硫化氫：救命的毒氣
 

 
2.5 億年前的一場浩劫決定了人類的生存離不開硫化氫，儘管這是一種致命毒氣。

　　硫化氫是一種具有臭雞蛋氣味的致命毒氣，但研究證實，它在人體內具有重要的生理功能，這一發現將催生治療心臟病等多種疾病的新方法。

　　硫化氫

　　● 人體僅會產生微量的毒氣硫化氫。

　　● 很多證據表明，這種氣體對心血管系統和人體其他組織的健康很有好處。

　　● 基於這些發現，科學家正在開發基於硫化氫的療法，用於治療從心血管疾病到腸易激綜合征的一系列疾病。

　　想像一下，當你走進醫院急診室，映入眼簾的是掛著消毒洗手液、表面擦得一塵不染的牆壁，撲鼻而來的卻是一陣臭雞蛋味。聽起來，這種視覺和嗅覺上的不協調可能會讓我們感到不舒服，但在將來，具有臭雞蛋氣味的有毒氣體硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)很可能會成為醫療機構的常用藥物。過去10 年間，科學家發現，在人體的很多生理過程中，硫化氫都起著不可或缺的作用，比如調節血壓和新陳代謝。我們的研究表明，如果合理利用，硫化氫有助於治療心肌梗塞，還能維繫創傷患者的生命，以免他們在接受輸血或手術前死去。

　　2.5 億年前的浩劫

　　2.5 億年前的一場浩劫決定了人類的生存離不開硫化氫，儘管這是一種致命毒氣。

　　早在幾個世紀以前，科學家就已經清楚硫化氫會對人體造成哪些危害。如今，對於油田和氣田井口、輸送管道沿線、石油加工廠和煉油廠的工作人員來說，這種氣體已成為引發職業病的首要因素。人的鼻子能覺察到濃度為0.0047ppm(1ppm 為百萬分之一)的硫化氫。當濃度升至500 ppm 時，我們的呼吸會受到抑制。如果濃度達到800 ppm，人在5 分鐘內就會死亡。但矛盾的是，人類的生存離不開硫化氫。

　　人體為何會依賴於這種惡臭氣體？讓我們回到2.5 億年前去尋找答案。當時，二疊紀(Permian era)行將結束，一場有史以來規模最大的物種滅絕正在上演，地球生命前景堪憂。一種主流滅絕理論認為，這場劫難由西伯利亞火山大規模噴發導致，此過程釋放的二氧化碳引起一系列環境改變，海洋中的氧含量降至非常危險的水平，使地球生命逐步滑入死亡深淵(參見《環球科學》2006年第11 期《溫室效應，生物大滅絕真兇？》一文)。

　　對於需氧海洋生物而言，海水化學組成發生上述改變無疑是個壞消息，但在這種環境下，綠色硫細菌(green sulfur bacteria)之類的厭氧生物卻迅速繁盛起來。厭氧生物佔據優勢後會釋放大量的硫化氫，進一步改變海洋環境，更加不利於剩餘的絕大多數需氧生物的生存。上述滅絕理論認為，這種致命氣體從海洋擴散到空氣中，也威脅到陸地上的植物和動物的生存。二疊紀結束時，95% 的海洋生物和70% 的陸地生物都已滅絕。

　　硫化氫在人類生理過程中的重要作用可能就是從2.5 億年前延續下來的，因為只有能忍受、甚至在某些情況下能利用硫化氫的物種，才可能在這場浩劫中倖存下來。人類則部分繼承了早期生命對硫化氫的「親和性」。

　　硫化氫謎團

　　研究證實，人體與大鼠的血管都會產生硫化氫，它有哪些功能呢？

　　實際上，硫化氫並非已知唯一會在人體內發揮作用的「毒氣」。20 世紀80 年代，科學家找到一些證據表明，人體會產生低濃度的一氧化氮(NO)，作為信號分子影響細胞行為。美國藥理學家羅伯特·F·菲希戈特(Robert F. Furchgott)、路易斯·J·伊格納羅(Louis J.Ignarro)和費裡德·穆拉德(Ferid Murad)曾在研究中發現，一氧化氮具有擴張血管、調節免疫系統、傳遞神經信號等功能，他們因為這項研究獲得了1998 年的諾貝爾生理學或醫學獎。另一種無色無味、被稱為「沉默殺手」的一氧化碳(CO)也具有類似的生理效應。

　　通過對一氧化碳和一氧化氮的研究，我確信人體可能還會製造和使用其他氣體作為信號分子。直到1998 年，我還在思考到底哪些氣體會扮演這一角色，在這年夏天，我有了一個想法。一天，忙完工作回到家裡，我聞到房間裡瀰漫著陣陣臭味。這股臭味把我帶到家裡的玻璃櫥窗前——裡面擺放著家人珍藏的物品，包括大女兒在校園活動中繪製的復活節彩蛋。我發現一個彩蛋破了，難聞的氣味正是這個已經變質的破蛋發出的。

　　從那時起，我就開始懷疑，人體器官和組織是否也能製造帶有臭雞蛋氣味的硫化氫。我對一氧化氮和一氧化碳的研究集中在它們對心血管系統的影響，因此我決定，對硫化氫的研究也從這裡開始。事實證明，我的決定非常正確：一系列實驗表明，硫化氫具有重要的生物活性。

　　在初期實驗中，我和同事很快就發現，大鼠血管壁中存在少量硫化氫氣體。因為齧齒類動物的生理狀況與人非常相似，這一發現意味著人類血管必然也會製造這種氣體。初戰告捷讓我們感到興奮，但要確定硫化氫對人體生理功能的重要性，僅僅發現血管中存在這種氣體還遠遠不夠，我們必須做更多的研究。

　　接下來，我們要弄清楚人體如何製造硫化氫。我們選定的研究對象是胱硫醚γ- 裂解酶(cystathionine-gamma-lyase，CSE)，它是細菌用於合成硫化氫的主要「工具」。以前的研究已經證實，人類肝臟中也有胱硫醚γ- 裂解酶，作用是調節含硫氨基酸的組裝，但沒人知曉血管中是否有這種酶。結果，我們在血管中找到了胱硫醚γ- 裂解酶，在這裡，它會與L －半胱氨酸(L-cysteine，一種氨基酸)結合，製造硫化氫和另外兩種化合物—— 銨(ammonium) 和丙酮酸(pyruvate)。

　　確定了血管中硫化氫的來源之後，我們開始思考，這種「毒氣」會有哪些功能？既然一氧化氮能使血管舒張，硫化氫是否會有類似作用？隨後的實驗證實了我們的推測：當我們將剝離的大鼠血管浸泡在硫化氫溶液中時，血管擴張了。初步看來，硫化氫就像一氧化氮一樣，是一種血壓調控因子，但我們不清楚的是，這一現象背後有著怎樣的分子機制。在研究提取自動物血管的單個細胞時，我們找到了一些線索。這項研究的結果發表於2001年——當時，這個結果讓我們非常意外。一氧化氮通過激活血管平滑肌細胞中的鳥甘酸環化酶(guanylyl cyclase)來舒張血管，但硫化氫的作用機制完全不一樣。具體來講，硫化氫會激活控制鉀離子流出平滑肌細胞的鉀－ ATP 通道。這種鉀離子流會產生一個電位，阻止鈣離子大量流入細胞，從而舒張血管平滑肌，使血管擴張。為了在活體動物中驗證細胞實驗的結果，我們向大鼠注射了硫化氫溶液，結果發現它們的血壓降低了。我們推測，這是硫化氫使動脈血管擴張，血液更易流動的緣故。至此，我們掌握的大量證據都表明，硫化氫能通過舒張血管來控制機體血壓，但還無法肯定的是，我們注射外源性硫化氫引起的血管變化，是否真實反映了血管本身製造的硫化氫的生理功能。

　　2003 年，為了更好地研究硫化氫的生理效應，我和同事利用基因敲除技術，培育了一種天生缺失CSE 酶的小鼠，使它們的血管無法合成硫化氫。隨後，我們與美國約翰斯·霍普金斯大學所羅門·斯奈德(Solomon Snyder)及加拿大薩斯喀徹溫大學的吳凌雲帶領的團隊合作，花了5 年時間研究這些基因敲除小鼠。付出得到了回報。2008 年，我們在《科學》雜誌上詳細闡述了我們的研究結果。隨著年齡增長，這些缺失了CSE 酶的小鼠的血管收縮程度越來越高，血壓明顯高於正常水平(利用安置在小鼠尾部的血壓套測量血壓)，但如果我們向小鼠注射硫化氫，它們的血壓就會降低。

　　通過對基因敲除小鼠的研究，我們可以肯定硫化氫在心血管系統中發揮著重要作用。這也解開了一個存在已久的謎團。三位美國藥理學家因一氧化氮相關研究獲得諾貝爾獎的幾年後，科學家就發現血管擴張並非都由一氧化氮引起：儘管經過基因改造，實驗動物的血管內皮細胞已不能產生一氧化氮，但外周血管(不與心臟直接相連的血管)仍可以擴張。在沒有一氧化氮的條件下，到底是什麼因素使血管舒張呢？

　　我們的研究表明，這一神秘因素可能是硫化氫。初步研究已證實，平滑肌細胞中存在能製造硫化氫的CSE 酶，而隨後針對小鼠、牛及人類內皮細胞的研究也顯示，這些細胞同樣會合成這種酶，合成量甚至多於平滑肌細胞。在擴張血管方面，雖然一氧化氮與硫化氫的具體「分工」尚不清楚，但有證據顯示，一氧化氮主要作用於大血管，而硫化氫調控小血管。