重水生物代谢作用

在化学研究中，重水（D₂O）经常被用作核磁测试化合物的氘代试剂（图1）。同时，人们自从发现重水后，就对其在生命代谢中的作用产生了浓厚的兴趣。水（H₂O），是生命之源，那么重水（D₂O）可以喝吗？美国布尔茅尔学院的化学家兼作家Michelle Francl深入发掘历史文献，用生动的笔触，回顾了生物化学界研究、探讨重水生物代谢作用的历史 ^[1]。

图 1. 用于化合物核磁测试的重水（D₂O）。图片来源于网络

图2. Michelle Francl教授。图片来源：Bryn Mawr College

对重水研究的兴趣，起源于Michelle Francl教授的普通化学课。在一次课堂谈论同位素稀释的过程中，一位学生举手问道：“如果用重水来泡茶会发生什么？”，“我想没什么，我甚至不会注意到（身体有何反应）。”教授回答，但是这个有趣的问题吸引了她，Michelle Francl教授也不太确定重水喝多了会发生什么，但是她想找到问题的答案。随着探究的进展，她发现重水对生命系统影响的研究过程还颇具传奇色彩，涉及3只小鼠、20尾金鱼和若干包括诺奖得主在内的科学家在自己身上做的实验，甚至与传说中的星际旅行和延年益寿有联系。一杯重水，激发出了科学家对生命延长的憧憬和幻想。

故事还是从一杯茶开始。20世纪10年代，匈牙利化学家George de Hevesy（1943年的诺贝尔奖获得者）在英格兰Ernest Rutherford（卢瑟福，1908年的诺贝尔奖获得者）实验室做访问学者。1913年的一个下午，他和Henry Moseley（原子序数的发现者）享受着英式下午茶。Hevesy此前将镭加入铅中以追踪植物的代谢路径，他对Moseley说，希望有一种方式能追踪茶中单个水分子是如何穿透身体的，而才华横溢的Moseley不以为然。

图3. George de Hevesy （左）、Henry Moseley（中）、Harold Urey（右）。图片来源于网络

21年后，Hevesy在Harold Urey（因为发现氘获得1934年诺贝尔奖）帮助下完成了这一设想。1934年，Urey寄给Hevesy几升含0.5%氘的水。Hevesy和他的助手Erich Hofer将20尾小金鱼（金鱼总体积只有10毫升）浸没到60毫升含0.5%氘的水中，时间长达15个小时。随着时间的推移，过度拥挤的金鱼快速交换容器内的重水。当容器中水的氘化程度下降到0.2%时，这些金鱼在行为上没有变化。

由此，Hevesy认为少量饮用重水应该是安全的，并准备进行21年前他对Moseley描述的那个实验，可惜的是Moseley早已在多年前的一战中阵亡，可能Hevesy此举也有纪念老友的意思。受试者分别喝了100毫升和250毫升含0.46%氘的样品水，并最终喝了2升以使得体液氘化浓度达到百万分之一，不过从现有文献已经无法得知受试者是不是Hevesy或Hofer本人。他们每隔一段时间收集受试者的尿液并蒸馏出水来测量其密度，这样前后做了超过1000次蒸馏。Hevesy发现，水在人体内的循环速度要远远小于金鱼，在人体内半衰期是9天多一点，受试者没有报告不良反应，也没有任何结果表明氘化水有特别的味道。

几个月后，挪威奥斯陆大学的Klaus Hansen教授做了一个大胆而冒险的实验 ^[2]。他集中了20世纪30年代挪威能够具备的所有抢救设施，包括4名急救医生和胃泵。随后，他吞下了一茶匙重水。整个过程没有异样出现，但是他反馈喝完后有“干灼感”。Hansen教授是一位喝纯重水的勇敢先驱，但笔者要警告大家这样的实验有巨大风险，绝不能模仿！

图4. Klaus Hansen（左）。图片来源于网络

针对Hansen教授的味觉体验，Urey作出回应。他做了一个盲测实验：受试者各取重水和普通水1毫升，并不清楚所取得是那种类型，以品尝酒的方式，分别尝两种样品。受试者的报告分析表明，重水和水味道一样。由于重水价值昂贵而有限（Hansen实验中消耗的重水在当时价值10万美元，且这个总量相对于人体的含水量来说微不足道），Urey教授认为这样的实验是一种浪费。他认为，要知道重水在哺乳动物中的效应，这些重水本该用于一些更小的动物，如小鼠。

同年，加州大学伯克利分校的Gilbert Lewis给1只小鼠饲喂不到1毫升纯重水。相对于空白对照组的小鼠，受试小鼠表现如同喝醉了一样，但是除此之外没有表现受到不良影响。但是，Lewis没有收集任何生理数据，实验甚至没有提供氘化生物影响的更多信息。这样的无数据实验当然说服力有限。最终，Henry Barbour和Jane Trace弥补了Lewis的缺憾，他们的研究数据显示，用重水替换小鼠40%的体液是致命的。这也印证了Hevesy在他第一篇关于重水生物效应文章中的直觉判断。令人意外的是，当更多高等生物包括植物不能耐受高剂量的重水时，一些细菌却能在98%的重水含量下存活。

后来的发现表明，同位素取代在人类的代谢反应中也产生了深远的影响，并且这种现象与年龄可能有关。这使得学者们推测，重水可能有“延年益寿”的作用。真是这样吗？事实上，几乎从第一个重水样品被分离出来开始，就有不少人推崇它是万能灵药，这里面有骗子，也有杰出的化学家。在一篇发表于1937年的Popular Science 文章中^[3]，化学家James Kendall认为老年人喝重水能够延年益寿，喝重水者的代谢反应可能会变慢，其神经系统反应也可能变慢。

图5. 提出喝重水延年益寿的James Kendall。图片来源于网络

2016年，在Xiyan Li和Michael Snyder的一篇文章中 ^[4]，他们推测重水可能诱导一种代谢缓慢的过程，触发休眠状态，而这有望成为星际旅行所必备的技术。他们在酵母细胞模型中观察到，细胞衰老过程中同位素（包括氘）被严重耗尽。重水似乎打开了星际旅行的大门？

Michelle Francl教授的文献研究越深入，出现了越多令人惊讶的见解。有人在果蝇氘化处理中，提高了它们针对高温的恢复力，这是否意味着在饮食中调节氘也许能帮助我们更好地适应一个更加炎热的世界？凡此种种，不一而足。

最后，Michelle Francl教授回到了最开始课堂上被问到的问题，“如果用重水来泡茶会发生什么？”她在文中写到，“喝一杯重水泡的茶可能没什么太大风险，我甚至还会举杯向Hevesy、Hofer和Moseley致敬，但我却不会真的去品尝。不知你会不会？”

参考资料：

1. The weight of water. Nat. Chem., 2019, 11, 284–285, DOI: 10.1038/s41557-019-0242-9

https://www.nature.com/articles/s41557-019-0242-9

2. D₂O-A Proven Technique for Extending Lifespan

https://omnivorenz.wordpress.com/2012/09/29/d2o-a-proven-technique-for-extending-lifespan/

3. Pop. Sci., 1937, 130, 22–23

4. Can heavy isotopes increase lifespan? Studies of relative abundance in various organisms reveal chemical perspectives on aging. Bioessays, 2016, 38, 1093-1101, DOI: 10.1002/bies.201600040

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/bies.201600040