[Happy Office] 2011063002 [微奇科学]

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Jun 29, 2011, 10:02:04 PM6/29/11

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期号：2011063002

星期四

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本期目录	1.[遗传医学] 儿子的智商妈决定？ 2.[食物科学] 蓬灰，拉面的科技

1. 儿子的智商妈决定？

网上一度盛传着一种说法，说是母亲对孩子的智商有着至关重要的作用。我听到的一个版本是：“决定智商的八对基因全部都是位于 X 染色体上面，然后男生是 XY， X 是来自母亲，Y是来自父亲。所以男生的智商全部都是来自母亲的遗传。“

听到这个，我老公的心一下子提到了嗓子眼，我们儿子岂不是要被毁了？这究竟是不是真的呢？

儿子的智商是由妈妈遗传的么？

我们先来看一组统计数据表格(数据取自[1])。

智商相关性

妈妈-孩子	0.464
妈妈-女儿	0.486
妈妈-儿子	0.443
爸爸-孩子	0.423
爸爸-女儿	0.438
爸爸-儿子	0.411

研究人员统计了美国两千多个家庭的父母及孩子的智商数据，汇总发现，母亲和孩子之间的智商确实比父亲和孩子的相关性略强。比如，母亲和儿子的智商相关程度为 0.443 (相关性越接近1，两者相关性越强)，而父亲和儿子的则为0.411。但是这不足10%的差距实在显的微乎其微。这么看来，“儿子的智商由妈决定”的定论是完全靠不住脚的，妈妈爸爸和子女的智商都有着关系，但也都不起决定作用。这样我老公的心也就可以搁到肚子里去了。不过“智力基因在X染色体上”这个说法难道真的是无中生有，空穴来风么？

智力基因在X染色体上么？

事实上，早在1972年，科学界就有人提出“智力基因在X染色体上”这样的说法。那时候，基因测序还没有实现，研究人员仅仅通过男女智商统计差异的得出的这种猜测。因为他们发现，尽管男女智商统计分布都是高斯分布，但是男人的智商分布的方差要大一些，也就是说IQ特别高的和特别低的男人占的比例要比女人多。不仅如此，某些智障类的遗传病好象对男人更情有独钟，种种迹象表明，智力的遗传和性染色体有着密切的关系。这种猜测后来才慢慢的得到实验的证实。

本世纪初，随着人类基因组计划的蓬勃发展，越来越多的基因序列编码也得到了破解。科学家们发现，X染色体上的近千个蛋白质编码基因里至少有40%都在大脑里表达，这个比例要高于常染色体,更远远超过Y染色体([2],[3])。也就是说，X染色体对大脑结构，认知能力，智力发育等等都有着巨大的作用。对于男孩来说，他们唯一的X染色体来源于母亲，也就说，理论上讲母亲对儿子智力方面的遗传作用也应该是巨大的，可为什么智商的统计显示却没有显著的相关性呢？这又究竟是怎么一回事呢？

X染色体上的基因是如何决定大脑结构的？

这涉及两个概念——X染色体失活(X-inactivation)和减数分裂中的染色体重组。

对于男人来说，X染色体上编译大脑结构的基因的任务很简单，因为只有一份基因，只管拿去用就好了。而对于女人来说，她们有两套X染色体，如果两套都用来表达蛋白质，那就乱了套。所以选择用哪一套去编译大脑就成了个难题。在女人的细胞中，两套X染色体会自动有一套失去活性，只留有一套解码编译蛋白质，这种两条X染色体的其中之一失去活性的现象就被称之为X染色体失活。现在普遍认为，在女性胚胎发育时期，大部分情况下，不同细胞中选择哪一套X染色体失活的过程是随机的。导致的结果是，大约一半的胚胎细胞来自于母亲的X染色体失活，而另一半是来自于父亲的X染色体失活。所以基因编译大脑结构的时候，一会儿是来自于母亲的X染色体起作用，一会儿却是来自父亲的起作用，随机选择，没有固定的模式，将X染色体基因表达充分的混合。另外，人的X染色体里还有大约15%的基因是可以逃过失活一劫的，这让本来已经非常复杂的X染色体编译更是变得扑朔迷离。

另一方面，减数分裂是一种特殊的细胞分裂方式。当性细胞分裂时，染色体只复制一次，细胞连续分裂两次，这样，细胞中染色体数目就减半了。女性有两个X染色体，减数分裂的时候每个卵细胞里就各分得一个X。细胞连续分裂的时候染色体还会发生多次重组，两条来自父母的不同的X染色体会交换某些同一位置上的基因，这就让最后每个卵细胞里分到的X染色体里混合了原本两个X染色体的基因。

所以，当儿子从妈妈那里得到X染色体的时候，是已经经过了减数分裂和染色体重组的结果，是混合了来自他外公外婆的X染色体的结果。而他的妈妈编译大脑的时候用的X染色体也是被随机选择过的，母子俩的大脑结构可能完全的不一样，也可能有很大的相似程度，最有可能的结果是既有一部分的相似度，又有一部分的不同。大自然的设计就是如此巧妙，尽管妈妈在儿子智力遗传问题上要负主要责任，但是仅凭妈妈的聪明程度还是不能绝对预测出儿子智力水平的高低。

另外，由于基因印记(Genomic imprinting)的存在，有科学家猜测相对于母亲通过X染色体遗传智力，父亲是通过常染色体表达基因从而影响子代的大脑和行为的[4]。但由于基因印记很少见，只占不足1%，这种影响并不显著。

人类智力的进化和天才基因

X染色体上集中了大量智力基因听起来好像对于男人来说是不利的，但很多科学家认为，这其实是人类智力进化的一个很大的优势。澳大利亚纽卡斯尔大学的Gillian Turner教授认为，人类的智力进化比别的任何遗传特征都要迅速，如果想要尽量快速的把一个基因在人群里传播，把它放在X染色体上是最明智的选择了。X染色体作为性染色体已经有三亿多年的历史了，它的大部分基因都得到了很好的保存，并且在性染色体上一直是主导的位置。所以有人猜测，X染色体上的进化并不主要靠新的基因的产生，而是很大程度上旧的基因产生新的组合。

不少科学家还猜测天才基因也是和X染色体息息相关的。下面这个图就代表着这么一个天才基因显现和传播的简易模型[5]。这个模型里只有六个基因，全部在X染色体上。第一代妈妈X染色体减数分裂之后产生了一个天才基因组合——全A基因的儿子。这个儿子和另外一个女人结婚，生了两个孩子，他的天才基因只能传给他的女儿，而不是他的儿子。而他的女儿再结婚，由于减数分裂中染色体发生重组(x的位置)的原因，天才基因组合被拆散了，所有的第四代都很平庸，但基因还在传播下去，期待着再次出现天才组合的机会。所以，虽然天才基因可以延续，但是天才的出现只是个偶然事件而已。

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如果这是真的，天才基因还需要靠女儿传宗接代，那么各位天才男人们就应该生女儿，否则基因要是在儿子那里将会断了香火，对于人类来说那是多么大的损失啊。

参考资料：

[1] Reed and Rich, Parent-Offspring Correlations and Regressions for IQ, Behavior Genetics, Vol. 12, No. 5, 1982
[2] Ropers and Hame, X-linked mental retardation, Nature Reviews Genetics 6, 46-57, 2005
[3] Nguyen and Disteche, High expression of the Mammalian X chromosome in brain, Brain Research, 1126: 46-49, 2006
[4] Gregg, Parental Control over the Brain, Science: Vol. 330 no. 6005 pp. 770-771, 2010
[5]Zechner et al, A high density of X-linked genes for general cognitive ability: a run-away process shaping human evolution? TRENDS in Genetics, Vol. 17, No. 12, 697-701, 2001

2. 蓬灰，拉面的科技

南京电视台“爆料”了拉面中使用“蓬灰”的“行业内幕”，果不其然吸引了全国公众的眼球。被食品添加剂弄得风声鹤唳的公众立刻群情激愤，以至于南京的数百家拉面店几近停业。后来的发展简直可以用“峰回路转”来形容——原来蓬灰是最正宗的拉面必用之物，“已有上百年历史”。再加上它是一种“天然产物”，并非“化学工业品”，于是大多数人就放了心，事件也以电视台灰头土脸地道歉而告终。

不过，还是有人很好奇：蓬灰虽然来自于“天然植物”，可是它毕竟只是一种草灰，加到拉面里干什么？

让我们先离开蓬灰，从面食说起。

面食差别咋就这么大

在世界范围内，面粉都是主要的粮食之一。人们用面粉制作了各种各样的食品。光是中国，不同的面食可能就多达几百上千种，在风味、口感方面各不相同。这里，我们挑出蛋糕、馒头和面条来，不谈风味，只从口感上做一番品评。

如果自己做过蛋糕，就会知道蛋糕从“生”到“熟”体积会大大增加。放凉之后，体积会减小一些，但是依然很“蓬松”。即使把蛋糕揉成一团再嚼，也还是很“散”很“软”，完全没有“筋道”的感觉。

与蛋糕相比，馒头体积在变熟过程中的膨胀就要小多了。好的馒头有一定的弹性，能够“撕开”——蛋糕就很难想象如何“撕”开，只能“掰”或者“切”。换句话说，好的馒头有一些“韧”的口感。如果揉面的时候碱加多了，馒头的体积就会小得多，吃起来很硬，而且颜色还发黄。

而面条，尤其是“碱面”，从口感上来说就像加碱过多的馒头——硬而“筋道”。生的面条煮熟之后，体积变化也很小。此外，碱面也会呈现淡黄色——这可不是染出来的颜色，而是货真价实的“原生态”。

同是面粉做出来的食物，为什么吃起来的差别这么大呢？

除了制作过程和其他成分的不同，仅就面粉而言，是因为一种叫做“面筋蛋白”的东西。在不同的面食中，它们或者生来就不相同，或者只是后天受到不同的处理而变得不同。总之，面筋蛋白是导致这几种面食口感不同的关键因素。

面筋蛋白是关键

跟淀粉相比，蛋白质在面粉中的比例不高。小麦品种、种植环境以及加工条件会影响最终面粉中的含量，一般在8%～16%之间。经过适当工业处理，面粉中的蛋白质含量还可以进一步降低甚至去除。根据蛋白质含量高低，人们把面粉划分为“低筋面粉”、“中筋面粉”和“高筋面粉”。低筋面粉的蛋白质含量一般低于8.5%，高筋面粉一般高于12.5%，中筋面粉则介于二者之间。

面粉中的蛋白主要有两种：glutenin和gliadin，一般被翻译成“谷蛋白”和“醇溶蛋白”。这两种蛋白质都不溶于通常的水。谷蛋白能溶解于稀的酸或者碱中，醇溶蛋白顾名思义就是能溶解于酒精中。在水中，它们会聚集在一起。把面粉放在水中“搓洗”，淀粉跑到了水中，这些蛋白质分子们跑到一起，在机械作用下互相连接起来，就成了“gluten”，中文里通常叫做“面筋蛋白”，也有人翻译成“麸质蛋白”、“谷胶蛋白”等。

面筋蛋白在中国和日本的传统食物中地位不低。这种蛋白质质地跟肉比较接近，很多“素肉”就是基于面筋蛋白而做成的。除了各种“面筋”食品，各类“烤麸”小吃的主要成分也是面筋蛋白。现代食品工业中，有一些“植物蛋白肉”，最常用的原料就是大豆蛋白和面筋蛋白。大豆蛋白的优势在于其氨基酸组成与人体需求很接近，在营养方面被称为“优质蛋白”。而面筋蛋白在营养方面乏善可陈，不过它具有良好的“黏结”性能，能够产生肉的质地和口感，所以在加工性能上更胜一筹。

在营养学上，评价一种蛋白质“品质”目前最通用的指标是“蛋白质消化校正氨基酸记分（PDCAAS）”。简单说来，它是衡量一种蛋白质单独满足人体氨基酸需求的效率。那些优质的蛋白，比如牛奶、鸡蛋、分离出来的大豆蛋白，其分值为1，牛肉是0.92。面筋蛋白中含有的赖氨酸和苏氨酸比较少，使得它的PDCAAS值只有0.25。意思是说，如果只吃一种蛋白质的话，4克面筋蛋白才能相当于1克“优质蛋白”。不过，如果吃的食物比较杂，那么面筋蛋白的缺陷可能被别的蛋白质来弥补，最终结果是所吃“混合蛋白”的PDCASS值大大提高。

除了氨基酸组成上的缺陷，面筋蛋白的形象不好还因为它能导致“麸质过敏（Celiac Disease）”，也有人把它叫作“乳糜泻”。在医学上，专业人士们还在为它到底是“过敏”还是“不耐受”吵架。不过对于普通人来说，它是什么并不重要，重要的是属于这种体质的人需要格外小心。面筋蛋白引发症状需要的量非常低，在美国，一种食品中的含量低于20ppm（1ppm是百万分之一）才可以标识为“gluten-free（无面筋蛋白）”。麸质过敏体质的人只能吃这样的食品，因而价格也就更贵。在小孩子中，症状有腹胀、腹泻、呕吐、便秘，以及生长缓慢、脾气暴躁等。而对成人来说，可能的症状有嗜睡、疲劳、关节痛、关节炎、骨质疏松、忧郁、焦虑，甚至还有月经不准、不孕以及自然流产等。

面筋蛋白，真正是“彼之砒霜，吾之蜜糖”。

面条缘何筋道？

面粉中的淀粉在量上占据绝对优势（85%以上），不过它们之间很难形成紧密的联系，只是各自为政的一盘散沙，自然难以有什么影响力。而面筋蛋白虽然不多，但是分子之间能够形成有组织有纪律的严密网络，也就能够决定面食的特性。

面筋蛋白中，起决定作用的是谷蛋白。谷蛋白中有许多半胱氨酸。这种氨基酸上有一个巯基，就是硫原子上带了一个氢原子的基团（-SH）。这个氢原子不太老实，成天想着离家出走。在揉面的过程中，如果两个巯基碰了面，各自的氢原子就很可能成功出逃。而剩下的两个硫原子就发生了资产重组，建立“战略同盟”——这种链接在化学上称为“二硫键”，意为两个硫原子连接而成。一旦两个大基团因为利益“共价”而结成联盟，要打开可就不容易了，两个面筋蛋白分子就连接成了一个更大的分子。因为每个面筋蛋白分子中都有多个这样的半胱氨酸，每一个都可能和其他的面筋蛋白分子结盟，于是，最后就结成了错综复杂的“关系网”。

这样的一个蛋白质网络，在受到外力——比如人的手捏、牙咬等作用的时候，就能够产生一定的变形而不断开——就像拉一个网兜与拉一堆木棍的差别。这样的网络越紧密，嚼起来就越“筋道”。

要加强面食中形成的网络，面筋蛋白的含量自然会很关键。高筋面粉中的面筋蛋白多，当然也就容易形成这样的网络。而低筋面粉中含量少，形成的网络就比较稀疏，在烘烤过程中，产生的大量气泡被这些稀疏的网络“网住”，最后就形成松软的质地。馒头中产生的气泡没有那么多，网络又比较紧密，因此“撑开”得有限，也就不像蛋糕那么松软，而是有一定“韧性”。而面条本来不产生气泡，与蛋糕馒头相比，质地很“硬”，形成的网络又很紧密，需要很大的外力才能让它变形，这就是所谓的“筋道”。不过，如果使用的外力足够大，也可以拉得很长而不断开，逐渐拉出很细的面条来。

除了数量，面筋蛋白的“素质”也会有比较大的影响。谷蛋白并非一种单一的蛋白，而是由分子量大小不同的许多兄弟组成。分子量最大的那些，组成网络的能力也越强。所以，相同蛋白质含量的面粉，其中面筋蛋白的组成不同，产生面筋网络的能力也会不同。

不过，对于制作食品的人来说，会更关心“相同的面粉，有没有办法操纵面筋蛋白的行为？”于是乎，蓬灰隆重登场了。

蓬灰的魔法

所谓“操纵面粉里的面筋蛋白”，就是改变它所处的环境，使得它们自愿或者非自愿地听从人们的指令。面筋蛋白跟其他蛋白质一样，属于意志不坚定、很容易受环境影响的“软骨头”。只要周围的酸碱度、盐度、温度等发生变化，它们就会放弃“自我”。

比如说，当pH值升高（即碱性增加）时，面筋蛋白中巯基上的氢原子就更加容易离家出走，从而使得面筋蛋白之间的交联更加容易发生。不知道中国人的祖先是如何发现某些湖水或者泉水可以使面条更加筋道的，总之用这样的“天然碱水”来制作碱面，可以算得上是国人对于世界食品技术的一大贡献。在当今的食品科学研究中，要探讨面粉改性剂的作用，碱水（kansui）往往会被拿来作为比较的基准。

碱面的特征是硬、筋道、浅黄色、特有的“碱面味”。根据化学分析，碱水的化学成分主要是碳酸钾和碳酸钠。它们具有弱碱性，加到面团中，可以把面团的pH值升高到9～11之间。在这个pH值下，面筋蛋白的交联程度明显增加，因而更硬、更“筋道”。面粉中还有一些天然的色素，在中性或者偏酸性的环境中是无色的。而在碱性环境中，就会呈现出浅黄色，这就是碱面总是发黄的原因。做馒头的时候如果加碱过多，pH太高，就会导致面筋蛋白网络太紧密，产生的气体难以膨胀，得到的馒头也就很“死”，并且呈现出黄色。至于面条在这个pH值下为什么会有那种特有的味道，还没有得到很好的解释。不过对于公众来说，知道这种风味的产生跟pH值有关也就够了。

如果注意过商店里卖的馄饨皮（在不同的地区，馄饨也叫做抄手、云吞等），会发现有的是黄色，有的则比较白。黄色的可以做得很薄（所谓的“超薄云吞皮”），而白色的都很厚。这就是因为黄色的加了碱，更加筋道，延展性更好，可以做得比较薄而不破。而白的那些，面筋蛋白交联度比较低，就只能靠厚度来保证完整了。

蓬灰的作用跟“碱水”完全一样。蓬灰是燃烧干枯的“蓬草”得到的灰烬，其中主要的成分也是碳酸钾。在没有化学知识指导的情况下，找到把草灰加到面粉里的办法，让人不得不感叹民间智慧的神秘来历。知道了面筋蛋白的八卦，也就很容易理解：如果没有蓬灰中的碳酸钾来帮助面筋蛋白形成紧密的网络结构，就无法拉出纤细而筋道的面条来。

高科技拉面剂

有许多“经验”确实充满了智慧，但是经验毕竟只是经验，难以举一反三，也难以触类旁通。有的时候，甚至“不灵”了也不好寻找原因。如果把“经验”当作研究对象，使用科学方法和手段搞清楚其中的基本原理，就能够扩大它的应用范围，并且避免其局限。

蓬灰拉面虽然很“地道”，足以引发人们对旧时的回忆，但它的局限也是明显的：首先，不利于大规模生产——大量地种植蓬草来燃烧制取“蓬灰”，可以算是一种很浪费自然资源的做法；其次，质量不可控——天然植物中还可能存在有砷等有毒元素。蓬灰作为添加剂在拉面中使用量并不大，其中的砷等有毒物质不会达到有害的地步。但是，它毕竟是饮食中砷的来源之一。对于这类完全有害无益的物质，人们会希望“能避免则避免”。

在拉面中，蓬灰起到了“面粉改良”的作用，人们把它叫做“拉面剂”。市场上销售的拉面剂除了“天然蓬灰”，还有科研人员按照蓬灰的有效成分用碳酸钾等物质配制而成的“蓬灰替代品”。这样的替代品可以精确控制组成，并且降低无效和有害的杂质含量。如果要把拉面进行现代化、标准化生产，那么质量稳定、成分可控的“蓬灰替代品”就是一种必然需求。

这样的拉面剂还只是一种简单模仿。当我们明白了拉面剂和面筋蛋白的关系，就会设想：除了碱，还有没有其他办法能够增加面筋蛋白的交联？感谢生物化学的发展，这个问题的回答是肯定的：有，而且不止一种。

如果说蓬灰的作用是让面条更筋道，那么，基于现代科学开发的“面粉改性剂”，则可以让我们随心所欲地控制面食的口感——想让它筋道，它就得筋道；想让它蓬松，它就得蓬松。

前面说了，升高pH值可以促进二硫键的形成。既然二硫键的形成在生物化学上是一个氧化过程，我们也就可以使用“氧化剂”来实现，比如碘酸钾就可以氧化“巯基”，去掉它们的氢原子，让它们连接起来。相反，如果我们希望面食更松软，就要防止面筋蛋白之间的交联。这时候，就要加入“还原剂”来实现，谷胱甘肽（GSH）就可以让巯基上的氢原子老老实实地待着——只要巯基保持完整，二硫键就无法形成。所以如果嫌蛋糕不够松软，就可以加入一些谷胱甘肽来改善。

更有趣的还是抗坏血酸，也就是通常说的维生素C。它本来是一种抗氧化剂，按理应该保护巯基氢原子的。可是把它加到面团中，却起到了碘酸钾那样的氧化效果——减少了巯基，增加了二硫键，使面团更加筋道了。

原来，抗坏血酸很容易被氧化，失去一个氢原子而成为“脱氢抗坏血酸”。面粉中有一种酶，叫做“脱氢抗坏血酸还原酶”，顾名思义就是给脱氢抗坏血酸加上一个氢原子，让它恢复原形。这种酶的专一性很强，它是从谷胱甘肽身上夺取氢原子——而实际上，它的真名是“谷胱甘肽脱氢酶”。面粉中本来有一些谷胱甘肽，被这种酶“脱”去了氢原子，也就失去了保护巯基的作用。加谷胱甘肽可以使得面团更蓬松，减少了它，自然也就使得面团更加“筋道”了。也有学者认为，脱氢抗坏血酸可以直接夺取巯基上的氢原子，从而促使二硫键形成。无论哪种机理，宏观看来，通常作为抗氧化剂的维生素C，居然在面团中起的是氧化剂的作用！

这些面粉改性剂，都还只是围绕着二硫键的形成做文章。而另一种更强大的改性方案，是让其他的氨基酸发生连接。有一种强大的酶叫做谷氨酰胺转移酶（Transglutaminase，简称TG），它可以把任何蛋白质中的谷氨酰胺和赖氨酸拉到一起，强行让它们联手。前面说面筋蛋白营养的时候，提过它的赖氨酸含量比较低，不过那是针对人体的氨基酸需求来说的。对于让面筋蛋白发生交联，其中的赖氨酸和谷氨酰胺是足够丰富了。而且这种“强扭的链接”，同样非常坚固。

2010年9月，许多新闻媒体报道了兰州交通大学的科研人员开发出“新型拉面剂”的消息。据称这种拉面剂采用“符合酶制剂、氨基酸以及盐类物质”，“摒弃了普通拉面剂中不宜用作面条制品添加剂的成分”。不管该产品是否真的能够让拉面爱好者们满意，至少它的思路和理念是值得赞许的，至于效果如何，就让时间来检验吧。