牛尿引发的化学乌龙事件

牛尿引发的化学乌龙事件

2016-02-04 06:52:38  漫科普
本文作者:魏昕宇

2016-02-04 06:52:38
作者:魏昕宇
来源:漫科普
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      在探索未知世界的旅途上,没有谁不渴望新的发现。然而有的时候,这些发现的背后却隐藏着陷阱,稍不注意就会误入歧途。因此一名合格的研究者必须具备清醒的头脑和敏锐的发现问题、思考问题的能力。最近发生在化学界的一次乌龙事件,就很好地证明了这一点。

事情要从2013年说起。在这一年,来自法国和喀麦隆的研究人员把生长在喀麦隆的一种植物宽叶乌檀 (Nauclea latifolia) 带到实验室。这种植物在当地的传统医学中被用于消炎和治疗疟疾,因此大家想看看它里面有没有某种未知的化合物可以被用作药物。

功夫不负有心人,他们从这种植物的的根部分离出了一种化合物,测定完它的结构,大家愣了:这不是“老熟人”曲马多嘛。曲马多结构与吗啡同属鸦片类药物,都是常见的镇痛药,但与吗啡不同,曲马多不是从植物中提取,而是用化学合成的方法得到的。看起来宽叶乌檀的药用功效是来自于曲马多喽。

要不怎么说还是大自然伟大,我们人类吭哧吭哧半天搞出一种药物,人家植物早在山顶等候多时了呢。这项研究很快被化学界最具有影响力的期刊之一《应用化学》接受并发表。

这篇论文发表后引起了德国多特蒙德工业大学Michael Spiteller教授的兴趣。他的研究有时也用到曲马多,这些曲马多当然是人工合成的。植物也能合成曲马多让他感到很新奇,因此迫不及待地打开论文读了起来。可是仔细读了这篇论文后,他却觉得有点不对劲:论文中给出的从宽叶乌檀中分离出的曲马多的一些表征数据怎么和我用的样品这么接近呢?该不会是来自于人为的污染吧?

带着这个疑问,Spiteller教授决定亲自赶赴喀麦隆进行调查。他和同事在喀麦隆的多个地点采集了宽叶乌檀的树根进行分析,结果如何呢?在喀麦隆北部地区,他们确实从宽叶乌檀的根部分离出了曲马多,但是在喀麦隆南方,他们却无法从这种植物中找到曲马多的半点踪影。

而且即便是生长在喀麦隆北方的宽叶乌檀,同一棵树根部不同部位曲马多的含量也有很大区别。同样是宽叶乌檀,大家的差距咋就这么大呢?

这个结果让他进一步感到不安,但他还是觉得,样品被人为污染应该还是小概率事件。但这么大的差异总该有个合理的解释吧?有没有可能实际上曲马多并不是来自于植物本身,而是共生在这种植物根部的微生物?

喀麦隆南北方环境差异巨大,北部是热带稀树草原,南部则是热带雨林,某种能够合成曲马多的微生物恰好只生活在喀麦隆北方并非不可能。然而Spiteller教授和同事挨个“走访”了生活在宽叶乌檀根部的微生物,大家都说:对不起,这事儿不是我干的。

这个结果让Spiteller教授更加感到困惑,他实在找不出更合理的解释。思前想后,他决定要不去走访一下喀麦隆当地居民吧。俗话说高手,说不定真的能问出什么有价值的信息呢。

没想到这一问,真的就发现了惊天大秘密。

曲马多具有成瘾性,本应严格管制,在喀麦隆却是随随便便就能买到。在喀麦隆的北方,农民们经常早晨就着一杯茶水吞下两三片曲马多,然后下地干活去了。或许你会问,没事吃这玩意儿干什么呢?当地农民说,我们这鬼地方日照强烈、气候炎热,在地里从早干到晚十分辛苦,可是吃了曲马多,腰不酸了,背不疼了,干一整天农活儿也不会感到疲劳了。

至于你信不信,反正人家当地农民是信了。这些喀麦隆农民自己吃也就罢了,还把这种药给耕牛吃。牛在干活的间隙经常跑到宽叶乌檀树下乘凉,顺便拉屎撒尿。

这个消息让Spiteller教授大为震惊。他想到,此前有研究表明,在服用曲马多的人的尿液中能够检出尚未被代谢掉的曲马多,也就是说,这种药物是可以进入环境的。这样看来,生长在喀麦隆北方的宽叶乌檀中的曲马多来自人为污染的可能性相当大了。相反,在喀麦隆南方,当地人并没有经常服用曲马多的习惯,因此环境中找不到曲马多也毫不奇怪。

带着这个线索,他们果然先是在喀麦隆北方土壤和地表水中检测到了曲马多以及它在人和哺乳动物体内代谢后生成的几种化合物,随后又在宽叶乌檀根部也发现了曲马多的代谢产物,最后又在生长在同一地区的其它几种植物中也发现了曲马多及其代谢产物,这些都证实了他的猜测。

但Spiteller教授又想到,或许会有人质疑说,并不是曲马多污染了土壤和水源再进入植物,而是刚好反过来,植物体内合成的曲马多进入环境?于是,他决定祭出“终极武器”——同位素分析。

我们知道,同种元素的原子具有相同的质子数,但中子数可以不同。这些不同的原子就被称为这种元素的同位素。例如碳就有三种同位素:碳-12, 碳-13和碳-14,其中前面两种是稳定的,而碳-14却具有放射性,会逐渐变成其它元素。

碳-14主要在大气中存在,含有碳-14的二氧化碳通过光合作用不停地进入植物,植物又被动物吃掉,因此活的动植物体内碳-14与碳的另外两种同位素的比例始终与大气中碳的同位素的含量一致。然而一旦生命活动中止,生物个体不再通过大气补充新的碳-14,体内碳-14的含量必然逐渐下降。

利用这种方法,我们可以已经死去的动植物的年龄,这就是考古学上著名的放射性碳定年法。

Spiteller教授也利用了类似的方法。合成曲马多的原料主要来自于煤和石油等化石燃料,它们是生活在古代的动植物转化而来,其中碳14与其他两种碳的同位素的比例自然低于生活在现在的生物。因此某个曲马多样品究竟是来自化学合成还是植物自身合成,用这种方法一测就真相大白。

他和同事首先测定了土壤中分离出的曲马多中,结果发现碳-14与其它两种碳的同位素的比例大大低于生命体中的这个数值,而与人工合成的曲马多十分接近。毫无疑问,土壤中的曲马多是来自于人为污染。

接下来他们又准备测定按照同样方法对宽叶乌檀中分离出的曲马多“验明正身”。遗憾的是,由于种种原因,这个实验没有成功。但即便如此,已有的结果基本上可以证明宽叶乌檀中的曲马多是来自污染。

不过Spiteller教授还是不希望给质疑者任何翻盘的可能,于是他决定来个“当堂测验”:从英国皇家植物园获得了一批不含曲马多的宽叶乌檀的种子,将它们种下,看一下生长出的植株是否会含有曲马多。

此前有研究人员推断,如果宽叶乌檀自身合成曲马多,它们应该是以某种氨基酸为原料。于是Spiteller教授特地把这种氨基酸添加到培养液中。尽管如此,这些“不争气”的植株仍然通通 “交了白卷” ——根本检测不到曲马多的存在。至此,真相大白,法国和喀麦隆研究人员此前在这种植物中分离得到的曲马多确实来自环境污染[4]。

Spiteller教授通过敏锐的观察、大胆的假设与缜密的分析,成功避免了错误结论可能造成的误导。

不仅如此,这项研究也揭示出药物对环境的污染是多么的触目惊心。事实上,许多人畜用药在进入环境后已经造成非常严重的后果,例如双氯芬酸这种经常被用于动物的止痛药能够导致秃鹫产生严重的肾衰竭而死亡。在印度,长喙兀鹫等几种秃鹫由于食用死亡前被喂食了双氯芬酸的牛的尸体而大量死亡,目前已经濒临灭绝。

如果放任药物污染问题泛滥,我们必将尝到更多的恶果。因此,这次乌龙事件不仅有趣,也为我们敲响了警钟。

参考文献:

[1] Ahcène Boumendjel, et al., “Occurrenceof the Synthetic Analgesic Tramadol in an African Medicinal Plant”, AngewandteChemie International Edition, 2013, 52, 11780

[2] http://cen.acs.org/articles/92/i39/Tramadols-Newfound-Natural-Product-Status.html

[3] Dr. Souvik Kusari et al., “Tramadol—ATrue Natural Product?”, 2014, 53, 12073

[4] Dr. Souvik Kusari et al., “Synthetic Originof Tramadol in the Environment”, 2016, 55, 240

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