發(fā)布時(shí)間：2022-08-19
編者按：腦科學(xué)對(duì)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(kāi)發(fā)，都具有非常重要的意義，中科院之聲與中國(guó)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(kāi)設(shè)“腦智擘未來(lái)”專欄，為大家解讀視覺(jué)、學(xué)習(xí)記憶、注意力、抉擇、意識(shí)、語(yǔ)言、共情、合作等日常生活中常見(jiàn)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(zhǎng)壽，但是，人上了年紀(jì)，總是有各種毛病找上門來(lái)。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(dòng)物則大都短命。比如我們可愛(ài)的寵物，或者，我們自己。每當(dāng)對(duì)著鏡子注意到臉上皺紋，或者面對(duì)親人垂垂老去，我們會(huì)本能地對(duì)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(guò)一些解釋。比如，代謝率高活動(dòng)量大的生物，不斷地消耗自我，就會(huì)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(dòng)物，比有胎盤型哺乳動(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)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(lái)套用。比如，鋒利的菜刀劈在堅(jiān)硬的骨頭上，刀刃會(huì)崩，當(dāng)機(jī)體受到的嚴(yán)重的損傷，也會(huì)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(dòng)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(chǎng)上的一次崴腳，不會(huì)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(huì)自發(fā)地不斷更新。對(duì)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(duì)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(huì)不停地生出新的細(xì)胞來(lái)，比如，腸道上皮細(xì)胞約4-5天就會(huì)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(wèn)，為什么有不斷再生修復(fù)能力的器官，也會(huì)走向衰亡？
中學(xué)生物課本上提過(guò)一個(gè)解釋：位于染色體上的端粒，在不斷地分裂后就會(huì)變短。細(xì)胞每分裂一次，端粒的長(zhǎng)度就會(huì)損失一點(diǎn)。當(dāng)端粒無(wú)法再縮短時(shí)，細(xì)胞就會(huì)因?yàn)闊o(wú)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(méi)有真正說(shuō)清衰老的本質(zhì)原因，我們可以繼續(xù)問(wèn)下去，端粒為什么要縮短？很多微生物就不會(huì)受到端粒問(wèn)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(huì)變老。所以，為什么動(dòng)物難逃衰老的命運(yùn)？
要想從本質(zhì)上解開(kāi)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(lái)做一個(gè)假想，如果現(xiàn)在有這樣一種海洋動(dòng)物，它們發(fā)育到成體后，可以保持青春，還能不斷繁殖，不會(huì)衰老，更不會(huì)因?yàn)樗ダ隙劳?。造成其死亡的原因只有——遭遇不測(cè)，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(lái)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(méi)有明顯作用。造成有害性狀的突變，會(huì)引起生存功能異常，不能產(chǎn)生后代，所以這些有害突變會(huì)在種群繁衍的過(guò)程中，被自然選擇所淘汰。
重點(diǎn)來(lái)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?cè)谠缙陔A段就造成有害效果，那會(huì)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(huì)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(cè)，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(shì)，難以被自然選擇所青睞?？上攵?，自然選擇對(duì)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(lái)，我們假設(shè)的這種本不會(huì)衰老的海洋生物，在突變和自然選擇的作用下會(huì)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(jiǎn)單地發(fā)生一次。假若一個(gè)突變?cè)谏缙诰推鹩泻ψ饔?，無(wú)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(wú)疑問(wèn)會(huì)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(huì)怎樣？結(jié)果是，這種突變會(huì)被自然選中。因?yàn)樵谇捌诘挠欣Ч?，?huì)讓攜帶這種突變的個(gè)體有機(jī)會(huì)生出更多的后代，倒霉的是，到了晚期，糟糕的有害效果就會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)以上這些有害突變多了，生物就會(huì)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(duì)衰老的闡釋，就是Medawar-Williams理論（Medawar-Williams Theory），分別由英國(guó)學(xué)者Peter Medawar和美國(guó)學(xué)者George Williams提出。你也許會(huì)問(wèn)，那古樹(shù)是怎么回事，為什么有的樹(shù)成百上千年不倒？以上假說(shuō)也可以用來(lái)解釋這一現(xiàn)象：這是因?yàn)閯?dòng)物個(gè)體的繁殖方式跟樹(shù)有極大的區(qū)別。對(duì)于動(dòng)物來(lái)說(shuō)，由于繁殖力低，在假想的高齡狀態(tài)下，自然選擇對(duì)含或不含有害突變的個(gè)體后代，做不出有效的篩選。但樹(shù)木則大不一樣。一些樹(shù)的繁殖力驚人，種子以量取勝，對(duì)于它們來(lái)說(shuō)，每一根枝椏幾乎都是繁殖器官。如果一棵樹(shù)沒(méi)遭受雷劈或砍伐的不測(cè)，活到了足夠高齡，它可能會(huì)產(chǎn)生巨量種子，跟其他所有同類競(jìng)爭(zhēng)。比如某地的古銀杏樹(shù)，每年產(chǎn)生上千斤白果。這樣，自然選擇可能就會(huì)選出這顆長(zhǎng)壽樹(shù)的基因。也有一些樹(shù)，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(shù)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(zhǎng)高的生態(tài)位，以保證陽(yáng)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(duì)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(duì)衰老有一種更本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。有的時(shí)候，新的知識(shí)點(diǎn)并不足夠帶給我們啟發(fā)和體悟，只有不斷地追問(wèn)下去，才能更接近問(wèn)題的本質(zhì)，找到洞見(jiàn)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(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 蘇瑞鑫
附件下載： 
