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维生素的“前世今生”

    1602年,在一个正沿着墨西哥的太平洋岸线航行的西班牙船队中,船员们接二连三地患上了不治之症!笆紫瘸鱿值闹⒆词侨硖弁,这使得病人对普通的触摸也十分敏感,”探险队的神父安东尼奥·德拉·阿森西翁(Antonio dela Ascensión)写道:“紫色的斑点开始遍布病人全身,在腰部以下尤其严重;然后,病人出现牙龈肿胀,以致牙齿无法咬合,只能进食流质;最后,病人们常常正说着话就突然死亡了。


    这些船员们患的是坏血病。对于当时的人们而言,这种疾病既熟悉得令人心痛,又扑朔迷离。没有人知道它为什么会忽然降临在水手身上,也没有人知道要如何才能治愈它。但是,在1602年的这次航行中,阿森西翁目睹了奇迹的发生。当船员们上岸埋葬死者时,一名患病的水手随手摘了颗仙人掌果吃。他渐渐感觉好多了,于是他的船员同伴们也纷纷效仿。


   “他们全都开始食用这种果实,并把它们带回船上,这样又过了两个星期,所有人都康复如初,”神父写道。


    在接下来的两个世纪中,人们逐渐明白,坏血病是由于在长途航行中缺乏水果和蔬菜造成的。18世纪末期,英国海军开始向其舰队供应数以百万计加仑的柠檬汁,以消除坏血病。但直到1928年,匈牙利生物化学家艾伯特·圣乔其(Albert Szent-Gyorgyi)才真正发现了果蔬中可治愈坏血病的成分:维生素C。


20世纪早期,科学界曾掀起一阵旨在揭开维生素神秘面纱的研究浪潮,圣乔其的实验就是其中之一?蒲Ъ颐欠⑾至13种人体必需,但需求量极为微小的有机分子,这就是维生素。缺乏其中任何一种都会导致不同的疾病——缺乏维生素A可造成失明,缺乏维生素B12会严重贫血,缺乏维生素D可引起佝偻病。


    今天,为了深入认识维生素,人们进行了大量研究,但其中大部分都集中于保持人体健康所需的各种维生素的数量之上?墒钦庑┕ぷ鞑⒚挥薪饩鲎罡镜奈侍猓何裁次颐侨绱艘览嫡庑┨囟ǖ男》肿?


近期的研究为此提供了新的答案。研究显示,从大约40亿年前地球上诞生了最早的生命形式起,维生素就已经对生命不可或缺。早期的生命形式可以自己制造维生素,只是有些物种——包括我们——后来失去了这种能力;诓啬芰Φ牟钜,不同的物种开始互相依赖,从而产生了一种复杂的分子流动,科学家们将其命名为“维生素转运”(vitamin traffic)。


广泛存在的化学反应

所有的维生素都是我们自己或其他物种的活细胞产生的。例如,当阳光照射在我们皮肤中的一种胆固醇前体时可以产生维生素D;柠檬树可以从葡萄糖生成维生素C。通常,维生素的生产是一项庞大而繁复精妙的过程。在某些物种中,制造一个维生素B12分子需要22种不同的蛋白质。


虽然要成千上万的原子才能构建出一个蛋白质,维生素中却可能只含有几十个原子。尽管个头微小,它们却大大丰富了我们体内化学反应的种类。维生素可与蛋白质合作,帮助它们进行原本它们自己无法完成的反应。例如,维生素B1可协助蛋白质从分子中释放二氧化碳。


维生素不仅在我们体内承担这些化学反应,在所有生物中也同样如此!按酉妇、真菌、植物到人类——所有的生物体都需要它们,”特拉华大学(University of Delaware)的生物化学家哈罗德·B·怀特三世(Harold B. White III)指出。


这种化学反应的广泛存在很可能是自然演化的结果?蒲Ъ颐瞧毡槿贤,当今地球上的生命是由40亿年前化学结构更为简单的生命形式演化而来。这些原始生物依赖于DNA的单链变体(即RNA)生存繁衍——那时候,RNA担负着双重职责:携带基因(即今天DNA的工作)和催化化学反应(现在蛋白质的功能)。


怀特博士是对这一原始的“RNA世界”展开认真思索的首批科学家之一。1975年,他提出,维生素可协助RNA分子进行化学反应。虽然到了今天,这些反应已由蛋白质接手,但它们所依赖的维生素并没有改变!拔颐窍衷谝丫氩豢橇,”他说。


当怀特博士提出上述理论时,其他的科学家们对此持怀疑态度!叭嗣俏饰遥骸阋绾渭觳庹庖焕砺?’”他回忆道!拔一卮穑骸也荒!笔,我想不出有任何方法能够完成这项工作!


直到近40年后,技术的发展终于赶上了理论的需求。2007年,西蒙·菲莎大学(Simon Fraser University,位于加拿大不列颠哥伦比亚。┑纳锘Ъ业吓丝硕ど(Dipankar Sen)开始着手检测怀特博士的理论。


    经过六年的试验和改进,森博士和研究生保罗·塞纳克(Paul Cernak)发现,有一种RNA分子可以利用维生素B1从另一种分子中释放二氧化碳——与今天蛋白质利用维生素B1的方式相同,这就印证了怀特博士的预测。塞纳克博士和森博士在《自然:化学》(Nature Chemistry)杂志上描述了他们的实验。


我们丢失的能力

在演化出制造维生素的能力后,有一些物种就显得对此格外擅长。例如,植物演变成了生产维生素C的工厂,它们的叶片和果实中都富含这种分子。起初,维生素C的作用可能是;ぶ参锩馐苡さ男财取谄渌镏,包括我们人类体内,至今它仍然执行着这一功能。但随着时间的推移,植物中的维生素承担了帮助控制果实发育等新的工作。


植物花了亿万年的时间才将自己转变为维生素C的专业制造商,但维生素的生产也可能在较短的时间内就发生变化。我们自己的祖先只需要数千年就改变了他们生产维生素D的能力。当年,人类离开非洲赤道地区向高纬度地区扩散,太阳在天空中的位置也随之降低,提供的紫外线也有所减少。欧洲人和亚洲人演化出了浅色的皮肤,从而维持了维生素D的正常供应。


除了维生素D和维生素K之外,我们人类无法生产其他任何维持健康所必需的维生素。对于其中的一些,我们的祖先原本可以制造,后来却丧失了这种能力。例如,1亿年前,始祖哺乳动物就从来没有受到过坏血病的困扰,因为他们可以自己制造维生素C。


许多脊椎动物都可以制造维生素C,且它们使用的是同一套基因!拔颐怯Ω靡苍涤姓庖荒芰,因为我们也具备所有这些基因,”法国国家农业研究院(French National Institute for Agricultural Research)的丽贝卡·史蒂文斯(Rebecca Stevens)说。


    然而,不同于青蛙或袋鼠,我们在其中一个基因——GULO中发生了重大突变。由于无法产生GULO蛋白,我们就不能制造维生素C。


“这种突变不仅限于我们——实际上,它可以追溯至很久很久以前,”渥太华大学的分子演化生物学家盖伊·德劳因(Guy Drouin)说。他和其他研究人员发现,在与我们亲缘最近的灵长类——猿和猴的基因组中也存在许多与我们相同的基因突变,导致它们的GULO基因也失活了。德劳因博士得出结论:我们与其他灵长类动物的共同祖先在约6000万年前失去了制造维生素C的能力。


我们并非特例

然而,灵长类并非唯一GULO基因受到损伤的动物,最初科学家们能够发现维生素C就是因为这个原因。圣乔其博士的突破性进展归功于他发现:与其他啮齿类动物不同,豚鼠可能发生坏血病。研究显示,由于豚鼠的GULO基因中存在与我们不同的另一组突变,导致了该基因的失活。


就像在灵长类动物和豚鼠中一样,在其他几个动物谱系(如蝙蝠和鸣禽)中,GULO基因也出现失活?蒲Ъ颐欠⑾,在将富含维生素C的食物纳入食谱后,动物很容易失去自己制造维生素C的能力。例如,我们的灵长类动物祖先开始摄取水果,而水果中提供的维生素C远远超过了他们的需求量。


8月,《遗传学趋势》(Trends in Genetics)杂志上刊登了一篇关于产维生素能力衰退的综述!笆ヒ桓隽钅阄薹ǘ懒⑸娴幕蛩坪跸嗟蔽ケ吵J,”该综述的共同作者、剑桥大学(University of Cambridge)的凯瑟琳·E·赫利韦尔(Katherine E. Helliwell)说!暗绻愠て谏钤诟缓梦氐幕肪持,你确实就不怎么需要使用这个基因!


随着科学家们对数千个物种的基因组进行了扫描,他们发现了更多维生素基因衰退或完全消失的案例。南加州大学的塞尔赫·萨努多威廉米(Sergio Sanudo-Wilhelmy)及其同事最近调查了海洋中最丰富的400种细菌的基因组。他们在即将发表于《海洋科学年评》(Annual Review of Marine Science)上的一篇论文中报告,这些细菌中有24%缺乏制造维生素B1的基因,63%无法制造维生素B12。


这些近期的研究格外出人意料,因为长期以来,人们一直以为细菌是维生素自给自足的物种。现在,科学家们需要弄清楚的是:为什么海洋中的众多细菌物种并没有因为“微生物坏血病”而死亡。


“或许有什么东西在为整个生物群落生产维生素,但我们不知道这些无名英雄姓甚名谁,”萨努多威廉米博士说。


直到最近,科学家们才实现了海洋中维生素的测定。他们发现,有些区域中维生素含量非常丰富,而其他区域则是“维生素荒漠”。很可能,这一差异不仅影响到细菌和藻类,还波及了以这两者为食的动物。


在海洋中和陆地上,维生素均沿着复杂的路径流转。例如,我们人类无法制造自己所需的维生素B12,因此需要从食物中摄取它们。其中一种方式是食用牛肉等含维生素B12的肉类。而研究表明,我们食用的奶牛和其他动物也不是在自己的细胞里生产维生素B12。相反,是它们的肠道细菌在为它们服务。


我们体内也居住着成千上万种细菌,它们也可以利用我们摄取的食物合成维生素。这是否意味着我们可以依赖于内部的维生素转运?“一切还只是理论推测,”爱尔兰科克大学(University College Cork)的微生物学家杜威·范辛德伦(Douwe van Sinderen)说!暗,已经有越来越多的证据表明,细菌可以提供我们必需的某些维生素!


    如果是这样的话,我们或许应将自己的身体也视为维生素自给自足的海洋——40亿年来在地球上始终循环不息的维生素转运在我们体内得到了延续。

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