2004诺贝尔：花草芬芳人共赏寻根探源路不平

　　本报记者 潘 锋

　　就2004年诺贝尔生理学或医学奖，北京大学神经科学研究所研究员、北京大学神经生物学系教授罗非日前接受记者采访，他认为两位科学家的研究将人类对嗅觉感受和编码过程的理解大大推进了一步，是这一研究领域的里程碑式的工作。

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　　复杂研究领域的重要突破

　　罗非说，生物系统是世界上最为复杂的系统，尤其是神经系统活动和脑的功能，其复杂性是难以想象的。大脑本身就具备1000亿个神经细胞，肠道系统拥有相当于大脑十分之一数量的神经细胞。每个神经细胞又都与上千个其它细胞发生联系，这样就构成了庞大天文数字量级的高度复杂的网络系统。也正是有了这样的复杂系统，大脑才能担负起人类认识世界和改造世界的任务。

　　人类每种感觉的形成都是非常复杂、独特的过程。例如，眼睛看到物体时，先是在视网膜上成一个倒立的影像，然后各级中枢的神经细胞将光点的亮度、色彩、对比、结构连续性、运动方向等信息逐步解析，并在高级皮层中某些未知区域以一些未知的方式重新整合起来，使我们又看到这个物体的知觉。同样，人体的听觉、痛觉、味觉和嗅觉等功能感觉也都是一个极其复杂的过程，而嗅觉一直是最神秘的领域——有时对于同一种香味，不同的人会有不同的感受；某些疾病如感冒会降低嗅觉的敏感性。科学家们已经发现，嗅觉比视觉记忆更长久，视觉记忆在几天甚至几小时内就可能淡化，而产生的嗅觉却能令人记忆长久。有时在某种特殊气味刺激下，人们记忆的闸门会突然打开。

　　罗非说，人类感知外界过程研究之所以极为复杂，是因为我们认识世界的基础至少要包含两方面的重要内容，一是需要有感受相关刺激的物质基础，二是要有将该刺激的特征加以编码并最终形成意识知觉的过程。这两个方面之间的关系有点像计算机的硬件和软件之间的关系。巴克的工作主要是关于前者的，而阿克塞尔的工作则更多地偏重于后者。现在，人们只是对视觉的编码过程有比较详细的了解，痛觉的有关研究正在进行之中，对嗅觉的研究则不够系统和深入，因此可以说两位科学家的工作在嗅觉这一复杂研究领域取得的成绩是一个极为重要的突破，也是十分难得的。

　　受体蛋白“感知”花草芬芳

　　罗非介绍，嗅觉在动物进化过程中占有十分重要的地位，如有的动物本身可能几乎没有视觉，而是完全依靠嗅觉生存繁衍至今。对嗅觉的初步研究发现，化学气体刺激位于鼻腔后上部的嗅上皮内的嗅觉感受器的感受细胞，也称为嗅细胞；气味物质作用于嗅细胞，产生神经冲动经嗅神经多级传导，最后到达大脑皮层的嗅中枢，形成嗅觉。但人体嗅觉系统内500万个嗅觉神经如何把它们在鼻腔黏膜中收到的嗅觉信息发送给大脑的嗅觉区却无人知晓。有科学家推测，嗅觉神经纤毛上可能存在专门用来探测气味分子的蛋白质，但这仅仅只是假设。

　　其实，早在1991年，当巴克还是阿克塞尔领导的实验室的一名博士后时，两人就共同发现了决定气味受体编码的一个大基因家族。气味受体处于鼻腔上部的嗅觉细胞中，有上千种不同的基因来编码气味分子受体蛋白，每一种气味受体能察觉一定数量的气味物质，每种气味也都可以激活多种气味分子受体，进而在中枢神经系统内产生具有特定编码模式的神经活动。这个过程如果要详细地逐一写出来的话肯定是难上加难。即使用最快的计算机模拟这样的活动，模拟嗅觉几秒钟的过程可能也需要许多个小时的计算，这就是生物系统复杂性的真实体现。

　　长期以来，科学家们一直都在力求找到与嗅觉有关的特殊的受体蛋白，因为受体蛋白是解答嗅觉两大问题的关键所在。受体蛋白，指的是能够与外来信号分子结合，并产生相互作用，进而引发一系列生物学效应的蛋白质分子。广义来说，受体蛋白可以存在于细胞膜上、细胞浆内、细胞核中。这次两位科学家成功地发现了一个大型基因组群，其中有1000个不同的基因，并同时带来了对相同数量受体蛋白的发现，这极大地提高了人类探究嗅觉奥秘的水平。

　　尽管科学家们目前还不知道嗅觉系统是怎样把上千种气味分子区分开来的，也不清楚大脑是怎样处理不同的嗅觉信息和如何来区分不同气味的，但两位科学家有关嗅觉的研究成果使人类在认识自我上又成功地向前迈出了一大步。

　　难有尽头的探索之路

　　罗非介绍说，人类对复杂嗅觉的形成原理和过程的研究还一直处在探索阶段，虽然理查德·阿克塞尔和琳达·巴克在这一领域的前沿性研究能帮助我们对嗅觉系统有更深一步的了解，但是对于嗅觉系统是如何辨别10000种以上气味的基本原理至今仍然不能完全解释。　　

　　两位科学家有关嗅觉的研究与基因密切相关，但基因只是复杂生物系统的“草图”，没有它是不行的，但仅仅有了它也是远远不够的。因为一个基因究竟会不会表达、什么时候表达、在哪里表达、表达多少以及是否与其它基因同时表达，表达后又要经过哪些修饰，又会与哪些基因的表达产物“装配”在一起，这些细节因素才是决定生物功能的关键。基因只是用来合成生物分子前体的“蓝图”，一个基因的存在并不代表一定会合成受体蛋白。这个合成过程需要某些信号分子的调控，并且首先要合成受体蛋白的前体分子，再经过一系列剪切、磷酸化、糖基化等有机化学过程，再加以适当的折叠卷曲，最后才形成具有独特空间结构的受体蛋白分子，并且装配到适当的部位之后，才能发挥其独特的作用。这中间只要出了一点小小的差错，就会导致受体失去功能。嗅觉研究同样存在这个问题。

　　基因组计划的完成，只是人类了解自己这个系统的硬件的第一步，只有当“蛋白质组计划”、“功能基因组学”和“功能蛋白质组学”研究都完成之后，人类才能说对自己的“硬件”真正有了比较充分的了解。

　　罗非说，与此同时，“软件”的研究对于真正了解生物系统的功能就显得更为重要。具有同样蛋白表达结构的两个生物体，对于同样的外界刺激反应会完全一样吗？举个例子，只要想想当我们听别人骂自己一句时的感受。如果在自己兴高采烈时，说不定会觉得很亲切；但如果在心情郁闷时，肯定会火冒三丈；因此真正决定生物体功能的是系统的工作状态。蛋白质的组成只是完成这些工作状态的物质基础，也就是硬件基础。因此，在硬件研究完成的同时，还需要完成大量的软件研究，即功能学角度的研究，这样人们对于神经生物学的了解才会真正深入。没有人否认，人类对包括嗅觉在内的自我的认识将是一项旷日持久、艰苦卓绝的工作。

　　罗非最后介绍说，进入21世纪，神经生物学的研究内容已经变得异常广泛。由于研究技术的发展，特别是功能基因组学研究、功能影像学研究、大量神经细胞功能活动研究等技术的兴起，给现代神经生物学提供了非常有力的技术支持；同时神经生物学正与传统的生理学、生物化学、分子生物学、药理学、心理学、行为科学等学科相互交叉融合，不断产生新的研究分支，特别是在探索意识、思维、知觉等高级生命活动时，神经生物学对于人类认识自身、认识世界、探索生命本源的奥秘等等近乎终极的研究目标，都是极其重要的阶梯和途径。

　　琳达·巴克

　　国籍：美国

　　学位：美国得克萨斯大学医学博士

　　获得成果时间和地点：1991年，美国纽约哥伦比亚大学霍华德·休斯医学研究所

　　获奖年龄：57

　　现任职地点：美国西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心

　　理查德·阿克塞尔

　　国籍：美国

　　出生：1946年7月2日

　　学位：美国约翰·霍普金斯大学医学博士

　　获得成果时间和地点：1991年，美国纽约哥伦比亚大学霍华德·休斯医学研究所

　　获奖年龄：58岁

　　现任职地点：美国纽约哥伦比亚大学霍华德·休斯医学研究所