開發

夢之網科技?2019-10-08?文章動態?

今天,2019年諾貝爾生理學或醫學獎頒給了來自美國的小威廉·凱林教授(William G. Kaelin, Jr.)、格雷格·西門扎教授(Gregg L. Semenza),以及來自英國的彼得·拉特克利夫爵士(Sir Peter J. Ratcliffe),以表彰這三位科學家在細胞低氧感知與適應研究上所做出的突出貢獻。

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2019諾貝爾生理學或醫學獎“官宣”圖(圖片來源:https://www.nobelprize.org)

我們平常會缺氧嗎?細胞為什么要有低氧感知的能力?細胞感知到低氧之后又會做出哪些響應動作?這與我們的生活有著怎樣的聯系?

要回答這些問題,咱們不妨從最近熱映的一部電影說起。

比食物和水更重要的 是氧氣

今年國慶假期,幾部國產大片成為人們去電影院的首選。其中之一便是《攀登者》,講述了我們中國登山隊員克服重重困難,在六十年代和七十年代兩次登頂珠穆朗瑪峰的感人故事。大自然帶給他們的挑戰主要來自三方面:狂風、寒冷、低氧。

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懷抱氧氣罐的“攀登者”(圖片來源:微博@費啟鳴)

我也去電影院看了這部電影,對其中低氧的問題感觸很深。每當登山隊員們到達珠峰上的某個地標,大銀幕上就會給出此處的風速、溫度,以及氧含量。在珠峰上,氧氣含量只有9%左右,不及平原水平(20.8%)的一半。處在這種低氧環境中的感覺,大概就像是平常不跑步的人剛剛跑了幾公里之后的感覺差不多——無論你怎么使勁喘氣,都覺得自己喘不上氣來。此時,你身體里的每一個細胞都在吶喊:“我缺氧!!!”

我們的身體可以十幾天不吃飯,也可以幾天不喝水,卻一分鐘也離不開氧氣。對于大多數人來講,這是司空見慣的常識,無須解釋。

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對身處太空的宇航員來說,“愛的供氧”一刻都不能停止(圖片來源:維基百科)

可究竟為什么氧氣如此不可或缺呢?答案在于:我們需要氧氣來完成食物的“燃燒”。

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有氧呼吸的過程可以簡單歸納如上,但實際上的過程更為復雜(圖片來源:維基百科)

當然,你的任何一個細胞里也沒有正在燃燒的小火苗。但其實,食物中的能量物質正是通過與氧氣完成的氧化反應才得以釋放能量的。從化學上來講,這跟一塊木頭的燃燒可以說是一碼事情,主要的區別在于:可見的燃燒是個劇烈的氧化過程,而細胞里的“燃燒”是個受控的緩慢氧化過程。

無論是能量物質還是水,我們的身體里都有不少儲備。唯獨氧氣,我們是幾乎沒有“余糧”的——事實上,地球上的所有生物都沒有額外單獨存儲氧氣的能力。

為什么會這樣?這是個很難回答,更難以求證的問題。但一個可能的解釋在于:氧氣比水和食物都更容易獲得。既然你一張嘴就能得到它,何必要進化出一個氧氣罐來呢?

但是,也恰恰是氧氣這種張嘴可得的特性,把細胞給慣壞了。它們都習慣了正常生活環境中的供氧水平,一旦遭遇“低氧”的特情,細胞們就要開始抗議了。不過,我們的身體也有各種手段來解決低氧的麻煩。

由氧氣催生的興奮劑

我們最常遭遇的缺氧,顯然不是登上高原時才會遇到的那種情況,而是在你劇烈運動之后所面臨的問題。對于這種臨時性的缺氧,我們的身體也有臨時性的解決方案,以求迅速解決問題。

首先就是我們大家都能感受到的心跳加速,通過更快的呼吸和更快的心跳,提高供氧速率。另外,我們血液中的紅細胞也會合成一些特殊的小分子物質,它們能夠結合到血紅蛋白上,提升血紅蛋白輸送氧氣的效率。

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最左側的血細胞是紅細胞,它的出現是脊椎動物進化過程中的重要一步(圖片來源:維基百科)

不過,臨時手段也有臨時手段的問題,肯定不能長期采用。所以當你身處高原環境,每一個細胞都長時間缺氧時,你的身體就要另謀他策了。

最先被科學家們觀察到的現象是,我們體內的紅細胞數量會大大增加,以此提高運送氧氣的能力。簡單來說,一個車隊的卡車多了,運力自然就提高了。其實,增加卡車數量是個很好的策略,像鯨豚類水生哺乳動物,因為不能利用水中的氧氣,也只能通過提高血紅蛋白和肌紅蛋白的數量來加大攜氧量。

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