细胞内钾多钠少——原初生物的第三大遗迹？（3）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接 2019 年第 11 期第 8 页）

7 动物真的来自海洋，也需要水中的钠离子

动物巧妙地利用了细胞外的钠离子发展出神经细胞，且得到了极大的好处，也使动物的饮食中不能缺少钠离子。

身体构造简单，只有302 个神经细胞的线虫Caenorhabditis elegans，在神经细胞上就有“尝”钠离子的受体Degenerine（DEG），说明线虫这样非常原始的动物就能主动寻找含盐的水。

在更高等的动物中，这种受体称为上皮钠离子通道（Epithelial sodium channel，ENaC），二者统称为 DEG／ENaC。例如昆虫就用 DEG／ENaC 受体“尝”盐水的味道，说明昆虫也会寻找含钠的水。热带雨林由于经常受到暴雨冲刷，水中的含盐量很低。如果放3 团棉花，分别吸有盐水、糖水和不含盐和糖的水，蚂蚁只被盐水所吸引，说明盐对蚂蚁的吸引力超过糖。

蜜蜂采集花粉和花蜜，好像只吃甜的东西，其实蜜蜂还会搬运水进巢。这些水有多种用途，包括利用水的蒸发调节蜂巢的温度，稀释喂幼虫的蜂蜜，以及获取氯化钠。科学研究表明，蜜蜂最喜欢浓度为1.5%～3.0%的盐水，说明蜜蜂也需要吃盐。

哺乳动物也用DEG／ENaC 受体品尝咸味。所以从线虫到人，都用同一种受体感受咸味，以辨别含盐的食物。

动物的大规模出现是在距今5 亿多年前的寒武纪期间（Cambrian period）。在中国云南橙江天帽山发现的橙江生物群形成于5.2 亿年前的寒武纪早期的海洋中，其中有16 个门类，200 多种生物的化石，包括藻类、多孔动物、刺胞动物、鳃曳动物、动吻动物、叶足动物、腕足动物、软体动物、节肢动物、棘皮动物、帚虫动物、线虫动物、毛颚动物、古虫动物、脊索动物及未分类的动物。这些动物不仅包括了现今所有门类无脊椎动物的祖先，而且还包括脊椎动物的祖先——脊索动物。所有这些动物都是海生的，没有陆上的动物。

动物登陆要以植物登陆为先决条件，因为缺少植物所合成的大量有机物，动物是不可能在陆上发展的。就在动物在寒武纪在海中大发展后不久，在约4.8 亿年前开始的奥陶纪（Ordovician period），植物开始登陆。在稍后的志留纪（Silurian period），动物才开始在陆地上出现。因此志留纪不是Macallum 说的动物在海中形成的时期，而是动物从海中登陆的时期。

所以人类真的是从大海中来的，大海是人类的“故乡”。Macallum 猜测动物产生于 4.4～4.1 亿多年前的志留纪或更早的海中，是相当天才的想法。虽然他推断时间时用的是他设想的海水盐浓度的变化（因而是不正确的），但是他所说的时间却与动物在海中大规模形成的时间比较接近的。动物确实是在含钠多的水中形成并发展出了神经系统，也就形成了对钠离子的依赖。

当然动物体内的钠也不是越多越好，过多的钠会造成体液体积增大和血压增高，所以动物都会控制体液中的钠浓度，一般在 150 mmol／L 左右。排尿和出汗是去除体内多余的钠的手段。生活在海水中的动物，例如鲸鱼和海豚，在进食时不可避免地会吞下一些海水。它们的尿液中就含有非常高的钠，其浓度超过海水含钠量的2.5 倍。

动物对氯化钠的需求主要限于细胞外的液体，高浓度的氯化钠对于细胞内部的生理活动仍然是“毒物”，细胞要尽力避免。例如在脑细胞由于脑梗而缺血时，钠离子进入神经细胞是促使这些细胞死亡的重要因素。在体外培养的神经细胞实验中，如果不给细胞提供氧气和葡萄糖，以模拟缺血状态，细胞内钠离子的浓度就会显著增加（3～4倍），同时细胞受到损伤。但是如果降低培养液中钠离子的含量，从 140 mmol／L 降为 45 mmol／L，而将培养液中钾离子的浓度提高至75 mmol／L，24 h 后细胞的死亡率就会减少2 倍以上，从70%减少为28%。

所以对于动物细胞来说，是面临两难的处境：动物总体需要氯化钠以维持体液的体积和渗透压，更重要的是神经活动需要钠，但是高浓度的钠离子对于细胞内部的生理活动又有害。因此在人体内，细胞每时每刻都在利用钠离子泵不断地将细胞内的钠离子泵出去，消耗大量的能量。现在付出的代价是为在高钠低钾的环境中生活所必须的，更是能够成为人类而必须的。

8 植物怕盐，“能躲则躲”

植物也得到了生物从钾高钠低的环境转移到钠高钾低的环境所带来的“好处”，即对离子不通透的细胞膜，使得植物也可用跨膜氢离子浓度储存和转化能量。无论是在叶绿体中，还是在线粒体中，能量都首先被储存为跨膜氢离子浓度梯度，再用这种氢离子浓度梯度合成ATP 或做其他一些需要能量的生理过程。这种机制只需要对离子不通透的细胞膜，并不需要细胞外有高浓度的钠离子。

与动物一样，植物的细胞内也是钾高钠低的。植物不仅继承了原初生物细胞内钾高钠低的特点，而且进一步利用了细胞内高浓度的钾。钾离子不仅是细胞中许多酶的活性所需，而且在叶片转动和叶片上气孔的开闭上也起关键作用，这主要是通过将钾离子泵出或泵入细胞，改变细胞的渗透压实现的。植物细胞中钾离子的浓度需要维持在100 mmol／L 或更高，所以许多植物都含有大量的钾。将植物焚烧以后留下的灰，俗称 “草木灰”，其中就含有大量的钾，可当作钾肥使用。

植物并不需要吸收葡萄糖和氨基酸这样的有机物，因为植物自身就能合成这些有机物，所以植物不像动物那样利用细胞外高浓度的钠吸收葡萄糖和氨基酸。植物没有神经系统，也不需要细胞外有高浓度的钠。

更重要的是，植物吸收的水会不断蒸发出去，称为蒸腾作用（transpiration），主要是通过叶片上的气孔（stomata）实现的。与动物出汗时可排盐不同，植物的蒸腾作用只能使水蒸发，而水中所含的盐却会留在叶片内。如果不限制植物根部对钠的吸收，叶片内的钠就会迅速积累，而且进入细胞内的钠对许多酶的活性有抑制作用。一般来讲，植物细胞质中的钠浓度高于10 mmol／L 就会产生有害的作用，再高就有可能杀死细胞。

植物的新陈代谢率远比动物低，没有较多ATP 将细胞里面的钠泵出去，所以植物尽量避免在含钠高的环境中生长。土壤中水的含盐量超过100 mmol／L 通常就会造成这些植物的死亡。在30 多万种植物中，绝大多数（约95%）为淡水植物（glycophytes），即只能在低盐环境中生长。几乎所有的农作物都是淡水植物。能在咸水中（100 mmol／L或以上浓度的氯化钠）生长的植物（即耐盐植物halophyte）不到植物种类的2%。因此植物是“喜钾憎钠”的，对钠可以说是“能躲则躲”。

由于这些原因，植物组织中钠离子的含量非常低，而含钾离子量比较高。例如，甘蓝每100 g 含钾 300 mg，钠 10 mg；西兰花每 100 g 含钾 340 mg，钠 12 mg；胡萝卜每 100 g 含钾 218 mg，钠 35 mg。水果例如苹果、香蕉、樱桃、葡萄、柑橘、桃，都含有丰富的钾，而基本不含钠。因此以植物为主食的动物（例如牛和羊）比较容易缺钠，需要主动寻找含钠的物质。肉食动物由于以动物组织为食，而动物组织是含有相当多的钠的（主要在血液和组织液中），一般不需要额外食钠。

即使是在淡水中生长，长此以往也会造成植物体内钠的积累。为了避免钠的伤害，植物采取了4 个办法，即限制钠从根部进入、主动从根部排盐、将积累了盐的叶片脱掉，用新叶替换，以及在细胞中用液泡（vacuole）储存钠，使细胞质中的钠保持在低浓度。

首先是在吸收钾离子的同时防止钠离子进入根部。这主要是通过对钾亲和力高，而对钠亲和力低的离子通道实现的，例如高亲和力钾转运蛋白（high affinity K+-uptake transporter，HKT）。它主要转运钾离子，但是由于钠离子和钾离子在水合状态下（即这2 种离子在水中并不单独存在，而是结合于部分带电的水分子）大小差别不大（即主要是水分子的体积），即使高亲和力的钾离子转运蛋白也会带进一些钠离子。

为了防止根部的钠离子进入蒸腾水流，首先要防止钠离子进入木质部的导管。根吸收的水在根的外皮有2 种传输途径，一种是通过细胞间细胞质的连丝（即胞间连丝plasmodesmata）从一个细胞的细胞质进入另一个细胞的细胞质，称为共质体传输途径（symplastic pathway），另一种是通过细胞壁的渗透作用，水沿着纤维素从一个细胞的外面转移到另一个细胞的外面，同样可沿着根部向上运动，称为离质体传输途径（apoplastic pathway）。前者要受钾离子通道的控制，而后者主要沿着细胞壁渗透，不能阻止钠离子通过这条途径往上运输。为了防止这种情形，植物在根的中柱（stele，根的中间部分，其中包括木质部和韧皮部）外面有一个阻挡层，防止水通过细胞壁运输，叫做凯氏带（Casparian strip）。凯氏带含有亲脂（即憎水）的软木脂（suberin），能阻止水沿着细胞膜渗透，而迫使这些水通过细胞膜进入细胞，即进入共质体运输途径，这样就能通过细胞膜上的离子通道控制钠离子进入蒸腾水流了。

为了进一步减少进入蒸腾水流中的钠，植物还采取了主动排钠的方式。这是由一组称为“对过多的盐敏感的蛋白”（salt overly sensitive，SOS） 实现的。SOS 蛋白有 3 种，分别是 SOS1、SOS2 和 SOS3。当根部细胞感觉到细胞内钠离子过多时，细胞内的钙离子浓度会增加。SOS3 上有钙离子结合点，在结合钙离子后，SOS3 与 SOS2 相互作用，将 SOS2 活化。SOS2 是一个蛋白激酶，又可将SOS1 磷酸化，同时激活SOS1。SOS1 是一个钠氢逆向转运蛋白（Na／H-antiporter），在让细胞外的氢离子进入细胞时，将钠离子泵出细胞外。通过这种方式，植物的根部可在水传递到地面上部分之前，将大部分钠离子除去。红树（mangroove）之所以能在海水中生长，是因为它能排斥海水中99%的盐分。

即使这样，淡水植物也不能完全避免叶片中钠的逐渐积累。当这些叶片中积累了太多的钠时，叶片即枯死脱落，以新叶代替，所以植物落叶也是排出钠的一种重要途径。有的植物在冬天落叶，称为落叶树。有的在冬天不落叶，称为“常青树”。其实常青树也落叶，但不是集中一次落光，而是持续不断地以新叶取代老叶。

耐盐植物还有一个很“聪明”的办法减少钠的伤害，即将细胞中的钠分隔到液泡（vacuole）中，这样即使细胞中总的钠量已经比较高，但是细胞质内的钠浓度仍然可以比较低。这个任务是由液泡膜上的钠氢互换酶（Na／H-exchanger，NHX）实现的。NHX 的工作方式类似于钠氢逆向转运蛋白SOS1，也是用细胞质外的氢离子（在SOS1 是细胞外的氢离子，在NHX 是液泡中的氢离子）替换细胞质内的钠离子。为了在液泡内有足够的氢离子交换细胞质中的钠离子，液泡膜上还有氢-ATP酶，它类似于细胞膜上旋转的F-ATP 酶，也是利用ATP 水解时释放出来的能量将氢离子从膜的一侧泵到另一侧。因其位于维管植物细胞内的液泡上，被称为是维管植物的ATP 酶（vascular ATP-ase，简称 V-ATPase）。

进入液泡的钠离子可增加液泡中液体的渗透压，使细胞处于膨胀状态，使得对细胞有害的钠离子终于可做一些对植物有益的事情，是植物“化敌为友”的好办法。有了在液泡中分隔钠离子的手段，耐盐植物就可在盐度比较高的环境中生长。即便如此，液泡的储盐量毕竟有限，只能延迟，但不能避免细胞质中钠浓度的上升，所以耐盐植物同样要通过落叶的方式排盐。

胡杨（Populus euphratica）是在我国新疆沙漠地区生长的主要树种之一，耐旱、耐盐，它就能在液泡中储存氯化钠。与抗盐有关的离子泵，例如上面提到的高亲和力钾转运蛋白（HKT）、P-型ATP酶、防止蛋白变性的 Hsp20、Hsp70 和 Hsp90等蛋白的基因数都增加，以合成更多的这些蛋白质。胡杨还增加甜菜碱（betaine）的合成，以增加细胞的渗透压，使根部更容易在干旱和土壤中高钠离子的情况下吸收水分。这些变化使得胡杨能在200 mmol／L 的盐水中生长，在 450 mmol／L 的盐水中存活，而这已经几乎是海水的盐浓度。不过由于耐盐植物要付出更大的代价才能在高浓度的盐水环境中生活，它们的生长速度一般很慢。绝大多数植物还是选择低盐环境。

由于植物也是从原初生物演化而来的，植物对于钾的喜爱和对钠的躲避更清楚地显示，最初的生命是在高钾低钠的环境中产生的。

9 生物的不变与演变

原初生物的三大遗迹（最早的RNA 世界、细胞内的还原状态，以及细胞内的高钾低钠）表明，原初生物在形成之后，其最基本的化学反应条件即被固定，以后不可能再改变。这主要是因为细胞中的化学反应是由酶（无论是RNA，还是蛋白质）催化的，而酶是生物大分子，它们的功能都需要特定的三维空间结构，这就与金属离子的种类和氧化还原状态密切相关。一旦形成并且在当时的环境条件下完成了优化过程，以后就无法再变。即使经过几十亿年的漫长时光，这些最初的反应和环境条件仍然必须保留，这就是生物有以上遗迹的原因。

在这三大遗迹中，第一大遗迹（生命最早的RNA 世界）其实是与第三大遗迹（细胞内高钾低钠的环境）相连的，因为RNA 催化肽链合成的反应就需要钾离子，而且至今仍然是所有生物合成蛋白质的方式。由于生物的生存环境后来变成了高钠低钾，这2 个遗迹都要让生物付出代价，即永远需要细胞不断地消耗能量将细胞内的钠离子泵出去。第二大遗迹，即细胞内还原的环境，也需要生物付出代价，这是原初生物在还原的环境中形成后，大气中又出现氧造成的，细胞也必须不断地合成谷胱甘肽这样的还原性分子，才能在细胞外几乎无处不在的氧化环境下维持还原状态，否则蛋白质的功能就不能正常发挥。如果生物让细胞内的这些基本状态改变以“适应”细胞外高钠低钾的环境，或者大气中氧化的环境，这些代价都不必再付出，但是迄今为止，没有任何生物能这样做。

生物细胞内三大遗迹的存在说明，地球上生命的基本性质是不能改变的。而且正是因为原初的反应条件已经进行了优化，达到最佳工作状态，生物才能在此基础上不断演化，形成千千万万种不同类型的生物。换句话说，生物的千变万化，正是以细胞中的基本生命活动方式不改变为条件的。即使地球上环境条件的剧烈变化曾经多次造成了大部分生物物种的灭绝，但是生物总是能“柳暗花明又一村”，从灭绝的边缘恢复过来，并且发展出新的物种，包括人类。从这个意义上讲，应该感谢在原初条件下形成的生物的优越特性和顽强的生命力，而不是试图改变这些特性。

也可换一个角度来看：也许正是因为有当初地球上高钾低钠的环境，才使生命的出现成为可能，因为细胞最基本的生命活动，特别是蛋白合成，是依赖钾离子，而不是依赖钠离子的。由于形成原初生命的分子（例如氨基酸、脂肪酸、组成核酸的嘌呤和嘧啶）在星际空间广泛存在，其他星球上的生命也可能与地球上的生命相似。如果是这样，这三大遗迹也许还对生命在其他星球上的产生提出了更严格的条件：即不是在所有的液态水中都能产生生命，还要看液态水中所含的离子是什么。