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被忽视的生物学气体----氢气

被忽视的生物学气体

2016-03-31 氢思语

在生命进化过程中,气体的作用地位非常关键。水是生命的载体,气体是生命的最基本材料和信息交换载体。在生物体系中,气体无处不在,功能十分重要。但现代生物学只注意到最重要气体的基本生理功能,但往往忽略作为内环境条件的气体作用价值。最近生物学领域尽管对一些具有信号调节作用气体如一氧化氮、一氧化碳和硫化氢的重要生物调节作用有了比较全面的了解。但对分布更广泛,更有普遍价值的气体仍没有意识到他们的存在。

潜水医学早就发现,氮气具有麻醉作用,只要提高空气的压力到4倍,大多数人都会发生明显的剂量依赖性麻醉效应,这一现象从反面说明氮气绝对不是一种真正的生物惰性气体,生物体系必然是在一种可影响我们功能的气体环境中运行。这类似于水的功能,缺乏和过多都可以表现出异常能推测出水的重要性,但我们对水在各种代谢过程中的关键作用并不非常了解。我们很难详细说出在基本的能量代谢中,水具有什么作用。我们了解渗透压的重要性,但我们往往忽视水是渗透压的根本介质,这就类似我们在研究声音的传递过程中往往只关注频率,忘记作为介质的空气的作用一样。气体在生物体系中的重要性也是被忽略的现象。

细胞是在开放体系中生存,维持环境稳定是细胞生存必然的最重要的职责。例如一个细胞需要一定的氧气供应,当细胞面对缺氧环境刺激时,细胞或其周围辅助细胞必须作出反应,这种反应可以是促进血管扩张的急性效应,可以是促进血管增生的慢性效应,也可以是产生耐受缺氧的无氧代谢模式的转换,可以是诱导细胞自杀的维护团体利益的高尚行为。无论如何,维持环境平衡是一切细胞肩负的重要职责。

环境因素中,比较重要的包括,温度平衡、氧气的浓度、二氧化碳的浓度、酸缄度平衡、惰性气体的浓度、渗透压平衡、离子浓度和梯度平衡、氧化还原平衡等等。这些平衡只要有一种和多种发生暂时和持续的失衡,必然导致细胞和组织产生维持和纠正平衡的努力或抗挣。

物理化学解释生物学现象是还原论的观点,也是目前被广泛接受的看法,但生物学绝对不是简单的物理化学,可以看成是复杂条件下的物理化学,甚至是传统物理化学所从没有遇见过的复杂状态。牛顿在研究天体运行规律时,把地球简化成一个质点,利用力学和万有引力定律能解释地球围绕太阳旋转的客观行为。但地球绝对不是一个点,地球本身有质量,也有相对巨大的体积,更有无法忽视的围绕地球旋转的月球。对生命体来说,物理和化学的简化难以避免地会发生巨大误差,生物学研究的重点不仅是利用经典物理和化学的原理,必须发展出符合生物学特征的特殊物理化学规范。例如,空气中的氮在许多酸硷化学反应中可以完全被忽视,氧气也可以被视而不见。但是在分析物质燃烧的化学反应中,空气中的氧气浓度就成为非常巨大的影响因素,而且是重要的参与角色参与其中。生物化学反应中,我们非常重视氧气的地位,二氧化碳的作用,但我们并不考虑氮的作用价值。最近,关于气体通道的研究将气体进入和离开细胞的古老看法完全颠覆。

细胞气体通道的发现是一种理解气体在体内作用的一种途径。过去的观点认为,氧气、二氧化碳和氮气等简单非极性气体,进入和离开细胞时,没有丝毫屏障,原因是细胞膜对这些物质没有任何阻挡作用。这一流行观点统治生物学领域100多年,甚至目前的经典教科书仍是这样描述细胞膜的性质。最近的研究发现,这一描述是完全错误的,这些气体进入和离开细胞所以没有表现出屏障性,并不是细胞膜本身性质决定的,而是由于细胞膜上存在许多可以扩散气体的气体通道。气体仍是自由扩散,但方式不是任何部位,而是通过特殊的通道。这样的改变表面上似乎不影响我们对许多生命现象的认识,但我们可以根据这些特征进行预测和回顾。许多情况下,如果这些通道发生异常,细胞对这些气体的扩散能力或潜力受到影响,可能会对这些细胞的功能产生巨大的干扰甚至破坏。另外可以解释一些奇怪现象,例如在潜水医学中,我们曾经遇到过氦气呼吸时的逆向扩散过饱和。当时该领域遇到的问题是,当细胞膜两侧不同扩散能力的气体浓度发生改变时。正常情况下,氮气在体内达到平衡,如果换用具有不同扩散能力的气体,如氦气,由于氦气比氮气的扩散能力强,氦更容易扩散而占领高浓度的氮的领域,积累的结果是导致局部出现气体过饱和现象,由于这种过饱和是在压力平衡情况下,因为不同气体成分的扩散能力导致的局部过饱和,我们称这种现象为等压气体逆向扩散过饱和。其实我们可以对这一解释提出质疑,氮的脂溶性大于氦气,根据经典的细胞膜扩散定律,细胞膜对氮气的阻断作用小于氦气,但实际情况却是氦气更容易在细胞之间扩散,原来的解释是后者分子体积比较小,但这并不符合细胞膜更容易扩散脂溶性物质的经典特性。而利用气体通道来解释这个现象就非常容易了,由于气体通道对气体扩散的限制和气体分子的大小和空间形状有关,两原子氮气气体分子肯定远远不如单原子氦气分子更容易经过气体通道的扩散。进一步联想,一些惰性气体的奇怪现象,例如呼吸氦、氩、氙气都发现一些生物学效应可以作一些解释。

写出本文是希望从事细胞生物学研究的同行引起对更基本生命现象的关注和探讨。



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