2009年10月14日星期三

科学松鼠会

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【世博中的科学传奇】之凝固的乐章(下)

Wed, 14 Oct 2009 01:30:16 +0800

【世博中的科学传奇】之凝固的乐章(上)

如果说每届世博会的中心建筑都力求具有符号意义,1939年纽约世博会的"泰龙"和"佩利球"可谓最成功的范例。设计者是日后负责建造联合国大厦的哈里逊和同伴伏霍克斯,他们的方案从1000多个竞赛作品中获胜。"泰龙"是底边63英尺、高700英尺的正三棱锥,"佩利球"则是建在喷泉上的直径180英尺正圆球。三棱锥以最小体积达到最大高度,圆球则以最小表面积达到最大容量,这两个纯白色的巨大建筑有3000吨钢铁骨架和轻质石膏板外层,屹立在1000根防腐处理过的花旗松桩体和1500立方米钢筋水泥基础上,用世界最长的电动扶梯连成一体。尖塔和圆球既强烈反差又高度和谐,既阴阳分明又"伉俪相得",成为法拉盛公园极具视觉冲击力的地标。靠着圆规直尺最简洁的几何语言表达深邃的思想和昂扬的激情,"泰龙"和"佩利球"被视为"现代派"建筑的标本。这对"鸡蛋与大头针"也启迪着"未来派"和"立体派"的灵感。可惜"泰龙"和"佩利球"在纽约世博会结束后便匆匆拆除,将钢材用于二战的军需生产了。

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1939年纽约世博会"泰龙"和"佩利球"


当人类从第二次世界大战的废墟上重建文明,广岛蘑菇云的阴影和冷战核威胁的利剑仍然在空中高悬。原子,这个释放出巨大能量的精灵成了全球持续关注的"头版头条"。1958年布鲁塞尔世博会上,沃特金设计的标志性建筑"原子塔"恰好回应了人类渴望和平利用原子能的呼声。幸运的是,比利时钢铁企业曾经准备建造一座"头朝下"的埃菲尔铁塔但最终没有实施。更幸运的是,"原子塔"作为"临时建筑"也像埃菲尔铁塔一样在世博会后被永久保留下来,并成了比利时的象征。如果当年建造成"拿大顶"的埃菲尔铁塔,就没有今天几乎和埃菲尔铁塔并肩比美的"原子塔"了。

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1958年布鲁塞尔世博会原子塔


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原子塔内部电梯

在核子反应中,铁是重元素裂变和轻元素聚变的共同终止点。纯铁在912摄氏度以下,微观空间结构是9个铁原子组成的"体心立方晶格"。沃特金"偷窥"了大自然的设计蓝图,将"原子塔"建成一个放大1650亿倍的铁晶胞。9个铝制外壳圆球代表9个铁原子,每个直径59英尺,彼此用直径10英尺的钢管连接并安装电梯,远看恰如铁原子之间的金属键。圆球在夜间发出的熠熠闪光则象征着电子云。原本设计让"原子塔"像芭蕾演员那样一个"足尖"着地,但为了确保塔身屹立不摇,还是让3个下层"铁原子"各长了一条倾斜17度的"腿"。钢筋水泥基础深57英尺,共打桩123个。沃特金还用"原子塔"整体模型进行了几个月的风洞实验,让这个"玩杂技"的特型建筑能抵御最强的飓风。塔内最先进的电梯可在23秒内从地面到达335英尺高的顶端圆球。透过有� �玻璃窗口仰观俯察,世博会展区尽收眼底,滑铁卢风光也遥遥在望。原子塔是"原子时代"的徽记,消除人们对原子的恐惧并激发对原子的兴趣,也兼顾了展示比利时钢铁企业的初衷。

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1962年西雅图世博会"太空针"

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1962年西雅图世博会"太空针"内部结构

突飞猛进的世界转眼间又把历史改写成了"太空时代"。1957年10月4日,苏联发射了第一颗人造地球卫星,美国随后急起直追,"太空竞赛"由此拉开序幕。1962年西雅图世博会的主旨是"太空时代的人类",格雷厄姆公司设计的标志性建筑"太空针"就充分体现了"时代精神"。拔地而起的3只钢架凌空会合又彼此张开,轻轻托举着一只硕大的"飞碟",充满了神奇浪漫的科幻气息。"太空针"高605英尺,最宽处138英尺,成为密西西比河西部首屈一指的地标。加州理工大学和华盛顿大学建筑系教授都参与了工程设计,"太空针"足以承受每小时200英里的飓风和9级地震,这种超常的稳定性和安全性来自10米深、6000吨重的钢筋水泥基础。当地下部分的质量几乎和地上部分相等,"太空针"的重心仅仅高于地面1.5米。一个广为流传的笑话说,"太空针 ��上的"UFO"是美国总统在地球遭到劫难时逃往外星的飞船。可惜肯尼迪总统按动西雅图世博会开幕的电钮后,还没来得及一睹"太空针"的芳容。他的遇难也纯属祸起萧墙。

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1964年纽约世博会不锈钢"地球"

1964年纽约世博会继续紧扣"太空时代"主题,美国钢铁公司在法拉盛草地公园的"泰龙"和"佩利球"旧址地基上树立了一个高140英尺,直径120英尺,重90万磅的不锈钢地球,成为本届世博会醒目的标志。这个"地球上最大地球"建造起来颇有难度,因为"五大洲"质量分布极不均匀,严重的偏沉和"头重脚轻"需要在结构上平衡。而点睛之笔和破题之处是"地球"外面的三道不同角度的圆环。分别标记苏联宇航员加加林、美国宇航员格林和第一颗通讯卫星绕地运行的轨道。最初设计方案准备让已有的十几颗人造卫星全数出台,但一来高低远近错杂,二来其中的同步卫星根本没有相对于地面的轨道,于是最终选择三个作为代表,已经足够显示人类在"太空时代"的辉煌成就了。

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1873年维也纳世博会圆型大厅

回望不同时期和不同国度举行的世博会,主场馆建设总是议事日程上的第一要旨。1873年维也纳世博会工业宫的圆型大厅高84米,直径108米,比伦敦圣保罗教堂大3倍多,比罗马圣彼得教堂大2倍多,使用锻铁4000吨,设计人鲁赛尔正是1851年伦敦世博会建筑委员会"大穹顶"方案的"始作俑者"。这位发现了"孤立波"理论并和布鲁奈尔共同建造大东方号轮船的著名工程师重新拿出1851年伦敦世博会尘封的蓝图,在此基础上设计了维也纳世博会雄伟的殿堂。20多年前"让贤"给水晶宫的"大穹顶"总算"魂兮归来",施特劳斯专门创作并指挥演奏了"圆形大厅方阵舞曲"。这座被称为"世界第八奇迹"的建筑1937年毁于大火;1880年墨尔本世博会的主建筑是瑞德设计的皇家展览馆,217英尺高的圆顶酷似佛罗伦萨大教堂,成为南半球的工程奇观,2004年被联 ��国评定为澳大利亚第一例世界文化遗产,这是现存的最早世博会遗址;直到第二次世界大战以后,主办城市设计标志性建筑的传统仍然相沿不废,1970年大阪世博会上,享有"日本毕加索"盛誉的冈本太郎建造了70米高的太阳塔,它像古老原始部族的图腾,三副面孔诉说着人类过去、现在和未来;最令人感动的一则故事来自1988年的澳大利亚布里斯班,当世博会"曲终人散"后,88米高的标志性建筑"摩天针"将被卖到万里之外的日本东京迪斯尼乐园,但就在拆卸装运的一个小时前,布里斯班的理发业"大哥大"艾科瑞尔慷慨解囊,买下了这座铁塔。在艾科瑞尔看来,"摩天针"已经是布里斯班大地的血肉,凝聚着这里人民主办世博会的骄傲和光荣。

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1880年墨尔本世博会皇家展览馆

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1970年大阪世博会"太阳塔"

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1988年布里斯班世博会"摩天针"

当那些标志性和仪仗性的雄殿高塔在世博会上巍然耸立时,公众常常更关心另一类平凡的建筑。1851年伦敦世博会上,阿尔伯特亲王自己花钱主持设计的"劳动阶级住房"获得了评委特别奖和建筑大奖。随着英国工业化进程和城市人口膨胀,"普罗大众"恶劣的居住条件和卫生环境已经成为日益严峻的社会问题。英国为此成立了"劳动阶级生活改善协会",阿尔伯特担任主席。世博会上展出的这套2层楼公寓可供4个家庭居住,整栋房屋用刚刚发明的空心砖建造,既降低成本又保暖和隔音。英国议会拨款4万英镑建造这种"经济适用房"。世博会结束后,"阿尔伯特住宅"随水晶宫迁移到辛登汉,可惜"天下寒士"却受益不多。1867年巴黎世博会上,拿破仑三世也主持设计了"劳动阶级住房",并且获得世博会大奖第一名。不能说这位法国末代皇帝� 向阿尔伯特"见贤思齐",法国当时正大刀阔斧推行重建巴黎计划,将中世纪的穷街陋巷改造成现代化的通衢大道,拆迁安置工程极其浩繁。为减少阻力并争取民心,拿破仑三世在世博会上展出"经济适用房"也算用心良苦。

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1851年伦敦世博会阿尔伯特亲王"劳动阶级住宅"

真正对全世界住宅模式产生深远影响的人,要首推国际建筑界泰斗柯布西耶。他在1925年巴黎世博会上展出的"新精神馆"一如1922年建造的雪铁龙住宅,大胆抛弃繁缛浮华的装饰,崇尚简洁清新的风格,完美诠释了著名的"新建筑五原则"理论。柯布西耶将房屋视为"住人的机器",是街道和城市的"零件"。甚至认为人不能安居是一切社会动乱之源,只能用流水线大批量建造住宅来解决。正统而权威的"法兰西学院派"大起恐慌,修起一道20英尺高的围墙"封杀"柯布西耶"离经叛道"的展览,并否决国际评委授予的一等奖。但效果适得其反,柯布西耶的名字和理念从此更加风靡全球、如日中天。

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柯布西耶

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1925年巴黎世博会柯布西耶的"新精神馆"

"住房问题"成为公众关注的"热点焦点"是在1933年芝加哥世博会上。美国各大开发商联手举办了"明天的住宅"展览,11座"精装修"的"样板房"在密歇根湖畔各展风姿,分别用钢材、玻璃、砖石、木材等预制件组装,新式家具与空调、冰箱、洗碗机、洗衣机、吸尘器等一应俱全,有的还设计了电动控制大门和飞机库。但必须确保造价不超过普通人的收入水平。"明天的住宅"代表了最新设计理念和建筑技术,在经济大萧条的年头,唤起了人们营造温馨家庭的梦想和追求美好生活的信心。世博会结束后,印第安纳商人将其中5栋房子装船运回家乡,如今已被国家公园确定为历史文物。

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1933年芝加哥世博会"明天的住宅"之一

披读浩瀚的世博会文献,几乎每届都不曾忽略"住宅问题"。1967年蒙特利尔世博会的"栖居67"成了最大亮点,加拿大建筑师萨夫迪把自己在麦吉尔大学读书时的硕士论文加以发挥,建造了一座形貌怪异、惊世骇俗的住宅楼。原规模为900套公寓,实际只完成大中小不同户型158套。这是354个浅黄色立方体的"叠床架屋"和"堆金积玉"。萨夫迪希望在拥挤的都市充分利用宝贵地皮,交错的蜂窝结构小单元能让建筑表面积最大化。整个公寓望上去重楼争出、内室互藏,每家既享受充足的空气阳光又能保障基本的隐私空间,而低廉的造价可惠及广大工薪阶层。没人料到"栖居67"日后竟变成了最昂贵的楼盘,并被确定为蒙特利尔的历史文化遗产。

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1967年蒙特利尔世博会"栖居67"

世界建筑行业是一个"代有宗师、辈出高贤"的科技和艺术前沿。广阔的国际性让世博会成为四海名家风云际会的大舞台,短暂的临时性又让各种尖新材料和前卫理念找到独一无二的试验田。1929年巴塞罗那世博会上,包豪斯学派主将密斯设计的德国馆是"魏玛共和国"的"形象工程",薄薄的顶板如同漂浮在8根镀鉻的十字断面钢柱上。展馆没有封闭的单个房间,没有确定的"内外"界限,墙体之间既阻隔又连通,既合围又开放,形成自由的"流动空间"。除了准备接待西班牙王室用的几把"巴塞罗那椅"和一张深红色天鹅绒帷幕,展馆可以说是"家徒四壁",建筑本身就是展品。水池中静立着艺术大师科尔贝创作的女身雕像"早晨",望之使人意远。建筑使用的材料极其考究和高雅,包括最名贵的大理石、石灰华、金石英、縞玛瑙和灰、绿� 白及半透明的玻璃。密斯的格言"少即是多"、"上帝就是细节"在这里得到最准确的注解。巴塞罗那世博会德国馆只存活了短短6个月,但却作为现代派的经典而获得永生。1986年,按照部分设计图纸和有限的黑白照片,后人在巴塞罗那世博会旧址上复原和重建了密斯当年的不朽之作。

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西班牙王室为1929年巴塞罗那世博会德国馆揭幕

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1929年巴塞罗那世博会德国馆

柯布西耶和世博会打了三十多年交道。1937年巴黎世博会上,他设计的"现代馆"以钢铁为骨架,曲面屋顶看去如犹太帐篷,使用了许多飞机结构元素。1958年布鲁塞尔世博会前夕,荷兰飞利浦公司为避开美国彩电的锋芒,决定不展示产品而展示技术。71岁的柯布西耶正致力于印度旁遮普邦首府昌迪加尔整体城市规划,在接受飞利浦展馆的设计委托时说:"我会给你们一首电子诗。而场馆只是光线、色彩、影像、声音、韵律的容器"。飞利浦展馆双曲面屋顶看上去翩若惊鸿,将飞欲翔,而形状如同"牛胃"的内部空间则严格按照声学谐波原理设计,"凝固的音乐"通过数学的规范,和350个喇叭里"流动的音乐"完全融为一体。

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1958年布鲁塞尔世博会飞利浦馆设计图

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1958年布鲁塞尔世博会飞利浦馆

著名芬兰建筑大师阿尔托也是在1937年巴黎世博会上崭露头角的,他和妻子艾诺共同设计的芬兰馆让世界领略了斯堪的纳维亚建筑的魅力和森林的芳香。1939年纽约世博会上,阿尔托将现代技术和传统风格成功结合,他的作品再次获得大奖,最终奠定了芬兰建筑的国际地位。

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1964年纽约世博会IBM馆

世博会建筑中的名作佳构是指不胜屈的。1964年纽约世博会IBM馆如同布满浮雕暗纹的白色巨蛋漂浮在铁树丛中,每次吐纳500观众的"人墙"重30吨,像沿着45度伸进伸出的大舌头;1967年蒙特利尔世博会的德国馆占地8000平方米,8根钢铁的桅杆和50厘米直径钢缆结成的索网支撑起半透明的白色涤纶帐篷,这一轻型化大跨度的建筑成为1972年慕尼黑奥运主场馆的先声。1970年大阪世博会的富士馆和美国馆都使用了充气膜结构,树脂玻璃纤维膜鼓胀起来后靠悬索支撑,富士馆"吹起"了16个拱门,美国馆则"吹起"了长142米、宽83米的椭圆形大屋顶。这种带有"气球元素"的建筑特别适合地震多发区。1998年里斯本世博会的乌托邦馆长200米,宽120米,拥有17500个座位,是世界上跨度最大的半埋式木材建筑。胶合木质构件长达115米,闪闪发光的锌皮椭圆屋顶酷似 ��海大发现时代倒扣的船底。每一届世博会都是建筑的"群英会",尽管大多数作品只能昙花一现和流星一闪,但却为文明进步留下了宝贵的积累和丰厚的资源。

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1967年蒙特利尔世博会德国馆

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1970年大阪世博会富士馆

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1970年大阪世博会美国馆

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1998年里斯本世博会乌托邦馆建造中

新千年来临之际举办的2000汉诺威世博会对场馆建筑实行了"约法三章",称为"汉诺威原则"。9项条款的要旨在于可持续发展和保护自然生态。要求所有建筑应消除对环境的负面影响,减少使用不可再生资源,注重建筑的长久价值,呼吁建筑师对自己作品的后果负起责任。参展国家都以实际行动积极回应。36米高的荷兰馆展出了6个生态小区,探索在幅员狭小的国土上如何有效利用空间,楼顶6个风车发出的电力供展馆使用。芬兰馆"风巢"的建筑木材经过热处理后具有更高强度和尺寸稳定性,馆内种植了90棵从芬兰运来的白桦树,世博会结束后将和展馆一起在汉诺威的土地上安家。日本展览馆则是一座 36000平方米的"纸房子",纸管建成的蜂房结构支撑起宽敞的拱形长廊。全部材料都能重新回收利用,地基也不用水泥浇注而建在装满沙土的钢铁箱体上,以免日后拆除困难。2005年爱知世博会和2008年萨拉戈萨世博会继续对汉诺威原则宗奉不渝,各类环保建筑、生态建筑、节能建筑层出叠现。这是建筑哲学和建筑伦理的重大转变。

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2000年汉诺威世博会荷兰馆

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2000年汉诺威世博会芬兰馆

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2000年汉诺威世博会日本馆

2010年上海世博会的标志性建筑无疑是中国工程院士何镜棠设计的"东方之冠"。从344个应征方案中夺魁后,"东方之冠"于2008年12月18日破土动工。这座高63米、地上建筑面积3万平方米的"国之大器"为层叠出挑的斗拱结构,望去如庄严而神秘的红色冠盖。周边是秀色可餐的江南园林景观。太阳能屋顶和冰蓄冷设施则体现了科技与环保元素。建设者们将这座"浦东巨观"解读为中华民族的端方长厚,华夏文明的潜德幽光,"百年圆梦"的天慰民欣。建筑的得失固然需要历史来评价,但"东方之冠"无疑写进了世博会主要建筑的"家谱",成为世博历史上一个新的"庞大存在"。

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2010年上海世博会"东方之冠"

"建筑是凝固的音乐",歌德的名言永远都不过时。五大洲的建筑师们正怀才抱志,把不同国家的精、气、神和民族文化的真、善、美凝固在建筑的乐章中,让世界用眼睛去聆听和欣赏。500公顷的上海世博园区将是又一次大型的"建筑音乐会",奏响人类永无止境的创造之歌。

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端粒,好好看住别丢了!

Wed, 14 Oct 2009 01:00:57 +0800

男友发来短信说:"诺贝尔被你们细胞学拿了,听着也不是啥重大突破啊……"

面对他对我一天16小时拼了小命也玩不转的学科赤裸裸的小视,我立刻精神抖擞地回复:"咋不重大?发现端粒可以和发现DNA结构相提并论,而且关系到我们是不是能一起变老。"为了不让他继续遭受鄙视,我得赶紧给他恶补一下。

爬在染色体的尽头——端粒

在细胞学家眼里,你和宋祖英一样美(套用崔永元语录)。

因为人都是由数以兆记的微小细胞组成,如果从你俩脸蛋儿上各取一颗细胞,不管看外皮还是内瓤,我敢保证没人能轻易分辨出它们的区别。现在你明白我们讨论的是什么量级的事儿了吧!

标准的细胞好像一个桃子,剖开桃子见桃核——"细胞核";再剖之,里边塞满了几十条染色体,每条都是由一根很长的DNA链盘绕而成,这根链便记录了你所有的遗传信息(如果你不明白遗传信息如何记录,请想象"GAC"三个碱基代表"丑","ATC"代表"八","TGC"代表"怪",你的DNA排出GACATCTGC,意思是你是"丑八怪",以此类推)。细胞核里的染色体是可以通过显微镜观察到的(下图),经过特殊的染色,它们就显现成了图中那一根根蓝色的粗面条,注意,这不是卡通画,是货真价实的显微照片哦。你(或者宋祖英)的绝绝绝绝大多数细胞里都有23对这样的染色体粗面条……

打住!说了半天还没有扣题,"端粒"在哪儿呢?还是这张图,你一定无法忽视那一粒粒耀眼的黄色颗粒,很明显它们标记了染色体面条两个末端。它的本质和染色体一样,都是DNA序列,人们叫它Telomere,意思是染色体末端(telos)的部分(meros),中文翻译更是形象——"末端的颗粒",简称"端粒"。

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话说端粒这个概念早在七八十年前就诞生了,那时的人们观察到如果细胞核中的染色体失去了末端这一坨(knob),就好像没盖盖儿的胶棒,容易粘在一起,或者干脆折掉,然后细胞也遭殃了。至于端粒为什么能起到这种效果,不得而知。

此处快进五十年。诺贝尔奖得主Elisabeth Blackburn还是一名初出茅庐的助理教授,整天和一些名叫"四膜虫"的小生物打交道。四膜虫通体透明,一身只有一个细胞(和你自己比比,你一身有10^13—10^14个细胞!),一辈子的使命就是在水里不停地游来游去,边游边张着大嘴,把一路能吃的全扒拉到嘴里去(下图,是四膜虫在追吃可怜的大肠杆菌)。这位E.B.教授把可怜的四膜虫捣烂,取出染色体,把末端的碱基全破译出来(相当于上图黄色部分的DNA序列)。她发现这些末端只是TTGGGG这样一段序列的不断重复,却并不记录任何遗传信息。这难道就是"端粒"的全部秘密么?好奇怪啊!

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故事本可以就此打住,可是科学史上从来不乏幸运时刻——E.B.教授在开会的时候同另一位Jack Szostak教授插科打诨,J.S.教授哭诉说:"科学难做!酵母不听话,我把最喜爱的DNA塞给它们,结果不一会儿就被这些酵母给弄光了……"E.B.教授头脑风暴了一下:"咦?不如把我新发现的末端奇怪序列安在你最爱的DNA两端试试?"结果J.S.教授最喜爱的DNA在酵母中保住了,屡试不爽。

我们得到了什么结论?一条DNA两端的特殊重复序列——端粒,可以守护整条DNA!看,如果你早明白这个道理三十年,你也可以拿诺贝尔奖,真是失之交臂。

什么DNA啊,序列啊,如果上边这些复杂玩意儿你都没明白,那也不要紧!这么说吧,端粒之于染色体,好像鞋带两头儿的小塑料套和一根美丽鞋带的关系。如果没有小塑料套,由几股绳编起来的鞋带儿就要散架(下图);同理,如果没有端粒,你的染色体就劈叉儿、磨秃。你说这么重要的东西值不值一个诺贝尔奖?

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鞋带头上的塑料套必须非常牢固,染色体尽头的端粒也得制作精良。在许多低等的细胞中,端粒只是被一些蛋白抱住,好像染色体末端被胶粘起来;而在高等一点的生物中,端粒会折回,再固定一下(下图),好像DNA链的末梢给打了个活结。

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有的端粒更牛,还编出复杂的三维"花样结"(见下图)。

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爬在端粒的尽头——端粒酶

前边提到的E.B.和J.S.都抱得诺奖归。别急,第三位Carol Greider也出场了,她做出重大发现的时候,还是E.B.的学生呢。

女子师徒二人档苦思冥想,细胞里究竟有什么神奇物质,可以给DNA的末端加上端粒?C.G.和她的老师一样,也把四膜虫捣烂了……只不过她要的不是DNA,而是"榨取液"。

C.G.向得到的榨取液里加了点DNA引子(术语叫"引物"),结果榨取液就自动在引子后边续了端粒。听起来简单?你先别撇嘴。这件事情的神奇之处在于,我们都知道细胞中DNA不是凭空合成,需要先有一个模板,再照样合成,而C.G.实验中的端粒,可是在只有引子、没加模板的情况下生出来的——发生这件奇事正是在1984年的圣诞节,上帝估计想让C.G.赶紧做完实验回家过节。(苍天啊~可怜的生物博士生!)师徒二人继而在细胞榨取液里确定了专门负责加端粒的蛋白,起名为"端粒酶"(Telomerase)。

让我们把虚无缥缈的DNA、蛋白付诸一幅图:下图中绿色的双股绳代表细胞核中的双链DNA,扯住DNA末端的小作坊是端粒酶,它的生产线上自带模板(屋檐下的黄色序列,在四膜虫中这段应该是AACCC),照着这段模板的样儿就给DNA末端反复不断地延长了几截(也就是E.B.早年在四膜虫中发现的TTGGG重复)。因为小作坊自带模板长度有限,没有花样,所以被加上去的端粒只好是短序列的反复重复了。

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端粒酶不是倒霉的总被碾碎的四膜虫的专利,你的细胞核里也有。它们为你的染色体续上端粒,就保护了你的染色体,你的细胞,也就是整个的你。

"What's my age again?"

相信许多人在开心网上都玩过"你的真实年龄是多少?"的小测试。人们总是希望游戏算出的"真实年龄"比他们的生物学年龄小。实际上,你再怎么装嫩,再怎么整容,生物学年龄也无法掩饰,它早就被端粒写进了你的每个细胞里!

最早发现这个秘密的人竟是一位对端粒听也没听说过的苏联生物学家Alexey Olovnikov,当然这不怪他,那时E.B.才本科毕业,C.G.才上小学,四膜虫还在水中畅游。在一个莫斯科郊外的晚上,A.O.教授在站台上等地铁,他看到乘客总是在列车中段上下车,而因为司机不够专业,地铁的末节车厢恨不得都藏在隧道里(不像北京,所有车厢的门都能对准地上贴的小箭头);如果车启动时末节车厢脱钩,前边准是嗖嗖跑掉,根本不会注意到车厢都丢了(如下图),这个地铁系统,真糟糕!走神不忘老本行,A.O.转念一想:没准细胞分裂就像每次列车停站;染色体末端不携带遗传信息,好像没有乘客的末节车厢,每次停站可以允许丢掉一点;可要是丢的次数多了,总有一天细胞会受不了的——好像把中间有乘客的车厢也给丢了。他提出一个特别有前瞻性的假说:有多少"末节车厢"可以丢,决定了车能停靠几次;而染色体有多长的末端 ��以丢,最终必然决定细胞能分裂多少次。有点悲观……从乐观的角度考虑,有一个可供丢失的末端,不正起到了保护染色体的作用么。

你看,学习了前边的内容,连你都能把列车停站的故事翻译成现代生物学语言——端粒的长短预示了细胞寿命。这就是为什么,细胞不能无休止地分裂下去,换句话说:你我一定会一起慢慢变老,这是无法逃脱的宿命。

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当然,用丢掉末节车厢来说明衰老,这只是理论猜想。1986年,人们第一次获得了实验的间接论证:科学家发现,精细胞里的端粒比成人身体其他细胞的端粒都长,这说明和需要保持生机的细胞比起来,年老色衰的体细胞的端粒确实是变短了(Thank God…体细胞老就老吧,精细胞还要去制造下一代呢。By the way,想不想生下个真实版本杰明·巴顿?)。你没有忘记此前一年发现了端粒酶的C.G.吧,此时的科学家,"站在前人的肩膀上",就得出理所应当的推测:在端粒长长的生殖细胞里,端粒酶必定非常活跃,这在后来被证明是真的。

继续努力!证明端粒长短和人的衰老相关的实验结果频频传来。下边这幅图总结了人细胞中染色体端粒长短随着年龄的变化趋势,很明显,平均来说,人年龄越大,端粒越短。实际上,今天的科学家已经能够通过测量端粒长短,来判断死得面目全非的人的岁数了。

端粒长度,正如你寿命"生物钟"的指针。

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至于端粒特别短为什么和细胞衰老有关,如今列车丢车厢的故事只能用来自娱自乐,取而代之的是一些听起来毫无游戏精神的模型。一个说:如果染色体的端粒短到特别短,"关键短"(critically short),那细胞就会把这条染色体当作DNA损伤来处理,细胞想:"我的DNA都坏了,如果我复制我自己,人体主人不是就多了一个像我一样的坏细胞么。牺牲小我,我自杀!"然后它就不再增生,然后它死了。另一个模型说:端粒附近一带本来是鞋带头儿区域,是被禁锢住的,磨短了,只好向前多禁锢一点,前边本来是有用的区域,携带了遗传信息的,你把它禁锢住,细胞当然就不干了。

说到这里,你是不是在犯嘀咕:细胞里明明有端粒酶,为什么新生成一个精细胞,染色体的端粒就毫无差池地保持,而生成一个体细胞,端粒却会缩短?

不停延长端粒,你看你愿不愿意

人会衰老。老了就容易患上癌症。这些都不是巧合。

癌症的定义是"不受控制的细胞增殖",它逐渐漫布你全身,最后将整个躯体蚕食。这些坏蛋!万物终有尽时,它们凭什么能无数次分裂增殖,无数次靠站停车呢?答案是,在这些细胞中,端粒酶特别努力工作,把端粒加得很长,为细胞分裂增殖提供了充足的丢失余地。如果你英语够好,可以细看下表,其中最右边一列数字所表示的是:在所检测的这种细胞中,拥有较高端粒酶活性的细胞所占的百分比。毫无疑问,端粒酶在卵巢和睾丸中一贯活跃;而在体细胞中几乎销声匿迹;请注意最后一行,在可怕的癌变区域中,70-100%的细胞中都有端粒酶活性。

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要补充说明的是,体细胞中也有例外,比如制造新血和新骨头的造血干细胞和成骨干细胞,遇到外敌被活化的淋巴细胞,长头发用的毛囊细胞,更换皮肤用的上皮细胞……它们都要日日更新,随时戒备,因此端粒酶也很活跃,端粒茁壮成长。

癌症同衰老相关,它的产生是因为人体错误的不断积累,人越老,错误积累得越多,也就越容易达到阈值,以致不可收拾;但癌症的性状却正好和自然的"衰老"相反。正因了这种奇妙的矛盾关系,现在许多人都看好这样一个特别乌托邦的假说:端粒随着细胞分裂次数的增多(人的不断成长)变得越来越短,很可能是生物演化出的一种预防癌症的机制——为了长生不老而冒得癌症的危险,不值得,宁可短点儿——而这种保守的防卫措施是要付出代价的,那就是细胞自己的衰老和死去。看,生物在这个时候显得很不贪婪嘛。

我们是不是能"一起"变老,都是"命"中注定么?

上边几千字,基本上都围绕在小小的细胞核里的小小的染色体末端转悠。看来变老是由遗传物质决定的喽?坏消息是:more or less,果真如此……

为了说明这个问题,科学家曾经跟踪了六千个欧洲富婆。假设这些女人的富有程度不分高下,看她们的寿命和父母分别有什么样的关系。只选下图的"父女寿命关系"为代表,可以看出,爸爸寿命在75岁以上的,女儿寿命同爸爸寿命成正比——明确的遗传作用。那么另一个极端呢?有些不幸的人,由于基因的原因,他们的细胞只能生产一半剂量的端粒酶,这些人很年轻就会衰竭而死。

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等等,这似乎有悖常识——人的衰老程度当然和后天因素有关!想象你成天在井下挖煤苦大仇深,或者每天看海天一色多么怡然自得,那衰老程度能一样么?

事实果然正如你料(甚至有点Too good to be true…):最近这些年,若干实验室进行了若干统计,尽管其中有些的取样量并不能令人满意,不过趋势已经慢慢显现,比如:吸烟、肥胖、胆固醇高血脂高、心肺功能不好,甚至常吃成品肉的人(!),端粒较短;闲暇时光常常用来锻炼的人,端粒较长。

不光有生理因素,诺贝尔奖得主E.B.近年的研究发现:那些需要常年照顾重病儿,承受巨大心理压力的妈妈,端粒就短;另外,整天关注自己体重,并致力于节食的人(通常的结局是体重反而增加,同时心理压力极大),端粒也会缩短……

端粒啊,这么容易就动摇了你的长度,你难道是橡皮筋儿么?

然而,想想上边所有这些现象,一个最基本的问题仍然没有得到确凿的答案:端粒变短,究竟是衰老的指标(衰老顺便导致端粒变短),还是衰老的诱因(端粒在细胞分裂中不可避免的变短导致了衰老)。更添乱的是,虽然遗传病患者同时拥有端粒短和细胞衰老的症状;然而自然界中却有种奇怪的鸟,越老端粒越长,直到老死为止——这个事实无疑朝坚称"端粒短导致衰老"的人打了一个大嘴巴。

别说大自然中的衰老,就算在实验室中,科学家们成天嚷嚷着克隆克隆,他们甚至没法控制自己究竟能克隆出一个老头羊还是少儿牛。著名的多莉羊是只倒霉的克隆,她明明同万物生灵一样,由一颗胚胎发育而来,却有着出乎人们意料的短端粒;后来克隆的一只牛就幸运多了,人们用的原料明明来自一头老牛,却不知怎么激活了端粒酶,重塑出一只端粒长的年轻牛。(我知道你在琢磨什么。克隆人你就别想了!)

不过……

想想几十年前被人们当作非正常现象的末端重复序列,如今已成为细胞生物学乃至医学界的宠儿;你和我可以自豪地大笑:"当年人们竟然想不出染色体的后边为什么要拖着端粒!"

未来的人也会说:"哈哈,他们那帮21世纪初的人竟然不会人为缩短癌细胞的端粒,他们根本就不会控制癌细胞!"

希望有这么一天。

再扭头看看身边仍然挣扎在生活中的不幸的你,我能听到你寿命的生物钟"滴答"的声响。我很遗憾,这个诺贝尔奖对于从来不沾实验台的你来说,确实无法称得上"重大"。

不过,希望你心情愉快,在心情愉快的前提下努力生活,努力锻炼。就让我们那弱不禁风的端粒,一起慢慢缩短吧。

"My friends say I should act my age. What's my age again? What's my age again?"

By Blink-182. (有裸男……)

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文字编辑:拇姬

科学编辑:Odette

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