朱欽士 （美國南加州大學醫(yī)學院）

（上接 2019 年第 11 期第 8 頁）

7 動物真的來自海洋，也需要水中的鈉離子

動物巧妙地利用了細胞外的鈉離子發(fā)展出神經細胞，且得到了極大的好處，也使動物的飲食中不能缺少鈉離子。

身體構造簡單，只有302 個神經細胞的線蟲Caenorhabditis elegans，在神經細胞上就有“嘗”鈉離子的受體Degenerine（DEG），說明線蟲這樣非常原始的動物就能主動尋找含鹽的水。

在更高等的動物中，這種受體稱為上皮鈉離子通道（Epithelial sodium channel，ENaC），二者統(tǒng)稱為 DEG／ENaC。例如昆蟲就用 DEG／ENaC 受體“嘗”鹽水的味道，說明昆蟲也會尋找含鈉的水。熱帶雨林由于經常受到暴雨沖刷，水中的含鹽量很低。如果放3 團棉花，分別吸有鹽水、糖水和不含鹽和糖的水，螞蟻只被鹽水所吸引，說明鹽對螞蟻的吸引力超過糖。

蜜蜂采集花粉和花蜜，好像只吃甜的東西，其實蜜蜂還會搬運水進巢。這些水有多種用途，包括利用水的蒸發(fā)調節(jié)蜂巢的溫度，稀釋喂幼蟲的蜂蜜，以及獲取氯化鈉。科學研究表明，蜜蜂最喜歡濃度為1.5%～3.0%的鹽水，說明蜜蜂也需要吃鹽。

哺乳動物也用DEG／ENaC 受體品嘗咸味。所以從線蟲到人，都用同一種受體感受咸味，以辨別含鹽的食物。

動物的大規(guī)模出現(xiàn)是在距今5 億多年前的寒武紀期間（Cambrian period）。在中國云南橙江天帽山發(fā)現(xiàn)的橙江生物群形成于5.2 億年前的寒武紀早期的海洋中，其中有16 個門類，200 多種生物的化石，包括藻類、多孔動物、刺胞動物、鰓曳動物、動吻動物、葉足動物、腕足動物、軟體動物、節(jié)肢動物、棘皮動物、帚蟲動物、線蟲動物、毛顎動物、古蟲動物、脊索動物及未分類的動物。這些動物不僅包括了現(xiàn)今所有門類無脊椎動物的祖先，而且還包括脊椎動物的祖先——脊索動物。所有這些動物都是海生的，沒有陸上的動物。

動物登陸要以植物登陸為先決條件，因為缺少植物所合成的大量有機物，動物是不可能在陸上發(fā)展的。就在動物在寒武紀在海中大發(fā)展后不久，在約4.8 億年前開始的奧陶紀（Ordovician period），植物開始登陸。在稍后的志留紀（Silurian period），動物才開始在陸地上出現(xiàn)。因此志留紀不是Macallum 說的動物在海中形成的時期，而是動物從海中登陸的時期。

所以人類真的是從大海中來的，大海是人類的“故鄉(xiāng)”。Macallum 猜測動物產生于 4.4～4.1 億多年前的志留紀或更早的海中，是相當天才的想法。雖然他推斷時間時用的是他設想的海水鹽濃度的變化（因而是不正確的），但是他所說的時間卻與動物在海中大規(guī)模形成的時間比較接近的。動物確實是在含鈉多的水中形成并發(fā)展出了神經系統(tǒng)，也就形成了對鈉離子的依賴。

當然動物體內的鈉也不是越多越好，過多的鈉會造成體液體積增大和血壓增高，所以動物都會控制體液中的鈉濃度，一般在 150 mmol／L 左右。排尿和出汗是去除體內多余的鈉的手段。生活在海水中的動物，例如鯨魚和海豚，在進食時不可避免地會吞下一些海水。它們的尿液中就含有非常高的鈉，其濃度超過海水含鈉量的2.5 倍。

動物對氯化鈉的需求主要限于細胞外的液體，高濃度的氯化鈉對于細胞內部的生理活動仍然是“毒物”，細胞要盡力避免。例如在腦細胞由于腦梗而缺血時，鈉離子進入神經細胞是促使這些細胞死亡的重要因素。在體外培養(yǎng)的神經細胞實驗中，如果不給細胞提供氧氣和葡萄糖，以模擬缺血狀態(tài)，細胞內鈉離子的濃度就會顯著增加（3～4倍），同時細胞受到損傷。但是如果降低培養(yǎng)液中鈉離子的含量，從 140 mmol／L 降為 45 mmol／L，而將培養(yǎng)液中鉀離子的濃度提高至75 mmol／L，24 h 后細胞的死亡率就會減少2 倍以上，從70%減少為28%。

所以對于動物細胞來說，是面臨兩難的處境：動物總體需要氯化鈉以維持體液的體積和滲透壓，更重要的是神經活動需要鈉，但是高濃度的鈉離子對于細胞內部的生理活動又有害。因此在人體內，細胞每時每刻都在利用鈉離子泵不斷地將細胞內的鈉離子泵出去，消耗大量的能量?，F(xiàn)在付出的代價是為在高鈉低鉀的環(huán)境中生活所必須的，更是能夠成為人類而必須的。

8 植物怕鹽，“能躲則躲”

植物也得到了生物從鉀高鈉低的環(huán)境轉移到鈉高鉀低的環(huán)境所帶來的“好處”，即對離子不通透的細胞膜，使得植物也可用跨膜氫離子濃度儲存和轉化能量。無論是在葉綠體中，還是在線粒體中，能量都首先被儲存為跨膜氫離子濃度梯度，再用這種氫離子濃度梯度合成ATP 或做其他一些需要能量的生理過程。這種機制只需要對離子不通透的細胞膜，并不需要細胞外有高濃度的鈉離子。

與動物一樣，植物的細胞內也是鉀高鈉低的。植物不僅繼承了原初生物細胞內鉀高鈉低的特點，而且進一步利用了細胞內高濃度的鉀。鉀離子不僅是細胞中許多酶的活性所需，而且在葉片轉動和葉片上氣孔的開閉上也起關鍵作用，這主要是通過將鉀離子泵出或泵入細胞，改變細胞的滲透壓實現(xiàn)的。植物細胞中鉀離子的濃度需要維持在100 mmol／L 或更高，所以許多植物都含有大量的鉀。將植物焚燒以后留下的灰，俗稱 “草木灰”，其中就含有大量的鉀，可當作鉀肥使用。

植物并不需要吸收葡萄糖和氨基酸這樣的有機物，因為植物自身就能合成這些有機物，所以植物不像動物那樣利用細胞外高濃度的鈉吸收葡萄糖和氨基酸。植物沒有神經系統(tǒng)，也不需要細胞外有高濃度的鈉。

更重要的是，植物吸收的水會不斷蒸發(fā)出去，稱為蒸騰作用（transpiration），主要是通過葉片上的氣孔（stomata）實現(xiàn)的。與動物出汗時可排鹽不同，植物的蒸騰作用只能使水蒸發(fā)，而水中所含的鹽卻會留在葉片內。如果不限制植物根部對鈉的吸收，葉片內的鈉就會迅速積累，而且進入細胞內的鈉對許多酶的活性有抑制作用。一般來講，植物細胞質中的鈉濃度高于10 mmol／L 就會產生有害的作用，再高就有可能殺死細胞。

植物的新陳代謝率遠比動物低，沒有較多ATP 將細胞里面的鈉泵出去，所以植物盡量避免在含鈉高的環(huán)境中生長。土壤中水的含鹽量超過100 mmol／L 通常就會造成這些植物的死亡。在30 多萬種植物中，絕大多數(shù)（約95%）為淡水植物（glycophytes），即只能在低鹽環(huán)境中生長。幾乎所有的農作物都是淡水植物。能在咸水中（100 mmol／L或以上濃度的氯化鈉）生長的植物（即耐鹽植物halophyte）不到植物種類的2%。因此植物是“喜鉀憎鈉”的，對鈉可以說是“能躲則躲”。

由于這些原因，植物組織中鈉離子的含量非常低，而含鉀離子量比較高。例如，甘藍每100 g 含鉀 300 mg，鈉 10 mg；西蘭花每 100 g 含鉀 340 mg，鈉 12 mg；胡蘿卜每 100 g 含鉀 218 mg，鈉 35 mg。水果例如蘋果、香蕉、櫻桃、葡萄、柑橘、桃，都含有豐富的鉀，而基本不含鈉。因此以植物為主食的動物（例如牛和羊）比較容易缺鈉，需要主動尋找含鈉的物質。肉食動物由于以動物組織為食，而動物組織是含有相當多的鈉的（主要在血液和組織液中），一般不需要額外食鈉。

即使是在淡水中生長，長此以往也會造成植物體內鈉的積累。為了避免鈉的傷害，植物采取了4 個辦法，即限制鈉從根部進入、主動從根部排鹽、將積累了鹽的葉片脫掉，用新葉替換，以及在細胞中用液泡（vacuole）儲存鈉，使細胞質中的鈉保持在低濃度。

首先是在吸收鉀離子的同時防止鈉離子進入根部。這主要是通過對鉀親和力高，而對鈉親和力低的離子通道實現(xiàn)的，例如高親和力鉀轉運蛋白（high affinity K+-uptake transporter，HKT）。它主要轉運鉀離子，但是由于鈉離子和鉀離子在水合狀態(tài)下（即這2 種離子在水中并不單獨存在，而是結合于部分帶電的水分子）大小差別不大（即主要是水分子的體積），即使高親和力的鉀離子轉運蛋白也會帶進一些鈉離子。

為了防止根部的鈉離子進入蒸騰水流，首先要防止鈉離子進入木質部的導管。根吸收的水在根的外皮有2 種傳輸途徑，一種是通過細胞間細胞質的連絲（即胞間連絲plasmodesmata）從一個細胞的細胞質進入另一個細胞的細胞質，稱為共質體傳輸途徑（symplastic pathway），另一種是通過細胞壁的滲透作用，水沿著纖維素從一個細胞的外面轉移到另一個細胞的外面，同樣可沿著根部向上運動，稱為離質體傳輸途徑（apoplastic pathway）。前者要受鉀離子通道的控制，而后者主要沿著細胞壁滲透，不能阻止鈉離子通過這條途徑往上運輸。為了防止這種情形，植物在根的中柱（stele，根的中間部分，其中包括木質部和韌皮部）外面有一個阻擋層，防止水通過細胞壁運輸，叫做凱氏帶（Casparian strip）。凱氏帶含有親脂（即憎水）的軟木脂（suberin），能阻止水沿著細胞膜滲透，而迫使這些水通過細胞膜進入細胞，即進入共質體運輸途徑，這樣就能通過細胞膜上的離子通道控制鈉離子進入蒸騰水流了。

為了進一步減少進入蒸騰水流中的鈉，植物還采取了主動排鈉的方式。這是由一組稱為“對過多的鹽敏感的蛋白”（salt overly sensitive，SOS） 實現(xiàn)的。SOS 蛋白有 3 種，分別是 SOS1、SOS2 和 SOS3。當根部細胞感覺到細胞內鈉離子過多時，細胞內的鈣離子濃度會增加。SOS3 上有鈣離子結合點，在結合鈣離子后，SOS3 與 SOS2 相互作用，將 SOS2 活化。SOS2 是一個蛋白激酶，又可將SOS1 磷酸化，同時激活SOS1。SOS1 是一個鈉氫逆向轉運蛋白（Na／H-antiporter），在讓細胞外的氫離子進入細胞時，將鈉離子泵出細胞外。通過這種方式，植物的根部可在水傳遞到地面上部分之前，將大部分鈉離子除去。紅樹（mangroove）之所以能在海水中生長，是因為它能排斥海水中99%的鹽分。

即使這樣，淡水植物也不能完全避免葉片中鈉的逐漸積累。當這些葉片中積累了太多的鈉時，葉片即枯死脫落，以新葉代替，所以植物落葉也是排出鈉的一種重要途徑。有的植物在冬天落葉，稱為落葉樹。有的在冬天不落葉，稱為“常青樹”。其實常青樹也落葉，但不是集中一次落光，而是持續(xù)不斷地以新葉取代老葉。

耐鹽植物還有一個很“聰明”的辦法減少鈉的傷害，即將細胞中的鈉分隔到液泡（vacuole）中，這樣即使細胞中總的鈉量已經比較高，但是細胞質內的鈉濃度仍然可以比較低。這個任務是由液泡膜上的鈉氫互換酶（Na／H-exchanger，NHX）實現(xiàn)的。NHX 的工作方式類似于鈉氫逆向轉運蛋白SOS1，也是用細胞質外的氫離子（在SOS1 是細胞外的氫離子，在NHX 是液泡中的氫離子）替換細胞質內的鈉離子。為了在液泡內有足夠的氫離子交換細胞質中的鈉離子，液泡膜上還有氫-ATP酶，它類似于細胞膜上旋轉的F-ATP 酶，也是利用ATP 水解時釋放出來的能量將氫離子從膜的一側泵到另一側。因其位于維管植物細胞內的液泡上，被稱為是維管植物的ATP 酶（vascular ATP-ase，簡稱 V-ATPase）。

進入液泡的鈉離子可增加液泡中液體的滲透壓，使細胞處于膨脹狀態(tài)，使得對細胞有害的鈉離子終于可做一些對植物有益的事情，是植物“化敵為友”的好辦法。有了在液泡中分隔鈉離子的手段，耐鹽植物就可在鹽度比較高的環(huán)境中生長。即便如此，液泡的儲鹽量畢竟有限，只能延遲，但不能避免細胞質中鈉濃度的上升，所以耐鹽植物同樣要通過落葉的方式排鹽。

胡楊（Populus euphratica）是在我國新疆沙漠地區(qū)生長的主要樹種之一，耐旱、耐鹽，它就能在液泡中儲存氯化鈉。與抗鹽有關的離子泵，例如上面提到的高親和力鉀轉運蛋白（HKT）、P-型ATP酶、防止蛋白變性的 Hsp20、Hsp70 和 Hsp90等蛋白的基因數(shù)都增加，以合成更多的這些蛋白質。胡楊還增加甜菜堿（betaine）的合成，以增加細胞的滲透壓，使根部更容易在干旱和土壤中高鈉離子的情況下吸收水分。這些變化使得胡楊能在200 mmol／L 的鹽水中生長，在 450 mmol／L 的鹽水中存活，而這已經幾乎是海水的鹽濃度。不過由于耐鹽植物要付出更大的代價才能在高濃度的鹽水環(huán)境中生活，它們的生長速度一般很慢。絕大多數(shù)植物還是選擇低鹽環(huán)境。

由于植物也是從原初生物演化而來的，植物對于鉀的喜愛和對鈉的躲避更清楚地顯示，最初的生命是在高鉀低鈉的環(huán)境中產生的。

9 生物的不變與演變

原初生物的三大遺跡（最早的RNA 世界、細胞內的還原狀態(tài)，以及細胞內的高鉀低鈉）表明，原初生物在形成之后，其最基本的化學反應條件即被固定，以后不可能再改變。這主要是因為細胞中的化學反應是由酶（無論是RNA，還是蛋白質）催化的，而酶是生物大分子，它們的功能都需要特定的三維空間結構，這就與金屬離子的種類和氧化還原狀態(tài)密切相關。一旦形成并且在當時的環(huán)境條件下完成了優(yōu)化過程，以后就無法再變。即使經過幾十億年的漫長時光，這些最初的反應和環(huán)境條件仍然必須保留，這就是生物有以上遺跡的原因。

在這三大遺跡中，第一大遺跡（生命最早的RNA 世界）其實是與第三大遺跡（細胞內高鉀低鈉的環(huán)境）相連的，因為RNA 催化肽鏈合成的反應就需要鉀離子，而且至今仍然是所有生物合成蛋白質的方式。由于生物的生存環(huán)境后來變成了高鈉低鉀，這2 個遺跡都要讓生物付出代價，即永遠需要細胞不斷地消耗能量將細胞內的鈉離子泵出去。第二大遺跡，即細胞內還原的環(huán)境，也需要生物付出代價，這是原初生物在還原的環(huán)境中形成后，大氣中又出現(xiàn)氧造成的，細胞也必須不斷地合成谷胱甘肽這樣的還原性分子，才能在細胞外幾乎無處不在的氧化環(huán)境下維持還原狀態(tài)，否則蛋白質的功能就不能正常發(fā)揮。如果生物讓細胞內的這些基本狀態(tài)改變以“適應”細胞外高鈉低鉀的環(huán)境，或者大氣中氧化的環(huán)境，這些代價都不必再付出，但是迄今為止，沒有任何生物能這樣做。

生物細胞內三大遺跡的存在說明，地球上生命的基本性質是不能改變的。而且正是因為原初的反應條件已經進行了優(yōu)化，達到最佳工作狀態(tài)，生物才能在此基礎上不斷演化，形成千千萬萬種不同類型的生物。換句話說，生物的千變萬化，正是以細胞中的基本生命活動方式不改變?yōu)闂l件的。即使地球上環(huán)境條件的劇烈變化曾經多次造成了大部分生物物種的滅絕，但是生物總是能“柳暗花明又一村”，從滅絕的邊緣恢復過來，并且發(fā)展出新的物種，包括人類。從這個意義上講，應該感謝在原初條件下形成的生物的優(yōu)越特性和頑強的生命力，而不是試圖改變這些特性。

也可換一個角度來看：也許正是因為有當初地球上高鉀低鈉的環(huán)境，才使生命的出現(xiàn)成為可能，因為細胞最基本的生命活動，特別是蛋白合成，是依賴鉀離子，而不是依賴鈉離子的。由于形成原初生命的分子（例如氨基酸、脂肪酸、組成核酸的嘌呤和嘧啶）在星際空間廣泛存在，其他星球上的生命也可能與地球上的生命相似。如果是這樣，這三大遺跡也許還對生命在其他星球上的產生提出了更嚴格的條件：即不是在所有的液態(tài)水中都能產生生命，還要看液態(tài)水中所含的離子是什么。