2009年11月11日星期三

科学松鼠会

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废西瓜,制药造酒精

Wed, 11 Nov 2009 11:52:39 +0800

1在美国,超市里的西瓜都是五官端正、大小均一的。对于那些长相不符合要求的,一般而言就只能由它们烂在地里了。据统计,美国农场里大约有20%的西瓜就这么被浪费掉了,对于农民而言也是一笔不小的浪费。于是,美国农业部与科研机构合作,想办法把这部分西瓜废物利用。

为了地球的可持续发展,生物燃料是一个新兴热门的领域。传统的生物燃料是用粮食发酵生产酒精,但是这显然会导致粮食的短缺。所以第二代的生物燃料是寻求非粮食成分来做发酵原料。发酵生产酒精,就是把植物中的碳水化合物用酵母或者细菌转化成酒精。而酵母或者细菌,都喜欢糖或者淀粉这类"好吃"的碳水化合物。对于非粮食成分而言,其中的碳水化合很大部分并不以这些容易利用的形式存在。西瓜中含有大约7-10%的糖,正是酵母或者细菌喜欢"吃"的种类。所以,那些废弃的西瓜,不管长得再难看,也不影响它们被发酵的效率。2009年8月出版的《Biotechnology for biofuels》发表了这项研究。西瓜汁经过酵母菌的发酵,每一克糖可以产生零点四克左右的酒精。这样,一个20斤的西瓜,可以生产0.7斤左右的酒精。考虑到西瓜中水占了很大的比例,这样的转化效率也不错了。

科研人员所设想的方式是用流动发酵蒸馏装置。农民把装置推到西瓜地里,把那些本来不要的西瓜捡来,收集西瓜子的同时收集西瓜汁。然后把西瓜汁用来生产酒精。按照美国的西瓜亩产量和废弃比例,一亩地大约可以回收15升的酒精。这虽然也不算多,但是考虑到这些西瓜本来是要丢弃的,多少还是增加了一些农民的收入。

不过这还不是最有效的废弃西瓜利用方式。西瓜中有很高含量的番茄红素。这是一种红色的色素,具有很强的抗氧化性。有一些研究发现,西红柿,尤其是熟西红柿,或者西红柿酱,对于降低某些癌症的发生风险有一定作用。目前有许多研究者推测可能是其中的番茄红素在起作用。不管这种可能是不是真的,至少番茄红素是一种天然的色素和抗氧化剂,就足以使它身价不低了。但是西红柿本身也不便宜,从中提取番茄红素也就受到相当的限制。而从这些废弃西瓜中提取,在原料成本上就省了不少。

那些废弃的西瓜可以进入工厂用于提取番茄红素,而提取完番茄红素的废液依然还有发酵所需要的所有成分,所以丝毫不影响作为酒精的生产原料。

因为西瓜汁中的糖含量不够高,所以在发酵之前需要进行浓缩。而在用废糖蜜或者蔗糖来发酵生产酒精的工艺流程中,又需要用水把这些原料稀释到需要的浓度。而如果用西瓜汁来稀释的话,一方面节省了生活用水,另一方面其中本来就有了7-10%的糖,可以减少糖蜜或者蔗糖的用量。西瓜汁也就不再需要进行浓缩。按照美国农业部这项研究的数据,用这些提取了番茄红素的废液来稀释发酵原料,可以少用15%的糖蜜,而且节省大量的饮用水。

除此以外,西瓜中还含有相当多的游离氨基酸。其中有一种叫瓜氨酸,不是人体必需的氨基酸之一,但它在人体内可以转化成精氨酸。这个转化过程和精氨酸在人体内的代谢会调节体内氮的平衡,所以左旋瓜氨酸就有了一定的医药价值。在制药工业上提取瓜氨酸也受到原材料的制约,而这些废弃的西瓜汁就提供了廉价的原料。

在酵母发酵的过程中,糖是作为碳源存在的,而酵母的生长还必须有氮源的存在。糖蜜中含有的氮源不足以支持酵母充分发酵,所以用水稀释糖蜜的话还需要额外加进氮源。这也会增加一些成本。而西瓜汁中含有很多游离的氨基酸,是酵母很喜欢的氮源。如果用纯的西瓜汁来发酵,酵母菌把其中的糖"吃"光了,都还会有富余的氮。也就是说,酵母其实"吃"不了那么多。而用西瓜汁去稀释糖蜜,这些多余的氮就派上了用场,不用再额外补充氮了。

专门生产西瓜来生产酒精和番茄红素以及瓜氨酸,可能是不划算的,也是一种工业产品"与人争食"的途径。但是对这些不满足人们的要求,本来要废弃的部分,通过新型技术的开发来充分利用是值得的。虽然它所带来的经济效益未必很大,但是在地球资源越紧张,可持续发展的呼声越来越高的今天,人类可以把各个角落的是沙子聚集起来,成为一个个沙堆。

(编辑版发表于《百科知识》)

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达尔文大会简记(三)

Wed, 11 Nov 2009 07:11:27 +0800

(《达尔文大会》前边内容请见。)

7. 藤子不二雄离世匆匆,只给我们留下一只糊涂虫机器猫,时光机的制作草图却不知去向何处。因此,过去的演化过程注定只像连绵的黑暗,无法目睹,永不可知。演化生物学家所作的就是向黑暗里射去丝丝亮光,然后把光亮之间的黑暗用想象填补。射入的光线越密,便越可能接近真实图景。接近,仅此而已。

中间物种的存在,相当于黑暗中的一丝丝光亮。

Neil Shubin的课题(瓜分的那片黑暗)是:鱼长鳍,但到你为什么变成了胳膊腿。咦,鱼鳍和手看起来多不同啊。如果你吃鱼吃得够仔细,恐怕记得咂摸鱼鳍的口感——是一些平行排列的细棒棒,而你却是硬骨头!实际上还真相关联。

细说这个问题之前,先看看Shubin老师如何做研究。一次他在地图上巡视了一番,指着宾州说,就这儿了。这里在3亿6000万年前曾是一片三角洲。可是这么大一个州,要是遍地下手挖个底朝天,估计化石没挖到已经被警察"黄雀在后"。于是他们愁苦地在宾州公路上徜徉。公路挨着山,确切地说是挨着"开过的山",开过的山就暴露出了山里藏着的东西。就这样顺着公路走啊走,边走边敛化石,收了不少,其中包括一个著名的石炭纪"两不像"——这条怪鱼长了个胳膊鳍。

受到两不像的鼓舞,S老师转而将目光投向更遥远的加拿大,先挖海水区——没结果;改淡水……挖了相当于一个PhD的时间,六年,终于从泥里冒出一个"小三角"。这时,S老师指着大屏幕相片里一坨灰突突的泥巴,激动地问:"你们看到了么,这里有个小三角形。"不知别人如何,我反正很茫然,要不,或许,还真有个小三角形?当年的S老师及学生又刨了一阵,整个化石浮出"泥"面,是另一种"两不像",生活在泥盆纪。在生物的某些领域,一天几千个数据不在话下,然而挖化石这件事,兴许6年才挖出一个数据。如今,S老师一定还能时时重温当年的兴奋,那种漫长努力和担心后获得宝藏的心情,恐怕只有他最明白。

这个两不像有个很摇滚的名字——提塔利克鱼(Tiktaalik),来个近景(上方是还原模型,下边是化石),看那无辜表情,多动人。不知面前这空空的眼窝,曾用水汪汪的眼睛看过怎样一个世界。那远古的过去似乎就如此这般,同现在牵连在一起:

tiktaalik

八卦的我还找到了论文版本细节图:

tiktaalik_fossil

好吧。回到主题问题。科学家观察若干"两不像"物种的"手"(专业说法即过渡物种),想象全局,就串联了一幅演化图,提塔利克鱼相当于下图中从东边数第三个的主人。你看这只手犹犹豫豫似是而非的样子,说不像鱼鳍吧,还真顶着一排扇叶;说不像人手吧,倒是已有几条骨头几个关节。加油,向东方努力!

tiktaalik_limb

从凝住的化石我们能看形态,如果再多学点解剖学,就能分析关节可以进行何种程度的回转和弯曲。提塔利克虽然是鱼,却是一条特立独行的鱼,它长出健壮的肌肉、骨骼和肩胛带;由于关节的存在,就比鱼更灵活,能像你的手掌一样有力地抵在平面。这样,当它不服气水的束缚,就可以顽强支撑起自己的前半身,哪怕这种努力并没能把它带上岸去,也离自由的空气又近了一步。

8. 听David Kingsley(青丝鲤老师)讲《钓出脊椎动物演化的秘密》,一直以为他的研究对象是三叉戟(three spine stickleback),回家一查才知道原来叫三刺鱼。这么古怪的生物,有什么好研究的?

好吧,我们的大问题是,演化造就了多姿多彩的生命,究竟什么基因使你不同于大象?对于我们这些纸上谈兵的人来说,理想实验当然是拿你和大象杂交……(被踢飞)然后看你们众多后代中性状分离的情况,便有办法确定你和大象不同的基因在基因组中的位置——这不仅你不干,大象也不干。科学解释是,你和大象的生物属性决定了你们不可能杂交。怎么办呢?找可以杂交的呗——当然前提是,杂交的两个个体得有区别,杂交才有意义。三叉戟三刺鱼便是这么一群。

它们自古全都活在海洋的咸水里。一万年前,最近一次冰河时期即将过去,北半球的冰川突然呼啦啦地热化了。一些勇敢(可怜)的小拓荒者们就被困在了新形成的淡水湖中——从没见过的猛兽要吃它们,新的食物不合胃口,连水尝起来也怪怪的——但勇者无惧,它们成功了。这样,三刺鱼群体便成了今天的天下二分局面:有的在海洋搏击风浪;有的嬉戏于清流浅水。可以想象,环境截然不同,于是长相和行为也相去甚远。可贵之处在于,三刺鱼尽管在寻求生境时已经分道扬镳,却不忘本,拿来杂交还是可以多子多孙。

省去细节若干字,科学家们抓住这个优势,利用上边的方法,就可以确定长相不同的三刺鱼究竟是什么基因不一样了。空口说了半天,上活鱼!

如下图两条,上边的活在海洋,下边淡水,大小不论,且看骨板(就是侧面一排,如果真鱼你看不清,右边是示意图)。海里的保留了坚硬完整的骨板;而淡水三刺鱼的骨板,只发育到比较幼稚的时期便停下了,造成长大以后只有鱼头带甲。你以为这很惨么?其实不然,虽然它们没有了结实的保护甲,却增加了灵活性,相当于从武士变成了会轻功的侠客。科学家找出导致盔甲区别的一个基因,起了个好听的名字叫Eda,把催长骨板的Eda给长不全骨板的鱼,结果活生生让它们又"穿"上了骨板。唉,人家本来不想要,现在甩都甩不掉。

stickleback arm small

鱼的另一个天经地义的特征是鳍。可是有的淡水三刺鱼竟然不要鳍(下图,上为海水三刺鱼,下为淡水,注意看下腹部)!青丝鲤老师用类似的方法杂交、找基因,结果发现只要一个基因改变了,就能造成这么严重的区别。在和我们人类更加接近的小鼠体内,如果这个基因出了意外,小鼠将变成俩腿不一样长而且腿脚软塌塌的瘸子。不禁联想蛇和鲸鱼,这些身残志坚的家伙的祖先也都是不缺胳膊不少腿的四足动物,不知道是不是也在演化过程中扔掉了一个基因,就变出了如今光溜溜的身段儿。

pelvic

青丝鲤老师也简要援引了他人研究的另一个好玩特征,皮肤色。淡水三刺鱼从海洋走出,然而却没有带走海洋祖先的黑皮肤,变成肚皮白白。你想到什么了?

——"人类从非洲走出,然而东亚和欧洲人却没有将黝黑的肤色一并带走。"

这并不是天方夜谭,实际上,别管三刺鱼还是人,这个基因的变化,都会影响肤色。而最神的还要算人,欧洲人和东亚人事先并没有商量,却分别在那个基因上产生了改变,长出了较白的皮肤——生物演化,还真就是这么邪乎。

template_cell

9. 最后一天的哲学部分简直就是天书,翻了大半天笔记本,笔记本上也是天书。唯一的长进是学了一个新单词……不如一吐为快。

在演化生物学哲学部分,人们常常Meme、Meme地挂在嘴边(发音mi:m,听起来像个小猫名字)。故事是这样开始的,科学领域发现了基因,这太重大了,因为特征的前后传承,从此有了物质依托;于是人文的不干了……

1976年,道金斯《自私的基因》首次为文化平反,生生编造了文化传承单元这个概念,它代表了语言、旋律、信仰、习俗等等。你会发现,Meme同生物属性的传承单元Gene,竟有着惊人的可比性:它们都能由人向人传播,能自我复制,承受着选择压力,有时突变,有时彼此竞争,有时顺利"遗传",不行的还可能灭绝。

于是乎,这个假想的单元被许多人接受——生物信息看基因,文化传承靠迷米。

尾声

tree of life

散会前的最最后,送给大家一幅我见过最美的Tree of Life(推荐点击这里欣赏原图)。中心是生命起源之时,随着演化的进行,物种日渐丰富,尽管中间几经大灭绝(虚线),但至今日,仍丰富到了必须弯折成半圆才画得下的程度。

我相信多样化是不变的真理,或许人类的行迹终将凝固在树的某个中点,那时我们只能对伸远的枝桠挥手作别。好在令人敬畏的生命将坦然抛下悲怆的回忆,如同她曾经头也不回弃下三叶虫和恐龙,继续无限地前行。

puppy and evolution

Trip away, make no stay,

Meet me all by break of day…

(In memory of Mendelssohn, who is also celebrating his 200th birthday in heaven.)

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