生物科普:地球上最致命的毒素
今日头条 作者:知识分子 发布时间:2020-02-14 浏览次数:22
生物科普:地球上最致命的毒素
有毒动物在错综复杂的生态系统中扮演着十分关键的角色,它们对其他物种的影响力遍及全球。所以,到底哪种毒素最致命?注入你体内的毒素最致命,这无疑是最简单的回答。从科学的角度来说,我们可以通过几种方式来衡量毒素的“致命度”。
地球上最致命的毒素|赛先生(图源:wikipedia)
撰文 | 克里丝蒂·威尔科克斯
繁殖、变异、强者生、弱者亡。
查尔斯·达尔文
1997 年7 月29 日,和以往的无数个清晨一样,安吉尔·柳原(Angel Yanagihara)走入水中。她已经数不清自己游过多少次这条1600 米长的泳道,游泳让她感觉舒适,而且这一天,她充满自信。安吉尔刚刚完成了夏威夷大学马诺阿分校的博士答辩,这将是她获得“博士”头衔的第一个夏天,对此她满怀期待。所以当沙滩上的陌生人指着水里无数巴掌大小的泡泡劝告安吉尔不要下海,因为有“箱形水母”(box jellyfish)的时候,她并未多加理会。她穿着莱卡泳衣——这层薄薄的湿衣裹住了她的身体——所以她觉得没事儿。游前半段的时候,她的确安然无恙。
不过,就在安吉尔掉头准备游向岸边的时候,她遇到了一群箱形水母。她的脖子、手臂和双腿都被水母纤细的触须螫伤了。仿佛灼烧的剧痛瞬间袭来,她挣扎着试图游离这群螫人的魔鬼。但液体涌进了她的肺里,她觉得呼吸越来越困难,每一次击水都不得不大口喘息,努力试图吸入更多空气。“最奇怪的是那种大难临头的压迫感。”安吉尔说。她好不容易才挣扎着挪到最近的建筑物外面,掏出原本留着打应急电话的硬币敲了敲门,然后便失去了意识。
随后安吉尔在救护车上醒来,身边围了一圈急救人员。救援者用醋和嫩肉粉帮她清理了伤口,又用热水淋浴,并建议她立即去看急诊。安吉尔觉得这未免有些小题大做,所以她签了一份不愿听从医学建议的声明,然后自己开车回家了。但水母的毒素还不肯放过她。“我在床上躺了好几天,饱受疼痛的折磨,我试遍了能想到的所有办法,但却一点儿用都没有。”她这样告诉我。红痒的伤痕直到四个月后才逐渐消退。作为一位生物化学家,安吉尔对这种让她遭受痛苦折磨的水母毒质产生了病态的好奇心。但谁也不知道水母的破坏力为何如此强大,此前从未有人分离或鉴别过夏威夷箱形水母的毒质。所以三周后,安吉尔申请了科研基金,打算亲自解决这个问题。从那以后,她一直在研究水母毒素。
箱形水母是刺胞动物门里最致命的物种,此门还包括珊瑚、海葵和其他水母。刺胞动物是古老的动物世系之一,6 亿多年前,在地球上的生物演化出骨头、壳和大脑之前,刺胞动物就已自成一派。虽然以我们的眼光来看,刺胞动物实在不太像掠食者,但它们的触须里藏着数百万个刺细胞,这些细胞能在一秒内释放出致命的毒素。
箱形水母毒素中最致命的成分是一种成孔毒素,即孔蛋白(porin),它能在细胞膜上穿孔——这是安吉尔的第一个重要发现。她发现的这种孔蛋白(后来人们又在其他刺胞动物体内发现了类似的毒质,并进行了鉴别和测序)能击穿红细胞,导致钾泄漏;除此以外,它还会引爆血红蛋白。虽然细胞破碎(我们称之为“裂解”)听起来似乎更戏剧化,但钾泄漏才是箱形水母真正的杀招。孔蛋白会导致人体血钾水平急剧升高,从而在短短几分钟内引发心血管衰竭。这是一种古老的毒质,和某些细菌毒素十分相似。但箱形水母的毒素里还有大量其他成分,包括类似蛇毒的蛋白质和类似蛛毒的酶。
在美国国家科学基金会的描述中,体形最大的箱形水母是澳大利亚箱形水母(Chironex fleckeri),“它是地球上毒性最强的动物”。但这到底意味着什么呢?地球上最致命的毒素到底是什么?每位毒素科学家在职业生涯中都被问到过类似的问题,接踵而来的还有更多疑问。说到毒素,我们默认的排序方式是看它对人类有多大威胁。随便找一张报纸,看看上面和有毒动物有关的新闻,诸如男孩在春游时被蛇咬伤、科学家发现了一种新毒蛙,无论报道的具体事件是什么,似乎只有性命攸关的元素才能激起读者的兴趣。看起来如此脆弱的小动物竟能战胜我们,这让人深感不安。箱形水母的个头还没有黏豆包大,但它却能在5 分钟内杀死一个人。我们随随便便就能踩死一只蜘蛛或蝎子,但某些蜘蛛和蝎子的毒素也能同样轻松地干掉我们。
毒素带来的威胁在演化中也极其重要。在自然选择的过程中,幸存下来的个体才有机会繁殖更多后代。所以,任何直接影响生存的因素都将对物种产生不容忽视的影响,甚至可能改变物种的演化方向。致命的天性拉近了有毒动物和其他物种之间的关系,尤其是被它们捕食的猎物。但是毒素能杀死的不仅仅是猎物,所以有毒动物还会影响自己食谱以外的物种演化,很多时候也包括人类。有毒动物在错综复杂的生态系统中扮演着十分关键的角色,它们对其他物种的影响力遍及全球。
所以,到底哪种毒素最致命?这个问题的答案取决于几个因素。注入你体内的毒素最致命,这无疑是最简单的回答——险些因晨泳丧命的安吉尔对此深有体会。从科学的角度来说,我们可以通过几种方式来衡量毒素的“致命度”。最常见的量度是“中间致命剂量”(Median Lethal Dosage),记作LD50。LD50 是指某种毒质杀死半数受试动物(最常见的是大鼠和小鼠,但科学家会用各种实验动物来测试不同的毒素,其中包括蟑螂和猴子)所需的剂量;单位通常是毫克/ 千克(mg/kg),即每千克体重需要的毒质毫克数。
LD50 是一种粗略的量度,一般来说,LD50 值越低的物质毒性越强,因为它在极低的剂量下就可能致命。水的LD50 值大于90000 毫克/ 千克,所以水基本无害,但人一次性喝掉6升以上的水也可能危及生命(我绝不建议你去尝试)。另一方面,肉毒杆菌毒素(botulinum toxin,简称肉毒素)的LD50 值约为1 纳克/ 千克(1 纳克等于百万分之一毫克),所以对人来说,它是已知最致命的物质。60 纳克肉毒素就能杀死一个人;如果能够平均分配的话,一把肉毒素足以消灭全人类。但在额头上注射微量(例如十分之一纳克)肉毒素能够有效抹平皱纹,所以它深受名流和过分担心皱纹的人欢迎(肉毒素的药品名叫保妥适)。
地球上最致命的毒素|赛先生
地球上最致命的毒素|赛先生
不过,如果将LD50 值作为衡量毒素致命性的唯一标准,你又将面临另一个问题:暴露的方式(例如选择皮下注射还是静脉注射)和受试动物的品种都将极大地影响LD50 值。表格中列出的数据都是小鼠实验得到的结果,但即便如此,给药途径也会影响数据。如果使用静脉注射,那么毒性最强的蛇应该是海岸太攀蛇(coastal taipan),它的毒素LD50 值是0.013;但要是改成皮下注射,海岸太攀蛇的排名就会下滑好几位,它的LD50值也会激增到0.099——几乎相当于原来的10 倍。
此外,目前我们还没有测出所有物种的LD50值。我们并不知道内陆太攀蛇(inland taipan)毒素的静脉射LD50 值是否会打败它的近亲,因为还没有人做过这样的实验,科学家手里只有内陆太攀蛇毒素皮下注射的数据。
要得到某种毒素的LD50 值,科学家需要小心提取毒质,再通过实验探查它的效果。虽然我们已经测试了大量有毒物种,但一些有实力竞争“毒王”的物种数据在科学文献中尚属缺如。比如说,河豚毒素(tetrodotoxin)是蓝圈章鱼(blueringed octopus)毒素的主要成分,我们知道它皮下注射的LD50值是0.0125mg/kg,但谁也没有研究过整体的蓝圈章鱼毒素LD50 值是多少。攻击安吉尔的夏威夷箱形水母(Alatina alata)携带的孔蛋白LD50 值从0.005mg/kg 到0.025mg/kg 不等,但目前谁也不知道这种水母每次螫刺到底会释放多少毒素。同样的,某些六放虫(zoanthid,珊瑚的近亲)带岩沙海葵毒素(palytoxin),这种毒素的LD50 值是0.00015mg/kg,它是世界上毒性极强的物质,但这种毒质不仅出现在六放虫携带的毒素里,也存在于它的身体组织中(为了毒杀掠食者),至于二者的浓度有多大差别,仍有待探索。
很多物种的LD50 值我们都还没来得及测量。喇叭毒棘海胆(flower urchin)的毒素可能是世界上最致命的物质之一,因为据我们所知,能杀死人类的海胆仅此一种;作为喇叭毒棘海胆的表亲,白棘三列海胆(collector urchin)的毒性要弱得多,它的毒质通过腹腔注射给药的LD50 值是0.05mg/kg,但喇叭毒棘海胆的LD50 值还没有人测量过。可怕的伊鲁康吉水母(Irukandji jellyfish,一种箱形水母,体长一般不超过3 厘米)能引发伊鲁康吉综合征,受害者最终可能因为脑出血而死亡。但除非我们能够准确探查引发这种综合征的到底是哪个物种(目前的嫌犯名单里至少有16 种水母)并搜集到足够的毒素来完成致命剂量实验(考虑到某些水母物种的体长还不及你的拇指,这个任务相当艰巨),否则我们永远不会知道它们的毒性到底有多强。
还有一个问题,LD50 值是通过小鼠和大鼠实验得出的数据,所以它不一定能准确反映特定毒素对人类有多危险。不同的物种对同一种毒素的反应可能相差云泥。例如,豚鼠对黑寡妇蛛毒的敏感度是小鼠的10 倍,是蛙类的2000 倍。某种动物毒素在大鼠试验中的LD50 值较低并不意味着你被螫咬了就一定会死,而高LD50 值也不能绝对确保你的安全。要衡量毒素的致命度,更好的办法或许是比较它们的特异性死亡率,即人类在中毒后的死亡百分比。举例来说,每年被澳大利亚箱形水母螫刺的人中,死亡率还不到0.5%,就连可怕的内陆太攀蛇的致死率也不算高,因为科学家在1956 年研发出了针对性的抗毒血清(不过在抗毒血清问世之前,内陆太攀蛇造成的死亡率近乎100%)。
作为杀手,青环蛇(common krait)和眼镜王蛇的效率比上述物种高得多。这些大蛇的毒牙很短,而且不会活动,和蝰蛇的折叠式长牙完全不同;它们的毒液一滴或许并不会致命,但量变足以引发质变,眼镜王蛇咬一口释放的毒液最多可达7 毫升,足够杀死20 个人!科学家估计,眼镜王蛇的特异性致死率大约是50% ~ 60%,而蛇类整体的特异性死亡率只有2% 左右。青环蛇也以极高的特异性致死率著称,它的“战绩”是60% ~ 80%。被这些夜行性蛇类咬一口其实不太疼,所以受害者很容易误以为自己是安全的。直到几小时后,受害者逐渐陷入全身瘫痪,这时候他们才会发现自己应该及时寻求医疗救助和抗毒血清。
据我们所知,致死率和蛇类相当的有毒动物只有寥寥几种。刺客毛虫(Lonomia)以2.5% 的人类致死率傲视群雄,20 世纪90 年代中期,科学家研发出了针对这种毛虫的抗毒血清,在此之前,这种看似无害的毛毛虫致死率高达20%。但无脊椎动物中的毒王还得数地纹芋螺,它的特异性死亡率可达70%。如此高的致死率反映了地纹芋螺的杀戮速度——受害者在中毒后几分钟内就会全身瘫痪而死。
虽然致死率能够更加准确地反映毒素对人类的威胁,但这还不是故事的全貌。如果以致死率来衡量,除了少数几个物种,蛇类整体的排名并不高,因为我们已经研发出了多种抗毒血清。而且以致死率来衡量毒性还会带来几个问题:第一,光是救治是否及时就能极大地影响致死率数据;第二,你无法通过致死率来衡量自己有多大概率死于某种毒素,因为你不知道这种动物出现的频率有多高。比如说,要是我被芋螺刺了一下,鉴于高达70% 的致死率,我理应满怀忧虑,然而这种情况发生的概率又有多大呢?
从生态学和演化学的角度来看,衡量有毒动物危险性的最佳方式是比较各种动物每年杀死的总人数,这样才能更全面地反映你面临的风险。时至今日,蛇类仍是全世界最主要的有毒杀手。山蝰(Russell's viper)、锯鳞蝰(saw-scaled viper)、印度眼镜蛇(spectacled cobra)和青环蛇,这印度四大毒蛇每年咬死的人成千上万,尽管它们的毒性在LD50 之类的量化评测中排名并不算高。某些眼镜蛇物种的毒性比这几种蛇强30 ~ 110 倍,而且四大毒蛇中有两种的咬伤致死率也不高,但这几种蛇经常出现在人口密集的区域,它们经常和人发生接触,咬人的概率也更高。虽然四大毒蛇都有相应的抗毒血清,但很多咬伤事件发生在贫困的社群中,那里的医疗条件有限,很多人无法及时得到救治,只能白白丧命。与此类似,撒哈拉以南的非洲也有成千上万人因蛇咬而死,虽然以毒性而论,那些咬人的蛇并不算很“致命”,但它们造成的总死亡人数却高得惊人。在那些偏远的地区,LD50 值或致死率高居前列的毒蛇通常会避开人多的地方,所以它们很少咬人,自然也就很少咬死人。
 
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