這些日子北京的天氣不是熱的要命
就是陰雨連綿
小編為了防曬和防雨好幾套衣服換來(lái)?yè)Q去,頗有種手忙腳亂的感覺
然而就在前幾天,小編日常上網(wǎng)沖浪的時(shí)候刷到了一個(gè)話題:#高溫超42度曬黑元兇竟是熱#,一些媒體引用專家的言論,稱“高溫超過(guò)42°C會(huì)刺激皮膚中的酪氨酸酶活性提高115.2%,還會(huì)使黑色素細(xì)胞體積增大、功能活躍?!?/p>
小編低頭看了看自己辛辛苦苦防曬還是有了色差的胳膊……難不成是熱出來(lái)的?
那今天,就讓小編跟大家一起探討一下,到底是熱黑還是曬黑效果更明顯吧。
我們是怎么被曬黑的?
我們的皮膚每天都會(huì)接觸大量的光,其中最具有生物學(xué)相關(guān)性,也最常見的是來(lái)自太陽(yáng)和一些人造光源的紫外光(200~400nm)。
圖1 太陽(yáng)光譜和溫度接近的黑體輻射譜,可見光只是太陽(yáng)光譜的很小一部分
為了方便討論,科學(xué)家將紫外線(UV)粗略區(qū)分為紫外線A、B、C三類(UVA:320~400nm;UVB:280~320nm;UVC:200~280nm)。臭氧層對(duì)UVC有很強(qiáng)的吸收作用,因此UVC幾乎不能到達(dá)地表,一般我們?cè)谔鞖忸A(yù)報(bào)里看到的“紫外線強(qiáng)度”指的就是UVA和UVB的強(qiáng)度。
圖2 不同波長(zhǎng)的光主要作用的皮膚部位
UVA主要作用于真皮層深部,但光子能量較低,對(duì)DNA損傷有限。UVA引發(fā)皮膚變黑的主要途徑是促使黑色素細(xì)胞釋放黑色素小體,從而導(dǎo)致即刻曬黑。這種曬黑一般會(huì)在幾天內(nèi)消退。
UVB的光子能量較高,相較于UVA更容易引發(fā)細(xì)胞中的DNA損傷,這些損傷包括相鄰核苷酸組成二聚體,多聚體等,統(tǒng)稱為DNA光合產(chǎn)物。最常見的光合產(chǎn)物是環(huán)丁烷嘧啶二聚體和6,4 嘧啶- 嘧啶酮光合產(chǎn)物。常見的環(huán)丁烷嘧啶二聚體突變是紫外線傷害的特異性后果。光合產(chǎn)物可引起DNA 復(fù)制減少、突變,甚至可能致癌。
皮膚發(fā)紅、刺痛、蛻皮等較嚴(yán)重的曬傷一般認(rèn)為主要由UVB引起。
圖3.不同波長(zhǎng)紫外線對(duì)于皮膚的影響
皮膚細(xì)胞可以通過(guò)黑色素來(lái)吸收紫外線。強(qiáng)紫外線照射后,皮膚合成色素增加,可反饋增加光保護(hù)。此外,防曬霜中多種有機(jī)和無(wú)機(jī)的成分都能幫助中和紫外線對(duì)皮膚的作用,主要的保護(hù)機(jī)制是吸收、反射和物理遮蓋。
綜上所述,我們?cè)谡務(wù)摫粫窈跁r(shí),其實(shí)是在談?wù)撟贤饩€對(duì)皮膚的損傷以及皮膚本身的自我保護(hù)機(jī)制。這種自我反饋機(jī)制起效很快,正如許多人體驗(yàn)過(guò)的一樣,夏天去海邊等陽(yáng)光強(qiáng)烈的地方曬一星期,整個(gè)人可能就直接黑了一個(gè)色號(hào)~
同樣,防曬也是最直接有效的美白方式之一。
熱真的會(huì)讓人變黑嗎?
要討論這個(gè)問(wèn)題,我們需要從黑色素本身的產(chǎn)生過(guò)程著手分析。
在人體中,黑色素屬于苯丙氨酸代謝路徑中某一條路徑的產(chǎn)物。控制這條代謝路徑效率的主要步驟是從酪氨酸到多巴這一步反應(yīng),也就是說(shuō)酪氨酸酶的活性直接影響黑色素的最終產(chǎn)量。
圖4. 苯丙氨酸的代謝途徑,其中黑色素的代謝路徑標(biāo)紅
我們小學(xué)二年級(jí)就學(xué)過(guò),生物體中各種各樣的酶承擔(dān)了生化反應(yīng)催化劑的角色。這些酶由于結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度變化發(fā)生改變,活性也會(huì)受到影響。作為人體自身產(chǎn)生的酶,酪氨酸酶一般被認(rèn)為在體溫附近(37℃左右)活性最高,在例如42℃的高溫環(huán)境中由于酶的構(gòu)象改變,其活性會(huì)降低。
從這個(gè)角度出發(fā),我們似乎可以很簡(jiǎn)單地得出結(jié)論——高溫會(huì)抑制酪氨酸酶的活性,因此高溫反而會(huì)讓人變白。
事實(shí)上,小編在一開始看到那條熱搜的時(shí)候,小腦瓜飛快地轉(zhuǎn)動(dòng)了一下就得出了這個(gè)結(jié)論,于是信心滿滿地準(zhǔn)備寫一篇文章反駁一下“無(wú)良媒體的造謠行徑”。
但是,作為物理學(xué)入門學(xué)生的小編發(fā)動(dòng)了一下科研必備技能:查文獻(xiàn)
于是小編驚訝地發(fā)現(xiàn),真的已經(jīng)有論文研究過(guò)“高溫是否會(huì)促進(jìn)黑色素生成”這個(gè)問(wèn)題,而且正如專家所說(shuō),答案是肯定的!
在1998年發(fā)表在The Society for Investigative Dermatology上的一篇論文[1]中,研究者對(duì)他們培養(yǎng)的單層上皮細(xì)胞/黑色素細(xì)胞進(jìn)行了連續(xù)幾天每天在42℃環(huán)境下暴露1小時(shí)的熱處理,并將結(jié)果與經(jīng)過(guò)一定劑量UVB照射的樣品,以及未經(jīng)處理的樣品進(jìn)行了對(duì)比。
首先,經(jīng)過(guò)熱處理之后,黑色素細(xì)胞的體積明顯增大(如下圖C所示),而只經(jīng)過(guò)UVB照射的細(xì)胞(下圖B)則沒(méi)有明顯體積變化。
圖5. (A)未經(jīng)過(guò)處理、(B)UVB暴露處理、(C)熱處理后黑色素細(xì)胞的顯微照片,可見熱處理后細(xì)胞體積明顯增大
一般來(lái)說(shuō),黑色素細(xì)胞體積的增大意味著細(xì)胞內(nèi)部的細(xì)胞器(如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等)數(shù)量增多,這使得黑色素合成能力直接上升;此外,黑色素細(xì)胞的樹突數(shù)量和長(zhǎng)度增加也可以提高黑色素向角質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)效率,讓皮膚更快變黑。
圖6. 單層培養(yǎng)黑色素細(xì)胞的酪氨酸酶(多巴氧化酶)活性測(cè)量結(jié)果
此外,研究者發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)UVB和高溫處理后,酪氨酸酶活性輕微上升了2~5%,如圖6所示,高溫處理后的酪氨酸酶活性反而更高一些,非常反直覺。
凝膠電泳法顯示,42℃熱處理后酪氨酸酶活性升至對(duì)照組115.2%——但這發(fā)生在實(shí)驗(yàn)室單層細(xì)胞中,實(shí)際人體因汗液蒸發(fā)降溫,表皮很難持續(xù)達(dá)42℃。
在2023年發(fā)表在iScience上的另一篇論文[2]中,中南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在研究長(zhǎng)期受熱對(duì)皮膚組織影響時(shí),對(duì)人體皮膚組織進(jìn)行了41℃處理,發(fā)現(xiàn)基底層黑色素顆粒顯著增加。這與一種被稱為熱激紅斑或火激紅斑的皮膚病癥狀類似。
圖7. 經(jīng)過(guò)Masson-Fontana染色的正常皮膚與患有火激紅斑(EAI)的皮膚切片,這種染色會(huì)將黑色素顆粒染成深色,可見EAI皮膚中黑色素含量明顯偏高。
此外,這篇文獻(xiàn)中主要研究了高溫誘導(dǎo)黑色素合成的分子生物學(xué)機(jī)制,不過(guò)這就完全超出了小編的知識(shí)范圍了,有興趣的讀者可以自行查看文獻(xiàn)[2]來(lái)學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容~
基于這兩篇文獻(xiàn),我們來(lái)做一個(gè)小小的總結(jié):除了紫外線照射,高溫也會(huì)刺激皮膚主動(dòng)合成黑色素,所以說(shuō)怕曬黑的朋友們?cè)谙奶斐诵枰罆瘢?strong>防止皮膚長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)高溫度(例如40℃以上)也是必要的~
圖8.小紅書等社交平臺(tái)經(jīng)常見到這類捂得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的防曬攻略,但是防曬的同時(shí)也請(qǐng)記得注意不要太熱哦
越熱越黑vs越冷越黑
聊完了高溫和紫外線導(dǎo)致黑色素合成的故事,小編想到了還有一些動(dòng)物在不同的溫度下顏色深淺不一樣。相信有和小編一樣喜歡云吸貓(或者真的養(yǎng)了貓)的讀者們已經(jīng)想到了,沒(méi)錯(cuò),小編想的就是暹羅貓!
圖9. 同一只暹羅貓?jiān)谙奶旌投斓恼掌?,猜猜哪張是夏天拍的?/strong>
回顧我們上面介紹過(guò)的,黑色素的合成需要經(jīng)過(guò)酪氨酸酶的調(diào)控。在大部分生物體中,酪氨酸酶的活性對(duì)溫度并沒(méi)有太過(guò)敏感,環(huán)境溫度的改變不至于使得體表顏色發(fā)生劇烈變化。
然而,暹羅貓?bào)w內(nèi)的酪氨酸酶則相當(dāng)不同。暹羅貓,喜馬拉雅兔等動(dòng)物身上編碼酪氨酸酶的TYR基因發(fā)生了功能性突變,這種突變使得它們的酪氨酸酶對(duì)于溫度相當(dāng)敏感。當(dāng)溫度升高到35℃以上時(shí),這些動(dòng)物體內(nèi)的酪氨酸酶活性大幅降低,此時(shí)它們的體毛呈現(xiàn)出淡淡的棕黃色甚至接近白色;當(dāng)溫度低于35℃時(shí),酪氨酸酶的活性恢復(fù)正常,此時(shí)它們的體毛就會(huì)呈現(xiàn)出深棕色甚至黑色。
圖10. 一只喜馬拉雅兔,其毛色和分布與暹羅貓很像
結(jié)合這一特征,我們就可以了解到這些動(dòng)物身上的“重點(diǎn)色”的生物學(xué)起源:耳朵、四肢、尾巴、面部都屬于身體末梢,體溫相對(duì)較低,這些部位的酪氨酸酶活性更高,因此長(zhǎng)出的毛發(fā)顏色更深,而身體的主要部分體溫更高,酪氨酸酶的活性就更低,毛色因此更淺。
其實(shí)這種基因突變并不局限于這些小動(dòng)物,1991年發(fā)表在Journal of Clinical Investigation上的一篇文獻(xiàn)就報(bào)道了一例具有類似基因突變的患者,他身上的酪氨酸酶在37℃以上就會(huì)失活,因此他身上的毛發(fā)也出現(xiàn)了顏色不均勻分布的現(xiàn)象。
圖11. 基因突變者的毛發(fā)樣本,可以看到顏色并不均勻
當(dāng)我們忙著和紫外線斗智斗勇時(shí),恐怕沒(méi)想到熱也會(huì)在防曬衣下悄悄搗亂。高溫中變黑的皮膚,與空調(diào)房里揣著爪子的暹羅貓,看似風(fēng)馬牛不相及,實(shí)則共享著同一把溫度鑰匙。
小編現(xiàn)在在想,下次出門前,除了涂防曬霜,或許也該對(duì)天氣預(yù)報(bào)里的高溫紅色預(yù)警多看一眼。
參考資料:
[1] Nakazawa K , Sahuc F , Damour O ,et al.Regulatory effects of heat on normal human melanocyte growth and melanogenesis: comparative study with UVB.[J].Journal of Investigative Dermatology, 1998, 110(6):972-977.DOI:10.1046/j.1523-1747.1998.00204.x.
[2] Zhang L , Zeng H , Jiang L ,et al.Heat promotes melanogenesis by increasing the paracrine effects in keratinocytes via the TRPV3/Ca2+/Hh signaling pathway[J].iScience, 2023, 26(5).DOI:10.1016/j.isci.2023.106749.
[3] King R A , White J G , Spritz R A .Temperature-sensitive tyrosinase associated with peripheral pigmentation in oculocutaneous albinism.[J].Journal of Clinical Investigation, 1991, 87(3):1046-53.DOI:10.1172/JCI115064.
[4] 周春燕, 藥立波, 高國(guó)全, 等. 生物化學(xué)與分子生物學(xué)[M]. 10版. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2023.
[5] 奈特 (NETTER F H), 安德森 (ANDERSON B E). 奈特繪圖版醫(yī)學(xué)全集——第4卷:皮膚系統(tǒng)[M]. 劉躍華, 主譯. 2版. 北京: 科學(xué)出版社, 2017.
編輯:K.Collider
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