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2 医学 健康 Medicine & Health 纳米细菌传说的破灭 科学家证实 曾被认为是最小病原体的纳米细菌其实 没有生命 但它以一种出人意料的方式影响着人类健康 撰文 杨定一 John D. Young 马奕安 Jan Martel 翻译 石小东 审校 杨定一 纳米细菌 火 星生命的证据 即使是火星很久以 前存在生命的证据 最终都将回答这样 纳米细菌的发现曾让科学 家感到震惊和兴奋 因为 这些有机体可能是世界上 最小的生命体 一个古老的问题 宇宙中 地球生命是否孤 纳米细菌是不是最小病原 体 这是科学界一直无法 确定的问题 直到本文作 者和其他一些科学家证 明 这些微小的颗粒尽管 看上去具有一些生命特 征 但实际上仅仅是矿物 质和有机分子的结晶 据 在 1,500 万年前离开火星表面 后来 纳米细菌产生于矿物质与 蛋白质间的相互作用 这 些作用能解释纳米细菌如 何保护或破坏人体健康 单 1996 年 在一次新闻发布会上 美国科 学家宣布他们终于找到了火星生命存在的证 落到地球上的一块陨石中 科学家发现了类 似于微小生命体化石残留的样本 暗示火星 上曾有生命存在 这一发现甚至惊动了当时 的美国总统比尔 克林顿 Bill Clinton 亲 临发布会 重要性由此可见一斑 地质研究显示 类似的生命体曾塑造了 早期地球的地形地貌 它们比我们见过 甚 至设想过的任何生物都小 这些地质研究暗 示 火星陨石中的这些标本可能是最早期生 命的遗迹 比这些发现更令人震惊的一则消 息是 有证据表明 上述古老生命体至今仍 生存在我们身边 准确地说 它们驻扎在 我们体内 可能引发一系列疾病 科学家现 在称之为 纳米细菌 nanobacteria 这些发现一经公布 立即招来大批科学 家的质疑 而且有许多迹象表明 这些科学 数据本身根本不足以证实发现者为之兴奋的 那些 重大发现 争论的焦点主要集中在 纳米细菌是什么和不是什么 十多年后 科 学家对这些微小颗粒及其类似生命特征的奇 怪行为有了更深入的了解 事实证明 纳米 细菌不是奇异的新型病原体 实际上它们根 本没有生命 不过它们对人体健康有着极为 重要的影响 而且可能参与了生命的早期进 化 这里是指真正的生命 而不是前面假 38 环球科学

3 / 责任编辑 褚波 / cnsciam@gmail.com / 在电子显微镜下 矿物 质与蛋白质结合后结晶而 成的纳米颗粒看上去就像 正在分裂的细菌 环球科学 39

4 医学 健康 Medicine & Health 想的那种 生命 比较 纳米细菌这一 现代传说 的演变历程 给我们上了宝贵的一课 让我们能够了解科 学本身如何运作 以及科学如何误入歧途 最小的生命形式 纳米细菌 化石 10 nm 200 nm 在人类血液中检测到 的纳米细菌 50 nm 与所有精彩故事一样 这个 现代传说 的 现实结局要比虚构的结局有趣得多 现在 科学家可以利用他们对纳米细菌的了解 改 善人类健康 推动纳米材料的研究 神秘的纳米颗粒 在岩石和陨石样本中 科学家 发现了一些很像细菌化石的微小颗 粒 但它们的直径太小 似乎不可能 具有生命 1993 年 利用电子显微镜观测采自意大 利维特博 Viterbo 温泉的岩石样本时 美 国得克萨斯大学奥斯汀分校的地质学家罗伯 DAN 双螺旋 宽 2.6 nm 已知的最小生命形式 支原体 200 nm Mycoplasma 核糖体 20 nm 朊病毒 13 nm 已知的最小病毒 细小病毒 Parvovirus 23 nm 作者发现的 纳米微粒 10 纳米 20 nm 500 nm 事实证明 纳米细 菌不是奇异的新型 病原体 实际上它 们根本没有生命 ALH84001 陨石中的 纳米细菌 化石 长 380 nm 的 1/5 1/100 直 径 为 纳 米 1 纳米为千分之一微米 福克手中的纳米细菌 标本 采集自古生代 Paleozoic 5.42 亿年 前 2.51 亿年前 和中生代 Mesozoic 2.51 亿年前 6,550 万年前 等古地层的残留物 特 L 福克 Robert L. Folk 发现 样本 它们的存在时间甚至早于地球生命出现的时 中存在一些类似于细菌化石的微小球状物体 间 因此福克推测 以纳米细菌为核心的有 与细菌一样 这些球状物似乎也有细胞壁和 机物和无机物循环 塑造了它们所在的地层 菌丝样表面突起物 但它们的体积远小于已 结构 知任何细菌 福克在论文中首次报道了这些 但福克的发现并未引起科学界重视 直 微小的球状物 并把它们称作 纳米细菌 到 1996 年 美 国 航 空 航 天 局 林 登 B 约 通常 细菌大小都以微米计 1 微米 翰 逊 空 间 中 心 NASA Lyndon B. Johnson 为百万分之一米 大概相当于头发直径的百 Space Center 的戴维 S 麦凯伊 David S. 分之一 福克观察到的球状物大小仅有细菌 McKay 在一篇报告中指出 发现于南极的 暗示 令人兴奋的早期研究 ALH84001 陨石 上图 发现于 南极洲 其中含有纳米微粒 碳酸盐 形成的条形物 左图 以及生命过程 所需的原材料 40 环球科学 碳酸盐结构被认为是纳米 细菌化石残留的报道 最早 出现于 1993 年 在采自意 大利的岩石样本上 地质学 家罗伯特 L 福克 Robert L. Folk 发 现 了 一 些 球 状 微粒 右图 直径在 10 纳 米到 200 纳米之间 但是该发 现最初并未引起太多关注 直到 1996 年 美国航空航天局的科学家宣布 在火 星陨石上发现了类似的化石结构 左图 这些 纳米微粒才真正引起人们的注意 这块火星陨 石的年龄超过 40 亿年 因为可能含有外星生命 的证据而在全球范围内引起极大关注 鉴于该 发现的重大意义 当时的美国总统克林顿对此 发表了评论 岩石 横跨几十亿年时间 走过数百万千米的路程 告诉我们火星上可能 存在生命 如果这个发现得到证实 无疑将是 有史以来人类对宇宙最为惊人的认识之一

5 / 责 任 编 辑 : 褚 波 / cnsciam@gmail.com / 金 黄 色 葡 萄 球 菌 (600 nm) 生 命 尺 度 :20 世 纪 90 年 代, 关 于 纳 米 级 生 命 体 是 否 存 在 的 问 题 曾 引 起 极 大 争 议, 因 为 如 此 微 小 的 生 物 似 乎 根 本 不 可 能 存 在 纳 米 细 菌 化 石 和 科 学 家 在 细 胞 培 养 物 中 找 到 的 活 体 纳 米 细 菌, 直 径 从 10 纳 米 到 500 纳 米 不 等, 但 大 部 分 都 太 小, 无 法 容 纳 细 胞 生 存 所 需 的 装 置, 比 如 负 责 合 成 蛋 白 质 的 核 糖 体 就 宽 达 20 纳 米, 况 且 纳 米 细 菌 甚 至 比 已 知 的 最 小 生 命 形 式 支 原 体 还 要 小 已 知 的 最 大 的 病 毒 : 拟 菌 病 毒 (400 nm,mimivirus, 因 其 与 细 菌 相 似 而 得 名 ) 金 黄 色 葡 萄 球 菌 ( 直 径 600 nm) 人 类 血 红 细 胞 ( 直 径 7,000 nm) 人 类 头 发 ( 直 径 100,000 nm) 火 星 陨 石 ALH84001 携 带 了 类 似 的 纳 米 化 石 科 学 家 认 为, 这 块 陨 石 是 在 45 亿 年 前 由 熔 融 物 质 形 成 的, 是 太 阳 系 最 古 老 的 岩 石 之 一 在 这 块 陨 石 样 本 中, 麦 凯 伊 和 同 事 不 仅 发 现 了 类 似 纳 米 细 菌 的 微 小 碳 酸 盐 球 状 物, 还 检 测 到 了 磁 铁 矿 硫 化 亚 铁 颗 粒 和 多 环 芳 烃 (polycyclic aromatic hydrocarbon) 这 些 都 是 生 化 过 程 需 要 的 原 材 料 在 一 些 科 学 家 看 来, 这 些 突 破 性 发 现 无 疑 是 火 星 和 太 阳 系 其 他 地 方 存 在 过 生 命 的 坚 实 证 据 麦 凯 伊 的 报 告 和 此 前 福 克 的 研 究, 引 起 了 媒 体 的 极 大 关 注, 同 时 也 在 科 学 界 引 发 了 极 大 争 议 批 评 者 指 出, 与 纳 米 细 菌 相 关 的 所 有 推 论 都 只 以 外 部 形 态 为 依 据, 没 有 任 何 证 据 表 明 它 们 曾 拥 有 生 命 纳 米 细 菌 的 大 小 是 另 一 个 争 议 焦 点 : 对 于 单 细 胞 生 物 而 言, 能 支 持 生 命 的 最 小 体 积 是 多 大? 考 虑 到 一 条 双 链 DNA 的 直 径 通 常 大 于 2 纳 米, 负 责 合 成 蛋 白 质 的 核 糖 体 直 径 约 为 20 纳 米, 批 评 家 怀 疑, 纳 米 级 细 胞 能 否 容 纳 这 些 维 持 生 命 所 必 需 的 装 置 就 在 这 场 争 论 愈 演 愈 烈 的 时 候, 芬 兰 库 奥 皮 奥 大 学 的 E 奥 拉 维 卡 扬 德 (E. Olavi Kajander) 和 内 瓦 奇 夫 特 奇 奥 卢 (Neva Ciftcioglu) 引 发 了 新 一 轮 更 为 激 烈 的 争 论 1998 年, 这 两 位 芬 兰 科 学 家 找 到 了 纳 米 细 菌 具 有 生 命 的 首 个 证 据 当 时, 一 些 研 究 人 员 在 细 胞 培 养 物 中 检 测 到 了 非 常 微 小 的 污 染 物, 他 们 想 尽 办 法 都 没 能 将 污 染 物 除 去 它 们 不 仅 能 使 培 养 中 的 细 胞 发 生 病 变, 对 常 用 的 加 热 灭 菌 法 表 面 活 性 剂 抗 生 素 等 似 乎 还 具 有 抵 抗 能 力 卡 扬 德 和 奇 夫 特 奇 奥 卢 利 用 电 子 显 微 镜 观 察 发 现, 这 些 微 小 颗 粒 的 直 径 为 50 纳 米 ~ 500 纳 米, 与 福 克 描 述 的 纳 米 细 菌 非 常 相 似, 可 以 肯 定 就 是 同 一 种 东 西 本 文 作 者 杨 定 一 是 中 国 台 湾 长 庚 大 学 明 志 科 技 大 学 长 庚 技 术 学 院 长 庚 生 物 科 技 的 董 事 长, 同 时 兼 任 长 庚 大 学 纳 米 材 料 实 验 室 负 责 人 他 主 要 研 究 有 机 材 料 和 无 机 材 料 之 间 的 相 互 作 用, 以 及 这 些 作 用 如 何 影 响 人 体 健 康 另 外, 他 还 是 美 国 洛 克 菲 勒 大 学 的 副 教 授 分 子 免 疫 学 和 细 胞 生 物 学 实 验 室 的 负 责 人 马 奕 安 是 长 庚 大 学 生 物 医 学 研 究 所 的 博 士 研 究 生, 他 来 自 加 拿 大 魁 北 克 省 南 部 城 市 舍 布 鲁 克 (Sherbrooke), 后 来 加 入 杨 定 一 在 中 国 台 湾 的 科 研 小 组, 研 究 通 过 血 液 传 播 的 病 原 菌 及 相 应 疾 病 替 代 疗 法 的 潜 在 原 理 致 病 微 粒 初 步 研 究 显 示,14% 的 健 康 成 人 体 内 都 含 有 针 对 纳 米 细 菌 的 抗 体, 因 此 有 科 学 家 认 为, 纳 米 细 菌 可 能 对 全 人 类 的 健 康 造 成 威 胁 经 过 细 致 观 察, 两 位 芬 兰 科 学 家 在 这 些 微 粒 中 发 现 了 核 酸 和 蛋 白 质 这 是 极 为 重 要 的 生 命 特 征 根 据 样 品 中 的 DNA 序 列, 他 们 把 这 些 微 粒 与 致 病 体 布 鲁 氏 菌 (Brucella) 和 巴 尔 通 氏 体 (Bartonella) 归 为 一 类, 为 它 们 取 了 一 个 拉 丁 文 名 Nanobacterium sanguineum( 即 纳 米 细 菌 ) 他 们 还 发 现, 纳 米 细 菌 具 有 一 些 不 寻 常 的 特 征, 比 如 在 培 养 基 中 能 改 变 自 身 形 态 生 物 学 中, 这 种 特 性 叫 做 多 形 性 (pleomorphism), 在 活 体 生 物 中 非 常 罕 见 观 察 发 现, 纳 米 细 菌 能 从 球 状 转 变 为 层 状 和 块 状 矿 物 化 物 质 这 些 矿 物 质 被 证 实 为 为 羟 基 磷 灰 石 (hydroxyapatite, 也 叫 磷 灰 石 ), 是 钙 与 磷 酸 盐 的 晶 体 复 合 物, 普 遍 存 在 于 自 然 界 中, 哺 乳 动 物 的 骨 骼 和 一 些 无 脊 椎 动 物 的 外 壳 中 都 含 有 这 类 物 质 在 他 们 的 论 文 中, 两 位 科 学 家 写 道 : 这 些 小 而 圆 的 纳 米 细 菌 不 仅 被 羟 基 磷 灰 石 外 壳 包 裹, 还 经 常 躲 在 较 大 的 圆 顶 状 城 堡 或 住 所 内 这 个 芬 兰 研 究 团 队 惊 奇 地 发 现, 他 们 检 测 过 的 大 多 数 动 物 及 人 体 体 液 ( 血 液 唾 液 尿 液 等 ) 中 都 含 有 纳 米 细 菌 他 们 推 测, 这 些 微 小 颗 粒 很 可 能 是 矿 物 质 异 常 聚 集 疾 病 ( 如 肾 结 石 ) 的 诱 发 因 素 多 位 科 学 家 研 究 证 实, 与 纳 米 细 菌 相 关 的 疾 病 远 不 只 结 石 类 一 种, 还 包 括 多 种 癌 症 动 脉 粥 样 硬 化 (atherosclerosis), 以 及 关 节 炎 硬 皮 病 (scleroderma) 多 发 性 硬 化 (multiple sclerosis) 外 周 神 经 病 变 阿 尔 茨 海 默 病 环 球 科 学 41

6 医 学 健 康 Medicine & Health 之 类 的 退 行 性 疾 病, 甚 至 与 艾 滋 病 等 病 毒 感 染 性 疾 病 都 有 关 系 这 个 芬 兰 研 究 团 队 的 一 项 初 步 研 究 还 显 示, 在 斯 堪 的 纳 维 亚 地 区, 14% 的 健 康 成 人 体 内 都 含 有 针 对 纳 米 细 菌 的 抗 体 包 括 德 国 乌 尔 姆 大 学 安 德 雷 P 佐 默 (Andrei P. Sommer) 在 内 的 其 他 科 学 家 后 来 更 是 提 出 了 这 样 一 种 观 点 : 纳 米 细 菌 能 够 起 到 传 染 性 病 原 体 的 作 用, 会 对 全 球 人 类 健 康 造 成 威 胁 尽 管 纳 米 细 菌 拥 有 上 述 种 种 令 人 恐 惧 的 作 用, 但 它 们 可 以 从 很 多 方 面 帮 助 科 学 家 实 现 最 狂 热 的 梦 想 极 为 原 始 的 本 质 不 同 寻 常 的 特 征 无 处 不 在 的 分 布 纳 米 细 菌 的 这 些 特 性 暗 示, 这 些 微 小 颗 粒 或 许 有 助 于 揭 开 生 命 起 源 之 谜 不 仅 是 地 球 生 命, 还 包 括 宇 宙 其 他 地 方 的 生 命 此 外, 纳 米 细 菌 几 乎 与 我 们 能 想 到 的 每 一 种 疾 病 相 关, 因 此 它 们 可 能 代 表 了 一 种 全 新 的 统 一 的 致 病 机 制, 这 是 前 所 未 有 的 尽 管 纳 米 细 菌 被 赋 予 了 很 多 突 出 特 征, 但 许 多 批 评 者 仍 持 怀 疑 态 度 美 国 罗 切 斯 特 大 学 医 学 中 心 的 杰 克 马 尼 洛 夫 (Jack Maniloff) 认 为, 纳 米 细 菌 实 在 太 小, 不 可 能 是 生 命 在 他 看 来, 纳 米 细 菌 就 是 微 生 物 学 上 的 冷 聚 变 2000 年, 美 国 国 立 卫 生 研 究 院 约 翰 O 奇 萨 (John O. Cisar) 所 做 的 研 究, 首 次 揭 示 了 纳 米 细 菌 的 另 一 面 奇 萨 发 现, 磷 脂 (phospholipid, 细 胞 膜 的 一 种 常 见 成 分 ) 能 与 钙 和 磷 酸 盐 结 合, 逐 渐 形 成 磷 酸 钙 ( 磷 灰 石 ) 晶 体 用 这 种 方 法 得 到 的 磷 酸 钙 晶 体 块, 能 孵 育 出 类 似 纳 米 细 菌 的 东 西, 就 像 那 两 位 芬 兰 科 学 家 描 述 的 一 样 值 得 一 提 的 是, 同 样 的 晶 体 块 能 在 试 管 中 生 长 和 复 制, 看 上 去 就 像 是 鲜 活 的 生 命 至 于 纳 米 细 菌 研 究 领 域 曾 经 的 里 程 碑 事 件 芬 兰 科 学 家 找 到 的 独 特 核 苷 酸 序 列, 奇 萨 通 过 研 究 证 实, 同 样 的 序 列 存 在 于 常 见 细 菌 的 基 因 组 中, 而 这 些 细 菌 经 常 污 染 实 验 试 剂 和 玻 璃 器 皿 纳 米 细 菌 热 开 始 消 退 但 到 了 2004 年, 美 国 梅 奥 医 学 中 心 (Mayo clinic) 的 维 吉 尼 亚 米 勒 (Virginia Miller) 和 约 翰 C 利 斯 科 (John C. Lieske) 带 领 的 研 究 团 队 突 然 宣 布, 他 们 在 硬 化 血 管 样 本 中 发 现 了 纳 米 颗 粒, 其 中 不 仅 含 有 DNA 和 蛋 白 质, 似 乎 还 有 RNA 众 所 周 知, 在 所 有 生 物 中,RNA 是 把 DNA 指 令 转 变 为 蛋 白 质 的 中 间 分 子, 这 一 发 现 意 味 着 什 么, 不 言 而 喻 几 乎 在 一 夜 之 间, 与 纳 米 细 菌 相 关 的 论 战 重 新 展 开, 看 上 去 是 活 的 1998 年, 芬 兰 科 学 家 奥 拉 维 卡 扬 德 和 内 瓦 奇 夫 特 奇 奥 卢 宣 称, 他 们 发 现 了 纳 米 级 细 菌 这 些 纳 米 微 粒 的 磷 酸 钙 外 壳 产 生 的 矿 物 质 结 构 被 认 为 能 反 映 它 们 增 殖 时 的 形 状 和 行 为 改 变 在 芬 兰 科 学 家 的 实 验 中, 矿 物 质 颗 粒 在 细 胞 培 养 皿 中 缓 慢 繁 殖, 颗 粒 的 直 径 从 20 纳 米 到 500 纳 米 不 等 在 培 养 物 中 发 现 了 中 空 的 羟 基 磷 灰 石 结 构, 被 认 为 是 纳 米 细 菌 通 过 聚 集 矿 物 质 建 造 的 住 所 环 球 科 学 小 词 典 冷 聚 变 (cold fusion) 是 假 设 在 室 温 中 发 生 的 氢 核 聚 变 这 是 一 个 非 常 有 争 议 的 理 论, 因 为 从 概 念 上 来 说, 它 违 背 了 物 理 原 理 一 些 科 学 家 相 信, 冷 聚 变 是 一 种 确 实 存 在 的 现 象, 认 为 总 有 一 天 它 将 成 为 丰 富 便 宜 的 能 源 但 也 有 科 学 家 认 为, 冷 聚 变 像 永 动 机 一 样, 是 不 可 能 实 现 的 至 于 冷 聚 变 到 底 存 不 存 在, 还 需 要 实 验 进 行 验 证 各 大 媒 体 再 次 表 现 出 极 大 的 热 情 由 于 被 炒 作 为 一 种 全 新 致 病 机 制 的 原 型, 或 许 与 朊 病 毒 (prion, 一 种 能 够 导 致 疯 牛 病 的 含 蛋 白 颗 粒 ) 类 似, 纳 米 细 菌 成 了 公 众 健 康 的 公 敌 这 为 制 药 厂 商 打 通 了 又 一 条 赚 钱 途 径 : 向 人 们 销 售 诊 断 和 对 付 这 种 微 小 病 原 体 的 方 法 最 早 发 现 纳 米 细 菌 具 有 生 命 的 两 位 芬 兰 科 学 家 创 办 的 Nanobac OY 公 司, 很 快 成 长 为 一 家 大 型 诊 断 试 剂 提 供 商, 产 品 包 括 专 为 检 测 人 体 组 织 内 的 纳 米 细 菌 而 设 计 的 抗 体 2003 年, 美 国 佛 罗 里 达 州 的 Nanobac 制 药 公 司 吞 并 Nanobac OY 公 司, 成 为 抗 纳 米 细 菌 感 染 药 物 的 提 供 商 纳 米 细 菌 没 有 生 命 芬 兰 科 学 家 检 测 的 并 非 是 真 正 纳 米 细 菌 蛋 白, 而 是 白 蛋 白 胎 球 蛋 白 A 等 常 见 的 血 液 蛋 白 受 到 科 学 界 关 于 纳 米 细 菌 争 论 的 启 发, 我 们 的 研 究 团 队 于 2007 年 开 展 了 一 系 列 实 验, 深 入 分 析 了 纳 米 细 菌 的 化 学 和 生 物 学 本 质 我 们 认 为, 在 讨 论 这 些 微 小 颗 粒 与 疾 病 的 关 系 之 前, 首 先 应 该 弄 清 楚 它 们 到 底 是 什 么 不 是 什 么, 包 括 它 们 有 没 有 生 命 为 此, 我 们 开 始 实 验, 观 察 在 没 有 生 命 物 质 的 条 件 下, 纳 米 细 菌 能 否 完 成 复 制 我 们 的 研 究 对 象 是 碳 酸 钙 ( 即 石 灰 石 ) 和 磷 酸 钙 之 类 的 简 单 钙 化 合 物, 我 们 知 道 这 些 化 学 分 子 似 乎 天 然 倾 向 于 以 一 种 精 确 的 分 子 模 式 聚 集 成 晶 体 这 些 晶 体 的 结 构 高 度 有 序, 自 我 成 核, 类 似 于 几 何 棱 镜, 具 有 平 滑 的 表 面 和 锐 利 的 边 缘 不 过, 如 果 生 长 过 程 受 到 干 扰 或 被 中 断, 晶 体 的 各 种 性 质 就 会 千 差 万 别 我 们 假 设, 向 钙 化 合 物 中 加 入 蛋 白 质 和 其 他 非 矿 物 质 化 合 物, 会 扰 乱 晶 体 生 长 所 需 的 精 确 晶 格 顺 序, 形 成 无 定 形 的 矿 物 聚 集 体 也 就 是 说, 在 分 子 水 平 上, 化 学 分 子 以 随 机 或 者 杂 乱 的 方 式 聚 集 在 一 起 我 们 本 以 为, 这 样 的 破 坏 作 用 能 轻 易 终 止 晶 体 的 生 长 过 程 令 人 惊 讶 的 是, 矿 物 质 聚 集 体 仍 在 生 长, 并 形 成 了 一 颗 颗 微 粒 准 确 地 说, 是 纳 米 颗 粒 当 然, 我 们 并 不 奢 望 这 些 简 单 化 合 物 形 成 的 颗 粒, 在 外 形 和 结 构 上 会 与 纳 米 细 菌 相 同 具 有 细 胞 壁, 似 乎 还 能 像 活 细 菌 一 样 分 裂 实 际 上, 我 们 构 建 这 些 简 单 的 纳 米 颗 粒, 只 是 想 以 此 为 跳 42 环 球 科 学

7 / 责任编辑 褚波 / cnsciam@gmail.com / 原理 纳米细菌的产生 本文作者的研究表明 矿物质 蛋白质和细胞培养基 中其他惰性分子之间的相互作用能产生纳米微粒 它们的 外形和行为很像所谓的纳米细菌 蛋白质会干扰矿物质离 子的正常结晶 产生无定形的矿物质聚集体 就像有生命 一样 这些聚集体也可以生长和改变形状 将离子加入细胞培养 基短短几个小时之 后 就可以在电子扫 描显微镜下看到直径 20纳米到50纳米的颗 粒物质 这些颗粒的直径从 100纳米到500纳米不 等 因为形状和大小 均一 看起来就像活 细胞 这些颗粒和所 谓的纳米细菌确实很 相像 1 细胞培养皿常含有营养丰 富的添加剂 比如牛血清 里面含有蛋白质和其他 有机分子 尽管培养基 中已有的矿物质离子已足 够产生纳米颗粒 但本文 作者通常会再添加一些矿 物质离子 如钙离子和磷 酸盐 来加速颗粒的形 成 2 钙离子和磷酸盐离子自然 磷酸盐 结合在一起 形成更大的 矿 物 质 颗 粒 磷 酸 钙 羟基磷灰石 然而一 些特定的蛋白质也会迅速 结合钙离子 干扰上述结 晶过程 矿物质和蛋白质 结合 不会形成具有有序 晶格的典型羟基磷灰石晶 体 而是生成具有无定形 分子结构的颗粒 也能通 过显微镜观察到 钙离子 蛋白质 纯晶体 无定形羟基磷灰石 羟基磷灰石晶体 当直径达到几百纳米 时 这些颗粒的持续 融合产生了形状怪异 的物质 有时 它 们的形状如同正在分 裂的细胞 3 通过不断累积 矿物质 蛋白质 层 纳米颗粒会 继续生长 可能融合成更 大的颗粒 呈现出多种多 样的形状 除了矿物质和 血清蛋白 这些颗粒还会 吸收培养基中任何容易获 得的分子 可以说 是有 机材料为纳米颗粒的持续 生长提供了结构支持 有机层 矿物质层 DNA 蛋白质 RNA 脂类 碳水化合物 在这些直径600纳米 的颗粒中 结晶化作 用占据了主导地位 产生了花瓣状 边缘 锐利的矿物质 4 最后 培养基中的蛋白质 用完了 结晶化作用占据 主导地位 颗粒的表面出 现针状晶须 随后 颗状 晶体塌陷 并重新聚集在 一起 形成更大的纺锤形 或扇状叶片晶体结构 在 此过程中 纳米颗粒变得 越来越不明显 最后融合 成表面粗糙的矿物质片 最后 矿化颗粒瓦 解 形成坚硬的垫状 物质 覆盖培养皿的 整个底部 环球科学 43

8 医 学 健 康 Medicine & Health 机 理 矿 物 质 调 控 板, 达 到 完 整 重 现 纳 米 细 菌 生 物 学 特 性 的 目 的 换 句 话 说, 我 们 想 弄 清 楚 的 是, 利 用 简 单 有 机 分 子 和 矿 物 质 间 的 相 互 作 用, 能 否 复 制 其 他 科 学 家 描 述 过 的 纳 米 细 菌 的 所 有 奇 异 特 征 我 们 很 快 发 现, 由 碳 酸 钙 和 磷 酸 盐 混 合 物 形 成 的 纳 米 颗 粒 具 有 很 强 的 结 合 能 力, 不 管 是 离 子 有 机 小 分 子 ( 如 碳 水 化 合 物 ) 脂 类 物 质, 甚 至 DNA 或 其 他 核 酸, 只 要 是 带 电 分 子, 它 们 就 会 迅 速 与 之 结 合 与 带 电 基 团 的 结 合, 会 使 生 长 中 的 微 粒 更 稳 定, 结 构 更 完 整, 并 促 进 它 们 持 续 生 长, 呈 现 出 复 杂 形 状 但 结 局 如 何, 取 决 于 微 粒 的 生 长 环 境 : 如 果 周 围 的 矿 物 质 过 多, 微 粒 最 终 会 结 晶 形 成 磷 灰 石 ; 如 果 局 部 有 机 分 子 的 量 超 过 矿 物 质, 结 晶 过 程 就 可 能 停 止 或 缓 慢 进 行, 微 粒 则 会 向 更 复 杂 的 形 式 演 变 纳 米 细 菌 样 颗 粒 的 聚 集 体 类 似 于 人 体 组 织 中 的 钙 化 沉 积 物, 两 者 都 是 自 然 发 生 的 矿 物 质 与 蛋 白 质 相 互 作 用 的 产 物 这 种 相 互 作 用 能 使 牙 齿 和 骨 骼 矿 物 质 化, 并 能 抑 制 有 害 钙 化 现 象 的 发 生 异 常 的 组 织 钙 化 通 常 是 疾 病 发 生 的 征 兆, 而 不 是 疾 病 发 生 的 原 因 然 而, 异 常 钙 化 现 象 严 重 时, 可 能 导 致 疾 病 的 产 生, 如 肾 结 石 心 脏 硬 化 在 心 脏 和 动 脉 中, 钙 化 沉 积 ( 白 色 ) 的 机 制 虽 与 骨 骼 形 成 相 同, 却 是 心 血 管 疾 病 的 征 兆 一 般 认 为, 钙 化 作 用 是 机 体 应 对 组 织 损 伤 的 一 种 反 应, 如 果 损 伤 能 得 到 及 时 治 疗, 钙 化 作 用 可 能 会 停 止 或 减 弱 正 常 的 矿 化 作 用 骨 骼 形 成 需 要 10 纳 米 的 羟 基 磷 灰 石 球 体 形 成 珠 串 结 构, 与 胶 原 纤 维 交 织 在 一 起 这 些 磷 灰 石 结 构 单 元 逐 渐 合 并 成 纤 维, 形 成 垫 状 矿 物 质, 包 裹 胶 原 支 架, 赋 予 骨 骼 抗 张 能 力 起 因 还 是 结 果? 轻 微 的 钙 化 现 象 也 见 于 人 体 其 他 部 位, 比 如 从 人 体 癌 变 甲 状 腺 提 取 的 非 恶 性 组 织 就 有 这 类 现 象 磷 酸 钙 结 构 的 出 现, 可 能 反 映 了 病 变 组 织 中 正 常 的 矿 物 质 清 除 机 制 失 效, 也 可 能 由 外 源 颗 粒 引 起 ( 如 污 染 物 ), 不 过 这 种 说 法 还 需 要 进 一 步 证 实 在 我 们 研 究 过 的 带 电 基 团 中, 蛋 白 质 在 微 粒 中 引 起 的 效 应 最 复 杂 最 有 趣 蛋 白 质 能 在 人 体 内 自 由 游 走 一 些 蛋 白 质, 比 如 白 蛋 白 (albumin) 和 胎 球 蛋 白 A(fetuin-A), 在 血 液 中 大 量 存 在, 也 很 喜 欢 与 钙 离 子 结 合 血 清 与 钙 离 子 的 结 合 能 力 有 一 半 是 白 蛋 白 贡 献 的 胎 球 蛋 白 A 与 钙 的 结 合 能 力 更 是 不 同 寻 常, 它 不 仅 可 以 结 合 普 通 钙 离 子, 还 能 与 以 新 生 磷 灰 石 形 式 存 在 的 磷 酸 钙 牢 固 结 合 蛋 白 质 与 新 生 磷 灰 石 晶 体 结 合 可 以 阻 止 后 者 进 一 步 结 晶, 以 免 机 体 发 生 不 必 要 的 矿 物 质 化 在 人 体 内, 包 括 血 液 在 内 的 所 有 体 液 都 含 有 过 饱 和 的 钙 离 子 和 磷 酸 盐, 自 发 钙 化 现 象 却 并 没 有 发 生, 这 一 事 实 清 楚 地 说 明, 蛋 白 质 的 保 护 作 用 极 为 重 要 如 果 没 有 这 种 保 护 作 用, 血 管 会 变 硬, 人 体 所 有 部 位 都 会 出 现 骨 形 成 现 象 正 当 我 们 沿 着 这 条 线 索 向 前 摸 索 时, 法 国 马 赛 医 学 院 (Medical School of Marseille) 的 迪 迪 尔 拉 乌 尔 (Didier Raoult) 取 得 了 重 大 突 破 : 一 系 列 证 据 表 明, 芬 兰 科 学 家 在 纳 米 细 菌 中 发 现 的 蛋 白 质 主 要 是 胎 球 蛋 白 A 我 们 随 后 研 究 发 现, 镶 嵌 在 纳 米 钙 颗 粒 上 的 蛋 白 质 远 不 止 胎 球 蛋 白 A 这 一 种, 白 蛋 白 载 脂 蛋 白 (apolipoprotein) 补 体 蛋 白 (complement protein, 一 种 免 疫 蛋 白 ) 和 很 多 血 液 中 含 量 丰 富 的 常 见 蛋 白, 都 能 很 好 地 与 钙 离 子 和 磷 灰 石 结 合 我 们 的 研 究 从 根 本 上 证 实, 生 长 中 的 纳 米 颗 粒 能 轻 易 捕 获 周 围 环 境 中 所 有 能 与 钙 离 子 和 磷 灰 石 结 合 的 蛋 白 质 我 们 还 能 证 明, 被 Nanobac 公 司 当 作 纳 米 细 菌 诊 断 工 具 出 售 的 那 些 抗 体, 实 际 上 检 测 的 是 胎 球 蛋 白 A 和 白 蛋 白 因 此, 早 期 的 那 些 研 究 利 用 Nanobac 公 司 生 产 的 抗 体 在 人 体 组 织 培 养 物 中 找 到 纳 米 细 菌, 其 实 不 过 是 检 测 到 常 见 的 血 液 蛋 白 更 令 人 吃 惊 的 是, 号 称 用 于 检 测 人 体 血 液 中 纳 米 细 菌 蛋 白 的 抗 体, 实 际 上 针 对 的 是 牛 血 液 中 的 类 似 蛋 白 这 一 发 现 听 起 来 似 乎 很 诡 异, 但 解 释 起 来 很 简 单 : 实 验 室 中 的 细 胞 培 养 基 通 常 含 有 胎 牛 血 清 一 种 上 好 的 营 养 源 对 于 培 养 基 中 的 纳 米 细 菌 来 说, 胎 牛 血 清 就 是 一 个 庞 大 的 蛋 白 库, 可 以 从 中 提 取 所 需 蛋 白, 因 此 留 下 了 牛 血 的 成 分 过 去 有 很 多 研 究 曾 经 利 用 上 述 抗 体 检 测 到 了 纳 米 细 菌 蛋 白, 现 在 看 来, 那 些 研 究 根 本 全 错 了 44 环 球 科 学

9 / 责 任 编 辑 : 褚 波 / cnsciam@gmail.com / 纳 米 颗 粒 与 健 康 科 学 家 将 以 相 关 研 究 成 果 为 基 础, 进 一 步 探 索 如 何 利 用 纳 米 细 菌 改 善 人 类 健 康 尽 管 现 已 明 确 证 实, 纳 米 细 菌 只 是 普 通 矿 物 质 与 周 围 物 质 通 过 结 晶 形 成 的 无 生 命 纳 米 颗 粒, 它 们 对 人 体 健 康 或 许 仍 有 重 要 影 响 我 们 认 为, 纳 米 细 菌 样 颗 粒 是 在 一 个 自 然 过 程 中 由 矿 物 质 与 蛋 白 质 结 合 而 成 的, 这 个 过 程 能 防 止 人 体 内 出 现 有 害 的 结 晶 化, 但 在 一 定 条 件 下, 也 会 促 进 更 多 纳 米 颗 粒 的 形 成 自 然 界 中, 很 多 矿 物 质 能 自 发 地 聚 集, 甚 至 可 能 表 现 出 结 晶 的 趋 势 比 如, 钙 离 子 极 易 与 碳 酸 盐 和 磷 酸 盐 结 合, 形 成 方 解 石 (calcite) 和 磷 灰 石 晶 体 因 此, 不 论 是 蛋 白 质 脂 类, 还 是 其 他 带 电 基 团, 任 何 对 钙 离 子 或 新 生 磷 灰 石 晶 体 具 有 高 度 亲 和 力 的 分 子, 都 可 以 视 为 钙 化 抑 制 剂, 因 为 与 矿 物 质 结 合 后, 这 些 分 子 会 直 接 干 扰 结 晶 过 程 在 人 体 内, 蛋 白 质 与 钙 离 子 或 新 生 晶 体 结 合 形 成 的 复 合 物, 只 有 两 个 目 的 : 存 储 或 清 除 矿 物 质 不 断 清 除 矿 物 质 可 以 防 止 异 常 钙 质 沉 积 的 发 生 然 而, 与 这 些 矿 物 质 结 合 就 必 须 持 续 不 断 地 投 入 更 多 蛋 白 质, 如 果 矿 物 质 的 量 超 过 抑 制 性 蛋 白 质, 抑 制 机 制 就 会 失 效 当 矿 物 质 占 据 了 蛋 白 质 上 的 所 有 结 合 位 点, 这 些 绑 架 了 蛋 白 质 的 矿 物 质 反 而 可 以 成 为 晶 种, 启 动 结 晶 过 程 这 个 失 控 的 过 程 不 仅 会 产 生 纳 米 细 菌, 还 会 导 致 异 常 钙 化 ( 例 如 结 石 的 形 成 和 动 脉 钙 化 ) 尽 管 是 潜 在 的 致 病 因 素, 但 这 些 纳 米 颗 粒 首 先 应 被 看 作 正 常 钙 调 节 循 环 的 一 部 分, 而 且 矿 物 质 - 蛋 白 质 复 合 物 的 形 成 机 制 也 与 正 常 的 骨 骼 形 成 有 关 因 此, 与 其 说 钙 沉 积 是 异 常 钙 化 疾 病 的 诱 因, 不 如 说 该 现 象 是 某 些 代 谢 过 程 出 现 异 常, 影 响 矿 化 抑 制 作 用 和 矿 物 质 清 除 效 应 而 产 生 的 结 果 现 在 讨 论 如 何 将 这 些 知 识 转 化 为 医 疗 手 段, 还 为 时 过 早 结 晶 抑 制 与 接 种 的 概 念 大 概 可 以 解 释 科 学 家 曾 在 纳 米 细 菌 身 上 观 察 到 的 各 种 现 象 通 过 相 互 融 合 增 大 自 身 体 积, 矿 物 质 - 蛋 白 质 复 合 体 可 以 不 断 演 化, 合 并 成 纺 锤 结 构, 最 终 变 成 膜 状 物 这 种 形 态 上 的 改 变, 现 在 可 以 用 蛋 白 质 与 矿 物 质 间 简 单 的 相 互 作 用 来 解 释, 即 蛋 白 质 的 抑 制 作 用 失 效, 矿 物 质 化 作 用 占 据 上 风 根 据 我 们 提 出 的 假 设, 培 养 细 胞 的 器 皿 中 会 出 现 纳 米 细 菌 纯 净 碳 酸 钙 晶 体 具 有 多 变 的 外 形 弄 清 楚 纳 米 颗 粒 如 何 自 然 生 成, 以 及 它 们 可 能 怎 样 影 响 人 体 健 康, 将 有 助 于 科 学 家 控 制 人 造 纳 米 颗 粒 的 各 种 特 性 扩 展 阅 读 Nanobacteria: An Alternative Mechanism for Pathogenic Intra- and Extracellular Calcification and Stone Formation. E. Olavi Kajander and Neva iftioglu in Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Vol. 95, No. 14, pages ; July 7, Purported Nanobacteria in Human Blood as Calcium Carbonate Nanoparticles. Jan Martel and John Ding-E Young in Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Vol. 105, No. 14, pages ; April 8, Putative Nanobacteria Represent Physiological Remnants and Culture Byproducts of Normal Calcium Homeostasis. John D. Young et al. in PLoS ONE, Vol. 4, No. 2, page e4417; February 9, Characterization of Granulations of Calcium and Apatite in Serum as Pleomorphic Mineralo-Protein Complexes and as Precursors of Putative Nanobacteria. John D. Young et al. in PLoS ONE, Vol. 4, No. 5, page e5421; May 1, 样 颗 粒, 是 因 为 这 里 没 有 人 体 内 部 那 种 动 态 的 矿 物 质 清 除 机 制, 它 们 是 静 止 状 态 下 正 常 钙 代 谢 的 简 单 副 产 物 我 们 能 够 从 血 液 和 其 他 体 液 中 得 到 的 所 有 纳 米 细 菌, 都 具 有 简 单 而 且 可 预 测 的 化 学 构 成, 能 反 映 出 周 围 介 质 中 可 用 构 建 单 元 的 本 质 通 过 改 变 培 养 基 成 分, 我 们 能 轻 而 易 举 地 改 变 纳 米 颗 粒 的 结 构 如 今, 我 们 可 以 根 据 任 何 指 定 结 构 构 建 纳 米 细 菌 样 颗 粒 利 用 这 种 方 法, 我 们 已 经 能 够 生 产 一 系 列 与 生 物 学 相 关 结 构 上 相 似 的 离 子 复 合 物, 我 们 称 之 为 生 物 粒 子 (bion) 生 物 粒 子 的 形 状 和 大 小 各 异, 可 以 模 仿 各 种 生 物 形 态, 看 上 去 栩 栩 如 生 除 了 证 实 纳 米 细 菌 本 质 上 并 非 生 命 以 外, 生 物 粒 子 有 望 进 一 步 阐 明, 在 自 然 界 中 纳 米 模 块 构 成 的 建 筑 材 料 是 如 何 组 合 和 拼 装 起 来 的 弄 清 楚 由 矿 物 质 和 有 机 分 子 结 合 而 成 的 这 些 颗 粒 如 何 在 自 然 界 中 形 成, 或 许 有 助 于 揭 开 生 命 起 源 之 谜 我 们 可 以 想 象, 通 过 一 个 类 似 于 生 物 粒 子 生 长 的 自 我 复 制 过 程, 矿 物 质 和 有 机 小 分 子 复 合 物 形 成 了 生 命 的 第 一 个 构 建 单 元, 并 以 某 种 方 式 使 自 己 永 久 保 留 下 来 这 样 的 矿 物 质 - 有 机 分 子 复 合 物 可 能 对 最 早 的 生 命 相 关 过 程 起 到 了 保 护 和 区 隔 作 用, 甚 至 可 能 成 为 启 动 本 身 生 命 过 程 所 需 的 催 化 中 心 不 过, 这 些 只 是 令 人 兴 奋 的 推 测, 也 是 我 们 目 前 正 在 探 索 的 课 题 纳 米 细 菌, 作 为 一 种 在 自 然 界 和 多 种 慢 性 病 中 广 泛 存 在 的 一 系 列 钙 化 现 象, 最 终 能 在 分 子 层 面 上 得 到 完 美 解 释, 无 疑 是 一 个 令 人 兴 奋 的 进 展 对 这 种 天 然 产 生 的 矿 物 质 与 有 机 分 子 的 复 合 物, 我 们 已 有 了 精 确 的 定 义 和 深 入 的 了 解, 科 学 家 将 以 相 关 研 究 成 果 为 基 础, 进 一 步 探 索 如 何 利 用 这 些 生 物 粒 子 改 善 人 类 健 康 尽 管 它 们 本 身 没 有 生 命 SA 环 球 科 学 45

10 医 学 健 康 Medicine & Health 杨 定 一 : 从 科 学 家 到 教 育 家 以 前, 科 学 经 常 犯 错, 就 是 因 为 科 学 家 还 没 有 把 一 种 新 技 术 或 新 发 现 完 全 弄 清 楚, 就 开 始 进 行 应 用 研 究, 现 在 我 们 应 该 以 此 为 鉴, 做 足 了 基 础 研 究 才 能 避 免 犯 错 本 刊 记 者 褚 波 未 来, 我 们 可 以 制 造 一 种 纳 米 颗 粒, 在 上 面 安 插 一 些 工 具, 选 择 性 地 杀 灭 病 变 细 胞 或 定 点 释 放 药 物, 用 于 诊 断 和 治 疗 一 些 重 大 疾 病, 而 不 会 影 响 人 体 健 康 纳 米 细 菌 有 没 有 生 命, 曾 引 起 科 学 界 的 长 期 争 论 杨 定 一 教 授 带 领 的 研 究 团 队, 用 了 不 到 1 年 的 时 间, 就 破 解 了 这 个 20 年 未 解 的 科 学 悬 案 : 纳 米 细 菌 不 是 生 命 体, 而 是 由 矿 物 质 和 蛋 白 质 构 成 的 晶 体 颗 粒 更 重 要 的 是, 他 的 发 现 为 纳 米 细 菌 的 进 一 步 研 究 及 其 在 医 学 纳 米 技 术 领 域 的 应 用 指 明 了 方 向 按 照 杨 定 一 的 话 来 讲, 我 们 在 纳 米 细 菌 18 岁 暂 露 头 角,21 岁 获 得 双 博 士 学 位,27 岁 升 任 一 流 大 学 的 系 主 任 杨 定 一 的 学 术 生 涯 极 为 成 功, 被 誉 为 学 术 奇 才 现 在, 他 把 更 多 精 力 投 入 教 育 领 域 和 慈 善 事 业, 希 望 能 带 领 更 多 的 人 走 向 成 功 上 的 发 现, 将 会 开 创 一 个 全 新 的 研 究 领 域 破 解 悬 案 从 上 世 纪 90 年 代 初 开 始, 对 于 纳 米 细 菌 有 没 有 生 命, 科 学 界 有 两 个 截 然 相 反 的 观 点, 支 持 不 同 观 点 的 科 学 家 为 此 展 开 了 激 烈 的 争 论, 但 论 战 双 方 谁 也 拿 不 出 令 对 方 信 服 的 证 据, 这 个 问 题 便 成 为 近 20 年 来 科 学 界 的 一 大 悬 案 ( 参 见 本 期 文 章 纳 米 细 菌 传 说 的 破 灭 ) 作 为 一 位 涉 足 医 学 免 疫 学 生 物 化 学 细 胞 生 物 学 等 多 个 领 域 的 科 学 家, 纳 米 细 菌 的 相 关 研 究 和 争 论 自 然 是 杨 定 一 的 关 注 范 围 不 过, 他 没 有 轻 易 加 入 论 战, 因 为 他 真 正 感 兴 趣 的 是 非 传 统 研 究 领 域 杨 定 一 认 为, 从 纳 米 细 菌 的 各 种 特 性 来 看, 这 些 能 生 长 和 自 我 复 制 的 微 小 颗 粒 可 能 隐 藏 着 生 命 起 源 的 秘 密 于 是, 他 决 定 从 这 个 角 度, 以 中 立 者 的 姿 态 介 入 纳 米 细 菌 研 究 2007 年, 杨 定 一 和 自 己 的 学 生 马 奕 安 启 动 研 究 计 划, 他 们 选 择 的 首 个 研 究 材 料 是 一 种 简 单 而 常 见 的 无 机 分 子 碳 酸 钙 (CaCO 3 ) 这 不 仅 因 为 碳 酸 钙 分 子 天 然 具 有 结 晶 的 倾 向, 更 重 要 的 原 因 是, 这 个 分 子 仅 含 有 一 个 碳 原 子 生 命 是 从 无 机 分 子 起 源 的, 因 此 透 过 碳 酸 钙 形 成 纳 米 颗 粒 的 过 程, 或 许 可 以 弄 清 楚 在 原 始 地 球 上, 碳 原 子 如 何 一 个 个 地 连 接 在 一 起, 最 终 形 成 关 键 生 命 物 质 的 化 学 机 制 杨 定 一 很 快 就 通 过 研 究 发 现, 无 机 矿 物 质 的 结 晶 会 主 动 与 蛋 白 质 DNA 等 有 机 分 子 结 合, 产 生 核 化 (nucleate) 现 象, 形 成 纳 米 细 菌 似 的 颗 粒, 会 像 细 胞 一 样 自 我 复 制, 让 人 误 以 为 它 们 在 分 裂 这 些 矿 物 质 与 蛋 白 质 或 其 他 有 机 分 子 的 复 合 物, 可 能 与 软 组 织 钙 化 血 管 硬 化 等 疾 病 有 关 2008 年 4 月, 美 国 国 家 科 学 院 院 刊 自 然 科 学 等 国 际 著 名 学 术 刊 物 相 继 报 道 杨 定 一 在 纳 米 细 菌 上 的 发 现, 他 不 仅 破 解 了 一 大 科 学 悬 案, 还 指 出 此 前 论 战 双 方 的 观 点 均 不 正 确 ( 纳 米 细 菌 没 有 生 命, 但 科 学 家 在 这 些 颗 粒 上 46 环 球 科 学

11 / 责 任 编 辑 : 曹 丽 敏 / cnsciam@gmail.com / 不 同 状 态 的 纳 米 颗 粒 检 测 到 的 蛋 白 质 和 核 酸 并 非 源 于 污 染, 而 是 由 于 它 们 主 动 与 有 机 分 子 结 合 ) 这 项 研 究 也 为 纳 米 颗 粒 的 应 用 指 明 了 方 向 : 在 医 学 上, 纳 米 颗 粒 可 以 作 为 一 个 健 康 指 标, 反 映 器 官 的 衰 老 程 度 和 人 体 代 谢 机 制 是 否 异 常 ; 在 纳 米 技 术 上, 我 们 可 以 控 制 纳 米 颗 粒 的 形 成 过 程, 制 造 出 预 期 的 纳 米 材 料 而 且, 这 项 研 究 也 将 改 变 人 类 对 很 多 疾 病 的 认 识 和 治 疗 方 式, 催 生 一 门 新 的 学 科 纳 米 病 理 学 以 结 石 病 为 例, 以 前 人 们 都 认 为 这 是 一 种 局 部 疾 病, 但 从 纳 米 颗 粒 的 形 成 过 程 来 看, 结 石 病 应 该 是 一 种 全 身 性 疾 病, 治 疗 方 式 也 应 该 发 生 相 应 改 变 不 过, 杨 定 一 并 不 急 于 开 展 纳 米 颗 粒 的 应 用 研 究, 因 为 他 认 为 当 前 更 重 要 的 研 究, 是 要 彻 底 弄 清 纳 米 颗 粒 的 结 构 和 其 他 特 征, 以 及 除 了 人 体 外, 地 球 上 还 有 哪 些 情 况 或 地 方 会 产 生 纳 米 颗 粒 以 前, 科 学 经 常 犯 错, 就 是 因 为 科 学 家 还 没 有 把 一 种 新 技 术 或 新 发 现 完 全 弄 清 楚, 就 开 始 进 行 应 用 研 究, 现 在 我 们 应 该 以 此 为 鉴, 做 足 了 基 础 研 究 才 能 避 免 犯 错 神 童 很 多 科 学 家 称 赞 说, 杨 定 一 在 纳 米 细 菌 上 的 发 现 给 人 留 下 了 深 刻 的 印 象, 解 决 了 一 个 重 大 的 科 学 难 题, 是 一 个 非 常 了 不 起 的 成 就 而 这 些 成 就 与 他 小 时 候 的 经 历 密 不 可 分 由 于 受 到 战 争 的 影 响, 杨 定 一 在 6 岁 时, 他 的 父 亲 著 名 生 物 医 学 工 程 学 家 杨 正 民 就 带 着 全 家 移 民 巴 西 刚 到 巴 西 时, 不 论 是 英 语 还 是 葡 萄 牙 语, 杨 定 一 一 窍 不 通 但 不 到 一 年 时 间, 他 就 学 会 了 葡 萄 牙 语 和 英 语, 可 以 熟 练 地 与 当 地 人 对 话 小 学 阶 段, 老 师 都 不 喜 欢 杨 定 一, 不 愿 他 呆 在 自 己 负 责 的 班 级, 原 因 很 简 单 : 他 总 是 逃 课 为 了 增 加 杨 定 一 的 出 勤 率, 老 师 们 想 方 设 法 刁 难 他 : 加 大 考 题 难 度, 如 果 得 分 过 低, 就 可 以 逼 他 留 级 或 离 开 然 而, 老 师 们 一 次 次 失 望 了 不 论 用 什 么 考 题, 杨 定 一 的 得 分 总 是 满 分, 反 而 逼 得 老 师 使 出 更 绝 的 一 招 : 动 用 高 一 年 级 的 考 题, 希 望 能 难 住 他 结 果 同 样 是 失 望 : 杨 定 一 仍 得 到 满 分 有 趣 的 是, 老 师 从 失 败 中 找 到 了 赶 走 杨 定 一 的 理 由 : 既 然 杨 定 一 做 高 一 年 级 的 考 题 都 能 得 到 满 分, 证 明 他 完 全 可 以 跟 上 高 一 年 级 的 课 程 进 度, 那 为 什 么 不 向 学 校 提 出 申 请, 让 他 跳 级 呢? 就 这 样, 杨 定 一 开 始 了 跳 级 的 历 程, 有 一 年 甚 至 创 纪 录 的 连 跳 三 级, 直 到 他 13 岁 高 中 毕 业 不 过, 老 师 们 不 知 道 的 是, 杨 定 一 逃 课 并 不 是 贪 玩, 相 反 他 非 常 勤 奋, 有 时 一 天 只 睡 三 四 个 小 时 对 于 小 学 生 而 言, 这 样 长 的 学 习 时 间 实 在 难 以 想 象 从 五 六 岁 开 始, 杨 定 一 不 仅 自 学 功 课, 还 阅 读 大 量 国 学 经 典 他 读 书 的 方 式 非 常 奇 特 : 同 时 阅 读 6 本 甚 至 更 多 的 书 籍, 因 为 这 样 有 助 于 刺 激 记 忆 力, 读 书 时, 你 必 须 记 住 每 本 书 读 到 什 么 地 方, 内 容 是 什 么, 当 你 下 次 再 读 这 本 书 时, 才 可 能 继 续 读 下 去, 否 则 又 要 从 头 开 始 读 书 之 外, 杨 定 一 的 另 一 件 要 事, 就 是 坐 下 来 静 静 地 思 考 这 是 一 个 重 要 过 程, 通 过 思 考, 可 以 好 好 理 解 记 住 的 东 西, 把 它 们 融 会 贯 通 而 且, 注 意 力 集 中, 学 习 会 很 快 后 来 的 事 实 证 明, 阅 读 和 思 考 的 习 惯 对 杨 定 一 的 学 术 生 涯 产 生 了 非 常 大 的 影 响 录 取 风 波 1971 年, 当 年 仅 13 岁 的 杨 定 一 与 年 长 五 六 岁 的 高 中 同 学 共 同 走 进 巴 西 高 考 考 场 时, 他 并 未 感 到 紧 张, 因 为 在 过 去 几 年 里, 他 以 自 己 特 有 的 方 式 获 得 的 知 识, 锻 炼 出 来 的 思 维 能 力, 已 经 远 超 当 时 的 巴 西 高 中 生, 甚 至 超 过 高 考 对 考 生 的 要 求 毫 无 意 外, 杨 定 一 的 高 考 成 绩 名 列 巴 西 第 一, 进 入 巴 西 任 何 一 所 大 学 似 乎 都 没 问 题 问 题 恰 好 出 在 这 里 当 时, 巴 西 并 不 允 许 少 年 大 学 生 的 存 在, 也 就 是 说, 学 生 必 须 一 步 一 个 脚 印 走 向 大 学 校 园, 不 能 跳 级 这 就 意 味 着, 每 年 都 会 跳 级 的 杨 定 一 不 能 被 巴 西 的 任 何 一 所 大 学 录 取, 他 得 重 新 回 到 中 学 校 园, 一 直 读 到 十 七 八 岁 幸 好, 当 时 的 巴 西 大 学 校 长 非 常 欣 环 球 科 学 47

12 医 学 健 康 Medicine & Health 赏 这 个 13 岁 的 天 才 少 年, 而 这 位 毕 业 于 美 国 麻 省 理 工 学 院 受 过 多 年 国 外 教 育 的 老 校 长 思 想 开 放, 他 认 为 没 有 任 何 理 由 去 阻 止 一 名 如 此 优 秀 的 少 年 进 入 大 学 学 习 在 老 校 长 和 父 亲 ( 当 时, 杨 正 民 先 生 是 巴 西 大 学 教 授 ) 的 努 力 下, 巴 西 政 府 终 于 同 意 改 变 相 关 规 定, 允 许 巴 西 大 学 医 学 院 录 取 杨 定 一, 使 他 成 为 巴 西 大 学 有 史 以 来 最 年 轻 的 大 学 生 一 个 国 家 为 一 位 学 生 改 变 规 定, 这 样 的 重 磅 消 息 自 然 逃 不 过 媒 体 的 灵 敏 嗅 觉 全 巴 西, 甚 至 南 美 其 他 国 家 的 媒 体 都 蜂 拥 而 至, 采 访 这 位 改 变 了 国 家 规 定 的 少 年 一 时 间, 关 于 杨 定 一 的 报 道 铺 天 盖 地, 在 南 美 引 起 极 大 反 响 南 美 刮 起 的 杨 定 一 旋 风, 也 让 各 大 厂 商 意 识 到 这 位 巴 西 最 年 轻 大 学 生 将 给 他 们 带 来 的 好 处, 厂 商 代 表 们 纷 纷 赶 来, 请 求 杨 定 一 为 他 们 公 司 拍 摄 广 告 一 名 厂 商 代 表 甚 至 直 接 开 来 一 辆 轿 车, 作 为 他 拍 广 告 的 报 酬 杨 定 一 教 授 向 记 者 介 绍, 当 年 他 拍 的 电 视 广 告 在 巴 西 持 续 播 放 了 一 年 半 时 间,40 年 后, 一 位 曾 与 他 有 合 作 关 系 的 巴 西 科 学 家 都 还 记 得 13 岁 的 他 在 电 视 广 告 中 的 模 样 然 而, 名 利 双 收 的 杨 定 一 并 不 高 兴, 因 为 他 想 去 的 地 方 不 是 巴 西 大 学, 而 是 科 技 更 发 达 的 美 国 实 际 上, 在 参 加 巴 西 高 考 之 前, 他 已 经 参 加 过 美 国 的 大 学 入 学 考 试 (ACT), 得 分 也 是 满 分 这 样 的 成 绩, 很 容 易 就 得 到 普 林 斯 顿 哥 伦 比 亚 耶 鲁 等 世 界 顶 级 名 校 的 青 睐 但 当 他 开 始 憧 憬 美 国 大 学 生 活, 收 拾 行 装 准 备 前 往 梦 想 中 的 地 方 时, 由 于 父 亲 担 心 他 年 龄 太 小, 难 以 适 应 美 国 生 活, 不 允 许 他 去 美 国 读 书, 只 是 答 应 让 他 进 入 巴 西 大 学 学 习 当 时 很 失 落, 很 生 气, 也 非 常 不 理 解, 为 什 么 不 能 去 美 国 读 书? 多 年 以 后 我 才 明 白 父 亲 的 良 苦 用 心 杨 定 一 选 择 医 学 专 业, 也 是 父 亲 的 要 求 在 杨 正 民 教 授 看 来, 学 医 不 仅 可 以 学 到 技 术, 赚 钱 养 家 糊 口, 而 且 将 来 还 能 帮 助 自 己 和 家 人 改 善 健 康 杨 老 教 授 的 想 法 并 没 有 错, 多 年 后, 杨 定 一 成 为 了 自 己 的 岳 父 台 塑 集 团 董 事 长 王 永 庆 先 生 的 私 人 健 康 顾 问 但 在 当 时, 杨 正 民 教 授 或 许 并 不 知 道, 儿 子 感 兴 趣 的 不 是 医 学, 而 是 经 济 学 和 物 理 学 轰 动 美 国 尽 管 学 术 水 平 可 能 与 美 国 名 校 存 在 差 距, 但 巴 西 大 学 仍 给 杨 定 一 提 供 了 更 宽 广 的 舞 台 进 入 大 学 后, 杨 定 一 对 物 理 学 上 的 兴 趣 有 增 无 减, 在 医 学 专 业 课 程 之 外, 他 专 门 选 修 了 电 机 和 物 理 学 课 程 选 修 课 程 似 乎 还 无 法 满 足 杨 定 一 对 物 理 知 识 的 渴 求, 他 还 把 家 里 及 学 校 图 书 馆 的 相 关 藏 书 找 出 来, 细 细 研 读, 几 乎 成 了 半 个 物 理 专 业 的 学 生 同 时, 杨 定 一 也 未 放 弃 前 往 美 国, 追 求 更 高 学 术 成 就 的 梦 想 刚 一 进 入 大 学, 他 就 到 图 书 馆 借 阅 美 国 大 学 名 录, 详 细 了 解 美 国 各 所 大 学 的 情 况, 为 自 己 的 梦 想 寻 找 落 脚 点 当 他 翻 到 美 国 洛 克 菲 勒 大 学 这 一 页 时, 关 于 学 校 情 况 的 介 绍 深 深 吸 引 了 他 : 全 球 唯 一 一 所 纯 研 究 型 大 学, 学 校 中 一 半 以 上 的 教 授 都 是 美 国 科 学 院 院 士, 创 校 以 来 已 培 养 出 10 多 位 医 学 与 化 学 领 域 的 诺 贝 尔 奖 得 主 ( 到 2009 年 共 有 23 位 ), 很 多 重 大 科 学 突 破 都 诞 生 于 该 校 实 验 室 洛 克 菲 勒 大 学 由 此 成 为 杨 定 一 奋 斗 的 目 标, 他 开 始 刻 意 收 集 与 该 大 学 相 关 的 资 料 一 次, 在 洛 克 菲 勒 大 学 出 版 的 知 名 学 术 期 刊 实 验 医 学 杂 志 (journal of experimental medicine) 上, 他 读 到 一 篇 由 主 编 赞 维 尔 A 科 恩 (Zanvil A. Cohn) 教 授 撰 写 的 文 章, 这 位 免 疫 学 界 的 大 师 级 人 物 在 字 里 行 间 表 露 出 的 智 慧 以 及 对 科 学 问 题 的 独 到 见 解, 折 服 了 年 轻 的 杨 定 一 他 立 即 拿 来 纸 笔, 写 下 一 封 热 情 洋 溢 的 信, 除 了 表 达 对 洛 克 菲 勒 大 学 的 向 往, 还 汇 整 出 科 恩 教 授 发 表 过 的 所 有 研 究 论 文, 并 对 未 来 可 行 的 研 究 方 向 提 出 了 建 议 让 杨 定 一 感 到 意 外 的 是, 信 件 寄 出 后 不 久 就 收 到 了 回 信 : 科 恩 教 授 在 信 中 鼓 励 杨 定 一 好 好 学 习 专 业 知 识, 为 未 来 的 学 术 生 涯 打 下 基 础, 并 欢 迎 他 在 大 学 毕 业 后 成 为 洛 克 菲 勒 大 学 的 一 员 这 封 信 成 为 杨 定 一 新 的 前 进 动 力 18 岁, 杨 定 一 从 巴 西 大 学 毕 业, 他 终 于 得 到 父 亲 许 可, 只 身 前 往 能 实 现 自 己 的 科 学 梦 想 能 尽 情 挥 洒 才 华 的 地 方 洛 克 菲 勒 大 学, 他 的 导 师 正 是 实 验 医 学 杂 志 的 主 编 科 恩 教 授 直 到 今 天, 杨 定 一 仍 能 清 楚 记 得 当 年 收 到 回 信 时 的 情 景, 也 很 怀 念 他 在 科 学 界 的 引 路 人 科 恩 教 授, 更 为 这 位 伟 大 的 科 学 家 感 到 惋 惜 :1973 年, 科 恩 发 现 了 树 突 状 细 胞 (Dendritic cell, DC), 这 是 免 疫 学 领 域 的 重 大 突 破, 可 惜 他 过 早 去 世, 否 则 在 洛 克 菲 勒 大 学 的 诺 贝 尔 奖 获 得 者 名 单 上, 肯 定 会 有 他 的 名 字 由 于 导 师 是 免 疫 学 界 的 泰 斗, 杨 定 一 的 研 究 自 然 转 向 免 疫 学 当 时, 免 疫 学 界 最 热 门 的 研 究 课 题, 是 弄 清 楚 免 疫 细 胞 如 何 识 别 肿 瘤 细 胞 等 病 变 细 胞, 好 几 位 科 学 家 都 因 为 这 类 研 究 获 得 了 诺 贝 尔 奖 如 果 杨 定 一 跟 随 前 辈 的 脚 步, 从 事 免 疫 细 胞 识 别 病 变 细 胞 的 机 制, 或 许 也 能 取 得 一 定 的 成 就, 然 而 他 并 未 选 择 跟 从, 在 决 定 研 究 方 向 的 问 题 上, 他 再 次 展 现 出 非 凡 的 一 面 系 统 回 顾 了 前 辈 们 做 过 的 研 究 后, 杨 定 一 发 现 了 一 个 问 题 : 大 家 都 在 一 窝 蜂 地 研 究 免 疫 细 胞 如 何 识 别 病 变 细 胞, 而 对 于 识 别 之 后, 免 疫 细 胞 的 杀 灭 过 程 却 没 人 过 问, 也 没 人 知 道 这 个 过 程 是 如 何 进 行 的 在 杨 定 一 看 来, 弄 清 楚 免 疫 细 胞 的 杀 灭 机 制 极 为 关 键, 因 为 不 管 免 疫 细 胞 的 识 别 机 制 如 何, 它 们 最 终 目 的 都 是 要 杀 灭 这 些 病 变 细 胞 如 果 不 弄 清 楚 这 个 过 程, 科 学 家 将 来 如 何 诱 导 免 疫 细 胞 保 护 机 体 呢? 杨 定 一 采 用 的 研 究 方 法 让 同 行 感 到 非 常 意 外 : 他 把 电 机 技 术 运 用 到 了 免 疫 学 上, 这 是 前 所 未 有 的 事! 利 用 电 机 技 术, 他 检 测 到 包 括 白 血 球 在 内 的 一 些 免 疫 细 胞 会 制 造 一 种 蛋 白 质 穿 孔 素 48 环 球 科 学

13 / 责 任 编 辑 : 曹 丽 敏 / cnsciam@gmail.com / 杨 定 一 的 学 生 马 奕 安 在 实 验 室 中 研 究 纳 米 细 菌 (perforin), 而 这 些 蛋 白 质 能 破 坏 病 变 细 胞 的 细 胞 膜, 使 之 出 现 孔 洞, 引 起 细 胞 膜 内 外 电 位 和 各 种 离 子 浓 度 的 变 化, 从 而 杀 死 病 变 细 胞 为 了 使 结 果 更 为 可 信, 杨 定 一 还 测 出 了 病 变 细 胞 的 细 胞 膜 出 现 孔 洞 后, 电 位 水 分 子 和 离 子 浓 度 变 化 的 具 体 数 值 让 他 始 料 未 及 的 是, 在 一 次 学 术 会 议 上, 当 他 首 次 向 与 会 科 学 家 宣 布 自 己 的 研 究 结 果, 描 述 杀 伤 细 胞 杀 灭 病 变 细 胞 的 机 制 时, 得 到 的 并 非 赞 誉 之 辞, 而 是 一 番 劈 头 盖 脸 的 批 评 很 多 科 学 家 认 为, 免 疫 细 胞 会 像 西 部 牛 仔 一 样 开 枪 杀 死 细 胞 的 说 法 荒 谬 之 极, 这 位 年 轻 人 的 想 象 力 实 在 太 丰 富 了 杨 定 一 告 诉 记 者, 当 时 绝 大 多 数 与 会 科 学 家 都 对 他 提 出 了 批 评, 面 对 这 些 丝 毫 不 留 情 面 的 批 评 之 声, 意 志 不 坚 定 的 人 很 可 能 会 失 去 研 究 的 信 心 但 他 坚 持 了 下 来 由 于 研 究 方 法 极 具 创 新 性, 自 然 科 学 细 胞 等 杂 志 相 继 刊 登 了 他 的 研 究 成 果, 而 他 的 结 论 也 不 断 得 到 后 续 研 究 的 支 持 尤 其 是 基 因 技 术 出 现 以 后, 杨 定 一 在 很 多 动 物 甚 至 植 物 体 内 检 测 到 大 量 钻 孔 蛋 白, 而 且 这 些 蛋 白 具 有 同 源 性, 证 明 杀 伤 细 胞 的 杀 灭 机 制 是 广 泛 存 在 的 如 今, 免 疫 细 胞 的 杀 伤 效 应 已 广 泛 用 于 消 灭 癌 细 胞 以 及 被 病 毒 感 染 细 胞 由 于 在 科 学 研 究 上 的 杰 出 表 现, 杨 定 一 不 仅 在 21 岁 轻 松 获 得 博 士 学 位, 还 在 6 年 后, 以 27 岁 的 年 龄 升 任 洛 克 菲 勒 大 学 分 子 免 疫 及 细 胞 生 物 学 系 主 任, 在 美 国 科 学 界 引 起 了 极 大 的 轰 动 效 应 后 来, 他 又 鉴 定 出 数 个 与 细 胞 凋 亡 相 关 的 基 因, 阐 明 了 炎 症 反 应 的 分 子 机 制, 也 引 起 了 不 小 的 反 响 如 今, 杨 定 一 已 发 表 了 200 多 篇 重 要 研 究 报 告, 硕 果 累 累 角 色 转 变 个 人 取 得 极 大 成 功 之 后, 杨 定 一 希 望 带 领 更 多 的 人 走 向 成 功 1999 年, 由 于 不 认 同 现 有 教 育 理 念, 认 为 当 前 教 育 方 式 给 儿 童 施 加 了 太 大 的 压 力, 对 他 们 期 望 太 大, 要 求 太 高, 不 利 于 孩 子 的 成 长, 杨 定 一 与 来 自 德 国 美 国 瑞 士 法 国 等 国 家 的 37 位 科 学 家 一 道, 成 立 了 国 际 儿 童 联 盟, 希 望 借 此 帮 助 各 国 儿 童 在 一 个 相 对 宽 松 的 环 境 下 健 康 成 长 目 前, 该 联 盟 已 在 多 个 国 家 设 立 了 分 支 机 构 在 我 国 大 陆 地 区, 杨 定 一 及 其 同 事 把 匡 扶 目 标 锁 定 为 贫 困 地 区 的 儿 童 他 和 妻 子 王 瑞 华 女 士 协 助 台 塑 集 团 创 办 人 王 永 庆 先 生 投 资 修 建 的 明 德 小 学 已 超 过 2,300 所,200 多 万 农 村 儿 童 在 里 面 读 书 在 明 德 小 学, 杨 定 一 主 张 全 人 教 育 理 念, 也 就 是 说, 除 了 日 常 功 课 以 外, 他 鼓 励 学 生 全 方 位 发 展 为 此, 他 在 学 校 中 添 置 了 很 多 新 设 备, 比 如 修 建 模 拟 工 厂, 让 孩 子 们 亲 自 搞 绿 化, 打 扫 清 洁, 训 练 他 们 的 动 手 能 力, 让 他 们 变 得 更 勤 劳 更 朴 实 根 据 自 己 的 人 生 经 验, 杨 定 一 还 在 明 德 小 学 推 广 读 经 活 动, 让 儿 童 每 天 抽 出 一 定 时 间 朗 诵 经 典 书 籍 从 唐 诗 宋 词 到 四 书 五 经, 再 到 莎 士 比 亚 等 国 外 大 家 的 作 品 都 在 经 典 之 列 在 他 看 来, 阅 读 经 典 书 籍 不 仅 可 以 增 长 知 识, 还 能 锻 炼 表 达 和 思 维 能 力, 最 直 接 的 好 处 是, 阅 读 后 儿 童 很 快 就 会 进 入 专 注 状 态, 学 习 效 率 更 高 在 帮 助 贫 困 儿 童, 为 他 们 提 供 良 好 教 育 机 会 的 同 时, 杨 定 一 也 通 过 其 他 方 面 的 努 力 帮 助 穷 人 危 地 马 拉 气 候 宜 人, 是 中 南 美 洲 的 瑞 士, 但 该 国 原 住 民 占 了 全 国 人 口 的 70%, 经 济 条 件 相 当 落 后, 很 多 人 没 有 合 适 的 房 屋 居 住 杨 定 一 和 朋 友 经 过 多 年 研 究, 开 发 出 一 种 纳 米 建 材, 用 它 能 建 造 出 比 水 泥 建 筑 更 坚 固 更 抗 震 的 房 屋, 而 且 冬 暖 夏 凉, 非 常 舒 适 1999 年, 他 们 用 这 种 建 材 在 危 地 马 拉 盖 了 一 栋 四 层 楼 的 小 学, 捐 给 当 地 原 住 民 使 用 从 使 用 的 情 况 看, 这 套 技 术 完 全 可 以 较 低 的 成 本, 建 造 出 较 舒 适 的 房 屋 经 过 几 年 发 展, 他 们 修 建 的 房 屋 越 来 越 多, 第 一 阶 段 完 工 的 房 屋 有 200 多 栋, 还 包 括 公 园 学 校 马 路 加 工 厂 和 小 机 场 等 配 套 设 施 杨 定 一 和 朋 友 把 下 一 阶 段 的 计 划 称 为 光 之 城 市, 目 前 正 在 修 建 的 房 屋 超 过 2,000 栋 为 了 兴 建 这 么 多 房 屋, 他 们 购 买 的 土 地 从 原 有 的 几 十 公 顷 扩 大 到 几 百 公 顷, 不 仅 可 兴 建 2,000 栋 房 屋, 将 来 这 个 数 字 还 可 以 上 升 到 1 万 栋 以 上 SA 环 球 科 学 49

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