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细胞里与氧气有关的那双“手”-郑州小程序开发

梦之网科技2019-10-08文章动态

今天,2019年诺贝尔生理学或医学奖颁给了来自美国的小威廉·凯林教授(William G. Kaelin, Jr.)、格雷格·西门扎教授(Gregg L. Semenza),以及来自英国的彼得·拉特克利夫爵士(Sir Peter J. Ratcliffe),以表彰这三位科学家在细胞低氧感知与适应研究上所做出的突出贡献。

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2019诺贝尔生理学或医学奖“官宣”图(图片来源:https://www.nobelprize.org)

我们平常会缺氧吗?细胞为什么要有低氧感知的能力?细胞感知到低氧之后又会做出哪些响应动作?这与我们的生活有着怎样的联系?

要回答这些问题,咱们不妨从最近热映的一部电影说起。

比食物和水更重要的 是氧气

今年国庆假期,几部国产大片成为人们去电影院的首选。其中之一便是《攀登者》,讲述了我们中国登山队员克服重重困难,在六十年代和七十年代两次登顶珠穆朗玛峰的感人故事。大自然带给他们的挑战主要来自三方面:狂风、寒冷、低氧。

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怀抱氧气罐的“攀登者”(图片来源:微博@费启鸣)

我也去电影院看了这部电影,对其中低氧的问题感触很深。每当登山队员们到达珠峰上的某个地标,大银幕上就会给出此处的风速、温度,以及氧含量。在珠峰上,氧气含量只有9%左右,不及平原水平(20.8%)的一半。处在这种低氧环境中的感觉,大概就像是平常不跑步的人刚刚跑了几公里之后的感觉差不多——无论你怎么使劲喘气,都觉得自己喘不上气来。此时,你身体里的每一个细胞都在呐喊:“我缺氧!!!”

我们的身体可以十几天不吃饭,也可以几天不喝水,却一分钟也离不开氧气。对于大多数人来讲,这是司空见惯的常识,无须解释。

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对身处太空的宇航员来说,“爱的供氧”一刻都不能停止(图片来源:维基百科)

可究竟为什么氧气如此不可或缺呢?答案在于:我们需要氧气来完成食物的“燃烧”。

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有氧呼吸的过程可以简单归纳如上,但实际上的过程更为复杂(图片来源:维基百科)

当然,你的任何一个细胞里也没有正在燃烧的小火苗。但其实,食物中的能量物质正是通过与氧气完成的氧化反应才得以释放能量的。从化学上来讲,这跟一块木头的燃烧可以说是一码事情,主要的区别在于:可见的燃烧是个剧烈的氧化过程,而细胞里的“燃烧”是个受控的缓慢氧化过程。

无论是能量物质还是水,我们的身体里都有不少储备。唯独氧气,我们是几乎没有“余粮”的——事实上,地球上的所有生物都没有额外单独存储氧气的能力。

为什么会这样?这是个很难回答,更难以求证的问题。但一个可能的解释在于:氧气比水和食物都更容易获得。既然你一张嘴就能得到它,何必要进化出一个氧气罐来呢?

但是,也恰恰是氧气这种张嘴可得的特性,把细胞给惯坏了。它们都习惯了正常生活环境中的供氧水平,一旦遭遇“低氧”的特情,细胞们就要开始抗议了。不过,我们的身体也有各种手段来解决低氧的麻烦。

由氧气催生的兴奋剂

我们最常遭遇的缺氧,显然不是登上高原时才会遇到的那种情况,而是在你剧烈运动之后所面临的问题。对于这种临时性的缺氧,我们的身体也有临时性的解决方案,以求迅速解决问题。

首先就是我们大家都能感受到的心跳加速,通过更快的呼吸和更快的心跳,提高供氧速率。另外,我们血液中的红细胞也会合成一些特殊的小分子物质,它们能够结合到血红蛋白上,提升血红蛋白输送氧气的效率。

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最左侧的血细胞是红细胞,它的出现是脊椎动物进化过程中的重要一步(图片来源:维基百科)

不过,临时手段也有临时手段的问题,肯定不能长期采用。所以当你身处高原环境,每一个细胞都长时间缺氧时,你的身体就要另谋他策了。

最先被科学家们观察到的现象是,我们体内的红细胞数量会大大增加,以此提高运送氧气的能力。简单来说,一个车队的卡车多了,运力自然就提高了。其实,增加卡车数量是个很好的策略,像鲸豚类水生哺乳动物,因为不能利用水中的氧气,也只能通过提高血红蛋白和肌红蛋白的数量来加大携氧量。

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