【生命代价】性欲和死亡:生命的代价




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文/Philip Ball

译/游侠儿

校对/黄小译

原文/nautil.us/issue/36/aging/yes-life-in-the-fast-lane-kills-you

对线粒体的新型研究,将揭示生命是如何消耗能量的。

尼克·莱恩(Nick Lane)是伦敦大学学院的一名进化生物学家,经常思考关于生命的一些重大问题:生命是如何开始,如何维持的?为什么我们会衰老,死亡?我们为什么要做爱?莱恩抛开我们时代的习惯,把这些看作是进化遗传学的问题。他坚持认为,我们的基本生化机制,尤其是活细胞赖以产生能量的机制,可能会决定或限制生命中出现的这些现象。

莱恩一直致力于建立一种有关进化的补充观点:即为了繁殖成功和存活,基因之间会相互竞争。他认为,只有我们考虑到了能量限制的问题,才能很好地理解进化历史上的几次大转折,如被称为真核细胞的复杂细胞的出现(像我们自己身上的那样)以及多细胞生命形式的出现。

所有的这些都在于能量:尼克·莱恩认为长寿的秘诀在于线粒体。

莱恩的著作《上升的生命:进化的10个伟大的发明》(Life Ascending: The Ten Great Inventions of Evolution)被授予2010年度英国皇家学会科学书籍奖,这是英国科学书籍的最高奖。他于2015年出版的著作《至关重要的问题:生命为什么是现在这样的?》(The Vital Question: Why Is Life the Way It Is?)被誉为“改变了游戏规则”和“充满大胆和重要思想”的著作。它提供了一个新颖、详细的模型,即如果利用了深海喷口的原始化学能,那生命会如何开始?比尔·盖茨称《至关重要的问题》这本书是“对生命起源的一个惊人调查”。

《至关重要的问题:生命为什么是现在这样的?》,尼克·莱恩 著

《鹦鹉螺》(Nautilus)杂志在伦敦的实验室见到了莱恩,并采访了他对衰老、性和死亡方面的看法。

(N=Nautilus,尼=尼克·莱恩)

N:在你的著作《力量,性,自杀》(Power, Sex, Suicide)中,你问到,从什么时候开始性欲会被死亡所惩罚,为什么?你是想表达什么呢?

尼:性是随着复杂细胞的进化而出现的。如果是细菌,我们都知道它们不做爱。它们做类似的事情——交换基因,这在本质上也是性行为要做的事:它把基因四处移动。但是我们融合基因的方式不同。复杂的真核细胞,包括我们、植物、真菌等等,都有性行为。这种行为本身就是很惊人的。但是,我们真的不知道性的优势是什么。这是在复杂细胞这个大群体的进化中出现的现象,似乎是必不可少的,而且与死亡紧密相连。良好的进化需要我们把更多资源用在繁衍后代上。所以如果我将更多的资源用在做爱上,就意味着我为维持寿命所付出的资源将会减少。我拿走了能让自己活得更长久的资源,那在进化过程中,就几乎等于是故意缩短了自己的寿命。

活着需要代价,做任何事都要付出代价。

N:你说性与死亡紧密相关是什么意思?

尼:那种意义上的死亡是一种被称为程序性细胞死亡的特殊过程。它受基因控制,消耗能量,而且很刻意。受损的细胞会自杀并自我清除,而且经常被来自干细胞人群的原始新细胞所取代。性就是在个人层面上,通过重组基因来做这种事情。从自然选择角度看,性所做的事就是在增加个体之间的差异性。它正在增加人口的多样性,而这则有益于自然选择。而当人们之间的差异性再次回到性上时,自然选择又会是怎样的?你留下了多少个子孙后代?对于我们来说,子孙后代又尤其指的是男性。选择是充满偏见的,偏向那些能留下更多孩子的相当少的一部分人。

N:你的意思是,有的男性贡献大,而有的贡献小吗?

尼:是的。在自然选择层面,性行为就是让最好的基因能更多地被复制。它能增加基因的多样性。所以我们就有了所谓对增加变异贡献大的男性和贡献不大的男性,而贡献大的男性则有更多的机会去传递他们的基因。从人类的角度看世界其实不是个很好的方式,但这基本上就是进化的过程。

N:你认为能量过程来源于线粒体细胞的一部分,那线粒体是从哪里来的?

尼:它们是进入另一个细胞的细菌。这另一个细胞是什么样子或是什么东西,还存在争议,但几乎可以肯定,它是一个相当简单的细胞。而且,线粒体最后会成为我们细胞的动力单元,我们生存所需的所有能量都来源于线粒体。

N:这与衰老是怎么联系起来的?

尼:生存需要代价,做任何事情都要付出代价。在某种程度上,维持生命所需的代价取决于我们生存的节律。如果我们生活的节奏很快,那用不了多久我们就会筋疲力尽。代谢速率(即我们吸入氧气和燃烧食物的速率)和寿命之间有紧密的联系。在良好的条件下,我们将大部分资源集中在了性成熟方面。一般来说,人就是动物,对此我没有太多意见,但这已经超越了动物王国。

我们把资源集中在性成熟和繁殖后代上面。但如果条件不利,如果我们在挨饿,那就会有一种转化:从为性和蛋白质合成做准备转化到为生存做准备,停止生育,等待走出困难时期。过去10年左右的时间里,这种基因切换是大多数衰老研究的中心。它与新陈代谢率并没有多大联系,而是与流动,与我们分配资源的方式有关。我们要么将资源集中在性上,要么集中在生存上。不同的基因突变会使非常简单的生物体的寿命变为原来的两倍或三倍。但这对于和我们一样复杂的生物体就会更难一些。

如果你从鸟类的代谢速率来推断,那它们的寿命远比应有的要长。

N:同样,我们也特别希望能延长自己的寿命。那最好的方法是什么呢?对哺乳动物的能量限制的一些研究似乎表明,这是能显著增加寿命的一种方法,那这种方法对人类适用吗?

尼:这是很模棱两可的。人们对猕猴做过相当长期的研究,几十年有了吧,但只得到相互矛盾的结果。有些人认为进行的还不错,能延长30%或40%的寿命。其他人则认为,让控制组想吃什么就吃什么,能吃多少就吃多少,这种行为实际上是会损害健康的,因此它们的寿命会比本该有的寿命短。因此,这个实验设计有很多不确定性。此外,大多数人都不会希望将自己的饮食控制在原来的60%左右。有一些人确实这样做了,但还不清楚这是否延长了他们的寿命。我听说,有一个人跌倒了,很轻易就摔伤了骨头,这确实令人惊奇,原来是他得了骨质疏松症。所以,这种方式还是有副作用的。

N:那么,如何才能真正让人类长寿呢?

尼:从进化的意义上来说,人的寿命似乎是没有限制的。但这恰恰是真正令人吃惊的事情。负鼠生活在一个没有天敌的岛上,其寿命会增加一倍,而且会持续五或六代。如果从鸟类的代谢速率推断,那它们的寿命远比应有的要长。鸽子将来会存活大约30年,即使如此,基于它们的高代谢率和体型,你会推测出它其实只有3或4年的寿命,这就是10倍的增长。我们有充分的理由认为,鸽子能活这么久是因为拥有非常高的供氧能力而被自然选中,换句话说,就是它们会飞。要想飞起来需要巨大的代谢消耗,因此它们必须有很好的线粒体(mitochondria)才能完成这件事。而且能拥有真正良好的线粒体的部分原因是,它们几乎不泄露自由基(free radicals),这似乎也是鸽子这么长寿的原因之一。

缓慢但却平稳:巨型陆龟,就像图上这一只,能存活很长时间。这可能是因为它们的代谢速率惊人的低。

N:我们也听到了很多关于自由基的东西,尤其是与饮食相关的,那我们应该怎么摄入含抗氧化物的东西来吸收自由基,从而更长寿呢?我们对自由基又真的知道什么呢?

尼:衰老的自由基理论最初是在五六十年前提出来的,实际上就是说,线粒体会产生称之为自由基的氧气的活性形式。我们呼吸的一定量的氧气会以活性自由基的形式排放出来,而这种活性自由基会损害DNA、导致DNA变异,破坏蛋白质或细胞膜自身。时间久了,这种损害就会累积形成所谓的误差灾变论,就是说细胞无法支持自身。过去的20年里,上述的理论已经被全面否定,它是不正确的。这种观点也是不正确的:通过服用大量抗氧化补充剂,我们就可以延长生命或者抵御与年龄相关的疾病,包括癌症和痴呆。人们已经做了大量的研究和元分析,而且数据显示,如果你摄入大量抗氧化补充剂,你的寿命更可能会变短,这些数据是相当具有说服力的。

N:如果氧化自由基真的会伤害我们的细胞的话,它不起作用的原因是什么?

尼:我认为有一个非常好而且大家普遍能接受的原因:它们妨碍生物信号的发出。我们现在知道,自由基是反应细胞中应激状态的。细胞中有各种各样细微的差别,但如果出了差子,自由基就扮演了烟雾警报器的角色,或者至少它们就是烟雾,而细胞就会准备检测烟雾并做出相应的反应。抗氧化剂的问题就在于它们实际上是在破坏烟雾报警器,这可不是什么好事儿。烟雾报警器会做出应激反应,而应激反应则会改变各种类型基因的呈现方式,以此来保护细胞。因此通常更多的自由基会产生一种保护性的应激反应,这种反应停止了孵化的过程,而是让一个细胞继续存活得更久。服用抗氧化剂打乱了这种信号,真的没有什么帮助。

透射电子显微镜(TEM)下哺乳动物肺组织中的两个线粒体。

N:如果鸽子的寿命是它们代谢率预测的寿命的10倍,这是否意味着我们也可以这么做?

尼:就我们而言,我们受到大脑的限制。如果我们活着的时候,可以替换所有的东西,如细胞、器官等,那我们可以活多久应该就没有限制了。但如果我们替换了我们的神经元,那我们就是在进化过程中重写自己的经历,而且就不再是我们自己了。我想,这才是对将生命延长到超过神经元自然最大寿命(120年左右)行为的真正惩罚。我就是在这里看到了真正的限制。我们如何才能防止大脑随着时间的流逝而失去质量、失去神经连接,失去我们储存记忆和经历的突触?

线粒体通常被认为是动力单元而不被重视,现在看来它却要为所有的这些复杂过程负责。

N:如果我们能再生新的神经元来替换那些受损的细胞,那它们会是怎样的状态呢?是处于初始状态,准备好复制我们的人生经历?或者说,它们会受到已经存在的神经通路的制约?这种类型的再生会涉及到大脑中的哪一部分,是那些与记忆相关的还是认知的过程?

尼:神经元不会复制经历,但一个单一的神经元可能有1万个突触连接,组成一个神经网络的一部分,而且我们还不了解它们对整个网络的贡献。认知过程本质上似乎比记忆要更容易替代。如果突触连接储存记忆,那一个新生神经元怎么能重构所有的这些连接呢?

替换神经元还有其他有趣的问题。例如,你取一个皮肤细胞,然后将其重组为一个干细胞。惊人的是,它运行得相当好。你可以诱导这个干细胞使其成为一个神经元,而且可能用它来替换大脑中垂死的神经元。这种新神经元能否成功地建立正确的连接,一个重要的问题是:它的线粒体发生了什么?当你重组一个皮肤细胞时,它的线粒体转化成了类似干细胞里的那些线粒体,它们变成了圆形,并且失去了电荷。但我们还不知道它们的DNA发生了什么变化,它是还忍受着在皮肤细胞里遭受的损害,还是已经被清除了呢?如果它仍然受损害,那么这种闪闪发光的新神经元可能是一个谜,很快就像一个廉价的塑料复制品被抛弃了。

N:在《力量,性,自杀》一书中你写到,“如果我们要想更长寿,要想摆脱老年的那些疾病,我们将需要更多的线粒体。”为什么我们需要更多的线粒体呢?

尼:如果我们在讨论寿命长短的时候提起爬行动物和乌龟,我们会发现它们的寿命非常的长。原因是它们的代谢速率极低,它们几乎不动,因此它们能活那么久仅仅是因为它们的细胞并没有真正处在任何压力之下。而在这一范围的另一端我们发现,鸟类的代谢速率比我们人类还快。它们身体温度更高一些,它们在生存中会消耗更多的氧气,所以它们比同等体型和代谢速率的哺乳动物更长寿一些。而且它们似乎是通过选择高质量的线粒体来做到这件事的,因此它们增加了整个体系的功能。寿命和代谢速率之间存在一个近乎U型的曲线,我发现这真的很有趣。

N:我们在这条曲线上处于什么位置?

尼:我们处于中间的某处。由于我们的身体质量问题,与鸟类或者爬行动物相比,我们的寿命相对较短,因为我们的代谢速率快,而且也没有鸟类拥有的那种高质量线粒体。一部分是因为个人线粒体的质量问题,另一部分是线粒体的数量问题。例如,我们肝细胞中的线粒体数量是乌龟的10倍。这似乎意味着选择高供氧能力可以增加寿命(至少在我看来是这样,并没有经过验证)。这就是鸟类和蝙蝠有很高动力要求的原因之一:为了飞行和活得更久。现在,我们比大猩猩和黑猩猩长寿得多。我们增加了我们的供氧能力和耐力时,我们似乎已经跨越了早期人类进化的一个阶段。我不知道这与在非洲平原追逐瞪羚是否有关,或者与其他什么有关,这是存在争议的。但与其他类人猿相比,我们确实有很高的耐力和能力来保持活跃。

N:从进化角度看,我们是否知道生物的供氧能力是在哪一个进化阶段发生了扩张?

尼:我认为是在100万年前,而不是几十万年前。这似乎是一个相对较早的增长。

N:那我们来更深入的了解一下复杂细胞的进化吧。你能多告诉我们一些关于细菌的早期融合和宿主细胞的知识吗?

尼:不确定的是,获得这种细菌的宿主细胞是什么?被获得的细胞又是什么?我们真的不知道。但对于这是怎么发生的问题,我有一个相当强烈的观点,强烈到我认为它具有很大的科学意义。很多证据都指向这个事实:宿主细胞是一个简单的类似细菌的细胞,称之为古菌。它没有细胞核,无法储存其DNA,也没有性。它并没有四处吞噬其他细胞。通过某种意外事故,它获得一个融入其体内的细菌,并成为线粒体。因此我们拥有两个非常简单的细胞,一个会与另一个融合。真核细胞是人类独特类型的复杂细胞,其特征就是在这种相互作用的过程中形成的。这意味着,经常被当作是动力单位而不予考虑的线粒体要对所有的这些复杂细胞的进化负责,而且对它们是非常重要的。

N:那么我们是不是可以认为,仅仅被当成能量来源的线粒体是被低估了呢?

尼:如果我们关注如何延长人类寿命的问题,那我们就不能仅仅把线粒体当成是动力单元了,而是把它看成是促进所有复杂细胞进化的两个关键因素之一,而且仍然对它们很重要。一个细胞是否要复制自己、分裂或者死亡,线粒体对所有的这些过程都极其重要。

N:那么,科学家会怎样利用线粒体的多功能来延长人类寿命呢?

尼:这很困难。最简单的方法就是用好的线粒体去取代受损的线粒体,也就是在细胞层面上引导选择:含有坏线粒体的细胞死亡,而拥有好线粒体的细胞存活。所以你需要做的第一件事是进行细胞更新。运动可以达到这一目的,合理的饮食也可以:蔬菜和水果对我们是有一部分好处的,因为它们含有能刺激细胞更新的毒素,而且与抗氧化剂关系不大。听听老人言也不会吃亏,合理膳食,勤加锻炼。但这种方式对我们延长寿命的帮助并没有那么大。

如果细胞不进行更新,那细胞层面的选择就无法进行,而坏线粒体就会扩散。我们变老的时候,很容易就会发生这种扩散现象,而且是以各种疾病的形式出现,最坏的线粒体扩散是在损害好的线粒体的情况下进行。当线粒体突变体接管的时候,心肌纤维(也不能轻易的替换)就会变得千疮百孔。

大脑仍然是个大问题,但却给这个答案提供了一个线索——线粒体移植。我思考了很长时间,神经元带着诞生时获取的一些线粒体是如何存活120年的?原来这不是它们做的事情,线粒体可以从干细胞中经过细小的连接纤维转移给神经元。这听起来像是科幻小说,但如果干细胞能将原始的线粒体传输给临近的神经元,这简直就是注入了生命。这个过程不会简单,但再生医学可能是最好的方法,不用直接替换神经元了,而是重振干细胞。(转载自公众号:利维坦,版权归原作者所有,如有侵权请联系我们删除)

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