大學畢業(yè)之后,我離開了自動化專業(yè),轉身跨進了生命科學的大門。其實這兩件事并沒有一般人所認為的那么遙遠—生命本身就是宇宙中最復雜、最奇妙的自動化系統(tǒng),哪怕只是一個細胞,復雜程度都遠遠超過人類所能研制出來的最精密的機器。
無論是人類創(chuàng)造出來的自動機器,還是大自然進化出來的生物機器,它們都需要感知外面的世界。
味道的化學
在我們所面對的外界環(huán)境之中,食物絕對是既重要又復雜的一件事物:苦的東西不能吃,可能有毒;甜的東西要多吃,能量很高;酸的東西要小心,可能已經(jīng)變質了。了解這些味道,是我們人類與生俱來的本能。
養(yǎng)過孩子的人都知道,六個月大的嬰兒吃到甜的食物會高興得手舞足蹈;吃到略微發(fā)苦發(fā)澀的食物會直接吐出來;而吃到酸的食物則會皺起眉頭。當然,我們只不過是從動物祖先那里繼承了這種本能而已。利用這種本能,動物可以保護自己在沒有冰箱、沒有保質期的大自然中不至于吃壞肚子。
味道不過是代表著不同的化學物質罷了。糖是甜的,鹽是咸的,醋是酸的,藥是苦的,這是任何人都知道的基本常識。問題在于:我們的身體又是如何把這些化學物質轉化為大腦接收到的神經(jīng)信號的呢?
有人會回答:靠舌頭唄!還有人可能會給出更精細的答案:靠的是味蕾。再深入探究的話,應該說是味蕾中的味覺細胞。味覺的神經(jīng)電信號最初就是由這些味覺細胞產(chǎn)生的。那味覺細胞又是靠什么來感受不同味道之中的化學物質呢?籠統(tǒng)說來,這種位于舌尖上的接收器就是:蛋白質。
通道與受體
感受味道的蛋白質,具體來說屬于一種叫做膜蛋白的蛋白質。它們位于細胞表面,分成兩大類:一類能夠接受特定的外界分子并與之結合,稱為受體;另一類是空心的,等于在細胞表面上開了一個孔洞,方便物質出入細胞,稱為通道。
通道蛋白對于人體來說是非常重要的。如果沒有它們,細胞就無法與外界有效地交換物質,養(yǎng)分進不來,廢物出不去;更要命的是,有些重要的生物學功能就無法實現(xiàn)了。比如說鈉離子通道,能夠讓帶正電的鈉離子進入神經(jīng)細胞,改變細胞內外的電壓差,進而引發(fā)神經(jīng)沖動。
這正是我們需要吃鹽的原因之一,鹽里面的氯化鈉能夠補充神經(jīng)系統(tǒng)所需的鈉離子。過度缺乏鈉離子就會導致休克,所以我們在大運動量之后既要補水也要補鹽。咸味的感知所利用的也正是鈉離子通道。當我們吃了咸的東西,鈉離子會從通道大量涌入感知咸味的味覺細胞內,從而引發(fā)神經(jīng)信號。
除了咸味之外,其他味道主要都是依靠味覺細胞表面的受體來實現(xiàn)的。這些受體就像是機器人的接收器一樣,只不過它們接收的不是電磁波,而是化學小分子。俗話說:一把鑰匙開一把鎖。受體蛋白也是如此,依據(jù)自身形狀的不同,所能結合的小分子也不相同。一旦受體識別到與自己匹配的小分子,兩者的結合會導致受體發(fā)生形變,進而引發(fā)細胞內的一系列生物化學反應,最終放出神經(jīng)信號。
那么,既然我們能夠嘗出成百上千種不同的味道,是不是也有成百上千種不同的味覺受體蛋白呢?
其實不然。我們舌尖上的接收器往往都是多功能的,同一種受體蛋白能夠識別多種類似的化學物質。這讓我們的味覺變得不那么“精確”。比如說苦味吧,能夠引起苦味的化學物質很多,但并不全都有毒。否則我們就不會飲苦茶、吃苦瓜了,更不會有“良藥苦口”這樣的名言警句了。
再比如甜味,葡萄糖、果糖、蔗糖等各不相同的分子,都能引起甜味的感覺。人們正是利用這一點發(fā)明了甜味劑—能夠被受體識別,產(chǎn)生甜味的感覺,但不能被人體吸收利用,不會導致發(fā)胖。
要鮮不要辣
實際上,人類只能夠嘗出五種不同的基本味道。而且,這五種味道并不是我們中國人常說的“酸、甜、苦、辣、咸”,而是“酸、甜、苦、咸、鮮”。
為什么辣不是一種味道呢?因為它跟味覺完全沒有關系。中國人會說“火辣辣的”。而英語的說法更直接,人們一般都用“熱”(hot)而不是“辣”(spicy)來形容辣的東西。這不是大腦的幻覺,而是切切實實的感受。
辣是由一種叫做辣椒素的化學物質引發(fā)的。辣椒素受體的正常功能當然不是用來探測辣椒素,而是負責感受溫度和痛覺。所以,當辣得汗流浹背的時候,只不過是因為我們的身體誤以為自己碰上了極熱的天氣而已。
這種辣椒素受體遍布我們能夠感受痛覺的全身各處。所以,“被辣到”絕對不是只有舌頭才能享受的特殊待遇。同樣的道理,四川人和重慶人酷愛的“麻”也不是一種味道。它實際上是對局部神經(jīng)的暫時性麻痹所造成的感受。更糟糕的是,有嚴格的科學研究表明,過度吃辣會殺死你舌頭上真正的味覺細胞,導致味覺能力退化。
那么,鮮為什么是一種味道?鮮的英文是umami,從發(fā)音上就可以看出來,是日語對于英語的又一貢獻。當然,早在西方世界不知道日本為何物時,羅馬人就已經(jīng)懂得使用發(fā)酵的魚醬來提鮮了。但是,真正在科學上研究并搞清楚鮮味本質的是一位日本的教授。很自然地,他把這種從未被明確作為味道提出來的鮮味就用日語來命名了。
感受鮮味的受體所探測的化學物質是谷氨酸,它是組成蛋白質的20種基本氨基酸之一。我們今天所用的味精,主要成分就是谷氨酸的鈉鹽。有生物學家認為,之所以我們要懂得辨別鮮味,主要是為了判斷食物中蛋白質的含量。不過,也有生物學家對此持保留意見。
漢語在這個問題上大概也作出了貢獻?!磅r”這個字本身有“新鮮”的意味。鮮味很可能最早代表著肉類食物的新鮮程度。我們在進化中保留了對這種味道的鑒定能力,很可能是為了吃到營養(yǎng)價值更高、更健康的新鮮肉食。
五味之外
除了“酸、甜、苦、咸、鮮”這五種基本的味覺之外,我們的舌頭還有其他一些不那么敏感的味覺能力。如果口腔內出血,有的人會嘗到一種鐵銹味。這實際上是血液中用于攜氧的鐵離子被我們的舌頭探測到了。這種味覺能力可以讓我們對鮮血有足夠的敏感度,在人類還需要捕獵為生的原始時期極為有用。
我們的舌頭上還有能夠結合脂肪分子的受體蛋白,所以脂肪所帶來的愉悅口感實際上也有一部分是味覺作用。
當然,只靠五種基本的味覺不可能組合出舌尖上的中國那千變萬化的味道。很多人并不清楚,各種食物的味道,大部分是靠鼻子聞,而不是靠舌頭嘗。大家肯定都有過感冒了吃飯不香的經(jīng)歷,其中很大一部分原因就是因為我們鼻腔里的嗅覺細胞全都被鼻涕覆蓋住,聞不見氣味了。
有科學家做過更嚴格的實驗,證明我們在聞不到氣味的時候,根本分辨不出自己吃的是什么食物,喝的是什么飲料,甚至連茶和咖啡都區(qū)分不開。
有趣的是,在嗅覺細胞表面用于探測各種氣味小分子的接收器,是一種與味覺受體非常相像的受體蛋白質。在我們視網(wǎng)膜上探測光信號的蛋白質,與味覺受體和嗅覺受體也是極為相似的。這些受體蛋白統(tǒng)統(tǒng)屬于同一個大家族,學名稱為G蛋白偶聯(lián)受體。2012年諾貝爾化學獎兩位得主的獲獎原因,正是由于他們在這個家族蛋白質的研究上所作出的巨大貢獻。
與味覺不太相同的是,嗅覺受體能感受的小分子種類要多得多。人類基因組計劃研究結果顯示,我們每個人可能有384種不同的嗅覺受體蛋白。
但與其他哺乳動物相比,人類在進化中已經(jīng)丟失了超過一半的嗅覺蛋白基因。這或許是因為我們不用撒尿去圈地盤,也不用在黑夜中靠嗅覺發(fā)現(xiàn)敵人或獵物,更不用靠聞體味來辨別親人。話說回來,這384種嗅覺也足夠了,足夠我們締造一個美食的浮華世界—只不過,它未必是在舌尖上的。
(作者系生物學博士、中國科學院生物物理研究所副研究員)