黄金大米研究中的重水是做什么用的?

这里为什么要用到重水?


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17个答案
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fengfeixue0219植物分子生物学博士

2015-03-29 03:42

其实道理很简单,重水是作为一种引入标记物的物质而使用的。这种标记物就是重水所含有的重氢,也就是氘。

1 什么是标记?为什么要标记?标记要有那些基本属性?

标记其实很简单,就是让一个东西变得和原本“有差异”,从而能把这个东西从其他和它一样的东西中被观测或检测到。例如中学生都知道的“标记重捕法”,就要给捕捉到的动物做标记,比如画一个标记、连上一个标记等。这就是为了在“重捕”时,将被捕到的动物和之前没有被捕到的动物区分开来。

那么,从这里可以看到,标记要有两个基本属性,即“区分性”和“无妨碍性”。所谓区分性,就是要能做真正做到区分。而“无妨碍性”,则是说标记要尽可能的维持被标记物原有的特性。用“标记重捕捉法”为例,就是你可以在动物皮毛上画一个图案做标记,但是你不能折断动物的一条腿做标记,因为后者已经影响了原有的特性,

动物是这样,分子也一样。然而我们无法给分子涂上颜色或者加上什么东西(尤其对于小分子来说),因为这会完全改变分子的结构,从而违背了“无妨碍性”原则。

然而,幸好我们有同位素。同位素的概念中学课本就有,不再敷述。当将同位素原子替代分子内的相应原子时,会造成分子量的些许变化,从而能被质谱、核磁共振等技术检测而区分。另一方面,由于替换的是分子内的原子,因此这种替换对分子的性质尤其是化学性质影响较小,适合应用在药学、生物学等对化学反应有要求的研究中。当然,影响不是一点没有,但是这种影响和原子被替换的比例、替换的位置、分子量改变的程度等因素有关。替换比例越低、分子量改变越小,这种影响通常也越小。

2 哪些同位素?

几乎每一种元素都有其所对应的同位素,但是并非所有的同位素都能拿来做标记。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素,后者由于会因衰变(同时产生辐射)而发生变化,因此这个性质并不利于对生物体内的分子做标记,因为首先衰变会造成量的变化,其次衰变产生的辐射可能对生物体有害(当然,放射自显影技术是另一个话题了)。

而稳定同位素则没这个问题,因此可作为生物体内分子的标记使用。但是,生物体分子绝大多数是有机物,因此需要用组成有机物的原子的同位素作为标记物。由于以上原因,生物体中用作标记的稳定同位素主要有4种,即2H、13C、15N和18O

2H就是氘。它可以以重水的形式被植物吸收,从而掺入植物利用重水所合成的有机物中,从而形成“被标记”的相应分子。此时就可利用这些被标记分子完成“识别”,进而可以进行定量、示踪等工作。而微博中提到的实验,就是一个涉及胡萝卜素分子示踪和代谢的研究。当然,在药学研究中,这种技术使用的更多。

3 氘作为标记物,安全性如何?

氘作为氢的稳定同位素,当然不存在放射性的问题。那么其安全性高低,决定于两个因素:被氘标记的分子性质发生了多大的变化;如果有变化,那么摄入的量有多少。

很多人说重水有毒,这句话并不算错。因为大量饮用重水的确会导致实验动物的死亡。这是因为,首先由于水分子分子量小,因此两个氢被氘替换后,相对而言质量的变化较大(增大了12.5%),因此对水的性质影响较大。而由于水在体内的含量非常高,而且是最为重要的溶剂和反应媒介存在,因此过量摄入重水会对生命体造成损害。然而,这个量是很大的。据报道,对于哺乳动物,需要体内的氢原子有15%以上被替换为氘之后(氢原子质量占人体质量的10%,换句话说每公斤体重要含有15g氘原子),才会产生显著的毒性效应;重水含量要超过细胞内水量的25%~50%以上才有可能导致死亡。

事实上,由于同位素具有相对固定的丰度,因此我们每天的呼吸、饮食,都会摄入同位素。对于氘来说,其丰度约为0.015%左右,换句话说,每1000mg氢原子中,就含有0.15mg的氘。如果按照这一比例,我们每天喝2L水就会附带喝下30多mg的氘,加上饮食中的氘会更多。对于一个75公斤重的人体来说,体内会稳定的存在超过1000mg的氘(当然18O、13C之类就更多了)。

【1】

从上表可以看到,用于标记和示踪的氘用量可达每千克体重80mg。此外,除了用于提供氘外,重水本身就是一种常用的标记物,比如著名的人体代谢测定方法“双标水法”,就是按照每公斤0.5-1g的剂量(50kg人体就是25-50克)喝下重水、重氧水或2H218O的“双标水”作为标记物来进行代谢研究的。而这个剂量依然是远低于可能造成健康危害的剂量的。可见,在这些实验剂量下,使用稳定同位素做标记都是被认为安全的。

那么,微博中“黄金大米事件”(http://ajcn.nutrition.org/content/96/3/658.full )中的情况如何呢?我们来仔细看看。

首先,在实验中,是用有23%的氢原子被氘替换的重水(其实是重水-轻水混合物,因为不能妨碍植物的生长)来培养植物,让植物内的分子(研究对象是胡萝卜素)被标记。而在进食实验中并没有“喝下重水”,而只是吃下了含有标记分子的食品而已。而且使用重水也只是为了实验的标记,在生产型和其他实验性栽培过程中并不会使用重水。实验结果显示,在这一实验中,植物体内大多数胡萝卜素都带有了氘,而且以带10个氘的为最多。

带有10个氘,说明分子量大了10,然而对于胡萝卜素来说,分子量只大了1.9%,远小于重水质量的增加程度,因此可以说对被标记的胡萝卜素的性质影响极小。

那么通过被标记胡萝卜素摄入的氘又有多少呢?文中我们可以看到,摄入的胡萝卜素量最大为每天1.4mg(菠菜组,黄金大米为0.6mg,人工合成胡萝卜素为0.5mg)。那么按照图中所述的有90%的胡萝卜素都被标记(方便起见视为全被标记)、平均含有10个氘来算,通过胡萝卜素摄入的氘量最多为0.051mg。

有些懂生物和化学的人可能会意识到,植物里其他成分也会被氘标记啊。这个观察很敏锐,事实上,在这一实验中真正的氘的摄入的大头是其他植物组织,而非胡萝卜素。那么,氘的摄入总量有多大?按照实验中重水中23%的氢原子被氘替换,而植物光合作用吸收的CO2又不含氢,因此可近似视作植物内同化产物中有23%的氢原子被氘代替,再将食用的60g黄金大米等同为24g淀粉(按照米饭60%含水率计算,这是煮饭的水,不是重水)计算,摄入的氘含量大约为700mg。这一剂量相比天然摄入来说水平的确偏高,但相比于人体内几公斤的氢含量,这个摄入量微乎其微,远达不到“15%”的引起显著毒性的剂量。

【2】

事实上,稳定同位素标记技术长期实践过程中,被认为是一种相当安全的技术。可安全的应用于多种代谢相关的研究之中。

综上,在这一实验中,重水是作为一种标记物被使用的。受试者并未直接饮用重水。从受试者总氘摄入量来说,理论计算值为约700mg(可能存在误差),这一剂量相对自然氘摄入量来说偏高,但仍远低于安全限。重水仅是为此类实验使用,而在生产型种植中不会使用重水,因此生产型产品中不会含有通过重水引入的氘。

最后再啰嗦一句。这个实验的最大问题在于程序违规(当事人已经受到处理),但就安全性来说并不存在问题。

【1】图片来自:B. Koletzko 等,《Safety of stable isotope use》,Eur J Pediatr ,1997

【2】图片来自:李高,《稳定同位素标记药物在临床药代动力学研究中的应用》,中国临床药理学杂志,2000

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草醫-Plant.Doctor作物育种-植物免疫博士

2015-03-29 04:18

转一个简单的答案:

这篇发表在AM J CLIN NUTR上的文章。实验设计确实是用重水水培栽种的水稻,为了跟踪β胡萝卜素在人体内的代谢。 重水也会循环利用。请专业认识来讲讲实验设计和安全问题,大家别喷错方向了又被抓到把柄。by大蒜杆君

PS:重水不是种转基因水稻必须的,所以和成本无关。当时用重水主要是为了试验。更好了解胡萝卜素在体内的代谢。平常种,只需要用和非转基因水稻一样的水就好了。

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长得辱华轻武器爱好者

2015-03-30 10:55

黄金大米这事反转者应该咬准实验非法和科学道德方面而不是转基因危害和重水。

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示踪原子是高中就学过的。

一句话,这是科研时候用的工具,给人吃的时候谁会去用?

或者一句话,这东西成本高到哪里去了,商家拿这个出来卖,是等着赔钱的?

崔永元好像转发过类似的信息。跟他对质的时候怎么不拿这个议题出来- -

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lizhidx计算机科学硕士,程序员

2015-03-31 21:20

忍不住要祭出一张图

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制取 1 公斤重水要 13 万度电,获得 1 公斤大米需要 2000 公斤灌溉用水。所以,获得 1 公斤黄金大米需要消耗 2.6 亿度电,价值 1.5 亿元。这么看来,转基因技术确实祸国殃民啊。

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支持者: 梦想未知

记得老师曾经说过,重水和普通水在化学方面就是反应速度的问题,重水参与的反应会比较缓慢,不过人体的生物化学反应需要水的参与,反应也需要液体环境支持,所以单单从化学反应来说,最好不要喝重水,,因为屌丝的你根本喝不起。。。

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猫儿上露珠生物,物理,林业,园林

2015-04-03 18:23

首先,这个是稀释过的的重水,再说,喝重水的估计是穷死的。

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支持者: Two_CaO_Kerman

一句话道破

既然是这种研究,重水就是同位素标记的存在

就算不知道重水,C14总该知道吧

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如果人吃了含有重氢的食物,怎么跟踪这些重氢原子呢。我们怎么知道他们在人体内的分布呢?

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问题在于科学道德吧?而且选的是儿童,他们什么都不懂,算不得志愿者。美国方面为什么选中国儿童?谁同意了该项项目在衡阳的开展?这已经不是危害不危害的问题了,完全是在拿孩子当小白鼠啊!

这种人按照西方基督的说法,就该下地狱;按照东方佛教的说法,还是下地狱,按照我国传统的说法,世世为奴代代做娼都不为过。

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就因为程序问题,才会导致那么多疑问。比如说:为啥研究人员不在自己身上做下实验?既然无害你为啥偷偷摸摸搞?等等~

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重水既不是种植“黄金大米”必须的条件,也不会对作物产生实质的影响。转基因的争议焦点应该属于化学范畴,而氕氘氚的区别完全是原子物理的区域,重水与否,其化学性质一样,不会对作物产生什么生物意义上的影响,除非因为浇重水导致作物死亡了。

百度得到“浓而纯的重水不能维持动植物的生命,其致死浓度为60%”。对此说法,我是很表示怀疑的,不过这个很难验证,因为重水太贵了,谁肯喝这么“名贵的毒药”啊。

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