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其实道理很简单，重水是作为一种引入标记物的物质而使用的。这种标记物就是重水所含有的重氢，也就是氘。 1 什么是标记？为什么要标记？标记要有那些基本属性？ 标记其实很简单，就是让一个东西变得和原本“有差异”，从而能把这个东西从其他和它一样的东西中被观测或检测到。例如中学生都知道的“标记重捕法”，就要给捕捉到的动物做标记，比如画一个标记、连上一个标记等。这就是为了在“重捕”时，将被捕到的动物和之前没有被捕到的动物区分开来。 那么，从这里可以看到，标记要有两个基本属性，即“区分性”和“无妨碍性”。所谓区分性，就是要能做真正做到区分。而“无妨碍性”，则是说标记要尽可能的维持被标记物原有的特性。用“标记重捕捉法”为例，就是你可以在动物皮毛上画一个图案做标记，但是你不能折断动物的一条腿做标记，因为后者已经影响了原有的特性， 动物是这样，分子也一样。然而我们无法给分子涂上颜色或者加上什么东西（尤其对于小分子来说），因为这会完全改变分子的结构，从而违背了“区分性”原则。 然而，幸好我们有同位素。同位素的概念中学课本就有，不再敷述。当将同位素原子替代分子内的相应原子时，会造成分子量的些许变化，从而能被质谱、核磁共振等技术检测而区分。另一方面，由于替换的是分子内的原子，因此这种替换对分子的性质尤其是化学性质影响较小，适合应用在药学、生物学等对化学反应有要求的研究中。当然，影响不是一点没有，但是这种影响和原子被替换的比例、替换的位置、分子量改变的程度等因素有关。替换比例越低、分子量改变越小，这种影响通常也越小。 2 哪些同位素？ 几乎每一种元素都有其所对应的同位素，但是并非所有的同位素都能拿来做标记。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素，后者由于会因衰变（同时产生辐射）而发生变化，因此这个性质并不利于对生物体内的分子做标记，因为首先衰变会造成量的变化，其次衰变产生的辐射可能对生物体有害（当然，放射自显影技术是另一个话题了）。 而稳定同位素则没这个问题，因此可作为生物体内分子的标记使用。但是，生物体分子绝大多数是有机物，因此需要用组成有机物的原子的同位素作为标记物。由于以上原因，生物体中用作标记的稳定同位素主要有4种，即2H、13C、15N和18O 2H就是氘。它可以以重水的形式被植物吸收，从而掺入植物利用重水所合成的有机物中，从而形成“被标记”的相应分子。此时就可利用这些被标记分子完成“识别”，进而可以进行定量、示踪等工作。而微博中提到的实验，就是一个涉及胡萝卜素分子示踪和代谢的研究。当然，在药学研究中，这种技术使用的更多。 3 氘作为标记物，安全性如何？ 氘作为氢的稳定同位素，当然不存在放射性的问题。那么其安全性高低，决定于两个因素：被氘标记的分子性质发生了多大的变化；如果有变化，那么摄入的量有多少。 很多人说重水有毒，这句话并不算错。因为大量饮用重水的确会导致实验动物的死亡。这是因为，首先由于水分子分子量小，因此两个氢被氘替换后，相对而言质量的变化较大（增大了12.5%），因此对水的性质影响较大。而由于水在体内的含量非常高，而且是最为重要的溶剂和反应媒介存在，因此过量摄入重水会对生命体造成损害。然而，这个量是很大的。据报道，对于哺乳动物，需要体内的氢原子有15%以上被替换为氘之后（氢原子质量占人体质量的10%，换句话说每公斤体重要含有15g氘原子），才会产生显著的毒性效应；重水含量要超过细胞内水量的25%~50%以上才有可能导致死亡。 事实上，由于同位素具有相对固定的丰度，因此我们每天的呼吸、饮食，都会摄入同位素。对于氘来说，其丰度约为0.015%左右，换句话说，每1000mg氢原子中，就含有0.15mg的氘。如果按照这一比例，我们每天喝2L水就会附带喝下30多mg的氘，加上饮食中的氘会更多。对于一个75公斤重的人体来说，体内会稳定的存在超过1000mg的氘（当然18O、13C之类就更多了）。
从上表可以看到，用于标记和示踪的氘用量可达每千克体重80mg。此外，除了用于提供氘外，重水本身就是一种常用的标记物，比如著名的人体代谢测定方法“双标水法”，就是按照每公斤0.5-1g的剂量（50kg人体就是25-50克）喝下重水、重氧水或2H218O的“双标水”作为标记物来进行代谢研究的。而这个剂量依然是远低于可能造成健康危害的剂量的。可见，在这些实验剂量下，使用稳定同位素做标记都是被认为安全的。 那么，微博中“黄金大米事件”（http://ajcn./content/96/3/658.full ）中的情况如何呢？我们来仔细看看。 首先，在实验中，是用有23%的氢原子被氘替换的重水（其实是重水-轻水混合物，因为不能妨碍植物的生长）来培养植物，让植物内的分子（研究对象是胡萝卜素）被标记。而在进食实验中并没有“喝下重水”，而只是吃下了含有标记分子的食品而已。而且使用重水也只是为了实验的标记，在生产型和其他实验性栽培过程中并不会使用重水。实验结果显示，在这一实验中，植物体内大多数胡萝卜素都带有了氘，而且以带10个氘的为最多。 带有10个氘，说明分子量大了10，然而对于胡萝卜素来说，分子量只大了1.9%，远小于重水质量的增加程度，因此可以说对被标记的胡萝卜素的性质影响极小。 那么通过被标记胡萝卜素摄入的氘又有多少呢？文中我们可以看到，摄入的胡萝卜素量最大为每天1.4mg（菠菜组，黄金大米为0.6mg，人工合成胡萝卜素为0.5mg）。那么按照图中所述的有90%的胡萝卜素都被标记（方便起见视为全被标记）、平均含有10个氘来算，通过胡萝卜素摄入的氘量最多为0.051mg。 有些懂生物和化学的人可能会意识到，植物里其他成分也会被氘标记啊。这个观察很敏锐，事实上，在这一实验中真正的氘的摄入的大头是其他植物组织，而非胡萝卜素。那么，氘的摄入总量有多大？按照实验中重水中23%的氢原子被氘替换，而植物光合作用吸收的CO2又不含氢，因此可近似视作植物内同化产物中有23%的氢原子被氘代替，再将食用的60g黄金大米等同为24g淀粉（按照米饭60%含水率计算，这是煮饭的水，不是重水）计算，摄入的氘含量大约为700mg。这一剂量相比天然摄入来说水平的确偏高，但相比于人体内几公斤的氢含量，这个摄入量微乎其微，远达不到“15%”的引起显著毒性的剂量。
事实上，稳定同位素标记技术长期实践过程中，被认为是一种相当安全的技术。可安全的应用于多种代谢相关的研究之中。 综上，在这一实验中，重水是作为一种标记物被使用的。受试者并未直接饮用重水。从受试者总氘摄入量来说，理论计算值为约700mg（可能存在误差），这一剂量相对自然氘摄入量来说偏高，但仍远低于安全限。重水仅是为此类实验使用，而在生产型种植中不会使用重水，因此生产型产品中不会含有通过重水引入的氘。 最后再啰嗦一句。这个实验的最大问题在于程序违规（当事人已经受到处理），但就安全性来说并不存在问题。 【1】图片来自：B. Koletzko 等，《Safety of stable isotope use》，Eur J Pediatr ，1997 【2】图片来自：李高，《稳定同位素标记药物在临床药代动力学研究中的应用》，中国临床药理学杂志，2000 |
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