環(huán)境污染的全球研究與未來

環(huán)境污染的全球研究與未來

自化學革命（約40年）以來，我們一直是第三代人。然而，在不久的將來，我們意識到了全球問題的規(guī)模和影響。據(jù)預測,化學生產(chǎn)過程中的改變將繼續(xù)予以抵制,沒有經(jīng)過充分測試的新化學制品的開發(fā)將有增無減,而且即使新的政策法規(guī)已開始實行,這些努力也不過是杯水車薪且受地域限制。全社會必須面對這樣一個殘酷的事實:世界在全球范圍內(nèi)都受到了污染,并且再也不可能恢復到原始狀態(tài);“點”清理的成功值得一提,但是環(huán)境治理進一步擾亂生態(tài)系統(tǒng)適應毒性的問題仍未解決。事實上,我們認為人類最多只能減緩污染的速度、減輕污染的性質(zhì)。雖然環(huán)境和生命科學不斷給環(huán)境政策和科學家們提供信息,但我們?nèi)灾鲝埲绻獞獙@一不可避免的困境,新范式是必不可少的。有觀點認為對于過去的研究有助于預測未來,但是這樣的觀點卻并不適用于當下現(xiàn)實世界中的生活。對于內(nèi)分泌干擾物(EDCs)的研究是一個很好的例子,EDCs是造成內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂的化合物,由不同成分組成,在環(huán)境中普遍存在。當今大多數(shù)關于EDCs的研究都關注于何種化合物在何地、何時及如何作用于分子、形態(tài)學、生理學、生殖系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)。此類研究大部分都是在實驗室嚴格的試驗控制下進行,而生態(tài)環(huán)境卻經(jīng)常被忽略。另一方面,有關野生動物的研究通常是群體或者偶爾是物種上記錄EDCs造成的污染后果,但缺少對于自然、混合物、接觸史的準確了解,并且沒有任何對照。除了極少數(shù)的特殊事件有證據(jù)明確顯示出具有辨別性的化學特征,如有毒物質(zhì)泄露或是食物飲水污染,通常情況下不能確定種群數(shù)量減少是由內(nèi)分泌干擾導致(Hamlin和Guillette2010)。人類和野生動物的暴露相似,因為暴露貫穿人們生命的始終,其因果和潛在機制難以確認。流行病學研究對于暴露和疾病表征的潛在關聯(lián)提供了一些見解,但依然未得出明確清晰的因果關系(Colborn2004;Landrigan和Miodovnik2011)。直到最近才有研究開始模擬現(xiàn)實生活。冬天在污水濾池中覓食蠕蟲的椋鳥較其他在花園土壤中覓食的椋鳥,能獲得更多的合成雌激素、天然雌激素以及其他EDCs(Markman2008)。冬季,對捕獲而得的雄性椋鳥喂食米蟲,這些米蟲與冬季受污染地區(qū)的蠕蟲所含的EDCs混合物水平相當。次年春季,評估雄性和雌性椋鳥鳴聲的次數(shù)和復雜性以及發(fā)聲核團(高級發(fā)聲中樞,HVC)的大小。接觸混合物的雄性椋鳥的鳴聲和HVC音量增大,免疫功能顯著降低。雌性椋鳥較喜歡接觸EDC混合物后鳴聲更復雜的雄性椋鳥。因此,雌性椋鳥通過鳴聲的復雜性來選擇異性,就會選到免疫功能不全的雄性椋鳥。一項黑頭呆魚的多代研究表明,慢性(7年)暴露于與生態(tài)水平相當?shù)囊胰泊贫紝е伦匀痪尤簽l臨滅絕(Kidd等2007)。動物(包括人類)會在其生命周期的不同階段暴露于EDCs,現(xiàn)已知曉該暴露會影響后代。最新研究已開始模擬EDCs跨代影響的情況(Skinner等2010)。這一點很重要,因為我們必須區(qū)分那些能對暴露個體及其后代產(chǎn)生永久性影響(即使未進一步暴露也有影響)的化學物質(zhì)和那些通過教育、去污染及治療后可減輕或逆轉(zhuǎn)短暫效應的化合物。因此,小至只想了解EDC具體分子靶標的研究,大到專注于對人群影響結(jié)果的研究,都必須有一個翻天覆地的變化。并非繼續(xù)研究EDCs、其破壞機制或個體急性暴露的后果這些不重要;然而,為了能夠在這個被污染的世界里生活,我們必須實事求是地考慮未來。EDCs對生殖影響的研究十分具有啟發(fā)性,因為歷來有許多關于野生動物、實驗室動物和人類生育能力下降和生殖異常的文獻。研究往往只關注那些受損的個體。然而,在每一處受污染的環(huán)境中仍然有成功繁殖(具有生存能力、繁衍能力的后代)的現(xiàn)象發(fā)生,鮮有例外(Crews等2000)。這不能歸功于未經(jīng)暴露的遷入種群,因為許多受影響的物種是固定在一個地方或不遷移的。因此,這些繁殖成功的個體都能以某種方式克服當?shù)谽DC污染的影響。盡管可以通過選擇獲得對化學物的耐受性(如Ozburn和Morrison1962;Poonacha等1973;也可參見Wirgin等2011),如可通過類固醇激素受體起作用的農(nóng)藥DDT(二氯二苯基三氯乙烷),但連續(xù)幾代具有耐受性的子代不會失去對具有調(diào)節(jié)生長發(fā)育和繁殖作用的內(nèi)源性激素的敏感性,否則他們就不可能繼續(xù)繁殖。進化選擇的是結(jié)果,而不是機制;目標分子(其中一些是激素受體)很有可能必須在EDCs慢性暴露的條件下作用,經(jīng)過一代又一代的遺傳同化,產(chǎn)生新的分子機制。進化生物學中先天因素和后天因素間的區(qū)別長期存在(Baker1938)。就遺傳和環(huán)境而言,先天因素是指選擇(自然、性或人為)如何造成人群和物種的差異,而后天因素包括個體在生命過程中積累的經(jīng)驗。就繁殖而言,先天因素是那些能決定何時最有利于幼仔生長的環(huán)境特征,而后天因素指那些使個體能夠調(diào)整或同步生殖過程的信號,以便于其在適當?shù)臅r間進行繁殖。因此,先天因素負責繁殖季節(jié)的時間安排,而后天因素可使機體與環(huán)境保持同步。先天因素在進化期產(chǎn)生作用,而后天因素則影響整個生命周期。在現(xiàn)實中,無論基因型如何,遺傳(“先天”)和環(huán)境(“后天”)共同作用都會形成成年的表型。遺傳因素使個體對環(huán)境因素做出不同反應。在發(fā)現(xiàn)遺傳學之前的幾個世紀,人們一直認為環(huán)境決定基因表型的形成,有兩個現(xiàn)在盛行的概念——節(jié)儉表型假說(Barker2006)和健康與疾病發(fā)展起源(Gluckman和Hanson2004)即為例證?；蛲蛔?單個或多個基因)顯然與許多疾病狀態(tài)有關。這種“基因×環(huán)境”(基因與環(huán)境)的交互作用將外部環(huán)境納入考慮,外部環(huán)境包括社會、生物、物理刺激以及胎兒母體的羊水環(huán)境,這些都會影響基因的表達。(交互作用定義為兩個或多個對象間共同或相互作用,這些作用可以是累加效應、協(xié)同效應或突現(xiàn)效應,表1)。典型的例證是由先天性苯丙酮酸尿癥導致的智力發(fā)育遲緩,這種病可以通過控制膳食暴露量來預防(vanSpronsen2010)。發(fā)育是一個展現(xiàn)過去因素的作用結(jié)果和揭示未來發(fā)展方向的過程。在發(fā)育的任何一個定義中都不能缺少的概念就是突現(xiàn)特征(Gilbert和Epel2009)(表1)。環(huán)境暴露可以同時或暫時分離。當刺激是混合物,如具有相似或不同性質(zhì)的化學混合物,或者由物理、生物和社會信號組成的生物混合物,最有可能出現(xiàn)同時暴露。連續(xù)暴露可以被不同時間間隔分開,比如幾秒、幾分鐘、幾小時、幾天、幾個季度、幾年或幾代,甚至可以跳過幾代,這是生命周期的一個基本屬性。與此密切相關的是組織激活假設(organization–activationhypothesis)(Arnold2009),其最早出現(xiàn)于胚胎學,隨后擴展到內(nèi)分泌學。在這個假設中,發(fā)育早期階段的初始暴露(例如,雌激素)可以使靶組織“準備好”,更容易應對后期出現(xiàn)的更高水平的相同激素暴露。同樣,癌癥生物學中的“二次作用”理論也說明生命早期的損害可以調(diào)控個體對環(huán)境暴露甚至是內(nèi)源激素“第二次作用”所導致的疾病發(fā)展的反應。我們推測在導致子代對第二次(或第三次)作用產(chǎn)生應答的第一次作用間也有相似的關系。另一個必須明確的特征是交互作用的特異性(表2)。例如,由EDC暴露引起的生殖細胞改變,可以影響個體在整個生命周期中對出現(xiàn)的暴露的反應。這些暴露可以是特異的;例如,某種雌激素類EDC暴露可能對生殖細胞重新編碼,從而使有暴露史的成年個體及其子代改變了對于雌激素類化合物的反應,但不會改變對其他類型化合物的反應。在此情況下,遺傳因素決定個體對哪些類型的暴露易感。相比之下,EDCs可能導致一種更普遍的“重新編碼”:經(jīng)暴露的個體及其子代改變了對環(huán)境(后天)刺激的反應,這些刺激并不局限于一個單一的系統(tǒng)(如,雌激素類EDCs),并會影響更多的反應,包括應激反應能力,下文的例子即可說明。最后,先天因素和后天因素之間的交互作用能夠影響截然不同的表觀遺傳機制(表2)。在現(xiàn)實生活中,引起表觀遺傳修飾的環(huán)境因素可能會繼續(xù)存在。舉例而言,如果飲食、行為或鉛等有毒環(huán)境的暴露跨代持續(xù)存在,那么無論修飾特征是否通過生殖細胞傳遞,表觀遺傳修飾都會在每一代身上出現(xiàn)。這種環(huán)境導致的表觀遺傳狀態(tài)可以通過消除或改變因素、增加一種不同的環(huán)境因素或離開污染環(huán)境而得到改變。這種有絲分裂效應稱為“依賴于情境的”表觀遺傳改變(Crews2008;WalkerandGore2011),因為這種改變的形成需要不斷地受到環(huán)境危害的暴露。換言之,當生殖細胞中存在基因組改變(這一過程稱為“依賴于生殖細胞的”表觀遺傳改變),表觀遺傳修飾就可能發(fā)生。如此,這種效應會體現(xiàn)在每一代身上,甚至當病原體消失后仍會出現(xiàn)。依賴于情境的表觀遺傳修飾截然不同于依賴于生殖細胞的表觀遺傳修飾。盡管兩者都具有跨代的特性,但只有后者(生殖細胞)才能在沒有任何暴露或刺激的情況下將特征傳給下一代。目前的研究正在探索這兩種表觀遺傳修飾形式(即生殖細胞和生命周期情境中的表觀遺傳修飾)可能會如何相互作用從而形成形態(tài)、生理機能、腦代謝、神經(jīng)基因組和行為。例如,產(chǎn)前暴露于烯菌酮會對男性生育產(chǎn)生不利影響,促使成年產(chǎn)生疾病、跨代改變大腦和行為(Anway等2005;Crews等2007)。由于這些表型是在后代無進一步烯菌酮暴露的情況下出現(xiàn),這就證明了復雜性狀依賴于生殖細胞遺傳。這些動物如何應對生命歷程關鍵階段中的相似刺激,如青春期壓力,將會闡明先天表觀遺傳學和后天表觀遺傳學之間的相互影響。我們設計了一個系統(tǒng),把表觀遺傳現(xiàn)象分類為依賴于生殖細胞、情境或兩者并存,并將效應的普遍性或特別性納入考慮(表2)。盡管有關依賴于生殖細胞和依賴于情境的表觀遺傳修飾的研究,就其本身而言,實用性強且信息量大,但只有將兩種表觀遺傳修飾結(jié)合起來進行研究,才能反映并理解真實的世界。正是由于這一特性,內(nèi)分泌干擾影響各級生物體。因此,未來的研究應更側(cè)重于綜合性與跨學科性,致力于證明基因、表觀遺傳、生理、行為、神經(jīng)各層面的效應,并闡釋相關過程的因果機制和功能性結(jié)果如何在各級生物體產(chǎn)生作用。與此同時,這類研究應闡明各級之間的關系,“使表型顯形”(Waddington1942)。這就意味著要綜合運用生物學中不同領域的概念,任一領域若要重新定義或因先入為主而忽視另一概念都是錯誤的,因為構(gòu)想的有效性正是在于概念的不同。我們已經(jīng)探討了不少概念,尤其是進化生物學中的先天因素和后天因素,發(fā)育生物學中的基因、環(huán)境和表觀遺傳效應,以及生理學中的累加和協(xié)同相互作用。盡管研究人員常常在各自的研究領域中運用這些概念,但卻基本不會跨學科,即使這些概念在原始學科中是標準無誤的。換言之,進化生物學、生態(tài)學和有機體生物學中的根本差別在于先天因素和后天因素的因果關系。同樣,行為發(fā)展或流行病學中的標準概念往往不同于行為生態(tài)學或分子生物學。此外,“表觀遺傳學”這個詞的意義在不同的學科中也不盡相同,一些領域