聊聊那些长生不老的动植物:克隆自己生命循环

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北京时间6月26日消息,据国外媒体报道,有时候,长生不老是一种诅咒,比如古希腊神话里的特洛伊王子提托诺斯。

新浪科技讯 北京时间6月26日消息,据国外媒体报道,有时候,长生不老是一种诅咒,比如古希腊神话里的特洛伊王子提托诺斯。在希腊神话中,提托诺斯王子是个美少年。黎明女神厄俄斯爱 上他后,就再三恳求宙斯让提托诺斯永生,宙斯最终答应了她的请求。不过,厄俄斯高兴之余就匆匆去跟她的所爱之人重聚,却忘了要求宙斯让提托诺斯不只“不会 死”,而且“长生不老”。后来,她只能看着她深爱的强壮青年不断慢慢老去,并在万年过后丧失所有的力量与知识,最终缩成一只蟋蟀。厄俄斯无可奈何,唯有含 着泪水把他关在一个蟋蟀笼子里面。而提托诺斯早就失去了说话能力,只会用蟋蟀的鸣声终天唧唧唧唧地陪伴她。

这只是一个神话,但在自然界中,长生不老的事情也常常发生,而且很多比神话还要离奇。某种意义上,很多物种确实可以永生。而且与提托诺斯不同,很多物种还能永葆青春。

本文谈论的的确是“生物永生”,尽管许多生物学家可能希望我们不使用这个词。德国基尔大学的Thomas Bosch就说:“永生意味着无论如何都不会死,而这显然是不可能的。”

虽然看起来有些矛盾,生物永生的生物最终还是可能死去的。但与人类不同的是,它们很少因为太老而死亡。捕食者、疾病或灾难性的环境变化(火山爆发等)都有可能造成它们的死亡。换句话说,生物永生的生物会死亡,但它们并不会变老。它们基本上提托诺斯的相反面。

狐尾松就是一个很好的例子,有些狐尾松的年龄大得惊人,它们在5000年前就开始了生长。就外观而言,老狐尾松现在看起来就如同老去的提托诺斯。英国阿伯里斯特维斯大学的Howard Thomas就说:“这些树木会经常受到大自然的破坏,它们被闪电击中过,也被大雪压断过树枝。”但仔细分析一下,就会发现这是一个不同的故事。

2001年发表的一项研究比较了年龄相差4700年的狐尾松的花粉和种子,结果发现随着年龄的增长,花粉和种子的变异率并没有明显上升。更重要的是,大龄狐尾松维管组织的功能和年轻狐尾松一样正常。老树虽然饱经风霜,但在细胞水平上,它们和年轻时一样富有活力。

在几千年的岁月中,狐尾松的细胞组织似乎不会衰老。但遗憾的是,没有人真正知道狐尾松如何做到了这些,科学家对它们的长寿研究并不像你想象的那么深。但Thomas认为,狐尾松的长寿可能主要归功于“分生组织”(根和芽等)的一个特殊性质。根与芽都能形成干细胞,而干细胞显然可以保持年轻和活力。

狐尾松获得长寿还有另一种可能性,比利时根特大学的Lieven De Veylder认为:长寿的关键因素可能是植物分生组织中被称作“静止中心”的一小群细胞。这里的细胞分裂速度相对较慢,而这也可能会抑制分生组织中干细胞的分裂。这对植物很有帮助,因为细胞的每次分裂都有可能产生有害DNA突变。De Veylder说:“保持一个很少分裂的干细胞族群可能是一种策略,它能储存接近完美的“备用”基因。”

2013年,De Veylder的团队发现了一种蛋白质,它似乎可以控制阿布属植物静止中心的活动。类似蛋白质可能会帮助狐尾松这类植物避免细胞老化,使这些植物可以存活数千年。

然而,这些分生组织的秘密技巧并不能帮助大多数植物达到万古长青,因为大多数植物的细胞分裂都非常快。Thomas说:“植物细胞一波又一波的衰老将抵消分生组织的努力,然后它们就成了一年生或二年生植物。”本质上说,类似阿布属的植物的细胞代谢、分裂速度如此之快,使得它们的器官在分生组织可以修复受损组织前就丧失功能了。相比之下,生物永生植物的代谢速度更加合适。

谈到代谢速度,植物通常比动物慢,这可能也是动物很少活到几百年的原因。但动物中也有例外:珊瑚等殖民动物最长可以生存4000多年。然而,单个珊瑚虫可能只有几年寿命。一种叫做“明”的软体动物是已知的最古老独居动物。2006年,当生物学家从冰岛沿海水域发现这只长寿海洋圆蛤类时,它已经507岁了。

“明”虽然已经死了,但它可能生物永生。在许多动物细胞中,含氧分子与细胞膜发生反应后会生成很多小分子,而这些小分子会破坏细胞的其它部分。但2012年的一项研究发现,海洋圆蛤类动物的细胞膜对这种伤害有很强的防护力。“明”之所以活这么长,可能是由于它的细胞和狐尾松一样,衰老的速度可以忽略不计。

明是可以验证年龄的最长寿动物。它是一种软体动物,生物学家通过计算它背部的壳线来估算它的年龄,就像植物学家可以通过树木的年轮计算树龄。因为不是所有的动物都随身携带了方便记录年龄的证物,所以有些动物甚至可能比明还长寿。

比如水螅,它是一种体型很小的和水母有血缘关系的软体动物。虽然小型动物的寿命一般比大型动物短,但一位生物学家在实验室里养了一只水螅,而且时间超过四年。对只有15毫米长的动物来说,这是一个惊人的数字。

更重要的是,在四年多实验的末尾,这只水螅看起来就和第一天一样年轻。水螅是生物永生的另一个例子,谁也不知道水螅到底能活多久。它们也许因为疾病等威胁只能活几年,也许能活10000年。

几年前,Bosch和他的同事为水螅细胞缺乏老化做了一种解释。简单来说,他们认为这也涉及到了干细胞。水螅的小身体里携带有一套非常引人注目的干细胞。这些干细胞非常强大,它们可以在出事后重新长出水螅身体的重要部分。这种再生能力让水螅赢得了九头蛇的名字,名字的灵感来自于神话中的九头蛇海德拉,海德拉被砍掉的每个头都能再生。

现实世界中,水螅的再生能力并不是无关痛痒的小把戏,它对物种的繁殖至关重要:水螅通常利用克隆本身的无性生殖繁衍后代。在这个过程中,水螅会使用三个不同的干细胞群来复制所有组织,从而形成一个功能完整的个体。

Bosch和他的同事发现,这三个干细胞群都含有一种蛋白质:FoxO。他们认为这是一种重要的抗衰老蛋白。Bosch说:“如果去掉了DNA中的FoxO基因,水螅就会衰老。”

目前,科学家还不清楚FoxO蛋白防止水螅,特别是水螅干细胞衰老的原理。但科学家知道它可以作为细胞的一个“集线器”单元,集成各种分子信号,包括一些来自细胞外部环境的信号。

Bosch说:“我们正在研究FoxO蛋白如何集成环境信号。”实际上,FoxO可能是整个动物王国中普遍存在的抗衰老机制。人类也含有几种FoxO蛋白质,而且100岁以上老人体内含有更多的此类蛋白质。不过,即使活到100岁,人类也并不是生物永生的,至少不是水螅实现的这种生物永生。

虽然永生水母的生物永生也和水螅不同,但它也是永生的。

要理解永生水母为什么也能生物永生,你需要知道永生水母复杂的生命周期。水母精子和卵细胞结合后会形成小幼虫。但这种幼虫不只是简单的成长为成年水母。相反,它通常会附着于一个坚硬表面,变成一个称为水螅虫的软体分支结构。

大部分时间里,这些水螅虫会像水螅一样克隆自己。水螅本身就是水螅虫,但有些种类的水螅虫也会做别的事情。它们会生育很小的能够自由游动的雄性或雌性水螅,这些水螅会慢慢成长,最终能够产生精子和卵细胞。然后开启下一轮生物周期循环。

在复杂的生命周期里,大多数水母都能反转发育阶段。可一旦成年,它们就会失去倒流时光的能力。让人吃惊的是,永生水母违背了这一基本规则。它很独特,即使性发育成熟的成年永生水母也可以返老还童,变成幼年水螅虫,从而逃离死神的追杀,实现潜在的永生。这就好像一只蝴蝶在突然之间,变回了毛毛虫。

与大多数生物永生的动植物一样,永生水母实现时光倒流的机制仍然是一个谜。这种机制似乎涉及到一个与变态过程反向的奇异细胞过程,幼年毛毛虫变成蝴蝶的过程被称作变态。

水母与其它动物没有太多共同点,这也是它们的无性生殖策略和生物永生在我们看来如此奇异的原因。

Bosch认为无性生殖和生物永生这两个特征实际上可能相关。一方面,如果干细胞对动物的生物永生发挥了重要作用,那么不得不携带干细胞以克隆自身的动物可能经常是永生的。另一方面,有性生殖几乎都是走向过早死亡的单程票。Bosch说:“也许你都知道产生生殖细胞(精子和卵细胞)需要大量能量,从而杀死动物。”雄性物袋鼯是一种类似老鼠的有袋类动物,它死亡前几乎一直在交配。

但是,有性生殖的动物也有些是生物永生的,比如美国龙虾。

大多数动物性成熟后或多或少会停止生长,但美国龙虾不会。更重要的是,成年美国龙虾在偶然失去肢体后可以再生肢体。

这两个特点都表明即使成年后,美国龙虾还是保留了令人印象深刻的再生能力。这或许可以解释为什么美国大龙虾样本的估计年龄至少有140年。

美国龙虾的长寿可能和它们的DNA行为有关。在动物细胞长染色体的末端,有一些被称为端粒的特殊点,它们可以保护DNA。但每次在细胞分裂和染色体复制过程中,由于复制不能完全到达染色体末端,端粒每次都会缩短一点。

而更短端粒意味着更短寿命,但美国龙虾却可以通过端粒酶阻止端粒变短。1998年的一项研究表明,这种酶存在于美国龙虾的所有器官中,它可能有助于让细胞保持更长青春。换句话说,美国龙虾的细胞衰老方式很奇特,而正是这种方式使龙虾生物永生。

实际上,美国龙虾的端粒技巧可能可以延缓所有动物的衰老。但很少有证据表明永生植物或低级永生动物(如水母)也使用了这种技巧。Bosch认为这种方式可能是“更高级”动物独有的。

当然,哺乳动物体内也携带有端粒酶。海拉细胞是第一个公认的永生人类细胞,里面就有很多的活跃端粒酶。不过在这种情况下,永生是个坏消息。海拉(HeLa)细胞是从Henrietta Lacks身上获得的,海拉细胞也因此得名。Henrietta Lacks于1951年死于子宫颈癌,保存海拉细胞的决定也没有得到她的同意。

端粒酶似乎可以帮助肿瘤生长、扩散,这可能是哺乳动物只在某些细胞中使用它们的原因。海拉癌细胞虽然可能永生,但它的出现却夺走了Henrietta Lacks的生命。

癌细胞并不是人体唯一的永生细胞,我们的“生殖细胞系”细胞也是永生的。这些细胞用来产生卵细胞和精子,所以抗衰老对它们至关重要,只有这样才能让出生的婴儿都是年轻的。

年轻婴儿的概念可能听起来像无意义的重复,但所有的婴儿肯定都年轻吗?不一定,多利羊就是这样一个特例。多利由绵羊的乳腺细胞克隆而来,但乳腺细胞会衰老,所以她出生时的年龄相对较大。刚出生的时候,多利的细胞端粒就很短。此外,多利比非克隆的同年绵羊要老得快。最终,多利在六岁的时候就因为肺病过早死亡。

Thomas说:“和人类似的生物都存在重置时钟的机制。”不过,我们并不知道人类生殖细胞重置时钟的机制。端粒酶可能在重置过程中起到了关键作用,但它并不是全部。这也意味着人类离消除衰老还有很长的路要走,无论护肤霜广告如何宣传自身的抗衰老效果。

不过,对任何害怕死亡的人来说,还是存在些许安慰。因为作为个体,我们虽然会衰老,但因为生殖细胞的特殊性质,我们的世系并不会衰老。在这个意义上,人类也是永生的。(愿愿)

标签:科技探索,长生不老,克隆

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