發(fā)布時(shí)間:2022-08-19
編者按:腦科學(xué)對各種腦功能的解析、腦疾病的診斷治療、類腦智能和腦機(jī)接口的技術(shù)開發(fā),都具有非常重要的意義,中科院之聲與中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合開設(shè)“腦智擘未來”專欄,為大家解讀視覺、學(xué)習(xí)記憶、注意力、抉擇、意識、語言、共情、合作等日常生活中常見行為和現(xiàn)象的研究方式和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
絕大多數(shù)人都想要健康長壽,但是,人上了年紀(jì),總是有各種毛病找上門來。衰老,是不是命中注定?為什么有些古木可以存活千年,歷經(jīng)滄海桑田。動物則大都短命。比如我們可愛的寵物,或者,我們自己。每當(dāng)對著鏡子注意到臉上皺紋,或者面對親人垂垂老去,我們會本能地對衰老產(chǎn)生困惑。不可避免的衰老,究竟是為什么?
你可能看過一些解釋。比如,代謝率高活動量大的生物,不斷地消耗自我,就會更快地衰老死亡。果真如此嗎?自然界中有一些反例:袋鼠等有袋類哺乳動物,比有胎盤型哺乳動物有著平均更低的代謝率,但它們卻衰老得更快。另外,像蝙蝠這樣有著很高代謝率的動物,卻衰老得很慢。
另一個(gè)解釋:在我們的日常經(jīng)驗(yàn)里,物品往往都會折舊。手機(jī)越用越慢,菜刀越用越鈍。身體是不是也一樣?用久了便會因?yàn)橄哪p,不可避免地壞掉,這樣的理論也很局限,不能隨便拿來套用。比如,鋒利的菜刀劈在堅(jiān)硬的骨頭上,刀刃會崩,當(dāng)機(jī)體受到的嚴(yán)重的損傷,也會留下烙印。然而,嚴(yán)重?fù)p傷并不是經(jīng)常發(fā)生的事,常常出現(xiàn)在運(yùn)動系統(tǒng)上的損傷也不應(yīng)影響人的衰老,中學(xué)時(shí)期球場上的一次崴腳,不會顯著地縮短你的壽命。在我們每個(gè)人的經(jīng)歷中,很多損傷,都是被機(jī)體修復(fù)的。要知道,很多組織器官會自發(fā)地不斷更新。對于一部手機(jī)或者一輛汽車,零件都是從出廠一直用到壞。而對于一個(gè)成年人,身上的器官卻大都不是出生時(shí)的那套原配。構(gòu)成機(jī)體的細(xì)胞會不停地生出新的細(xì)胞來,比如,腸道上皮細(xì)胞約4-5天就會換一次,舌頭上的味蕾細(xì)胞,約10天就更新一次。我們不禁要追問,為什么有不斷再生修復(fù)能力的器官,也會走向衰亡?
中學(xué)生物課本上提過一個(gè)解釋:位于染色體上的端粒,在不斷地分裂后就會變短。細(xì)胞每分裂一次,端粒的長度就會損失一點(diǎn)。當(dāng)端粒無法再縮短時(shí),細(xì)胞就會因?yàn)闊o法分裂而死亡。但這只是換了個(gè)層面,從分子生物學(xué)的角度闡釋了一個(gè)衰老的現(xiàn)象,卻并沒有真正說清衰老的本質(zhì)原因,我們可以繼續(xù)問下去,端粒為什么要縮短?很多微生物就不會受到端粒問題的困擾,一團(tuán)細(xì)菌,真的可以像“忒休斯之船”那樣,永遠(yuǎn)更新下去,不會變老。所以,為什么動物難逃衰老的命運(yùn)?
要想從本質(zhì)上解開這個(gè)疑惑,也許要換一個(gè)思路,演化發(fā)生的角度給提供了一種解釋。
我們來做一個(gè)假想,如果現(xiàn)在有這樣一種海洋動物,它們發(fā)育到成體后,可以保持青春,還能不斷繁殖,不會衰老,更不會因?yàn)樗ダ隙劳?。造成其死亡的原因只有——遭遇不測,比如被其他生物吃了,或者被潮水沖上陸地干死。由于洶涌的大海充滿危險(xiǎn),我們假設(shè)一下,每一年中這種生物因遭遇意外而終結(jié)的概率是5%。這意味著,一個(gè)假想生物要活到90歲,概率是0.95^90,不到1%。
接著,來考慮一下遺傳突變的作用,我們知道,由于細(xì)胞內(nèi)分子之間的偶然性,基因突變總是在發(fā)生,而且是隨機(jī)發(fā)生的。突變可能產(chǎn)生有利性狀,有害性狀,也有可能沒有明顯作用。造成有害性狀的突變,會引起生存功能異常,不能產(chǎn)生后代,所以這些有害突變會在種群繁衍的過程中,被自然選擇所淘汰。
重點(diǎn)來了,基因突變產(chǎn)生性狀并不是隨著新生命一下子全部發(fā)生,而是具有時(shí)效性,或早或晚。我們假想的生物也在產(chǎn)生突變,如果新產(chǎn)生的突變在早期階段就造成有害效果,那會很容易影響繁殖,被自然選擇篩掉。而如果是潛伏很久才起有害作用,這些個(gè)體就會持續(xù)攜帶有害突變,并在年輕時(shí)進(jìn)行繁殖,把有害突變傳給下一代。然而,到了一定年齡以后,不管是晚期有害突變的效果,還是遭遇不測,一個(gè)生物活著的概率都很小。這就造成了:不攜帶晚期有害突變的個(gè)體在生命的旅程中并不具備更強(qiáng)的繁殖優(yōu)勢,難以被自然選擇所青睞。可想而知,自然選擇對于晚期效果和早期效果并不是公平的,它很容易篩除早期有害的突變,卻難以篩掉晚期有害的突變。如此一來,我們假設(shè)的這種本不會衰老的海洋生物,在突變和自然選擇的作用下會逐漸演化出衰老。
這已經(jīng)是很精妙的解釋,但還有一個(gè)補(bǔ)充。
基因突變的作用可能還不止簡單地發(fā)生一次。假若一個(gè)突變在生命早期就起有害作用,無論后期效果有利還是有害,都很容易被篩掉。假如一個(gè)突變,前期產(chǎn)生有利作用,后期也是有利作用,那它毫無疑問會被自然選擇保留。但是,假如一個(gè)突變前期有利,后期有害,又會怎樣?結(jié)果是,這種突變會被自然選中。因?yàn)樵谇捌诘挠欣Ч?,會讓攜帶這種突變的個(gè)體有機(jī)會生出更多的后代,倒霉的是,到了晚期,糟糕的有害效果就會出現(xiàn)。當(dāng)以上這些有害突變多了,生物就會產(chǎn)生一種程序性的衰老,不可避免地走向死亡。
以上兩個(gè)演化上對衰老的闡釋,就是Medawar-Williams理論(Medawar-Williams Theory),分別由英國學(xué)者Peter Medawar和美國學(xué)者George Williams提出。你也許會問,那古樹是怎么回事,為什么有的樹成百上千年不倒?以上假說也可以用來解釋這一現(xiàn)象:這是因?yàn)閯游飩€(gè)體的繁殖方式跟樹有極大的區(qū)別。對于動物來說,由于繁殖力低,在假想的高齡狀態(tài)下,自然選擇對含或不含有害突變的個(gè)體后代,做不出有效的篩選。但樹木則大不一樣。一些樹的繁殖力驚人,種子以量取勝,對于它們來說,每一根枝椏幾乎都是繁殖器官。如果一棵樹沒遭受雷劈或砍伐的不測,活到了足夠高齡,它可能會產(chǎn)生巨量種子,跟其他所有同類競爭。比如某地的古銀杏樹,每年產(chǎn)生上千斤白果。這樣,自然選擇可能就會選出這顆長壽樹的基因。也有一些樹,譬如熱帶雨林里的美洲輕木,存活周期較短,只有幾十年,其實(shí)這也是自然選擇的結(jié)果。這些樹的競爭對象是雨林里的其他植物,在演化的歷程中它們逐漸占據(jù)了快速長高的生態(tài)位,以保證陽光的獲取,但這導(dǎo)致了其木質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松多孔,容易被摧折。
相信這番從演化角度出發(fā)對壽命和衰老的闡釋,要比中學(xué)課本上端粒的解釋,更能讓你對衰老有一種更本質(zhì)的認(rèn)識。有的時(shí)候,新的知識點(diǎn)并不足夠帶給我們啟發(fā)和體悟,只有不斷地追問下去,才能更接近問題的本質(zhì),找到洞見和啟發(fā)。
參考文獻(xiàn):
1. Other Minds, the octopus, the sea, and the deep origins of consciousness
作者:中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 蘇瑞鑫
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