维生素的前世今生
2014-01-14 koo 生物360
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。“首先出现的症状是全身疼痛，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 de la 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
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。
在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。科学家们发现了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。可是这些工作并没有解决最根本的问题：为什么我们如此依赖这些特定的小分子？
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。基于产维生素能力的差异，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。“从细菌、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。科学家们普遍认同，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。“我们现在已经离不开它们了，”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。“人们问我：‘你要如何检测这一理论？’”他回忆道。“我回答：‘我不能。’当时，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省）的生物化学家迪潘克尔·森（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的作用可能是保护植物免受应激的胁迫——在其他物种，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。“我们应该也曾经拥有这一能力，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。科学家们发现，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。“失去一个令你无法独立生存的基因似乎相当违背常识，”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。“但如果你长期生活在富含该维生素的环境中，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。“但是，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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