互动科普

几十年来，科学家普遍认为，自由基引起氧化损伤，从而导致衰老。然而，最近的研究对这种“自由基理论”提出了质疑。在某些情况下，自由基反而可能使动物更长寿。这些研究提示人们，服用抗氧化维生素甚至有可能弊大于利。

撰文：梅琳达·温纳·莫耶（Melinda Wenner Moyer） 翻译：应剑、李颂 审校：王春玲

格姆斯通过基因改造，使线虫不能产生某些酶类，而这些酶本来在生物体内充当着抗氧化物的角色，可以消除自由基。按理说，在没有这些抗氧化酶的情况下，线虫体内的自由基将迅速增多，引发具有潜在破坏性的氧化反应。

然而与预测相反，经过基因改造的线虫并没有提前死亡。相反，它们的寿命与普通线虫一样长。研究人员觉得不可思议。格姆斯回忆道：“当时我就说，‘这肯定不对，很显然，实验出问题了’。”格姆斯让实验室另一名研究人员核查结果，并重复实验，然而结果依然如此：经过基因改造的线虫确实没有产生抗氧化酶，它们体内的自由基也确实在不断积累，尽管这使线虫遭受了非常严重的氧化损伤，但线虫的寿命就是没有缩短。

许多科学家在其他动物上开展的实验，也得到了令人困惑的类似结果。美国得克萨斯大学健康科学中心巴肖普长寿与衰老研究所（Barshop Institute for Longevity and Aging Studies）的负责人阿兰·理查德森（Arlan Richardson）通过基因改造，培育了18种小鼠，其中一些小鼠体内的抗氧化酶比普通小鼠多，还有一些则比普通小鼠少。假如自由基的产生及后续的氧化作用是导致衰老的原因，那么抗氧化酶较多的小鼠就应该比抗氧化酶较少的小鼠寿命更长。然而，理查德森说，“我研究了那些该死的寿命曲线，结果却发现，抗氧化酶水平有显著差异的小鼠，它们的寿命完全没有差别”。在2001到2009年间，理查德森陆续发表了一系列论文，报道了这些令人困惑的结果。

生理学家罗谢尔·比弗斯坦（Rochelle Buffenstein）甚至遇到了更大的困惑。过去11年间，他一直在研究，为什么裸鼹鼠（最长寿的啮齿动物）的寿命能够长达25～30年——大约是相同体型小鼠寿命的8倍。比弗斯坦研究发现，裸鼹鼠体内的天然抗氧化物比小鼠更少，身体组织中氧化损伤的积累，从小就比其他啮齿动物更严重。然而反常的是，它们可以健健康康、无病无灾地存活很长时间，直到老死。

“氧化损伤导致衰老”这种理论由来已久。对于该理论的支持者而言，上述发现无异于“异端邪说”。然而，这些“异端邪说”大有后来居上之势。过去10年中，许多为支持“自由基等活性分子导致衰老”而开展的研究，都得到了相反的结果。甚至在某些条件下，这些高能分子不仅不危险，反而能触发动物体内的内在防御机制，促进机体健康。这些结果不仅对未来抗衰老的人工干预有着重要启示，同时也对时下流行的、服用高剂量的抗氧化维生素这一做法提出了质疑。如果“氧化损伤导致衰老”这一理论是错误的，那么衰老的机制就比人们曾经设想的更复杂，也就需要研究人员从分子水平上重新认识健康老龄化（healthy aging）。

格姆斯认为，“衰老研究领域长期以来都局限于氧化损伤等理论的思维定势中，对衰老没有更深入的认识。从某种程度上来说，这些理论甚至有些随意。我们可能应该仔细考虑其他理论，并且从根本上重新认识衰老的机制”。

“自由基理论”溯源

“氧化损伤导致衰老”的理论最早可能是德纳姆·哈曼（Denham Harman）提出的。1945年12月，哈曼的妻子海伦（Helen）带了一本《妇女之家杂志》（Ladies’ Home Journal）回家，翻出一篇讲述导致衰老的可能原因的文章给哈曼看。这篇文章让哈曼深深着迷，也正是因此，哈曼找到了他一生的研究课题。

那时，29岁的哈曼是壳牌开发公司（Shell Development，壳牌石油集团的研究机构）的一名化学家，没有太多时间思考这一问题。不过，9年后，当他从医学院毕业，并在加利福尼亚大学伯克利分校找到一份研究助理的工作后，他就开始从科学的角度严肃思考衰老问题了。在2003年的一次采访中，哈曼回忆道：有一天早上，他坐在办公室里，突然顿悟，衰老一定是自由基导致的——“这是非常让人意外的想法”。

尽管在此之前，从未有人将自由基与衰老联系起来，但哈曼提出自由基可能是导致衰老的“罪魁祸首”也不无道理。首先，他知道X光和放射性炸弹产生的电离辐射有时是致命的，而这种辐射会导致机体产生自由基。其次，当时的研究发现，富含抗氧化剂的膳食可以削弱辐射的不良影响，这意味着自由基是辐射造成机体损伤的一个原因（这一点已被证明是正确的）。此外，自由基是呼吸和代谢的正常副产物，随着时间推移，自由基在体内不断积累。由于细胞损伤和自由基水平都随着年龄增长而增加，因此哈曼认为，自由基可能造成细胞损伤，从而导致衰老，而抗氧化剂很可能会延缓衰老。

哈曼开始验证他的假设。在最初的实验中，有一次他用抗氧化剂喂食小鼠，发现它们的寿命有所延长（不过要注意的是，高浓度抗氧化剂会产生有害作用）。其他科学家很快开始实验，验证这一结果。1969年，杜克大学的研究人员发现了生物体内的第一个抗氧化酶——超氧化物歧化酶（superoxide dismutase），并推测它能够消除自由基积累带来的有害作用。基于这些新发现，大多数生物学家开始接受“自由基导致衰老”的理论。格姆斯说，“如果你在衰老领域从事研究，那么连你呼吸的空气都是‘自由基理论’，它无处不在，出现在每一本教科书中。所有的论文都会直接或间接地引用这一理论”。

然而随着时间推移，科学家在重复哈曼的某些实验结果时，却遇到了麻烦。理查德森说，直到20世纪70年代，“仍然没有一个确凿的证据可以证明，喂食抗氧化剂能延长动物的寿命”。理查德森起初推测，其他科学家的实验结果之所以与哈曼的结果相矛盾，完全是因为他们没有很好地控制实验过程。或许，实验动物并没有吸收喂食的抗氧化剂，进而导致血液中的自由基水平没有改变。不过，到20世纪90年代，随着遗传学的发展，科学家可以用更精确的方法研究抗氧化物的作用——直接操纵基因组来改变实验动物体内抗氧化酶的水平。理查德森利用经过基因改造的小鼠进行了许多次实验，结果发现，小鼠体内自由基分子的水平，以及这些物质导致的氧化损伤，与小鼠寿命并无关联。

后来，加拿大麦吉尔大学的生物学家西格弗里德·海基米（Siegfried Hekimi）培育出一种线虫，能过量产生一种被称为“超氧化物”（superoxide）的特殊自由基。海基米原本预测，这种线虫的寿命将会很短，“我本来以为，这些线虫的出现，将帮助科学界证实氧化损伤导致衰老的理论”。然而，海基米于2010年在《公共科学图书馆·生物学》（PLOS Biology）杂志上发表了一篇论文，报道了完全相反的结果：这些经过基因改造的线虫不但没有出现严重的氧化损伤，而且平均寿命比普通线虫还长32%。更令人惊讶的是，给这些线虫喂食具有抗氧化作用的维生素C，它们寿命延长的现象就消失了。海基米推测，超氧化物并不是一种破坏性分子，而是线虫体内的一种保护信号，可以促进某些基因表达，修复细胞损伤。

在一项后续实验中，海基米将一些正常线虫从出生开始就暴露在一种低浓度的常用除草剂中，这种除草剂能促进植物和动物体内产生自由基。结果同样出人意料（也发表在2010年的那篇论文中）：接触过除草剂的线虫，寿命比未经处理的线虫长58%。而给这些线虫喂食抗氧化剂后，除草剂就没法使线虫延长寿命了。2012年4月，海基米及其同事最终证明，敲除线虫体内编码超氧化物歧化酶的所有5个基因，或使它们全部失活，几乎不会影响线虫的寿命。

这些发现是否意味着自由基理论完全错了？美国巴克衰老研究所（Buck Institute for Research on Aging）的生物化学家西蒙·梅洛维（Simon Melov）认为，这个问题不可能这么简单。在某些情况下，自由基可能有益，而在另一些情况下则会带来危险。大量的氧化损伤毫无疑问会导致癌症及器官损伤，而且大量证据表明，氧化损伤在心脏病等多种慢性疾病的发病过程中扮演了重要角色。此外，华盛顿大学的研究人员发现，通过基因改造而产生更多过氧化氢酶（catalase，一种抗氧化酶）的小鼠活得更长。也就是说，在某些情况下，氧化损伤确实与衰老有关，但梅洛维指出，“这不等于说，衰老过程是由氧化损伤引起的”。梅洛维认为，衰老可能有多种类型，衰老的原因和疗法都不止一种，过去人们认为单独一种原因导致衰老的观点完全是一厢情愿。

自由基的新功能

假设自由基随着机体衰老而不断积累，但它们又不一定导致衰老，那它们的作用是什么？迄今为止，这一问题引发了更多的推测，还没有确切的答案。

海基米声称，“自由基实际上是机体防御机制的一部分”。在某些情况下，机体确实可能产生自由基，对细胞损伤做出应答，例如作为激活机体自身修复机制的信号。在这种情况下，自由基是细胞受到损伤产生的结果，而不是使细胞受损的原因。不过，海基米也认为，在大多数情况下，自由基也会导致细胞损伤。

微损伤能够帮助机体抵御更大的伤害，这种观点并不新鲜，而且已经被广泛接受。事实上，正是出于这个原因，逐渐增加肌肉承受的张力可以使肌肉变得更强壮。相反，许多偶尔运动的人经常遇到痛苦的经历，久坐在办公桌前度过漫长的一周后，突然的运动提高了对身体机能的要求，很容易导致各种严重受伤，比如小腿和肌腱拉伤。

2002年，美国科罗拉多大学的研究人员曾将线虫短暂暴露于高温下，或者让它们接触会使机体产生自由基的化学物质。结果，这些环境刺激提高了线虫的生存能力，在随后遭遇更大伤害时仍能存活下来。这些人工干预也使线虫的寿命提高了20%。不过，目前还不清楚这些人工干预对氧化损伤的整体水平有什么样的影响，因为研究人员并没有评估这些变化。2010年，美国加利福尼亚大学旧金山分校和韩国浦项科技大学的研究人员在《当代生物学》（Current Biology）杂志上发表论文指出，许多自由基可以启动HIF-1基因，该基因负责激活一系列与细胞损伤修复有关的基因，其中包括一种参与修复DNA突变的基因。

自由基在一定程度上也可以解释为什么锻炼有益于健康。多年来，研究人员推测，尽管锻炼能产生自由基，但锻炼有益于健康并不是因为自由基。在2009年发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）杂志上的一项研究中，德国耶拿市弗里德里希·席勒大学（Friedrich Schiller University of Jena）的营养学教授迈克尔·里斯托（Michael Ristow）及其同事，比较了服用和不服用抗氧化剂的锻炼者的生理状况。里斯托发现，没有服用抗氧化维生素的锻炼者更健康，而且综合各种迹象，他们似乎也更不容易患2型糖尿病。这与理查德森的小鼠实验结果相一致。美国得克萨斯大学西南医学中心（Southwestern Medical Center）的微生物学家贝丝·莱文（Beth Levine）研究发现，锻炼也能增强一种叫做自噬（autophagy）的生理过程。在此过程中，细胞可以重新利用蛋白碎片和其他亚细胞片断，而其中用于消化和拆解旧分子的工具就是自由基。不过，莱文的研究结果使情况变得更加复杂，她发现自噬也降低了自由基的总量，这意味着在细胞中不同的部位，不同种类和数量的自由基可能根据环境而发挥不同的作用。

抗氧化谜团

如果自由基并非总是有害，那么与此相应，抗氧化物的作用就并不总是好的。目前，52%的美国人每天服用复合维生素补充剂（multivitamin supplements），通过这种方式摄入大量抗氧化剂，如维生素E（vitamin E）和β-胡萝卜素（beta-carotene），这就成了一个令人担忧的问题。2007年，《美国医学会杂志》（Journal of American Medical Association）发表了一篇基于68个临床实验的系统综述（systematic review），结论指出，抗氧化膳食补充剂并不能降低死亡风险。该综述的作者在分析了部分相对更客观的临床实验（最大程度地避免主观偏见的影响，例如，受试者的分组完全随机，而且受试者和研究人员都不知道哪些人服了药）后发现，一些抗氧化剂甚至可能提高死亡风险，在某些情况下，这种风险的增幅高达16%。

如今，包括美国心脏学会和美国糖尿病学会在内的诸多机构都建议，在没有被确诊为维生素缺乏症（vitamin deficiency）的情况下，不要服用抗氧化维生素。美国国家癌症研究所营养流行病学分部的高级研究员德米特里厄斯·阿尔巴尼斯（Demetrius Albanes）说：“越来越多的文献证据表明，这些膳食补充剂并没有人们先前认为的那些益处，尤其是在高剂量的情况下。相反，我们已经清楚地认识到它们潜在的负面作用。”

尽管如此，很难想象抗氧化剂会彻底失宠——在缺乏更多证据的情况下，大多数衰老领域的研究者不可能接受自由基有益的学说。不过，科学证据逐步表明，衰老远比哈曼在60年前所设想的更复杂。格姆斯认为，实验证据指向一个全新的理论，即衰老是由生长及生殖过程中某些生理过程的过度活跃引起。无论科学家持有何种观点，这些观点如何向前发展，“科学家对真相持续不断的探索，已经将这个领域推进到一个略显陌生，但更贴近真实的境界。这是一股令人振奋的新鲜空气”。

本文译者：

应剑是中国医学科学院药物研究所药理学博士，目前在中粮营养健康研究院从事药用植物开发与利用方面的研究。

李颂是北京师范大学细胞生物学博士，目前在中粮营养健康研究院从事食品功能成分开发方面的研究。

本文审校：王春玲是中粮集团中粮营养健康研究院的首席营养学家，毕业于北京医科大学临床医学系，在美国马里兰大学获得营养学博士学位。她的主要研究方向包括人群膳食结构分析、功能食品的功能验证，以及毒理评价和各国食品法规管理。