活著不好嗎,動物為什么要進化出死亡?


人類從未停止過對長生不老的探索:從科學還未萌芽的古時,秦始皇派徐福尋找仙山蓬萊方丈求取仙丹,到現在對“凍齡”的追求、與干細胞有關的研究甚至人造大腦計劃,都透露著人們對于永生的渴望。


人類的平均壽命自最初的十幾歲,到現在已經突破70大關,呈現著長壽化的趨勢。這樣看來,努力一下,將來的某一天人類或許真的能夠活到500歲。可是科學研究又告訴我們,目前人類的最高壽限,即“生物學壽命”,仍然維持在130歲左右,這似乎是一個極限。


顯然不是只有人會衰老和死亡,但是隨著越來越多的長壽動物被發現,人們開始重新審視衰老。有人認為,衰老和死亡才是進化的產物,永生是生命的內在屬性。


Google用超級計算機設計了一個可以自主學習的人工神經網絡機器人(AI)。Google AI 會從Google龐大的數據庫和媒體里面,采用模擬人腦學習并思考的方式去尋找問題的答案。2015年6月,當它被問及我們為什么活著時,它的回答是:“為了永生”。



我們可以把這個當成是機器人的胡言亂語,但是我們確實應該思考一下衰老這種看起來不利于生物生存的機制,為什么會在生命進化幾百萬年后依然存在



提到“長生不老”,你或許會想到前幾年的“網紅”生物——燈塔水母。這種低等的海產無脊椎動物最初于19世紀在加勒比地區的海域中被發現。當時誰都沒有想到這種指甲蓋大小的透明鐘形小生物,竟然擁有者人類追求很久的能力。


燈塔水母


20世紀末,動物學家費爾南多·布埃羅在對海洋動物進行有關實驗的時候,意外發現這種5毫米不到的生物,在水箱的水干后的一段時間里,竟然變為了水螅體。而且在恢復有水條件時,它們會重新長成水母體。出于實驗的嚴謹性,布埃羅再一次排干水,仍然觀察到了水母體像螅狀體的轉變。


這里我們需要簡單了解一下水母的生命周期。


水母的幼蟲叫做浮浪幼蟲(Planula)(B)。受精卵形成的囊胚通過內陷、移入、層裂等方式形成浮浪幼蟲。接著浮浪幼蟲固著于其他的物體上,生出口和觸手,發育成水螅體(Polyp)(C)。接著經由橫裂體(Strobilation)(D、E)以及碟狀幼體(Ephyra)(F),最終成長為水母體(Medusa)(G)。圖源:Tamar Lotan


后來意大利的科研工作者皮拉伊諾對4000只燈塔水母進行了轉化誘導實驗,以測試它們對于不同極端環境是否都能夠做出逆生長反應,包括饑餓、忽然升高或降低水溫、物理機械性傷害和改變水體鹽度。結果顯示,燈塔水母在以上環境中都發生了不同程度的水螅化現象。


這個結果無疑是驚人的!“死亡”的燈塔水母一邊腐爛,一邊進行著細胞的重組。它的鐘形傘形體和觸手逐漸退化,轉變為水螅體,然后附著在某個表面上,重新長成水母。理論上來說,燈塔水母的這種水母體與水螅體之間的轉化并沒有次數的限制,這意味著它們只要不斷重復這一過程,便能不斷重生,從而獲取無限的壽命。這一發現,為人類打開了通往永生的大門。


典型的水母幼蟲會變成錨狀的水螅體,但是一些水母會跳過一些階段,或者就一直保持在水螅體階段。


燈塔水母并不是唯一能夠返老還童的水母。2011年,中國一名海洋生物學專業的學生在海月水母死后三個月,觀察到一只新的小水螅體從海月水母的頂部生長出來。研究人員已經在大約五種水母中發現了這種再生過程。


為了了解其中的機制,我們放大鏡頭倍數,來看看燈塔水母逆生長過程中細胞的變化。



黑圈:通常情況下,水母從卵中誕生并成長為幼蟲,在能夠自由游動之前,這些幼蟲會變成水螅體。

橙圈:而燈塔水母不受生命周期的限制。如果環境劇變,它們就會變回水螅體。


正常情況下,胚胎變形為浮浪幼蟲或者從幼蟲變形為水螅體這條發育路徑是不可逆的,但是燈塔水母的細胞可以啟動倒回的開關。比如當燈塔水母的水母體重回幼年期時,它的肌肉細胞會關閉或開啟一些基因,使其重新表達,細胞就會回到干細胞的狀態。然后干細胞會在水螅體中重新形成其他類型的新細胞,形成新的組織和器官。


這打破了人們一直堅持的,體細胞不能轉變為多能干細胞的觀點。后來日本科學家山中伸彌成功將小鼠體細胞誘導為多功能干細胞,并因此獲得了2012年的諾貝爾生理學或醫學獎。


將小鼠皮膚細胞誘導為多功能干細胞后,植入早期胚胎中,由代孕鼠成功孵化成新的小鼠


當然啦,燈塔水母也不是動不動就變回螅狀體。只有在環境異常惡劣或者受傷患重病時,它體內的這種機制才會被觸發。由此看來,燈塔水母的永生機制在一定程度上更像是一種自我保護策略。當然如果燈塔水母被天敵吃掉,就沒有辦法無法再生了。


話說回來,燈塔水母的這種能力用長生不老來描述并不恰當,準確地說應該是“返老還童”,不過同樣令人羨慕。

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那么長生不老,青春永駐真的只能是幻想嗎?這個時候,有一種餐桌美食在拯救了我們的胃之后,又一次挺身而出。你能想到嗎,餐桌上的海鮮寵兒龍蝦,其實真正擁有著“長生不老”的特異功能。在人類探索長生不老奧秘的道路上,龍蝦簡直是掃地僧般的存在了。



是否衰老不能只靠肉眼觀察,很多生物不會像人一樣出現白發與皺紋。有研究發現,隨著龍蝦年齡的增長,其速度、體力、胃口以及繁殖等各方面的指標并沒有出現下降的趨勢,也就是說,它的的確確沒有明顯的衰老跡象,年長的龍蝦甚至比年輕的龍蝦更為多產。即使龍蝦有 100 歲了,它還是可以該吃吃,該喝喝,該生生,身體倍兒棒,吃嘛嘛香。


話雖這么說,目前也沒有一種科學的衡量龍蝦年齡的方式,所以你也無法確定面前這只被做成美味佳肴的龍蝦是否比你年長。龍蝦通過脫殼來實現生長,每一次換殼,龍蝦體積都會增大20%左右。但是因為龍蝦脫殼十分徹底,包括消化道和胃磨等也會脫落,不會殘留任何硬質的部分,因此也就無法檢測脫殼痕跡來推測年齡。


龍蝦脫殼生長


因為龍蝦一直在生長,所以有的時候會用龍蝦的大小來判斷其年齡。盡管在不同的環境下,龍蝦的生長速度也有所差異。現在認為1磅(約454克)重的龍蝦年齡通常是5到7歲,而在70華氏度(約為21.11攝氏度)的水溫中飼養的龍蝦不到兩年就能長到2磅。


一只龍蝦在一歲之前大概可以脫殼44次。7歲開始脫殼速度減慢,從一年一次到之后的每兩到三年一次。隨著外骨骼的不斷脫落,它們會長得更大。有記錄以來最大的龍蝦是1977年在新斯科舍省海岸的水域捕獲的,重約44磅(約20公斤),長約3.5英尺(約1米)。


巨大的龍蝦


已經研究龍蝦幾十年的波士頓大學的杰勒·阿特瑪教授,想要測試一下龍蝦的生長極限。他喂養了一只龍蝦,在沒有任何天敵與病原體的情況下,這只龍蝦已經長到了15磅(約13.6斤)。也許幾十年后,我們可以和阿特瑪教授或其繼任者確認一下,看看這只巨型龍蝦表現如何。


燈塔水母與龍蝦都會死亡,它們都不是永生的,只不過它們的死亡不是由于衰老導致的。可能是生存環境的驟變,也可能是被捕食。對于龍蝦來說,脫殼是會消耗能量的。脫殼后的龍蝦會變得虛弱不堪,有研究認為,每年大約10-15%的龍蝦在蛻殼的時候因為力竭而死。


它們破損的外殼有時會受到細菌感染,細菌滲入龍蝦殼并形成疤痕組織,這種疾病會將甲殼類動物的身體附著在甲殼上,從而使其被困住并死亡。



那么龍蝦為什么能夠不衰老呢?我們先來看看造成衰老的分子機制。


在細胞的染色體末端有一段短的多重復的非轉錄序列及一些結合蛋白組成特殊結構,這叫端粒,在細胞中主要起著保護染色體免受傷害的作用。相對應的,有一種可以合成端粒DNA序列的酶,叫做端粒酶


端粒(紫色標出)


人的體細胞每次有絲分裂,如果沒有端粒酶的活化,就會丟失50-200bp長度的端粒,端粒在此過程中縮短。當端粒縮短到一定的長度時,它們就不再能保護染色體,染色體便開始受損。受損前細胞分裂的數量被稱為海弗利克極限此時細胞就會停止分裂而衰老。


端粒就像一種“時間延遲”的保險絲,經過一定數目的細胞分裂以后就被用完,當端粒變的太短時,就不能形成原來的封閉結構了。人們認為,當細胞探測到此種結構時就會啟動衰老、停止生長或凋亡,這取決于細胞的遺傳背景。


端粒長度和年齡的關系圖。年齡越大,端粒長度越短。


但是如果把端粒酶基因導入正常細胞,細胞壽命就會大大延長。這種結果首次為端粒的生命鐘學說提供了直接證據。人類的端粒酶只存在某些類型的組織中,而且其水平在晚年會下降。所以人會出現衰老的現象。


而1998年的一項研究表明,龍蝦在晚年仍能保持端粒酶的活性,同時龍蝦的端粒酶存在于所有類型的組織中。這或許能夠解釋龍蝦在一生都能生長的原因。因為端粒酶的供應穩定而均勻,所以龍蝦不會接近海弗利克極限,這意味著它們的細胞會保持原始、年輕且不斷分裂的狀態。所以龍蝦的持續生長并沒有問題。


端粒(telomere)隨細胞分裂次數的增加而變短,最終細胞分裂停止


那么如果在人類細胞中的端粒酶重新表達會發生什么呢?細胞會不停地分裂,于是就會發生癌變。這為我們應對癌癥提供了新的方法。因為端粒酶對腫瘤細胞的永生化是必須的,所以端粒酶可作為抗腫瘤藥物的良好靶點。端粒酶在保持細胞健康和控制癌變中的雙重作用意味著,它是抗衰老和癌癥治療研究的一個重要領域。

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既然有些動物是可以做到“長生不老”的,這說明衰老與死亡并不是生命所必須的選擇,那為什么哺乳動物、鳥類等高等動物反而不能長生不老呢?


德國動物學家魏斯曼首先對衰老理論進行了解說。他認為存在一個由自然設計的死亡程序來清除自然界老朽的個體,來給后代騰出生存空間,釋放更多的資源給年輕的后代。衰老的個體對整個種族不僅無益而且有害, 因為他們占據著良好的空間與資源。


魏斯曼


最被廣為接受的衰老理論為進化衰老理論魏斯曼所提出的程序死亡理論在解釋為什么生命的進化會導致衰老,而進化衰老理論則強調自然選擇不會影響生物的生活后期。


1952年彼得·梅達沃提出了突變積累假說。他認為衰老是動物體內不能被自然界淘汰的有害突變基因所引起的。每個生物在自然界都有一個選擇壓力。在自然競爭中,生命早期表達的有害基因,就會被淘汰。但在繁殖后表達的有害基因,就不會被淘汰,因為在生命晚期,生物個體已經將基因傳遞給后代,選擇壓力已經下降。當有害突變逐漸積累時,衰老就發生了。比如早衰癥就會被淘汰,阿爾茨海默病發生在老年期而沒有受到選擇。


多年之后,喬治?威廉斯外推了這個假說,提出了多效對抗理論。他認為衰老的發生是對多效基因選擇的結果。自然選擇偏愛既能增加青壯年個體適合度,又能促進老體衰老的等位基因,這有利于生物的繁殖。


這個理論預示著延遲生殖年齡能延時衰老。有人用黑腹果蠅做了一個試驗,他們阻止年幼果蠅交配,只讓年長的繁殖,結果發現果蠅群體的老化被推遲了。然而,這些長壽的果蠅在早期與正常果蠅對比,繁殖能力也出現了下降,這些在某種程度上都支持了基因多效理論。



除了這些接受度比較高的理論,還有人認為衰老是分子與細胞層次的損傷累積所致。生物體要去平衡生殖和維持軀體細胞的需求,自然選擇會傾向于增加生殖競爭優勢而減少體細胞維護。也就是說,衰老是基因的維護與修理有限的直接結果


但是生命既然可以被創造出來,可以從一個受精卵演變成一個高度復雜的有機生命體,在技術上講,生命如果要實現自我修復,將會比創造它更加復雜嗎?維修顯然要比重造容易許多,這又是矛盾的。


在進化過程中,一些東西對有機體是否有用不重要,重要的是對基因有利,因為要把基因遺傳下去。換句話說,如果通過繁殖可令物種更強大更具復原能力,那么死亡就是一件很有價值的事。

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Tithonus. Encyclopaedia Britannica

“燈塔水母”真的能“返老還童”嗎?科普中國 2019.1.24

Why are jellyfish considered immortal? Yuri Dudnik 2015.8.10

The Immortal Jellyfish. Juli Berwald 2017.11.10

Don’t Listen to the Buzz: Lobsters Aren’t Actually Immortal. Marina Koren 2013.6.3

Is there a 400 pound lobster out there? JACOB SILVERMAN

The Origin of Death. Frank Zou

Bodnar A G , Ouellette M , Frolkis M , et al. Extension of Life-Span by Introduction of Telomerase into Normal Human Cells[J]. Science, 1998, 279.

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