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活着不好吗,动物为什么要进化出死亡? 精选

已有 3022 次阅读 2019-10-21 09:46 |系统分类:科普集锦

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活着不好吗,动物为什么要进化出死亡?



人类从未停止过对长生不老的探索:从科学还未萌芽的古时,秦始皇派徐福寻找仙山蓬莱方丈求取仙丹,到现在对“冻龄”的追求、与干细胞有关的研究甚至人造大脑计划,都透露着人们对于永生的渴望。

人类的平均寿命自最初的十几岁,到现在已经突破70大关,呈现着长寿化的趋势。这样看来,努力一下,将来的某一天人类或许真的能够活到500岁。可是科学研究又告诉我们,目前人类的最高寿限,即“生物学寿命”,仍然维持在130岁左右,这似乎是一个极限。

显然不是只有人会衰老和死亡,但是随着越来越多的长寿动物被发现,人们开始重新审视衰老。有人认为,衰老和死亡才是进化的产物,永生是生命的内在属性。

Google用超级计算机设计了一个可以自主学习的人工神经网络机器人(AI)。Google AI 会从Google庞大的数据库和媒体里面,采用模拟人脑学习并思考的方式去寻找问题的答案。2015年6月,当它被问及我们为什么活着时,它的回答是:“为了永生”。

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我们可以把这个当成是机器人的胡言乱语,但是我们确实应该思考一下衰老这种看起来不利于生物生存的机制,为什么会在生命进化几百万年后依然存在


活着不好吗,动物为什么要进化出死亡?




提到“长生不老”,你或许会想到前几年的“网红”生物——灯塔水母。这种低等的海产无脊椎动物最初于19世纪在加勒比地区的海域中被发现。当时谁都没有想到这种指甲盖大小的透明钟形小生物,竟然拥有者人类追求很久的能力。

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灯塔水母

20世纪末,动物学家费尔南多·布埃罗在对海洋动物进行有关实验的时候,意外发现这种5毫米不到的生物,在水箱的水干后的一段时间里,竟然变为了水螅体。而且在恢复有水条件时,它们会重新长成水母体。出于实验的严谨性,布埃罗再一次排干水,仍然观察到了水母体像螅状体的转变。

这里我们需要简单了解一下水母的生命周期。


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水母的幼虫叫做浮浪幼虫(Planula)(B)。受精卵形成的囊胚通过内陷、移入、层裂等方式形成浮浪幼虫。接着浮浪幼虫固着于其他的物体上,生出口和触手,发育成水螅体(Polyp)(C)。接着经由横裂体(Strobilation)(D、E)以及碟状幼体(Ephyra)(F),最终成长为水母体(Medusa)(G)。图源:Tamar Lotan

后来意大利的科研工作者皮拉伊诺对4000只灯塔水母进行了转化诱导实验,以测试它们对于不同极端环境是否都能够做出逆生长反应,包括饥饿、忽然升高或降低水温、物理机械性伤害和改变水体盐度。结果显示,灯塔水母在以上环境中都发生了不同程度的水螅化现象。

这个结果无疑是惊人的!“死亡”的灯塔水母一边腐烂,一边进行着细胞的重组。它的钟形伞形体和触手逐渐退化,转变为水螅体,然后附着在某个表面上,重新长成水母。理论上来说,灯塔水母的这种水母体与水螅体之间的转化并没有次数的限制,这意味着它们只要不断重复这一过程,便能不断重生,从而获取无限的寿命。这一发现,为人类打开了通往永生的大门。

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典型的水母幼虫会变成锚状的水螅体,但是一些水母会跳过一些阶段,或者就一直保持在水螅体阶段。

灯塔水母并不是唯一能够返老还童的水母。2011年,中国一名海洋生物学专业的学生在海月水母死后三个月,观察到一只新的小水螅体从海月水母的顶部生长出来。研究人员已经在大约五种水母中发现了这种再生过程。

为了了解其中的机制,我们放大镜头倍数,来看看灯塔水母逆生长过程中细胞的变化。


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黑圈:通常情况下,水母从卵中诞生并成长为幼虫,在能够自由游动之前,这些幼虫会变成水螅体。

橙圈:而灯塔水母不受生命周期的限制。如果环境剧变,它们就会变回水螅体。

正常情况下,胚胎变形为浮浪幼虫或者从幼虫变形为水螅体这条发育路径是不可逆的,但是灯塔水母的细胞可以启动倒回的开关。比如当灯塔水母的水母体重回幼年期时,它的肌肉细胞会关闭或开启一些基因,使其重新表达,细胞就会回到干细胞的状态。然后干细胞会在水螅体中重新形成其他类型的新细胞,形成新的组织和器官。

这打破了人们一直坚持的,体细胞不能转变为多能干细胞的观点。后来日本科学家山中伸弥成功将小鼠体细胞诱导为多功能干细胞,并因此获得了2012年的诺贝尔生理学或医学奖。

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将小鼠皮肤细胞诱导为多功能干细胞后,植入早期胚胎中,由代孕鼠成功孵化成新的小鼠

当然啦,灯塔水母也不是动不动就变回螅状体。只有在环境异常恶劣或者受伤患重病时,它体内的这种机制才会被触发。由此看来,灯塔水母的永生机制在一定程度上更像是一种自我保护策略。当然如果灯塔水母被天敌吃掉,就没有办法无法再生了。

话说回来,灯塔水母的这种能力用长生不老来描述并不恰当,准确地说应该是“返老还童”,不过同样令人羡慕。



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那么长生不老,青春永驻真的只能是幻想吗?这个时候,有一种餐桌美食在拯救了我们的胃之后,又一次挺身而出。你能想到吗,餐桌上的海鲜宠儿龙虾,其实真正拥有着“长生不老”的特异功能。在人类探索长生不老奥秘的道路上,龙虾简直是扫地僧般的存在了。


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是否衰老不能只靠肉眼观察,很多生物不会像人一样出现白发与皱纹。有研究发现,随着龙虾年龄的增长,其速度、体力、胃口以及繁殖等各方面的指标并没有出现下降的趋势,也就是说,它的的确确没有明显的衰老迹象,年长的龙虾甚至比年轻的龙虾更为多产。即使龙虾有 100 岁了,它还是可以该吃吃,该喝喝,该生生,身体倍儿棒,吃嘛嘛香。

话虽这么说,目前也没有一种科学的衡量龙虾年龄的方式,所以你也无法确定面前这只被做成美味佳肴的龙虾是否比你年长。龙虾通过脱壳来实现生长,每一次换壳,龙虾体积都会增大20%左右。但是因为龙虾脱壳十分彻底,包括消化道和胃磨等也会脱落,不会残留任何硬质的部分,因此也就无法检测脱壳痕迹来推测年龄。

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龙虾脱壳生长

因为龙虾一直在生长,所以有的时候会用龙虾的大小来判断其年龄。尽管在不同的环境下,龙虾的生长速度也有所差异。现在认为1磅(约454克)重的龙虾年龄通常是5到7岁,而在70华氏度(约为21.11摄氏度)的水温中饲养的龙虾不到两年就能长到2磅。

一只龙虾在一岁之前大概可以脱壳44次。7岁开始脱壳速度减慢,从一年一次到之后的每两到三年一次。随着外骨骼的不断脱落,它们会长得更大。有记录以来最大的龙虾是1977年在新斯科舍省海岸的水域捕获的,重约44磅(约20公斤),长约3.5英尺(约1米)。

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巨大的龙虾

已经研究龙虾几十年的波士顿大学的杰勒·阿特玛教授,想要测试一下龙虾的生长极限。他喂养了一只龙虾,在没有任何天敌与病原体的情况下,这只龙虾已经长到了15磅(约13.6斤)。也许几十年后,我们可以和阿特玛教授或其继任者确认一下,看看这只巨型龙虾表现如何。

灯塔水母与龙虾都会死亡,它们都不是永生的,只不过它们的死亡不是由于衰老导致的。可能是生存环境的骤变,也可能是被捕食。对于龙虾来说,脱壳是会消耗能量的。脱壳后的龙虾会变得虚弱不堪,有研究认为,每年大约10-15%的龙虾在蜕壳的时候因为力竭而死。

它们破损的外壳有时会受到细菌感染,细菌渗入龙虾壳并形成疤痕组织,这种疾病会将甲壳类动物的身体附着在甲壳上,从而使其被困住并死亡。

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那么龙虾为什么能够不衰老呢?我们先来看看造成衰老的分子机制。

在细胞的染色体末端有一段短的多重复的非转录序列及一些结合蛋白组成特殊结构,这叫端粒,在细胞中主要起着保护染色体免受伤害的作用。相对应的,有一种可以合成端粒DNA序列的酶,叫做端粒酶

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端粒(紫色标出)


人的体细胞每次有丝分裂,如果没有端粒酶的活化,就会丢失50-200bp长度的端粒,端粒在此过程中缩短。当端粒缩短到一定的长度时,它们就不再能保护染色体,染色体便开始受损。受损前细胞分裂的数量被称为海弗利克极限此时细胞就会停止分裂而衰老。

端粒就像一种“时间延迟”的保险丝,经过一定数目的细胞分裂以后就被用完,当端粒变的太短时,就不能形成原来的封闭结构了。人们认为,当细胞探测到此种结构时就会启动衰老、停止生长或凋亡,这取决于细胞的遗传背景。

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端粒长度和年龄的关系图。年龄越大,端粒长度越短。

但是如果把端粒酶基因导入正常细胞,细胞寿命就会大大延长。这种结果首次为端粒的生命钟学说提供了直接证据。人类的端粒酶只存在某些类型的组织中,而且其水平在晚年会下降。所以人会出现衰老的现象。

而1998年的一项研究表明,龙虾在晚年仍能保持端粒酶的活性,同时龙虾的端粒酶存在于所有类型的组织中。这或许能够解释龙虾在一生都能生长的原因。因为端粒酶的供应稳定而均匀,所以龙虾不会接近海弗利克极限,这意味着它们的细胞会保持原始、年轻且不断分裂的状态。所以龙虾的持续生长并没有问题。

活着不好吗,动物为什么要进化出死亡?


端粒(telomere)随细胞分裂次数的增加而变短,最终细胞分裂停止

那么如果在人类细胞中的端粒酶重新表达会发生什么呢?细胞会不停地分裂,于是就会发生癌变。这为我们应对癌症提供了新的方法。因为端粒酶对肿瘤细胞的永生化是必须的,所以端粒酶可作为抗肿瘤药物的良好靶点。端粒酶在保持细胞健康和控制癌变中的双重作用意味着,它是抗衰老和癌症治疗研究的一个重要领域。


活着不好吗,动物为什么要进化出死亡?


既然有些动物是可以做到“长生不老”的,这说明衰老与死亡并不是生命所必须的选择,那为什么哺乳动物、鸟类等高等动物反而不能长生不老呢?

德国动物学家魏斯曼首先对衰老理论进行了解说。他认为存在一个由自然设计的死亡程序来清除自然界老朽的个体,来给后代腾出生存空间,释放更多的资源给年轻的后代。衰老的个体对整个种族不仅无益而且有害, 因为他们占据着良好的空间与资源。

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魏斯曼

最被广为接受的衰老理论为进化衰老理论魏斯曼所提出的程序死亡理论在解释为什么生命的进化会导致衰老,而进化衰老理论则强调自然选择不会影响生物的生活后期。

1952年彼得·梅达沃提出了突变积累假说。他认为衰老是动物体内不能被自然界淘汰的有害突变基因所引起的。每个生物在自然界都有一个选择压力。在自然竞争中,生命早期表达的有害基因,就会被淘汰。但在繁殖后表达的有害基因,就不会被淘汰,因为在生命晚期,生物个体已经将基因传递给后代,选择压力已经下降。当有害突变逐渐积累时,衰老就发生了。比如早衰症就会被淘汰,阿尔茨海默病发生在老年期而没有受到选择。

多年之后,乔治•威廉斯外推了这个假说,提出了多效对抗理论。他认为衰老的发生是对多效基因选择的结果。自然选择偏爱既能增加青壮年个体适合度,又能促进老体衰老的等位基因,这有利于生物的繁殖。


这个理论预示着延迟生殖年龄能延时衰老。有人用黑腹果蝇做了一个试验,他们阻止年幼果蝇交配,只让年长的繁殖,结果发现果蝇群体的老化被推迟了。然而,这些长寿的果蝇在早期与正常果蝇对比,繁殖能力也出现了下降,这些在某种程度上都支持了基因多效理论。

活着不好吗,动物为什么要进化出死亡?


除了这些接受度比较高的理论,还有人认为衰老是分子与细胞层次的损伤累积所致。生物体要去平衡生殖和维持躯体细胞的需求,自然选择会倾向于增加生殖竞争优势而减少体细胞维护。也就是说,衰老是基因的维护与修理有限的直接结果

但是生命既然可以被创造出来,可以从一个受精卵演变成一个高度复杂的有机生命体,在技术上讲,生命如果要实现自我修复,将会比创造它更加复杂吗?维修显然要比重造容易许多,这又是矛盾的。

在进化过程中,一些东西对有机体是否有用不重要,重要的是对基因有利,因为要把基因遗传下去。换句话说,如果通过繁殖可令物种更强大更具复原能力,那么死亡就是一件很有价值的事。



活着不好吗,动物为什么要进化出死亡?



Tithonus. Encyclopaedia Britannica

“灯塔水母”真的能“返老还童”吗?科普中国 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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