猫咪如何保持整洁又凉快?秘密就在它们的舌头上

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猫咪们总是在舔毛,它们醒着时间的时间甚至有24%之多都用在了梳理毛发上。今天我们就来近距离观察一下猫是如何用舌头梳理毛发的。

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猫的舌头上有很多“倒刺”,确切地说这些结构应该叫做丝状乳头(filiform papillae)。人的舌头上也有很多舌乳头,但它们都是软软的,而猫的丝状乳头具有角质化的结构,硬度和人的指甲差不多。这些倒刺能够帮助猫在舔毛时触及到毛发的根部和皮肤,进行充分的清洁。

最近发表在PNAS上的一篇论文对猫舌头上的这些“倒刺”进行了仔细的观察和分析。其中一个重要的发现是,这些“倒刺”并不是一根根简单的实心刺,它的尖端其实有一段U形的空管,如下图所示:

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(研究中观察了6种猫科动物舌头上的“倒刺”,它们尖端都有相似的空心结构。图中从左到右分别来自家猫、短尾猫、美洲狮、雪豹、虎和狮)

在猫科动物们舔毛时,这些“倒刺”尖端的空腔会吸取唾液,并把唾液涂布到毛的深处和皮肤上。除了清洁之外,这些液体的蒸发也起到帮助散热的作用。虽然吸取到“倒刺”尖端的液体量大约只有整个舌头表面的5%,但只有这部分液体才能到达毛发深处的地方。

下面的图是用食品色素进行的演示,可以看到“倒刺”的空腔自动吸取了液滴:

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通过热成像,则可以直观地看到舔毛对散热的作用:

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此外,研究者们还仿照猫舌头的样子用3D打印制作了一个毛刷。和普通的梳子相比,这种“猫舌刷”的好处是非常容易就可以把附着在上面的毛清理掉:

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听起来似乎可以推广一下呢~

更多信息可以看原论文:http://www.pnas.org/content/115/49/12377

以及相关报道:https://www.sciencemag.org/news/2018/11/how-do-cats-stay-so-clean-video-reveals-secrets-feline-tongue

文中的截图和动图原视频都来自论文。

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真空低温慢煮火焰枪,来教你一招分子料理

说起分子料理,人们往往想到高级餐厅和“分子”“解构”“还原”“所吃非所见”等等很“炫酷”的术语。人们经常把它称之为美食的“艺术”,甚至是“魔术”。实际上,“分子料理”早期的说法是“分子美食”,源于法国食品研究家埃尔文·蒂斯创立的“分子美食学”。对于这些分子料理,以及把分子美食称为艺术的说法,蒂斯相当不满,曾经专门写文章澄清他所创立的分子美食学“是一门科学,而且只是科学”。

在蒂斯看来,分子美食学研究的是食物制作背后的科学原理,以及基于这些科学原理的演绎推广。而流行的分子美食,不过是这种科学的一些应用而已。或许在蒂斯看来,把那些卖弄新奇的炫酷作为“分子美食”,是庸俗化了他所所探索的科学吧。

其实,从食品技术的角度,分子料理中的那些眼花缭乱、令人惊奇的操作,只不过是常规烹饪背后的理化反应的推广和演绎而已。比如“真空低温慢煮”加火焰枪,就是常见的技法之一。

下面详细讲解一下用这种技法制作一道“分子料理猪排”。

烹饪的实质是把食物做“熟”。这个“熟”有两层意思:一是杀灭了致病细菌和寄生虫,保障食用安全;二是食物变得软嫩,易于咀嚼。相对来说,猪肉存在寄生虫和致病细菌的风险比较高,所以需要较为充分的加热。美国农业部的指南是,猪肉的内部达到145°F(约62.8°C)并保持3分钟,才可以放心食用。

在通常的烹饪中,加热程度远远比这个要求更为充分,所以不需要纠结。在烹饪中,肌间纤维被破坏,使肉易于咀嚼,同时释放出风味物质产生熟肉的香味。不过,在加热中细胞会破裂,导致融汇着大量风味物质的“肉汁”损失掉了,从而降低了肉的香味。另外,肉汁的损失也使得肉的含水量更低,也就是通常所说的更“柴”。尤其是瘦肉,煮得越久,口感就越“柴”。

基于这些猪肉背后的科学原理,要想获得风味口感更好的肉,就需要减轻加热程度,避免肉汁损失。在传统烹饪中,厨师们在做肉排的时候会先用高温“煎”一下,期望这个操作让肉表面的蛋白质凝固而“锁住”肉汁。所谓“火候”的把握,就是避免加热过度。这对于操作者的经验要求很高。高明的厨师和普通的做饭者,差别就在于这些细节的操控。分子美食则利用技术手段去降低对经验和技艺的需求,利用工具去实现目标。

首先,选用一块比较厚的猪通脊肉,在表面洒一点点盐,并滴一点芝麻油(或者橄榄油、花生油)涂抹调味。把肉装入真空加热袋,抽真空。

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抽真空有三个作用:一是把肉“禁锢住”,不让内部的肉汁跑出来;二是避免袋内有空气使得袋子漂浮起来,也就能保证上下表面都受热;三是保证肉与水之间不存在空气阻隔,保障均匀传热。

真空之后,是低温。分子料理厨房通常用一个自动控温的加热棒,而我的家里有一个试验用的恒温水浴锅。

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之所以设置65°C,是为了保证肉的内部能够达到62.8°C。因为肉在真空袋中,又控制在了较低温度,所以不用担心“加热过度”。加热所需要的时间跟肉的厚度有关,需要一定的摸索。肉的中心是否达到62.8°C的温度,可以用插入式热电偶温度计去测,也可以切开看肉的颜色——肉色变白,就表明加热到了。

这一次加热了煮了40分钟。从真空袋中取出来,用吸水纸洗掉表面的水。

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这个时候,肉已经煮熟,可以吃了。为了获得烤肉的香味,可以在锅里煎一下,或者在火上烤一下。在分子料理中,通常是采用火焰枪来烧。用比较高的温度,可以快速地让表面发生美拉德反应,而且避免长时间烧烤导致肉汁流出。

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这个成品没有呲呲冒油,是因为猪通脊脂肪含量很低,也没有加入过多的油来腌制。切开之后,可以看到烧烤只发生在表面,内部的肉汁较为丰富。跟通常的方法煮熟的肉相比,口感更好,肉汁肉味更浓郁。考虑到只是加了少许盐和几滴油,也就更为健康。

实际上,这种分子料理的技法更适合做牛排和三文鱼。猪肉容易存在寄生虫污染,所以需要充分加热。合格的牛排内部没有寄生虫和致病细菌,所以不需要加热到这么高的温度。根据个人的口味,可以把整块肉煮到到类似三成熟、五成熟的中心温度,再用火焰枪烧烤表面,从而让整块肉都获得最佳的风味和口感。真正的三文鱼本来就可以生吃,所以并没有加热杀菌的需求,就可以用更低的温度(比如40-50 °C),让肉中的脂肪开始融化从而获得绝佳的口感,再用火焰枪烧烤表面产生烤鱼的香味。

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杂色狼:请不要再叫我“非洲野狗”

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乞力马扎罗是一座海拔一万九千七百一十英尺的长年积雪的高山,据说它是非洲最高的一座山。西高峰叫马塞人的“鄂阿奇—鄂阿伊”,即上帝的庙殿。在西高峰的近旁,有一具已经风干冻僵的豹子的尸体。豹子到这样高寒的地方来寻找什么,没有人作过解释。

——海明威

这是海明威发表于1936年的短篇小说《乞力马扎罗的雪》的开头。乞力马扎罗山顶的豹子给小说定了调,一种不可理喻的死亡。小说归小说,在现实世界里,那里没有豹子,只有杂色狼。

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杂色狼?先不要在意这个名字,稍后我会谈起它的由来。你现在只要记住,犬科动物杂色狼。在1992年出版的《非洲哺乳动物行为手册》(The Behavior Guide to African Mammals)中有在乞力马扎罗峰5895米的峰顶附近一群杂色狼的目击记录。不同于《乞力马扎罗的雪》,《非洲哺乳动物行为手册》的作者是著名的动物行为学家,哈佛大学比较动物学博物馆哺乳动物助理教授理查德•伊斯特斯(Richard D. Estes)。2012年,当这本书再版“二十周年特别版”的时候,动物行为学大神、社会生物学的祖师爷E.O威尔逊(E.O Wilson)还做了序。

有这些科学家背书,杂色狼很可能会战胜我的本尊藏狐,成为世界上最“高”的犬科动物。即便排除纯目击记录,科学家们也曾于1995年在埃塞俄比亚海拔4050米的萨内蒂高原(Sanetti Plateau)发现过杂色狼的尸体。杂色狼到这样高寒的地方来寻找什么,估计是食物。

谁是杂色狼

谁是杂色狼,想必即便是国内非常熟悉非洲哺乳动物的研究者很多也会对这个名字感到一头雾水。而当你把“杂色 狼”翻译成希腊文或者拉丁文的时候,很多人就会恍然大悟了:Lycaon pictus,这是它的学名,Lycaon来自希腊语,意思是“像狼的”,Pictus来自拉丁语,意思是“涂画的”。由这个拉丁学名引申而来的有一个英文俗名,叫Painted Wolf,这也是“杂色狼”的真正来历。

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然而,Painted wolf虽然非常准确的描述了这种动物:它长得像狼,体色斑斓,一般是黑白黄橙错杂,就像拍糊了的三花猫,却只是这种动物众多英文俗名中不太被广泛接受和使用的那个。

在更多时候,不管是学界还是民间,它被人称作“African wild dog”,也就是非洲野犬(狗)。这个随意的名字也不能算很离谱,因为当我在津巴布韦的马纳普斯(Mana pools)国家公园,在赞比西河畔的晨光中第一次撞见它们的时候,第一反应也是:这些家伙真像家犬啊。后来拍了照片发朋友圈,也有朋友评论说,为啥要跑那么远去看,我们那的土狗就长这样。

这是一个巨大的错误。根据最新的分子生物学研究,杂色狼与家犬(也就是灰狼)的祖先早在300万年前就分家了。相比之下,家犬跟豺、金背胡狼和郊狼的亲缘关系要近得多。在杂色狼诞生的那个时间和那个地点,也就是三百万年前的非洲,我们的祖先刚刚同黑猩猩的祖先分道扬镳。那时候,我们的祖先和杂色狼应该彼此很熟悉。因为直到近代,杂色狼还是非洲最常见的动物,也是非洲分布范围最广的动物,除了极端干旱的沙漠和赤道地区的低地雨林,杂色狼的足迹遍布整个非洲大陆。

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杂色狼的成功秘诀并不是那么显而易见。就像“土狗”一样,它看上去确实没什么出奇,体型跟拉布拉多相仿,只是显得身材更修长,脸更短,耳朵更大。在猛兽辈出的非洲大陆,这实在算是其貌不扬。就是这其貌不扬的杂色狼,却是非洲,甚至是地球上捕猎成功率最高的动物之一,每次出击都有差不多六成的把握不会空“嘴”而归,它们的猎物,主要是各种羚羊、疣猪,有时候也会有角马这样的大家伙。要知道在同一个地盘上,狮子和鬣狗的捕猎成功率很少超过30%。

杂色狼从不单打独斗,这也是在哺乳动物捕食者中极其罕见的。按照E.O.威尔逊的评价,杂色狼是社会行为最复杂的食肉目动物。它们总是群居生活,最小的群是一对成年杂色狼和它的未成年孩子们,而最大的群有四五十只之多。在大群里,雌性和雄性各有一个领袖,它俩会领导整个狼群,并且享有几乎唯一的生育权。领袖夫妻一年生育一胎,每胎平均有10个狼崽,多的时候甚至可达20只,这是所有现有犬科动物里最多的,也能保证只要一对繁殖就可以维持整个狼群的发展。

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幼崽出生后的头几周是在洞穴里度过的,母亲会一直守护在近旁,她的吃饭问题就由群里的其他杂色狼带外卖回家了。等一个月后狼崽们可以吃肉的时候,母亲才会允许群里其他个体接近,因为现在狼崽也需要吃外卖了。在爱幼方面,杂色狼绝对是典范,大家打猎带回来的外卖,小朋友先吃。小朋友吃饱了才是带头夫妻,然后是其他狼。跟大部分社会性哺乳动物不同,长大了的杂色狼,雄性会留在群里,而雌性多数选择出走,加入别的狼群。

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除了长幼有序,杂色狼还有“民主议事”制度,2017年,美国、英国、博茨瓦纳和澳大利亚四国科学家共同发表了一篇论文,描述了博茨瓦纳奥卡万戈三角洲的杂色狼群体的一种特殊行为:用“喷嚏”投票。他们观察到当杂色狼准备集体捕猎前,往往会有一种奇怪的仪式,那就是一个接一个的“打喷嚏”。如果是带头夫妻中的一个最先开始打喷嚏,那其余个体只需要超过三个跟着打喷嚏,大家就会起身捕猎;而当带头夫妻没发话,群里的其他个体先打了喷嚏,则需要接力到至少十个大家才会出发[1]。

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这只是一个例子,来说明杂色狼的社会行为有多复杂。确实,如果你如果只是刚刚接触杂色狼群,可能觉得它们并不是那么“social”,因为相比起我们熟悉的狗或者灰狼,杂色狼的肢体语言,特别是面部表情要少得多。而且它们也不像狗(狼)群那么聒噪,声音信号也不丰富。

从打喷嚏投票这个研究来看,杂色狼并不是不善表达,只是我们还没有完全破解它们的沟通方式。反正我在马纳普斯,看到当一群本来还懒洋洋铺了一地的杂色狼突然整齐划一的排队出动、兵分几路去伏击高草丛中的疣猪的时候,完全是被惊呆了。当然,说它们“相貌平平”,也不意味着杂色狼就是头脑发达四肢简单的nerds,它们的奔跑速度可达每小时六十公里,有时候也会连续追击一个小时不放弃。

不幸的是,杂色狼的这套行为模式,并不是它独有的。在非洲大陆,另一种新兴的动物采取了极其相似的生存策略,这就是人类。绝大多数时候,杂色狼并不是人类的直接敌人,罕有杂色狼攻击人的记录,但是,相似的生存策略和近似的食谱,让它成了人类的竞争对手。先是农垦撕碎了杂色狼原本成片的栖息地,接着就是人类把武器对准了杂色狼,因为它们并不拒绝把人类饲养的牲畜作为野餐。

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万年路人甲

这个过程不知道持续了多久,因为人类一直没有怎么重视这种“普通”的、“其貌不扬”的动物,即便是二十世纪末的现代文明。1994年,迪士尼动画大电影《狮子王》上映,这部二十多年来持续收割新粉丝的电影从某种程度上是一部生态纪录片,虽然故事的模板似乎脱胎于莎翁的《哈姆雷特》,但放在狮子身上则是之前几十年动物行为学研究的结果,因为科学家们观察并描述了狮子的“杀婴”行为。

这部动画长片也是很多小朋友的非洲启蒙,“哈库那玛塔塔”成了世人皆知的非洲“土语”,疣猪和狐獴的名字也变成了“蓬蓬”和“丁满”,拇姬老师的形象也固定成了老法师。就连大反派们也被人牢记,比如那些斑鬣狗——虽然由于糟糕的中译,它们被叫成了“土狼”,而真正的土狼则是斑鬣狗一种吃虫子的近亲。

你可能不知道,在最早版本的动画里,迪士尼的画师们在“刀疤”身边安插的反派并不是斑鬣狗,而是杂色狼。更换演员的原因显而易见,比起沉默的杂色狼,叫起来像是奸笑的斑鬣狗显然更有“戏”。杂色狼躲过了一次背上污名的“横祸”,但是错过了一次出名的机会。

在《王朝》的五个主人公里,只有杂色狼是之前从未当过主角的路人甲,在虚构作品里是如此,在生态纪录片里也是如此。杂色狼绝对是实力派,但我们从来都没仔细观看过它们的表演。

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改名,能否转运

杂色狼被重视,只不过是最近二十几年的事。因为科学家们突然发现,原本到处都是的杂色狼,现在居然濒危了。目前世界上仅存约6000头杂色狼,有繁育能力的更是少数。这些杂色狼被困在从阿尔及利亚到南非的近百个碎片化的栖息地里。虽然已经是IUCN的濒危物种,杂色狼的现状仍旧不乐观,除了栖息地碎片化趋势很难扭转外,人兽冲突造成的报复性捕杀,也是杂色狼种群数量继续下降的原因。

怎么办?拇姬老师曾经在小说中写道:命名,是一切力量的根源。有些保育学者发起了给杂色狼改名的行动。改什么?改原名。不要再叫“非洲野犬”了,这个名字不但让很多当地人认为它们不过就是非洲田园犬,也让那些原本可以贡献一份力量的“外人”兴趣索然。Painted Wolf,它们是狼,是野生动物,不是狗。这个名字在欧美获得了越来越广泛的接受。不管是大卫艾登堡爵爷还是BBC自然史部的创意总监,也是《王朝》系列的掌舵人麦克•冈顿,都坚持在片中使用Painted Wolf而不是African Wild Dog。

《王朝》的引进,给了非洲野犬在中国改名一个契机,BBC的朋友给它的中文名字是“杂色狼”。杂色狼还不是这个物种在中国的正式名称,你也可以给一个你更心仪的中文名字,反正最后叫得多了,也就约定俗成了。

当你知道它,认识到它,了解了它,这种非洲最成功的捕食者的未来,就会更光明一点。

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参考文献

[1]: Sneeze to leave: African wild dogs (Lycaon pictus) use variable quorum thresholds facilitated by sneezes in collective decisions. Reena H. Walker, Andrew J. King, J. Weldon McNutt, Neil R. Jordan. Published 6 September 2017.DOI: 10.1098/rspb.2017.0347

图片来源:瘦驼

它带来了生命史上最大的灾难,也是地球生命的未来

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地球锈了。

几十亿年来大海一直在吸收有害气体,如今终于到了极限。海水里的铁已经化为史上最大的铁锈而沉淀殆尽,多出来的气体只能在地球的大气圈和水圈里越积越多;整个行星为之颤抖。

绝大部分生物都死了,它们的代谢被全新的环境彻底摧毁。少量生命躲在遥远的深海里逃过一劫,但它们再也不能重见天日。只有极个别的生命适应了新的环境,并将在很久以后的未来繁荣昌盛;但是首先,它们还需要熬过自太古宙以来最大的一场气候异变,这场气候异变将会在接下来的三亿年里让整个地球表面都被死亡笼罩。

海洋似乎可以接纳一切。图片:pixabay

海洋似乎可以接纳一切。图片:pixabay

所有这些灾难的源头,只是区区一类生物而已——

不,不是人类。在这个故事面前,人根本排不上号。我们要说的是一类肉眼甚至都看不见的生物:产氧光合蓝菌。

它改变了世界。

什么是光合作用

产氧光合蓝菌是一大群蓝菌的统称,今天的日历物种——海洋原绿球菌(Prochlorococcus marinus)就是其中典范。它们的特点都写在名字里了:属于蓝菌,会光合作用,而且能产氧气。

海洋原绿球菌。图片:panchamimenon.com

海洋原绿球菌。图片:panchamimenon.com

等一下,这句话是不是说得有点累赘了?都光合作用了,那产氧气难道不是很正常的吗?

并非如此。产氧不是一件自然而然的事情。产氧是一个奇迹。

光合作用本质上是一个还原反应。取一点二氧化碳,强行塞给它几个电子把它还原,然后补点儿质子平衡电荷,你就有了糖,无数生物化学过程的起点,我们所有食物的根本来源。但是二氧化碳十分稳定,它并不喜欢被强塞,所以电子必须很高能。这是第一道门槛。

幸运的是,我们有太阳。太阳在持续不断向地球灌注能量。不过还有第二道门槛:这些电子从哪里来?有的电子待在很安稳的地方,很难被强行拽出来,你要灌很多能量进去;另一些电子本来就比较高能,稍微推一把就可以跑去欺负二氧化碳了。

光合作用的简单示意图。图片:Daniel Mayer;汉化:xiaomingyan

光合作用的简单示意图。图片:Daniel Mayer;汉化:xiaomingyan

奇怪的事情就在这里:产氧光合蓝菌放着容易的电子源不用,选了一个难的。之所以光合作用会产氧,是因为它的原料用到了水:以阳光的能量把水劈开,电子送去还原二氧化碳,质子送去平衡电荷,剩下氧气“扔掉”。可是,水是一个十分稳定的分子,劈开水抢夺它的电子,是一个极端吃力不讨好的行为。远古时代的地球,周围到处都是更好的电子来源——比如硫化氢和铁,也有很多其他生物在用。产氧光合蓝菌为什么偏偏要和水过不去呢?

大概是因为,这是解决“电子堵车”的最好办法。

与光相关的两个系统

刚才提到,产氧光合作用要完成两个任务:先消耗一些能量,抢来一个电子,再把抢来的电子加上更多能量强行塞给二氧化碳。这两个任务分别由两套蛋白质完成,出于历史原因,它们被分别称为光系统Ⅱ和光系统Ⅰ。所有的细菌里,只有产氧光合蓝菌同时拥有两个系统,剩下的都只有二者其一。而所有其他产氧光合生物——比如绿色植物——都是依靠内共生,把蓝菌的全套装备搬进了自己体内。

绿色植物的光合作用离不开叶绿体。图为寒地走灯藓(Plagiomnium affine)细胞及细胞内的叶绿体。图片:Kristian Peters / wikimedia

绿色植物的光合作用离不开叶绿体。图为寒地走灯藓(Plagiomnium affine)细胞及细胞内的叶绿体。图片:Kristian Peters / wikimedia

有些细菌只有光系统Ⅰ,也就是只有塞电子给二氧化碳的部分。幸运的是,它们不需要费劲从水里抢电子,随随便便就能从硫化氢和铁里搞到,因此只有一个系统也可以顺利光合作用——只不过出产的是硫或者三价铁,而不产氧。

有些细菌只有光系统Ⅱ,但它们拿这个系统做另外一件事情:生产能量分子ATP。事实上,光系统Ⅱ和呼吸作用使用的系统,本质上是一样的,生产ATP的方式也是一样的,只不过呼吸作用靠的是氧化产能,它靠的是光产能。

蓝细菌同时拥有这两个系统。这本身没什么了不起——细菌里经常出现水平基因转移。但它是如何、又是为什么要把这两个系统连在一起的?

还没有确凿无疑的答案,但是有一个非常漂亮的假说:这是为了解决光系统Ⅱ被电子堵死的问题。

在细菌里,光系统Ⅱ就像是一群小孩坐在楼梯上玩击鼓传花:上面的小孩逐渐把电子往下传,过程中释放能量产生ATP。最下面的小孩拿到电子之后,借助太阳的能量,再扔回最上面,如此反复。

两个光系统所在的光合作用“光反应”示意图。图片:Bensaccount / wikimedia

两个光系统所在的光合作用“光反应”示意图。图片:Bensaccount / wikimedia

可是有个问题。太阳照到楼梯间的玻璃窗(其实是细菌里负责防紫外线的锰),时不时也会弹出一两个电子来。这些小孩都太天真了,见到电子就只知道往手里拿。多一个两个不是问题,但一个小孩只能拿一个电子,如果大家手里都有电子了,就没法再传了呀!光系统Ⅱ的生产就停滞了。

停滞是因为电子太多,要是能来个老师把多余的电子拿走就好了。但拿了电子也不能搁手里,还是得扔到别的地方去。谁擅长把电子塞给别人呢?对,光系统Ⅰ。

所以,把它俩连在一起,让光系统Ⅰ把Ⅱ里多余的电子拿走,塞给二氧化碳去做光合作用,不就两全其美了?

而等到二者联系到一起时,新世界的大门就打开了。光系统Ⅱ再也不用担心被多余的电子堵上。事实上,它都不再需要循环;把自己的所有电子都扔给光系统Ⅰ的话,就可以在产出ATP的同时,还源源不断地产出糖,一举两得。没了循环,电子就不怕多,越多越好。

卡尔文(Melvin Calvin)发现的“卡尔文循环”是光合作用产生糖的环节,也是众多学习过生化的人的噩梦(之一)。图片:Mike Jones & Photolab / wikimedia

卡尔文(Melvin Calvin)发现的“卡尔文循环”是光合作用产生糖的环节,也是众多学习过生化的人的噩梦(之一)。图片:Mike Jones & Photolab / wikimedia

所以那扇玻璃窗被盯上了。以前窗户/锰是被光照后偶尔爆电子,现在锰最好是能全职负责生产电子。

巧的是,深海热泉口有一种含锰的矿物,正好能用四个锰原子把一个水分子恰到好处地包围起来,担当了催化剂的工作。

就这样,光系统Ⅰ把电子塞给了二氧化碳,转头问光系统Ⅱ要电子;光系统Ⅱ则从含锰矿物那里要电子。锰把压力转嫁给水,四面围攻把水分子里的电子抢走,无辜的水被撕开,产出的电子递给光系统Ⅱ,氧气扔掉,再把下一个水抓进来,全程能量都由太阳负责提供。

这个看起来棒极了的安排,变成了灾难的根源。

氧气如何带来灾难

二十多亿年前,地球上根本找不到游离的氧气。

这其实很正常,木星直到今天都是些氢气、甲烷之类的还原性气体占主导地位。地球形成的时候和木星一样也都是太阳系里的尘埃,虽然因为个头小,大气层要稀薄得多,但成分都是差不多的。
所以,那时候所有的地球生物,也都只知道如何在还原性的环境里生存。

地球形成早期,大气成分以硫化氢、甲烷、二氧化碳、水蒸气等为主。图片:Peter Sawyer / Smithsonian Institution

地球形成早期,大气成分以硫化氢、甲烷、二氧化碳、水蒸气等为主。图片:Peter Sawyer / Smithsonian Institution

但是后来自由氧出现了。一开始,它和海洋里四处游荡的二价铁结合,变成不溶于水的三价铁沉淀下来。氧越来越多,铁越来越少,直到最后几乎所有的铁都沉淀了。它们变成了红色条纹状的铁矿石,这是地壳里储量最大的铁矿。

与此同时,海洋里的硫离子也几乎都被氧化。没了铁,没了硫,容易的电子来源消失,旧的光合作用路线就这么“断粮”了。

更可怕的是,氧气是一种破坏性极强的气体。你或许听说过氧自由基,今天的生物有全套方案应付它的危害,当年的生物什么都没有。

结果是,随着水域的氧含量逐渐上升,这里的生物就遭受一次次清算。每一次必定都伴随着大片死亡,只有极个别生物运气好,勉强突变出抵抗更多氧气的办法,逐渐学会在新世界生存。还有少量生物存活在氧气未能触及的深海或泉口,依然留存着曾经的生命面貌。

今天,海底热泉往往被认为是一种极端环境,但那里也有着不一样的生物多样性。左图为热泉附近的巨型管虫(Riftia pachyptila);右图为喷发着的深海热泉。图片:NOAA Photo Library

今天,海底热泉往往被认为是一种极端环境,但那里也有着不一样的生物多样性。左图为热泉附近的巨型管虫(Riftia pachyptila);右图为喷发着的深海热泉。图片:NOAA Photo Library

侵占了海洋还不算完,氧气还要占领天空。原本地球大气里的甲烷,一点点都被氧化消耗殆尽。甲烷是一种极其强力的温室气体,弥补了年轻太阳的光照不足;没了甲烷,地球就陷入了长达3亿年的超级冰期,整个行星从两极到赤道都被冰雪盖住。

生命史上最惨烈的一次灭绝,就这样诞生在一种看不见的微生物和一个简单到不能更简单的分子之手。

然而,它们也是地球的救命恩人。

没有氧气,就没有今天的地球

没有氧气就没有有氧呼吸,生命就失去了它最强力、最高效的能量来源;而没有高效能源,就支撑不起多层食物链和大体型,就不会有捕食者和被捕食者的复杂生态关系和军备竞赛,不会有羚羊和猎豹,不会有手和脑。
但这些都不是最重要的事情。没有氧气,就不会有这颗我们熟悉的蓝色星球。

金星、地球和火星在太阳系中的位置相差不远,形成时的化学成分也几乎一样。但地球是蓝色的星球,表面盖满了海洋。金星和火星却没有,它们的水被太阳吹跑了。

金星、地球和火星。图片:NASA

金星、地球和火星。图片:NASA

紫外线波长短,破坏力强,它能够在没有任何外来帮助的情况下把水打碎,变成氢气和氧气,逃逸到地球大气层中。氧气会寻找附近可氧化的东西氧化掉,然后缓慢地遁入地层,被重新吸收。但氢气太轻了,只有木星那样的巨人能拉住它;地球、金星、火星的引力都不够把它留在大气层里,只能眼睁睁看它进入太空一去不返。

这个过程无法逆转。任其发展下去的话,早晚有一天行星上的水会丢光。

产氧光合蓝菌改变了这一切。它在天文尺度上很短的时间里,一口气制造出大量氧气,依靠饱和攻击压倒了整个地壳的吸收能力,剩下的还足够塞满地球的大气圈。同时,空中形成了臭氧层,对上拦截太阳的紫外线,对下拦截飘上去的氢气,从而保护了地球的蓝色海洋,也保护了未来的所有生命。

大气中的气体散射蓝色光较多,所以从外层空间看,地球就有一层蓝色光晕,也正为此,天空大多数时候是蓝色的。图片:NASA

大气中的气体散射蓝色光较多,所以从外层空间看,地球就有一层蓝色光晕,也正为此,天空大多数时候是蓝色的。图片:NASA

今天,产氧光合蓝菌依然是这颗星球上最重要的类群,而原绿球菌又是其中最为繁多的。原绿球菌个体极其微小,还能用硫脂代替磷脂构成细胞膜,让它能在营养十分匮乏的水域里生存。每一毫升海面的海水里大约有10万个原绿球菌;全世界总数大约有10^27个,多过宇宙间的群星。

而它依然在延续数十亿年前的古老使命。海洋原绿球菌产出全世界约13%~48%的氧气;加上其他海洋浮游生物,贡献量约在50%~85%。如果它们现在消失,剩下的几乎所有生态系统都将彻底洗牌;如果它们从未存在,剩下的几乎所有生态系统也都不会诞生。

海洋原绿球菌及其所在的海洋,提供了如今地球上的大部分氧气。图为电镜下菌株MIT9215的球菌个体及其培养基。图片:Chisholm Lab / flickr

海洋原绿球菌及其所在的海洋,提供了如今地球上的大部分氧气。图为电镜下菌株MIT9215的球菌个体及其培养基。图片:Chisholm Lab / flickr

这是地球上最不起眼生物的故事。它一手打造了生命史上最大的灾难,也一手挽救了整个地球生命的未来。

它改变了世界。

喜欢吃的辣,都是什么辣?我们为什么爱吃辣?

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辣椒——对于一个重庆人(我出生时还隶属于四川省)来说,仿佛是一个刻在基因里的标签。跟国际友人介绍自己家乡,对方大多会在听到重庆或者四川两个字时一头雾水,而在我解释“就是吃的东西特别有名,很辣”之后恍然大悟、笑逐颜开。

我本人爱吃辣吗?如果你要问18岁、刚离开重庆北上时候的我,那么答案一定是yes。在北京念书吃食堂的日子,无不想念家乡的回锅肉、辣子鸡和夫妻肺片。在水煮肉片端上来的时候,立马就能凭油泼辣子的香气辨认出正宗与否,吃火锅的时候也总是不遗余力地安利红油九宫格。

但如果你要问现在的我是否爱吃辣,我一定会犹豫一下——并不是所有的辣都可以的。在海外旅居、游历的这些日子,我体会到了一些不一样的辣,也明白了四川重庆的辣,不一定是最辣的(先别急着为吃辣的能力骄傲啊老乡)。墨西哥的小伙伴拿出蘸“魔鬼辣酱”(Ghost pepper)的玉米卷(Taco),只需一口就能让我捂着火辣的嘴唇不想再碰第二次;不小心嚼到越南米粉里的小尖椒,毫无防备的我被辣到吸溜了半碗米粉汤;至于被印度小伙伴拉去吃北印地区的正宗辣咖喱,我倒是挺喜欢,但前提是要配上三大片馕(Naang),空口吃辣咖喱还是只有立马求饶。

馕和咖喱。| 图片来源:wordpress.com

馕和咖喱。| 图片来源:wordpress.com

而且我发现,几年之后再回重庆,就算是“微辣”的火锅也能让我吨吨吨直灌酸梅汤。甚至有一次吃烧排骨,由于多扔了几根藤椒,居然也把我自己给辣得够呛。我的确是土生土长的假重庆人无误了。所以,我之前喜欢吃的辣,都是什么辣?自己身上“爱吃辣”的标签究竟是怎么回事儿?要回答这些问题,可能还要先从辣椒开始讲起。

多样的辣椒

我们现在所说的辣椒,大多来源于茄科辣椒属(Capsicum)下的5种栽培种,其中又以Capsicum annuum最为常见。我们所熟知的长条带弯的尖椒,稍短一点的朝天椒,以及大个儿的几乎没有辣味的青椒,都是这个种下的栽培种。

各种各样的辣椒。| 图片来源:pxhere

各种各样的辣椒。| 图片来源:pxhere

辣椒种在地里的样子就是普普通通的多年生草本植物,互生的的卵形叶片略带尖,开出白色的五瓣小花。结出的果实从生物学意义上来讲是浆果(berry),像小盒子一样装着肾形的种子(这也是拉丁属名Capsicum的来源——拉丁语的capsa,盒子的意思,衍生出的英语单词是胶囊的capsule)。

C. annuum 的植株。| 图片来源:powo.science.kew.org

C. annuum 的植株。| 图片来源:powo.science.kew.org

辣椒的白色小花。| 图片来源:H. Zell / wikipedia

辣椒的白色小花。| 图片来源:H. Zell / wikipedia

另外一种比较常见的辣椒是C. frutescens,也就是“小米椒”,生在比较低矮的灌木上,带着玲珑可爱的小尖头辣椒,不仅可以食用,还是园艺里备受喜爱的品种。

C. frutescens的果实一般朝上长。| 图片来源:Sanu N / wikipedia

C. frutescens的果实一般朝上长。| 图片来源:Sanu N / wikipedia

辣椒为啥辣?

辣椒哪里最辣?实际上,和很多人的直觉不同,辣椒的籽并不辣,皮也没那么辣。辣椒最辣的是皮里面那层白色的胎座,一般紧靠着柄、贴着辣椒皮竖直延伸出来。把它刮掉,辣椒的辣味就能减少大半。对于不辣的青椒,这部分刮掉也能改善青椒苦涩的口感。

白筋的部分其实是胎座。| 图片来源:natinspicygarden.com

白筋的部分其实是胎座。| 图片来源:natinspicygarden.com

实际上,辣椒的辣是为了保护里面的籽不被错误的动物吃掉。辣椒本身就希望不怕辣的鸟儿能多吃点儿,反正消化不了都会被排出,正好让鸟把种子散播出去。然而讨厌的哺乳动物却总是不识时务地啃食果实,甚至种子还没成熟就被吃掉了,那怎么行?于是,辣椒素作为一种防御哺乳动物啃食的机制被演化出来。

一只鸟正在吃辣椒的果实。| 图片来源:healthyliving.natureloc.com

一只鸟正在吃辣椒的果实。| 图片来源:healthyliving.natureloc.com

然而辣椒万万没想到,有几种哺乳动物偏偏爱上了这种刺激的感觉。其中一种叫鼩鼱[qújīng],是吃辣的高手,常年的演化让它根本不care 辣不辣的问题。另外一种则是没毛的猿,他们当然能吃出辣来,并且非常自虐抖M地爱上了这种刺激,实在是让大自然搞不懂啊。

辣椒从哪里来?

辣椒的基因来源非常多样,不过都起源于新大陆。在中美到南美的热带地区,有好几种辣椒分别被早期的定居者驯化——C. annuum来自中美洲,C. chinense(另一个种,名字虽然有china 但是跟中国没太大关系)则诞生于亚马逊北部。安第斯山脉也驯化了自己的辣椒,不过在今天已经不太常见了。最新研究在厄瓜多尔的西南部发现了最早的辣椒驯化证据,能够追溯到6千多年以前,所以辣椒算是新大陆的人类最早驯化的农作物了。

红色区域表示C. annuum的发源地。| 图片来源:s10.lite.msu.edu

红色区域表示C. annuum的发源地。| 图片来源:s10.lite.msu.edu

真正使辣椒成为传奇的,是它从新世界走遍旧大陆的脚步,以及人们对它带着抖M气质却依旧欲罢不能的喜爱。在1493年,第二次横渡大西洋的哥伦布以及随船的医生,把这种“像玫瑰花丛一般”生长的植物带回了西班牙。

辣椒其实不是一种十分挑剔生长环境的植物——不管是用来装饰也好,调味也罢,人们(和鸟类)开始自发传播这种植物。来自伊比利亚的商船在明末清初将辣椒带到了广东和福建沿海,辣椒从而登陆亚洲,向内陆传播。奥斯曼和阿拉伯的商人也将辣椒通过东欧的商路,经过匈牙利传进德国(所以匈牙利的paprika一直都被他们视作“传统”呢)。

匈牙利卖paprika的小摊贩。| 图片来源:Takkk / wikipedia

匈牙利卖paprika的小摊贩。| 图片来源:Takkk / wikipedia

英语中的chilli(红辣椒)据说来自墨西哥的一种土著语言,听起来跟“寒冷”的chilly有一种戏谑的反差——辣椒实际上是制造灼热感的东西。世界各地的人们迅速将这种植物和他们文化以及语言中的香料、热辣等词汇联系起来,衍生出了各种各样的名称——比如前面的paprika、pepperoni、jalapeno、tabasco、唐辛子等等,不仅泛指辣椒,现在也特指各个文化中常用的某种辣椒。

在中国,一开始人们只将这种“番椒”作为观赏植物或者药物使用,但随着它被大规模地栽培,人们发现用它调味的食物实在是别有一番风味。最先开始食用辣椒的是贵州及其相邻地区,在缺乏盐的贵州,“土苗用以代盐”;而到了乾隆、嘉庆年间,四川、湖南、云南等地也开始食用辣椒了;到了清代末年,我们现在熟悉的辣菜已经进入了川菜经典食谱,而川菜以油泼辣子为主的吃辣习惯也在这个时候形成。

从干辣椒、辣椒粉、辣椒油、辣椒酱,再到糊辣椒、泡辣椒、糍粑辣椒,被调成红油味、麻辣味、酸辣味、糊辣味、怪味……小小的辣椒衍生出了如此丰富的味道(我虽然不太能吃辣,但写到这里,口水就已经下来了啊)。

我们为什么要吃辣?

既然辣椒是从海上传进来,那么为啥福建和广州不吃辣,偏偏是内陆的四川、贵州和湖南人爱吃辣呢?这个问题到了今天或许也困扰着各种各样的人——我们为什么选择吃辣?到底是基因决定的还是环境造就的?

图片来自pixabay

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辣椒好吃吗?当然好吃了。辣椒能刺激口腔黏膜,增加唾液分泌及淀粉酶的活性(口水又下来了!)。在潮湿炎热的地方,人们常常会食欲不振,辣椒则能起到刺激、开胃的作用。辣椒素对蜡样芽胞杆菌及枯草杆菌有显著的抑制作用,所以也备受潮湿地区的青睐——在食物储存手段并不到位的过去,能杀菌也是非常重要的特质啊。

辣椒带给我们的,实际上不是味觉,而是一种刺痛、灼烧的感觉。辣椒素作用于嘴里的痛感神经通路,产生的灼热感会让大脑产生一种机体受伤的错觉,并开始释放人体自身的止痛物质——内啡肽。所以,吃辣的确是一种“刺激”的体验,甚至会产生一种愉快的感觉。顺便说,解辣的正确方法是乳制品,奶里面的酪蛋白能够结合辣椒素,从而减少对口腔的刺激。

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实际上,在辣椒传入中国之前,人们就已经开始寻觅刺激的食物了。早在距今1600多年前,晋朝的《华阳国志》中就记载蜀人“好辛香”,当时人们多使用姜、花椒、茱萸等。研究表明,中国古代约有四分之一的食品中要加花椒,而在今天,花椒被更加刺激的辣椒挤到了四川一隅,形成了麻辣的特殊味型。至于在西方,胡椒则占了主要地位。

不过,于我而言,吃辣始终还是一件战战兢兢的事情。我的性格不算火爆,寻求刺激的需求也并没有太高,喜欢吃辣,可能更多的并不是辣本身,而是随着辣味而来的家乡菜的记忆。回锅肉不加豆瓣便不成为回锅肉,辣子鸡不从成山的干辣椒里挑便不成为辣子鸡,水煮鱼不泡在滚烫的红油里便不成为水煮鱼。

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现在我回到家,得先备好牛奶、酸梅汤和苦丁茶才能和川菜、火锅大战三百回合——即使这样我也在所不惜,因为那是我熟悉的、被我定义成“美食”的东西。

猪瘟肆掠,基因编辑来帮忙了

“非洲猪瘟”的出现让都市里的人们大吃一惊,而中国解决瘟疫问题的强大执行力这一次似乎力有不逮。非洲猪瘟,还是蔓延到了各地,甚至北京也没有幸免。

其实,非洲猪瘟只是各种猪容易感染的瘟疫之一。更常见的猪瘟是“蓝耳病”。这种猪瘟出现于1987年的美国,症状是食欲不振、发烧、嗜睡、呼吸困难等等。这种猪瘟对孕期母猪尤其就有杀伤力,导致母猪流产以及猪胎死亡。即使有顽强的猪胎能够挺过去分娩出来,小猪崽也很虚弱,而且往往有严重的呼吸道症状。如果是小猪感染了,就会出现拉稀和呼吸困难,生长缓慢。

当时把它称为“猪神秘病”“猪神秘繁殖综合症”。因为被感染的猪耳部发蓝,所以也被称为“猪蓝耳病”。直到1991年它才获得了正式名称,叫做“猪繁殖与呼吸综合征”,简称PRRS。这种猪瘟是由病毒引起的。该病毒有两种亚型,欧洲的基本上是1型,美洲的基本上是2型,而亚洲的则是两个亚型都有。

这种瘟疫对于养猪行业影响很大,美国每年的损失超过6亿5千万美元。经过多年的努力也开发了出了疫苗,但效果有限。在养猪行业,也还是通过“防控”来减少损失——也就是说,一旦发现有猪被感染,就立即隔离扑杀,并进行无害化处理。

在中国养猪行业,蓝耳病也是重点防范对象。一旦发现感染,那个地方外延3公里的区域都会被作为“疫区”,再向外延伸5公里的区域被会划为“受威胁区”。疫区会被封锁,措施包括“在出入疫区的交通路口设置动物检疫消毒站,对出入的车辆和有关物品进行消毒”以及“关闭生猪交易市场,禁止生猪及其产品运出疫区”。同时,所有的病猪以及与之同群的猪都会被扑杀,病死猪、排泄物、被污染饲料、垫料、污水等进行无害化处理,而被污染的物品、交通工具、用具、猪舍、场地等都要进行彻底消毒。

简而言之,一旦有猪被感染,就会引发庞大的应急措施。

这种方法实在是劳民伤财。科学家们探索了新的办法——通过基因编辑,让猪对这种猪瘟的病毒产生抗性,也就不怕感染了。蓝耳病的病毒“高度专一”,只通过感染猪的巨噬细胞上的特定基团来传播。所以,如果能够切断这条传播通道,也就能够避免被它所感染了。

有一些特定种类的巨噬细胞中,有一个蓝耳病毒的融合受体,叫做CD163。它有9个“融合受体多半胱氨酸位点(SRCR)” ,蓝耳病毒通过与这些位点的融合来感染猪。如果CD163蛋白过量表达——也就是通过技术手段让它产生得更多,那么本来对蓝耳病毒不敏感的细胞也会被感染。同样,如果把表达这个蛋白的基因完全敲除,细胞中也就不会产生CD163蛋白——没有了融合受体,病毒也就无法感染细胞。

但是麻烦在于,CD163不仅是蓝耳病毒的受体,它还有许多其他生理功能,比如调节系统发炎,清除血浆中的血红素等等。因此,CD163蛋白需要保留。科学家们能做的,是对它就行适当改造,除去与蓝耳病毒融合的能力而又不影响其他生理功能。

早期曾经有过一种尝试,替换了CD163的一个亚基CD163SRCR5。经过这个替换,CD163保留了其他的功能,但只对1型蓝耳病毒有抗性,而对2型蓝耳病毒就没有抗性。这个结果虽然有一定进步,但实用价值有限。幸运的是,科学家们后来发现,那9个SRCR位点中的8个都有其他的生理功能,而5号位点只有与病毒融合的作用。于是,他们通过基因编辑技术敲除了SRCR5基因,也就不影响CD163蛋白的其他功能。

结果如科学家们所想。他们把敲除了SRCR5基因的猪跟常规的猪放在一起喂养,经过基因编辑的猪没有出现任何问题——这说明,SRCR5的敲除确实没有影响CD163的生理功能。然后,他们人为地让这些猪去接触蓝耳病毒,结果普通的猪很快被感染,而经过基因编辑的猪没有被感染。继续让它们一起生活,经过基因编辑的猪也没有被病猪们感染。

当然,这还只是科学实验上的成功。要让它造福于养猪行业从而造福于社会,还需要进一步的商业化应用开发和监管审批。

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揭秘食品包装背后的真相 | 线下沙龙回顾

几乎没有食物少得了包装。易拉罐、塑料瓶和纸包装饮料,哪个更安全?食品包装里的“微塑料”是什么?包装饮料和食物,包装材质应该怎么选?什么样的包装才更环保?科学松鼠会成员,清华大学化学系博士生,从事生物质新能源相关课题研究的孙亚飞老师为大家带来演讲《食品包装背后的故事》。

以下为孙亚飞演讲实录:

我们这个时代面临一个非常直接的问题,食品包装安全性的问题。今天,我给大家讲讲我们食品包装背后的一些故事。

演讲嘉宾孙亚飞:《食品包装背后的故事》

演讲嘉宾孙亚飞:《食品包装背后的故事》

生活中我们常见的食品包装有易拉罐、纸张和塑料,其实,这三个包装里只有一个真正的包装:塑料。

比如我们常见的用于包烧饼的纸包装,打开之后你会发现,内壁是塑料;大家把易拉罐拆开,然后拿强碱剂泡一下,你会发现易拉罐内侧是塑料薄膜。因此,这三个材料本质上一样的,都是塑料材料。我们真正去做食品包装的时候,去认识食品包装的时候,首先第一个就是要去了解塑料的性质。

在演讲开始之前,我和杜老师还在讨论关于微塑料的话题。微塑料是怎么一回事?今年BBC提出来在瓶装水里面发现了微塑料。这个问题严重到什么程度呢?全世界任何一个地方都不可能避免,甚至是4500米深的海鱼里面都能够找到微塑料的痕迹。

绿海龟吞食塑料,人们早先认为塑料垃圾会让海洋生物误食,现在他们进一步发现了微塑料的问题 。图片来源: Troy Mayne / WWF

绿海龟吞食塑料,人们早先认为塑料垃圾会让海洋生物误食,现在他们进一步发现了微塑料的问题 。图片来源: Troy Mayne / WWF

但是幸运的是微塑料的颗粒非常小,而且它是惰性的,跟人体没有直接的反应。微塑料通常很小,直径大概是在几微米。当然也有大的,直径几微米,但是长度可能会达到几厘米这么长。

微塑料对食品有什么影响呢?比如海洋里面因为微塑料很多,现在的海盐,就是我们吃的食盐里面也会有微塑料。如果我们有些人喜欢用粗盐,粗盐里面会含有更多的微塑料。微塑料已经是不可避免的,但是它对我们造成的影响还需要更多的科学实验来证明。

图片来自flickr | Oregon State University

图片来自flickr | Oregon State University

塑料对我们的影响比微塑料更复杂更多。第一个就是塑化剂。2010年发生过一个特别严重的事情,而这个事情也是促使我走向科普道路的一个事件。2010年我当时本科毕业正在工作,所做的项目正好是塑料的助剂,也就是塑化剂。在大陆翻译叫增塑剂,在台湾当时翻译成塑化剂,英语是PAEs phthalates。这种材料为什么会造成这么大影响?它是哪来的?当时因为看到媒体转载的文章里面出现非常多的错误,而且不少人的感受是所有的塑料都含有增塑剂的,其实这是错误的,所以我决定站出来做科普。

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首先,我们来认识不同的塑料。一般在瓶底,也会在瓶身上面,有一个三角形的框,这里面有一个序号,这个序号是1到7,三角形是代表循环使用的途径。每年每一种塑料的产量都有几千万吨,如果不回收,这种资源就太浪费了。

图片来自pixabay

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1到7就是这下面列的这七种塑料,7号塑料并不是真正的7号塑料,7号在回收的途径里面叫“其他” 就是others。因为现在PC塑料,也就是聚碳酸酯塑料现在用量比较大,所以现在一般7号塑料就是指它。

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比如说PET,你知道它是对苯二甲酸 ,它还有一个更常见的名字,涤纶。这种瓶子回收了做衣服。巴西的奥运会好多国家是拿瓶子去做了涤纶的衣服,更常见的是做什么?做涤纶的绳子。

这七种塑料,有六种会跟食品直接接触,但是它们并不都是安全,我给大家依次讲解一下。

1号塑料。

1号塑料。

这是1号塑料,就刚才我说的PET,也叫涤纶。它非常干净,里面几乎不用任何的添加剂,非常透明,刚生产出来的透明度可以达到90%以上,跟我们现在戴的眼镜非常接近了。所以,一般不会加任何的塑化剂。只有一种,就是在聚合的时候会加一种催化剂是含锑(Sb)的,但是一般的饮料是不会对它发生萃取作用,所以这种塑料材质总的来讲是非常安全的,这也是矿泉水瓶大量地使用这种材料的原因。

但是它有一个非常大的缺点不耐热。80度以上就会严重变形,到了140度之后基本就融化了。所以在我们平常使用的时候有一个注意的地方,就是不要去装热水。网上有报道说拿这个瓶子反复喝水会致癌,那些都是子虚乌有的。这个瓶子应该说是在我们塑料瓶子里面非常接近安全的一种材料。

2号塑料。

2号塑料。

这是2号塑料。八九十年代打酱油一般就是拿这个。这个叫高密度聚乙烯,也较HDPE。这个材料总的来说是安全的,但是不适宜装液体的食物。

因为它生产出来后本身是半透明的,为了让它的强度更高,不得不去加一些石灰或者是二氧化硅。如果用这种塑料制品去装油,包括装奶制品,都不可避免会发生萃取或者说让它发生溶解,因此,这种塑料相对来说就没有那么安全。现在的超市里面卖油用的一般都是1号,因为它既耐水又耐油。

4号塑料。

4号塑料。

这是4号塑料,也是我们平常生活当中最常用的塑料包装。它可以做得非常薄。这一类的塑料捻开的时候,有的很容易,一搓就开,有的怎么搓都搓不开,这是因为我们用了一些化学助剂去调整塑料的参数。虽然用的量很少,但是如果跟食品的可食用部分直接接触的话,是有一定风险的。所以,这种塑料用来装食物没有太大问题,但是不要直接跟食品的可食用部分接触。

5号塑料。

5号塑料。

这是5号塑料PP聚丙烯。聚丙烯被公认是最安全的塑料,它不仅没有助剂的问题,还可以耐高温,放在微波炉里面能够耐受140到150度的温度。目前很多的餐饮业也在推广使用这种塑料,但是成本相对要高一些。

6号塑料。

6号塑料。

这是6号塑料,聚苯乙烯(PS)。聚苯乙烯很多年前一直被妖魔化,一提到这种泡沫饭盒,我们都觉得它污染很严重毒性很大。但是与大家想象的正好相反,其实聚苯乙烯总的来讲还是比较安全。它唯一不安全的因素是在很高温度的时候会分解成苯乙烯,苯乙烯是有毒的,但是聚苯乙烯没事。

我们一般把聚苯乙烯做成泡沫使用,此外,喝咖啡的杯盖一般是PS的。为什么不拿它直接既做咖啡杯又做咖啡盖呢?不是因为成本的问题而是因为它虽然安全性好,但是却有一个工程性的问题,他的结晶性非常高,结晶性高就偏脆。

7号塑料。

7号塑料。

这是7号塑料,聚碳酸酯(PC)。聚碳酸酯前几年引起过一个比较大的事情, 2012年,欧盟提出来要开始监制聚碳酸酯的奶瓶。奶瓶用这个塑料非常好,因为PC是这里面唯一的一种工程塑料,它的加工性能远远超过其他塑料,耐磨性还有力学性都非常好。但是它唯一的缺点是里面含有双酚A。双酚A是生产PC材料的原材料之一,而且不像PS,双酚A在PC里面的残留是很难清除的,因为聚合方式不一样。

此外,双酚A是环境雌激素。激素只要非常小的量就可能对人体造成直接的影响。科学证明,当双酚A在我们的尿液的含量在1.43PPB( 十亿分之一)的时候就可能对健康造成影响。也就是说,如果塑料里面大概含有不到一微克这么一个量的时候,就可能对人的健康造成影响。

因为PC塑料地广泛使用,美国大概92%的成年人存在双酚A在尿检当中超标的问题。中国的情况也不乐观,我之前查过一个资料,广州出现这个问题的概率大概在85%,估计上海的情况也不乐观。

有些家长反映说,孩子没有到青春期就开始出现了一些性征,有一些研究认为,这可能是和环境激素有关系。另外,双酚A可能和一些癌症之间也存在关联。所以,在欧盟提出禁止PC的奶瓶之后,中国很快也禁止了。现在的奶瓶都换成了玻璃或者PP,但是问题并没有真正解决,因为像这种PC塑料在我们生活中还是用得非常普遍。所以,如果家里还有这种老式饮水桶的话,我建议回去最好更换掉。

演讲嘉宾孙亚飞:《食品包装背后的故事》

演讲嘉宾孙亚飞:《食品包装背后的故事》

接下来讲一下3号塑料 PVC,又叫聚氯乙烯,聚氯乙烯就涉及到我们刚才提到的塑化剂的使用。刚才上面六种塑料里面完全没有提到塑化剂的材料,真正跟塑化剂有关的只有这一种塑料和另外一种叫PVDC的塑料,但是那种塑料用的量非常少。

聚氯乙烯在生活当中的应用非常广泛,有这种很硬的管、水晶垫、PV的垫片等。

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这三种居然是一种塑料,如果我不提,可能很多人都难以想象。这三种塑料怎么能够做到这么大的形象差异?就靠一样,增塑剂。通过调整塑化剂的比例就可以生产各种各样的塑料制品。

上图左边这个里面的增塑率大概只有10%-20%,右边这种水晶垫的增塑率大概在40%左右。如果能够做到这种密封垫跟橡胶一样,弹性非常好,它的拉升可以拉到两倍、三倍的长度,增塑剂的比例能到50%-60%。增塑剂越多它的透明度也会越高,因为它不结晶了,几乎跟我们高温的固体一样,跟液体差不多了。

这样的材料在我们生活当中跟食品总的来说接触得不多,只有极少数的时候会使用。如果是老款的玻璃瓶的啤酒,把盖掀开之后,里面有一层小的垫片就是用PVC去做的。现在技术好了,用HPE,就是聚乙烯也可以去实现了。

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这个管道在一些食品工厂里面有时候会出现的。按照食品的法规,食品工厂里面都要采用硬连接,只能用不锈钢作为直接接触食品的要求。但是有一些工厂在调试或者为了省钱,可能会有一些PVC管。除了这种硬管之外,可能有软管,也可能会造成增塑剂在食品里面出现。

目前来讲,虽然也有人说聚氯乙烯可能是跟双酚A一样是环境雌激素,但是就我所看到的文献,没有特别的证据证明它和人体的激素有一定关系。但是可能会和一些疾病有关联,这是它的一个风险。

讲完这些,大家应该对我们身边的塑料有一个充分的认识。实际上塑料材质不是洪水猛兽。我们每年生产几亿吨各种塑料,只有大概不到1000万吨是含有增塑剂的。跟我们生活比较密切相关,跟我们食品直接相关的,只有极少数的几种有安全问题。

在用塑料制品的时候,关键是注意好以下几点:

第一:是装合适的东西。比如说矿泉水瓶,它什么都能装,但是有一些可能就不适合装油。聚乙烯塑料袋,就不适合装油了。

第二:注意使用温度。

第三:尽量避免光照。因为光照对塑料来讲会造成老化,老化之后的塑料安全性就没法保障了。一般来讲,我们家里面用的塑料制品尽量不要超过三年。

第四:塑料和金属一样,也会疲劳,你反复地去用机械力给它造成一些伤害的时候,它也会发生一些反应,也是有一定隐患的。这就是我们对食品用的这些塑料的一个比较全面的观察。

接下来谈到金属材质。提起金属材质,大家想到的应该就是铁,因为铁在我们生活当中用的最多, 除了菜刀、锅这些东西之外,最常用的是不锈钢。

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不锈钢在食品工业里面几乎是跟食品接触最多的。不锈钢里面含金属铬。金属铬对人体怎么样?这个问题我也想澄清一下,一般跟食品接触要求是304以上的不锈钢。它的铬的溶出是用硫酸做实验。如果在硫酸里面不到安全线的铬的溶出才能够被称作304钢。我们的食品不会比硫酸的腐蚀性更强,所以我们不用担心不锈钢对人体的影响。

另外一种常见的铁是马口铁。马口铁叫名字大家有点陌生,它也叫镀锡铁。很多人吃的罐头, 内层有点发黄的那种材料就是马口铁。

图片来自pixabay

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“马口”据说是在澳门生产的,澳门的英语叫Macao,所以后来就翻译成马口铁。马口铁跟我们食品接触的是锡,为什么会用到锡?锡对食品来讲影响非常小,锡的活性很低。它唯一的一个问题是不耐低温,大家可能听说过拿破仑去俄罗斯征战,用锡制的纽扣到冬天掉了。那个故事不是很真实,但是有一个故事是真实的,就是去南极考察的时候,有一个英国的考察队用锡壶装汽油,到中转站之前就全部漏光了。因为锡在低温的时候变成了粉末。锡除了在低温的时候会变成粉之外,其他没什么问题。我们如果家里面有锡器,千万记得别放冰箱里。

总的来说,马口铁是比较安全。此外,锡其实有味道,有些人如果比较敏感是能感觉到锡的那种特殊的味道。

用铁制作设备,比如铁锅,如果你长期贮存,它会溶出铁离子,特别是游离的铁离子或者亚铁离子,吃多了对人体非常不安全。我们平常补铁,说实话,从安全的角度来讲,不建议补游离的铁,尽量还是从食品当中去获取铁元素。

美国人喜欢吃补剂,几乎每年都有小孩按成人的量吃补剂造成中毒。因为它是会产生自由基会有中毒的问题。从食品安全的角度来讲,用铁器尽量用马口铁或者不锈钢,这两个是比较安全的。

再一个就是铝罐。烧烤中用到的锡纸并不是锡,而是铝箔。因为锡除了不耐低温之外,它也不耐高温,200多度就化了,虽然有些人说铝会造成老年痴呆,但是铝箔在包食物的时候,实际上基数很少,再加上它跟食品、痴呆的关联现在也没有得到证实。

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易拉罐刚才我已经解释过了,它看似是金属的包装,但是它实际上真正跟食物接触的是里面的那层薄膜,所以它不存在铝污染的问题,但是却带来了更严重的问题。它里面用的是环氧树脂。如果大家见到一种防水的停车场,可能有印象,绿的那种。那个绿的是环氧树脂。

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这个环氧树脂就是咱们铝罐里面用的涂层,这个涂层非常的精密,在罐里面它大概只有不到一微米的厚度。它的生产技术不比造飞机简单,造飞机用的零件都没有这么精密,但是它给我们带来的问题却是非常大。

环氧树脂和聚碳酸酯一样,也是用到双酚A。易拉罐一般装的是碳酸饮料。碳酸饮料真的是碳酸吗?不是,它里面用的是磷酸。我们喝的可乐,它的酸度可以达到2.8。这个酸度,我们一般的人的牙齿其实是不怎么能够耐得住这么高酸度的。长期喝可乐,牙的保养是很成问题。既然连牙都可能会遭受到这种腐蚀,那么环氧树脂也会受到影响。

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在酸性的饮料下面,环氧树脂的膜非常容易被萃取,饮料里面的双酚A的浓度可能比PC装水里的更高。从这个角度来讲,我建议咱们家里孩子或者孕妇这样的一些特殊人群,在喝易拉罐饮料的时候千万留点神。

到目前为止,没有一个工业化的其他的材料能够替代这个罐子。所以可能在很长一段时间里面,易拉罐仍然会使用环氧树脂作为内透膜,这在食品包装上面其实非常严重的一个事情。此外,我国到目前为止,没有一个能够生产易拉罐的企业。80%以上的易拉罐是由美国的三家易拉罐厂生产的。这三个易拉罐厂其实已经形成了一个商业联盟,对公众,易拉罐使用环氧树脂作为内透膜这件事一直是被抹掉的。我们不得不承认,食品安全有时也是会受商业利益的影响。

除了刚才已经知道的这些事情之外,金属包装也有一些其他的隐患。比如说重金属,我们最常见的情况有 铅、汞、镉、铬、砷,砷实际上不是金属元素,但是一般在讲重金属的时候都会给它列入在内,它就是砒霜的不幸的来源。另外几种,铬我刚才已经提到了,不锈钢里面会含有。镉在锌里面有的时候会含有,还有就是电池里面也会含有。镍,其实食品里面几乎很少会遇得到,不锈钢一般是用铬,很少用镍。再一个是汞和铅,汞和铅过去很多是炼丹。除了刚才讲涂层的问题之外,还有就是颜料。颜料很多是含有重金属的,我们在用任何纸包装的时候,千万注意不要让颜料去和你的食物直接接触。

除此之外,也讲一下特氟龙。特氟龙这几年的争议很大,它叫聚四氟乙烯,也叫不粘锅。它在生产的时候用一个中介叫全氟辛酸脂,全氟辛酸脂毒性非常低。总的来讲,特氟龙本身的安全性是有保障的,它只有一个缺点就是强度不高,你炒菜的时候尽量不要用铁铲,用木铲就行,不会给它刮破,但是吃下去,实际上对人体不会有太大的影响。现在新的技术已经出来了,不再用全氟辛酸酯作为中介品质生产。

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最后讲一下纸包装。像油条、烧饼、牛奶或者糕点,都会用到纸包装。这里面大部分里面都是有涂层的,这个涂层不用太担心,它不是环氧树脂,它是高密度聚乙烯的膜。这个聚乙烯有什么好处呢?从纸包装上你就能看出来,它在喷涂了之后,经过高温就可以把这个边封上,这是聚乙烯的一个特点。

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这种材料应该说对我们身体不会有太大的问题。虽然说纸看起来很环保,但是它跟食物接触并不是一个好主意,因为它里面会用到包括像胶,胶不是我说的这个聚乙烯的,有一些是用胶水去涂着的,还有就是油墨,这些对人体都可能会造成影响。所以我们在平常去包装食物的时候,我一直也是这么一个态度,不推荐去用纸包装。

以上就是我们生活当中常用的一次性材料,总的来讲,塑料之所以能够大行其道,安全性是有保障的。可即便如此,我还是想强调一下塑料和环保的关系。我虽然搞了很多年的塑料,但是我一直是提倡大家少用塑料。因为在环保方面,塑料给我们造成的影响实在是太大了。

20年前,那会儿坐火车的人应该都有感受,火车道两边全是扔的泡沫饭盒,还有方便面盒,造成了非常严重的白色污染。现在这些年好多了,因为我们从聚苯乙烯换成了PP的饭盒,pp饭盒更薄了,而且回收塑料方式也变得越来越完善。白色污染现在要好一些了,但是有一些看不到的污染,就是海洋里面。海洋里面的海产品可能现在都面临这么一个危机,塑料污染积压的空间。除了4500米深的微塑料之外,在太平洋上面还有好几个塑料的漩涡,因为洋流的问题,它存在这儿永远出不去的。我记得是离夏威夷岛不太远的地方,现在已经造成了很严重的生态问题,包括一些海生物,特别是食物链比较高的哺乳动物,影响就是不可逆转。

我们平常的生活当中,其实并不需要那么多的包装。很多人也一直在追问,过度包装提高商品的价值,它的意义在哪儿?我们平常在家或者去超市,尽量还是少用塑料。最安全的材料肯定不是塑料,玻璃和陶瓷是经过高温烧制的,经过一千多度高温烧制的,所以你装任何的食物它都几乎不会有任何的溶解。

作为化学化工行业的一员,我想对全世界说一句话:希望我们所有的人能够行动起来,为地球做一点贡献。

谢谢大家。

演讲嘉宾孙亚飞:《食品包装背后的故事》

演讲嘉宾孙亚飞:《食品包装背后的故事》

科学生活指南是科学松鼠会在巴斯夫(中国)有限公司的支持下举办的系列线下沙龙活动。每期将会有一个生活相关的话题,由多位嘉宾从不同的角度分享科学知识和看法,展现生活背后的科学思维方式,传递可持续发展的生活态度。

为了从除草剂的“阴影”中活下来,玉米经历了什么?

本文来自微信公众号“物种日历”,未经许可不得进行商业转载

玉米这种从带着硬壳的大刍草培育而来的作物,远比我们想象的要多姿多彩。

不知从什么时候开始,中国的市场上出现了很多特别的玉米,如糯玉米、水果玉米、彩色玉米等,还有专门用来做爆米花的玉米。也不知从什么时候开始,大家给这些“非正常”(与传统老玉米不同)的玉米,都打上了似是而非的转基因标签。于是,一场论战开始了,各种所谓辨别转基因的“妙招”也应运而生。

这些基因从何而来?转基因作物是如何发展起来的?今天,我们就来啃一啃转基因玉米的诞生历史。

玉米(Zea mays)及一种野生大刍草(Z. diploperennis)。图片:Silverije & Jeffdelonge / wikimedia

玉米(Zea mays)及一种野生大刍草(Z. diploperennis)。图片:Silverije & Jeffdelonge / wikimedia

为什么是玉米?

其实玉米并不是最早的转基因植物,也不是最容易实现转基因的植物。恰恰相反,玉米的转基因道路远比烟草和矮牵牛这样的模式植物要复杂,而且最初的成功率很低。

世界上第一例转基因植物是含有抗生素药类抗体的烟草。图为红花烟草(Nicotiana tabacum)。图片:Joachim Müllerchen / wikimedia

世界上第一例转基因植物是含有抗生素药类抗体的烟草。图为红花烟草(Nicotiana tabacum)。图片:Joachim Müllerchen / wikimedia

玉米为什么会被选中呢?是因为外国人根本就不吃这种东西吗?当然不是。举个例子,玉米本身就是美国农业的核心作物,它与大豆、小麦、棉花常年占据美国农作物产量的头四把交椅——2011年,美国玉米产量3.28亿吨,大豆产量9032.82万吨,小麦产量6030.95万吨,棉花产量264.08万吨。而在中国,玉米也与水稻、小麦一起,占据了全部粮食产量的90%以上。

目前除了玉米,关于水稻的转基因研究亦有不少。然而小麦在这方面比较“落后”。为什么?因为它的基因组实在太复杂了。

A. 1960~2014年,中国三大农作物产量走势;B. 1960~2014年,美国、中国、印度三国玉米产量比较。图片:Xiaolin Wu et al. / Frontiers in Plant Science(2015)

A. 1960~2014年,中国三大农作物产量走势;B. 1960~2014年,美国、中国、印度三国玉米产量比较。图片:Xiaolin Wu et al. / Frontiers in Plant Science(2015)

首先要通过“城墙”

实际上,与很多科学技术的发展道路一样,转基因也是先有技术,后有应用和商业开发。

孟德尔告诉我们,生物的性状是由遗传物质控制的;沃森和克里克告诉我们,性状的秘密就隐藏在双螺旋之中,并且这些信息在很大程度上是四种碱基(A、T、C、G)排列组合的结果。但要真正实现转基因,其实并不容易。

转基因过程可以归结成三个步骤:第一步,把想要的目的基因(抗病、抗虫或者抗除草剂)和基因的“开关”塞进植物细胞;第二步,筛选出那些成功获得外来基因的植物细胞;第三步,把获得外来基因的植物细胞培养成一棵完整的植物。

要想实现第一步就需要一个高效的基因运载工具,因为所有生物的细胞都有一层起到“城墙”作用的细胞膜,它的完整性对于细胞的正常生命活性至关重要。要想在不破坏细胞的情况下“合理合法”地通过这个城墙,就需要特殊的运载工具。

还记得细胞膜上这些成分的主要作用么?图片:ncnr.nist.gov;汉化:物种日历

还记得细胞膜上这些成分的主要作用么?图片:ncnr.nist.gov;汉化:物种日历

1981年,转基因技术终于有了突破。科学家发现,一种叫根癌农杆菌的细菌可以作为通过细胞膜的“交通车”,把目的基因送进植物细胞。今天我们知道,转基因的过程依赖于这种细菌中的质粒(也叫闭合环状DNA),它才是真正能把目的基因投递到终点的“运载工具”(从此,质粒也成为很多生物狗的噩梦)。

找出那些转基因的细胞

光有基因片段可不够。生物体内的基因表现出自己的功能,其实有着严格的时间和空间顺序,比如头皮上不会长指甲出来,幼年的时候生殖系统不发育等等,这些都与作为基因开关的“启动子”和“终止子”有关。虽然植物基因的启动子非常难于琢磨,但是科学家意外地发现,来自细菌的启动子DNA片段可以很好地“打开”植物体内的基因。

这一组“开关”的原理简单讲就是:乳糖影响了终止子的功能,当两者未结合时,“开关”闭合,基因不表达;当两者结合时,启动子与相关的酶才能正常工作,“开关”被打开,基因得以表达。图片:T. A. RAJU / wikimedia

这一组“开关”的原理简单讲就是:乳糖影响了终止子的功能,当两者未结合时,“开关”闭合,基因不表达;当两者结合时,启动子与相关的酶才能正常工作,“开关”被打开,基因得以表达。图片:T. A. RAJU / wikimedia

现在我们能把基因送进细胞了,但并非每一个细胞都可以接受到新的DNA片段,如何排除那些没有成功的细胞的干扰成了一个难点。这里出现了一个天才的想法,那就是用一个基因来筛选细胞。

自然界有很多耐药细菌,这些耐药性也是由基因产生的。所以,科学家们在插入植物细胞的基因上加上了一段抗卡那霉素的基因片段。只要基因插入成功,那么这些全新的“混合体”细胞就一定能抵抗住卡那霉素的侵袭,反之则会被卡那霉素杀死,这样就能筛选出那些成功转化的细胞。

最后一步是把转化好的细胞重新变成完整的植物。1981年时,植物的组织培养技术已经非常成熟了,人们可以利用有限的细胞分裂出需要的细胞团块,并且再诱导它们长成我们需要的植物体。

获得转基因植株的主要步骤。图片:S.Jhansi Rani,et al. / Journal of Pharmacy Research(2013);汉化:物种日历

获得转基因植株的主要步骤。图片:S.Jhansi Rani,et al. / Journal of Pharmacy Research(2013);汉化:物种日历

转基因技术的目标有了,工具也有了,但是运送一个什么样的基因进入玉米,又成了一个大问题。

选什么基因好呢?

对于转基因玉米,不得不提的就是孟山都开发抗草甘膦(农达)玉米。

草甘膦的推出远早于抗除草剂玉米的出现。值得一提的是,草甘膦作为一种广谱除草剂,一度是孟山都的“拳头”产品,也是投入大量人力和物力去推广的产品。这种除草剂的强大之处在于,不管是单子叶植物(如玉米、小麦)还是双子叶植物(如大豆、西瓜)它都可以通杀。那问题来了,如何在有效杀死杂草的同时,又能让农作物健康成长呢?能不能让农作物产生对抗草甘膦的特性呢?

“长臂”正在喷洒“农达”。图片:USFWS Mountain-Prairie

“长臂”正在喷洒“农达”。图片:USFWS Mountain-Prairie

研究发现,在草甘膦的作用下,植物体内的EPSPS合酶(5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合酶)活性会下降,这将导致植物过量积累莽草酸,莽草酸最终把植物给毒死了。

如果基于传统想法,那我们就应该从千千万万的玉米幼苗中筛选出那些能抵抗草甘膦的个体加以培育。但是这无异于摸彩票,中奖的几率实在太低了。这一次,科学家们改变了思路。他们尝试通过给玉米细胞导入新的基因来改变这些酶的状态,使之不再结合草甘磷,从而让玉米细胞避开草甘膦的侵扰,真正实现定向杀灭杂草的目标。于是,抗草甘膦的基因被送进了玉米细胞中,形成了我们今天看到的大量抗草甘膦的转基因玉米。

从技术到应用

有意思的是,虽然孟山都的设想和实验都走在前面,但第一个真正实现这个目标的却是欧洲的实验室。

故事到这里并没有结束。实际上,一个作物品种,单单有一个优秀的基因是远远不够的。所以不管孟山都情愿不情愿,只有当老牌的育种企业、先锋种业进入转基因种子市场之后,才有了真正市场化的产品。

注有转基因标识(genetically modified organism,GMO)的抗除草剂玉米。图片:beyondpesticides.org

注有转基因标识(genetically modified organism,GMO)的抗除草剂玉米。图片:beyondpesticides.org

读到这儿你就应该知道,转基因作物并不是一种心血来潮的产物,也不是任何一位科学家的疯狂想法,这一切都是科技发展到一定阶段的必然产物。如何正确认识这项技术,更好地规避其中的风险,发挥技术的最大效能,才是我们应该深入思考的问题。如果大家想了解更多关于转基因作物的内容,可以去翻阅《收获之神》这本书,它记述了转基因作物的早期发展历史以及其中的恩恩怨怨。真相有时候比故事更有戏剧性,也更为精彩。

洞察火星——为了同源殊途的历史

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北京时间11月27日凌晨,洞察号探测器就要在我们的红色邻星表面着陆了。

它是人类向火星发射的第8个火星探测器,作用和前辈们大不一样。它不像凤凰号那样专注于“听风舞尘”(测听大气流动、分析火星土壤成分),也不像好奇号那样天天优哉游哉(其实并不)给地球发到此一游的照片。它的主要作用,是弄清楚火星内部的物理性质——如它的岩石圈粘度、密度、热导率等。

火星地表的“世界地图”。图中白点代表目前已经登陆火星的探测器的着陆点。INSIGHT是洞察号的预计着陆地。图片来源:维基百科

火星地表的“世界地图”。图中白点代表目前已经登陆火星的探测器的着陆点。INSIGHT是洞察号的预计着陆地。图片来源:维基百科

斥资数亿美元,把一个能装进飞机肚子里的小不点送到亿万公里开外的火星,难道就是去测几个物理参数么?

(是的。智慧文明就是这么浪,这是咱的特权。)

俗话说得好:“识人识面不识心”。人们对火星并不陌生:这颗红色的光斑早在几千年前就映在了老祖宗的眸子里,早在几百年前就在伽利略的镜筒里扩展成了一个两极清晰可辨的球体——然而,就算在好奇号已然给人们传回了大量火星表面照片的当下,人类也依然回答不了这么一个很基本的问题:火星内部到底是什么样子?

而这,就是洞察号的使命。

上天容易入地难

入天外的地,难上加难。

地球咱们都熟悉。这颗蔚蓝色的行星,其实有着一个“鸡蛋状”的构造。一如鸡蛋分为了蛋壳、蛋白和蛋黄,咱们的地球,也分为地核、地幔、地壳3个圈层。

这样的知识就像常识一般印在人们的印象中,就仿佛人人都能看到地核、地幔和地壳一样。但仔细一想,其实根本不对劲。人类迄今为止往地下打的最深的钻探,也不过仅仅钻了12公里深。12公里是个什么概念呢?大概相当于北京西三环到东三环的距离。相比之下,地球大陆地壳的常规厚度是30-50公里,而地球的直径则是12 567公里。

连地壳一半儿都没有钻穿,你还指望看到地球内部的世界?显然不可能嘛。那人们是怎样知道地球内部的圈层结构呢?

靠地震波。

地震波是一双“顺风耳”,可以看到肉眼看不到的世界。就像声波是空气的振动一样,地震波便是大地的振动,它们都属于机械波。机械波在不同介质中的传递速度不一样,遇到介质交界面时,则会发生折射和反射,和光的功能非常类似。我们双眼之所以能够看到不发光的物体,便是因为射向物体的光线经过反射之后进入了眼睛,从而勾勒出物体的轮廓。既然机械波在地下也可以反射,倘若我们拥有一双能够“看到”(其实比喻成“听到”更合适)机械波的“眼睛”(耳朵),岂不是就能知晓地下的轮廓和结构,知晓纷繁多彩的地下世界了?

是的。所以人类派出了洞察号,让它贴着火星地面去“听一听”那颗红色星球上的地震。

洞察号到火星,将探测火星地表之下的内部构造。图片来源:维基百科

洞察号到火星,将探测火星地表之下的内部构造。图片来源:维基百科

但另一个问题是:火星已经几乎没有内部地质活动了,哪里来的地震波可以收听呢?

首先,“火星内部没有地质活动”本身就是一个没经过证实的推测,而不是科学事实。洞察号的前任们,从来没有就相关问题开展过研究。洞察号这次去火星的目的之一,本身也是为了弄明白到底火星上会不会出现一些天然内部地震。

其次,就算没有火星内部活动,地壳的震动也是可以通过外界因素诱发的。在地球上,人们部署地震勘探工程时,便通过人工震源来释放机械波。火星上显然没有人工震源,但有一些“热心分子”会积极地前来帮忙——它们便是小行星。由于没有大气层的保护,每年都会有一些小行星能够成功撞上火星地表,然后激发地壳,发生振动。对于洞察号来说,每一次小行星撞上火星,就是一次难得的“收听机会”。

另外,洞察号还携带了一个热传导测量仪,能够搞清楚火星地核中的热量到底要经过多久才能传到地表。于是,洞察号一方面通过接收地震波在火星内部不同结构之间反射,勾勒出火星的圈层结构;一方面,通过计算热导率来估算深部物质的组分。两者一结合,火星的内部,基本上就对人类“开放全息”了。

洞察远方,实乃洞察历史

了解火星内部的圈层属性,并不是人类的终极目的。根本的目的,是想让火星讲讲它亿万年来的演化回忆录。而这份回忆录,或许写满了早年火星与地球一同共享、却已经被地球忘却了的故事。

太阳系有8颗行星。这8位太阳神的巨子,有着不同的身份特征。靠内的这4位,即水星、金星、地球和火星,是由岩石构成的。而靠外的4位,即木星、土星、天王星和海王星,则主要由气体和冰构成。8颗行星都是在45亿年前的太初时代,由无数尘埃围绕着太阳逐渐吸积变大而形成。有这么一个常识,就是离太阳越远越冷(废话),所以靠近太阳的部分只有岩屑才能幸存下来,冰尘只能集中在远离太阳的外侧地带。这就导致靠内的4颗行星最终形成了岩石质地的躯干,而外部的巨行星则是冰核和云气的聚合物。

地球和火星,这紧密相邻的两兄弟,都是岩质行星,共享着相同的起源和相同的原始组分特征。但后续的情况用不着解释也知道:一个生机勃勃、演化出了智慧生命;另一个荒芜冰冷,几乎毫无生气。

或许我们会说,这是“宜居带”使然。的确,在太阳的温度梯度下,地球确实落在能够让水维持液态的距离内。但根本的问题是,如果一颗星球连液体都“抓不住”、如果一个星球表面压根就储存不了热量,纵然你落在宜居带内又有什么用呢?围着咱们转的月亮也在宜居带内,可液态水能在月亮上保存吗?并不能呀。

事实上,是这么一个根本原因,决定着行星最终的分化方向。它并不是什么高深的物理变量,而是任何人都再熟悉不过的,我们对万事万物的最直观印象——

个头儿。

行星的个头,决定了它们最终分化的方向。图为地球和火星的大小对比。图片来源:维基百科

行星的个头,决定了它们最终分化的方向。图为地球和火星的大小对比。图片来源:维基百科

行星的大小,几乎决定着它们“生命”中的一切!个头大,表明最初吸积时能储集更多的内能;个头大,表明内部放射性物质的绝对含量会更多;个头大,表明裹在地核外头的“隔热层”非常厚,不容易放凉;个头大,表明着引力大,能够聚集更多地表物质,比如水圈和大气圈等…… 一言以蔽之,大个子的行星更热、更持久、引力更强。

这就带来了很多好处:热量更持久,可以让内部维持超长时间“待机”,也就是长时间维持内动力地质作用,然后驱动岩石圈分裂为板块,诱发构造活动,不断更新地表环境。引力更大呢,可以让地表维持稳定的大气层,从而为地表多变的气候提供基础条件。当地下和地表都具备了长时间活跃条件时,还要看第3个影响因素:只有个头足够大的岩质行星才能持续维持一个熔融态的外地核,从而形成一个包裹全球的磁场,保护着地表的水圈和大气层不剧烈的太阳风给刮走。

事实很明白:所有这些优势,都是属于咱地球的。可对于想追溯历史的人来说,活跃就是一个很麻烦的事情了。活跃不息的地质运动支撑着生物圈38亿年来的活跃;但地质运动——加上生物圈本身,都是爱折腾的主儿。今天沧海、明天桑田,40多亿年来回变幻翻动,早把太初时代那些珍贵地质史料摧残得面目全非。

小不点火星呢,早在30多亿年前就已经冷却了。人类需要的恰恰是这份早年的冷却。它凝固的地核,是历史;它死气沉沉的岩石圈,是历史;它僵硬不动的地层,是历史;它干涸的湖盆、它永眠的火山,还是历史。

人类不是没有想过,亿万年前的火星上,同样有着持恒不挠的造山与填壑。所谓的板块运动,是地球自家维持生命的无二珍宝。

——但前提是,你要确认它的岩石圈内部有遭受应力而褶皱的痕迹。

人类不是没有想过,亿万年前的火星上,同样有着温暖的季节与汹涌的大洋。所谓外动力地质作用,是今日地球自家表层活跃不羁的现实。

——但关键是,你要确认它的岩石圈浅部也有相应的沉积盖层。

人类也不是没有想过,亿万年前的火星上,曾经萌生了最原初的生机。那第一抹曙光是否依旧存在,它沉睡在何处?人们期望过,猜测过,也一次次的试探过。

——但问题是,我们终归没在火星找到确凿的能支撑早期生物存活的环境遗迹。

所以,问题太多,而真正看到的、证实到的,又太少。既然知道真相就埋在那里,现在条件成熟了,何不过去看一看,瞄一瞄呢?一来二往,这眼界便有了突破。在这个节点上,名为洞察号的探测器飞了过去,并在火星上着陆,或许便是我们的历史起源真正揭晓之时。(编辑:Steed)

有关最近的基因编辑,一点看法

本文经授权转载自作者本人公众号“卢平的神奇生物”。如需转载,请联系原账号。

凌晨从光怪陆离的梦境中惊醒,发现国内学者宣布基因编辑婴儿诞生的新闻刷了屏。作为一只生物汪、科普汪,我票圈的大部分反应都是震惊和反对的,也看到了诸如“魔鬼”这样的字眼出现在评论中。下面说几句自己的想法。

这事对不对?肯定是不对的。

在科学研究、尤其是涉及生物活体的科研当中,伦理审查是很重要的一步。一个研究在立项的时候要提交报告经过“学术伦理审查委员会”(IRB, institutional review board)的审核,确定这个研究不违背伦理道德和法律。在美国,这个IRB常常是非常严格的,严格到你的实验如果可以用10只小鼠完成而你计划用20只,都会要质疑一下。业内人士心里应该都明白,贺教授这个研究,在欧美国家是绝无可能通过IRB审核的——这个研究是不符合科研和医学伦理的,是不对的。

图片来自Wikipedia

图片来自Wikipedia

但是这个世界上就是每天都有很多不对的事情发生啊。事实和对错判断的混淆,是很多问题和争论的根源。

能不能阻止?现状来看,是没有成功阻止的,恐怕也很难阻止。

这件事让我想到了我的一次助教经历。当时我在批学生作业,有一道题里,教授提到人类基因组计划和基因组时代可能带来的负面影响,让学生发表一下看法。大部分同学都提到了个人基因组信息的隐私问题,提出应该加强监管,避免基因组隐私泄露。但是有一个回答说了不同的意思,大意是说,如同个人的照片等等其他信息一样,隐私的泄露是个事实,基因组信息也是如此。与其禁止,不如促进研究,尽早利用这些信息攻克疾病,让基因组层面的“不平等”从根源上消失。当时只有研究生二年级的我看到这个答案也十分震惊。在扣分之前,我去请教了同为助教的师兄和出题的教授。教授说,只要说出自己的道理,任何讨论都是合理的。这就是我的助教第一课。

时至今日,我个人仍不会完全同意这个答案,也不会支持草率开展基因编辑的人体实验。但是有一点可能是个“我们承认与否都没差”的事实:给定现在的技术水平和环境,类似的尝试可能很难阻止了。在看到这个新闻后的几分钟内,我自己并没有震惊或者其它负面情绪,反省了一下,可能是因为觉得没必要对一个既成事实(假定贺教授没有说假话忽悠大家)懊悔恐惧,不如好好想想如何应对——在情绪之外,无论作为普通群众还是业内人士,每个人都有可以去思考的事和该做的准备,比如说今后如何看待基因编辑技术,以及如何看待可能已经喜获新生的宝宝。

对于技术本身,正如我们的那位学生所说,如果一件事情已经是既成事实,那么应该努力消除其负面影响。基因编辑的副作用仍然未研究清楚,这也是这次贸然对人类使用在学界引发的主要担忧。然而如果就此对CRISPR技术本身持负面态度,或者对正规使用和研究CRISPR技术的研究者产生敌意,同样是肯定不合适的。如果说目前技术的草率上马带来了不如人意的副作用,那么只有对体系进一步研究才能在未来改善技术,杜绝更多问题,包括理解和补救已经产生的副作用。

再多说一句,CRISPR技术门槛不高,很多实验室都在用,在小鼠之类的模式生物上应用广泛。拿来在人类身上试验成功,也不算什么重大的“技术突破”,争这个第一,只能说是无视伦理道德的抖机灵,并没有给任何人争光。

对于孩子,关于“两个编辑过的孩子以后生育会污染人类基因”的观点,也没什么根据。这次编辑的基因组靶点是CCR5基因,引入的32个碱基对缺失突变是人类基因库中已有的变异——这个自然起源于北欧的遗传变异,已经存在于10%的欧洲人群当中。至于编辑可能产生的脱靶效应(基因组中并非靶点的位置被随机编辑),我们确实不知道脱靶导致的其他变异的效果。但是我们知道的是,从概率上说,每个自然出生的孩子的基因组中都会带有好几个新产生的随机突变;加上父母遗传的变异在内,一个人体内带有几百个有害突变是很正常的事——这些突变的效果,在受精卵产生之前同样也没人知道。演化从来都不是完美的,我们人类的基因,实在是不需要什么编辑技术去“污染”。令人担忧的只是编辑技术对这两个孩子自身健康的损害;如果他们能健康成长,那么他们就是跟任何人一样的正常人类。

总结一下的话,CRISPR技术进行人体实验存在诸多风险,科研伦理上无论如何是说不过去的,应该就事论事,严格调查任何违背学术伦理和规范的行为,加强必要的监管;同时,这个技术是目前在生物医学领域应用广泛、贡献巨大的研究手段,只有继续开展合乎规范伦理的研究,才能为人类创造更大价值;另外,接受编辑的孩子承受了不该有的风险,祝愿她们健康成长,享受所有人都有权利享有的、幸福的一生。

希望技术和孩子,都不必面对不该面对的敌意,也不必受到不该受到的利用。

希望我只是杞人忧天吧?