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      物理學使“衰老”變得不可避免

      2016-09-06 10:26:12彼得·霍夫曼
      飛碟探索 2016年8期
      關鍵詞:水螅衰老性成熟

      彼得·霍夫曼

      4年前,在我出版《生命的棘輪》一書時,我關注的重點是,在周圍的分子一片混亂的情況下,生命是如何創(chuàng)造并維持那些高度有序的系統(tǒng)的——也就是分子是如何被安裝上“棘輪”、“從混亂中提取秩序”的。令我感到驚訝的是,這本書在衰老研究領域引起了極大的反響。美國國家衰老研究所心血管科學實驗室的主要負責人埃德·拉科塔說,衰老是從“秩序中提取混亂”。

      最近,我應邀為“鸚鵡螺”網(wǎng)站專門撰寫了文章,談到了這些觀點,也收到了數(shù)量相當可觀的評論,比如:①我們是開放的熱力學系統(tǒng),因此不會遵循熵不斷增加的規(guī)律(因為我們總是可以從環(huán)境中獲得更多的低熵能量);②我們的細胞有一個修復系統(tǒng),可以處理可能發(fā)生的任何損害;③現(xiàn)實中就存在“永生的”細胞和生物體,與我宣稱的“衰老不可避免”相互抵觸。那么,這些評論究竟有沒有道理呢?

      第一條和第二條評論的答案基本相同:完全正確。我們是(熱力學)開放系統(tǒng),這一點我在《生命的棘輪》中詳細介紹過。低熵能量的攝入,正是我們在分子學機制上可以從分子混亂中提取秩序的原因。然而,分子混亂是始終存在的,從微觀角度來說,我們細胞中的分子總是在不斷受到損傷。與其他的熱力學開放自組織系統(tǒng)不同,如颶風,生命系統(tǒng)有著令人難以置信的嚴格控制的系統(tǒng),包括復雜的連鎖反饋和調(diào)節(jié)回路。這些反饋回路都依賴于高度適應性和構建性的分子機器,由未被損壞的DNA提供藍圖,并及時、準確地進行調(diào)整并發(fā)出信號。這些系統(tǒng)在分子、細

      胞器、細胞、細胞相互作用、組織、器官以及生物體的層次結構上相互作用,有很多內(nèi)置的儲備、冗余和修復系統(tǒng)。

      然而,這些系統(tǒng)中的某些部分最終會受到細微的損傷,比如能源供應放緩、信號鏈變得分崩離析、反饋回路定時有點失常、損壞的分子不能被清除出細胞等,從而在細胞中累積,導致分子機器功能懈怠,或者無法被激活。這種功能的喪失會進一步導致其他系統(tǒng)功能的喪失,因為在生物體中,所有系統(tǒng)之間是相互依存的。這將導致故障的雪崩式增加。

      “永生水母”的學名是燈塔水母,直徑只有四五毫米,屬于水螅蟲綱。燈塔水母在20℃的水溫中達到性成熟階段需要25天至30天,性成熟后會重新回到水螅型狀態(tài),并且可以無限重復這一過程。

      在一個龐大的細胞和功能系統(tǒng)中,這一過程的開始只是一個概率的問題。你可以嘗試防止一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障,但取而代之的是,會有更多其他系統(tǒng)出現(xiàn)故障。而那個試圖阻止這一故障的系統(tǒng),是依賴于其他系統(tǒng)的。所以歸根結底,從長遠來看,它是肯定會受影響的。我們細胞中的修復系統(tǒng)是一流的,它們使我們能夠活到80歲以上,這個時間比任何與我們大小和心率相近的哺乳動物都要長。我們還能活得更長一些嗎?原則上來說,修復系統(tǒng)是可以改進的,但是嚴峻的復雜性使得要想對其進行改進需要很長時間。我們受制于概率游戲,這一事實是始終不會改變的,從而使我們最終輸?shù)暨@場游戲。

      第三條評論提到在這個世界上有“永生的”生物。讀者提到的這些“永生的”生物體,都是非常簡單的生物體:典型的單細胞生物體或者至少是未高度分化的生物體。最典型的例子是細菌,還有像所謂的“永生水母”一類的動物。“永生水母”有一個逆轉(zhuǎn)其生長發(fā)育過程的階段,從本質(zhì)上說,也就是“永生水母”從成蟲階段返回幼蟲階段,然后再重新發(fā)育成新的成蟲。如此看來,似乎可以這樣無限地延續(xù)下去,使水母“永生”。

      乍一看,這似乎是不可思議的。然而,從某種意義上說,人類也做著同樣的事情,我們的生殖細胞也是“永生的”。但是,這不同于一個成年復雜個體的老化。相較于在許多年中使一個復雜的有機體維持其分子和系統(tǒng)秩序而言,使人類生殖細胞中的DNA保持適度穩(wěn)定是一個相對容易的任務。然而,即便如此,隨著時間的推移,退化也會發(fā)生。這就是當父母上了歲數(shù)時,孩子的出生缺陷變得更為普遍的主要原因。

      至于水母,作為一個成年個體,它們顯然不是永生的,因為它們必須“死去”,以回到幼蟲階段。同時,并不是所有的水母都能成功地進行這種轉(zhuǎn)換,所以水母的“永生”是從群體層面而言的。如果這就是“永生”的定義的話,那么可以說人類也是“永生”的!但是,我們通常不會使用這種定義。

      還有一個重要的事情值得一提,那就是正常的人類(體)細胞也可以“永生”。這就是所謂的癌癥。如果把分子紊亂比作一枚硬幣的話,那么癌癥和衰老就是同一枚硬幣的兩面。如果我們的細胞到了某個時候還沒有死亡的話,那么分子紊亂和DNA損傷會不斷增加細胞“耍流氓”和癌變的概率。保持我們的細胞在分裂、生長和分化時都遵守秩序的成本是嚴格的監(jiān)管,而面對這種熱力學上的猛攻以及化學損傷,嚴格監(jiān)管的成本就是衰老。

      延伸閱讀

      當水母的精子和卵子結合到一起時,形成了小小的實囊幼體。但是,幼體并不走尋常路,快樂地長大,而是通常找個堅硬的石頭之類一頭撞上去,撞出軟體的分支結構,即水螅體。

      絕大多數(shù)時候,這些幼體自身分裂出微小的克隆體——就像水螅一樣出芽生殖,但有些種屬也特立獨行。它們分離出能自由游弋的小型雄性或雌性水母,再長成成體,然后產(chǎn)生精子或卵子??傊褪窃趺锤吲d怎么來,任性得一塌糊涂。

      大多數(shù)水母可以在這個復雜的生命周期的大部分階段逆轉(zhuǎn)其生長態(tài)勢,但一旦它們長成性成熟的成體,就失去了這種倒轉(zhuǎn)乾坤的技能。

      燈塔水母違背了根本的規(guī)則,特別是,即使性成熟的成體也可以反轉(zhuǎn)為未發(fā)育成熟的幼體,這樣它們就躲過了生死簿,實現(xiàn)了可能的永生。這就像一只蝴蝶突然厭倦了飛翔,又鉆回蟲蛹。

      正如多數(shù)生物學不死機體的案例,燈塔水母的這個技能也是一個謎??雌饋硭鼈冊谕懽冎屑毎婕傲艘淮萎惡鯇こ5哪孓D(zhuǎn)。

      水母與其他動物沒有多少共同點,這也是它們無性繁殖的方式。它們的永生,在我們眼里如此奇特。

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