主题:【原创】死亡起源 The Origin of Death -- az09

大河奔流 导读 复 314 阅 509694

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2016-03-17 16:29:25
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az09
az09`21737`/bbsIMG/face/0000.gif`70`2777`8328`70431`正四品下:通议大夫|壮武将军`2008-01-19 15:49:34`
死亡起源(二)—— “永生”的细菌 124

续上, 死亡起源(一)

为了解释这个问题,也为了揭开生物衰老和死亡起源的重重迷雾,我们需要一步一步循着生命演化的轨迹来探索。其实关于衰老与死亡机制的任何分析与假说的对错与否,有一个简单的判别标准,那就是:它们都必须能够通过演化论的检验。关于它们的各种理论与分析,也都必须给出一个可以历经千万年的时间与竞争的考验而不会自己崩塌的稳定结构。如果不能自证这一点,那么这个理论或者假说就一定是不靠谱的。

下图是生命的演化树,从单细胞生物到哺乳动物,我们大体上可以循着细菌(原核生物)、单细胞动物、腔肠动物、鱼类、两栖类、爬行类和哺乳类这条路径来对衰老与死亡机制进行探究。

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图4. 生命的演化树

1. “永生”的细菌。

1.1 “永生”的大肠杆菌。

我们首先观察最简单的单细胞生物。为了去掉不必要的干扰信号,我们先以比较简单而且常见的大肠杆菌为例。我们不妨用显微镜观察现实世界中的某一个具体的大肠杆菌,我们只要稍微思考一下,就可以看出,主要采用无性分裂生殖的大肠杆菌是具有“永生”能力的。这是因为它们主要采用的是对等分裂的生殖方式,那么分裂后形成的两个大肠杆菌当中,我们总是可以至少把其中的一个,看作是它自己“本身”或者“真身”。根据细胞学原理,细胞总是要从已有的细胞分裂而来,于是,我们总是可以将眼前的这个大肠杆菌追本溯源到亿万年前的某一个大肠杆菌身上,他们是同一个大肠杆菌。也就是说,根据细胞学原理,它们可以“永生”。在细菌身上发生的这种“永生”现象,人们在很久之前就已经观察到了

对于细菌或者单个细胞的永生,在这里需要稍微解释一下。对于细胞来说,因为它们是在不断分裂的,所以,所谓细胞的永生,指的是它们具有持续不断分裂的能力。比如,人体内的体细胞就不是永生的,因为它有分裂次数限制,人类的体细胞一般最多只能分裂50~60次。而与此相反,人类的生殖细胞和癌细胞却可以不受到这种限制,它们可以无限制地分裂,它们可以是“永生”的

现在我们可以知道:“永生”,这个大家普遍觉得不可思议的事情,其实正实实在在的发生在显微镜下,我们正在观察的这个大肠杆菌身上。那么问题来了:大肠杆菌又是如何做到这一点的呢?有些生物学常识的人会知道,大肠杆菌在分裂过程中,由于DNA碱基对数量的巨大(大概有460万个),它很难避免在复制过程中不出任何错误。事实上,细菌在分裂复制过程中,也常常出现各种错误。这种错误若是代代积累下去,便会越积越多。大肠杆菌的世代交替大概只有20分钟,也就是说,只要一昼夜时间,它便可以繁殖72代。如果任由错误发展,只需要几昼夜时间,它所积累的错误就足够导致它的系统崩溃而无法收拾,更遑论绵延亿万年了。所以,为了解决这个问题,大肠杆菌采用了一种很聪明的做法[2][3]。详细过程我不赘述,可以通过下面的三幅简图大概得知。大体上就是大肠杆菌在分裂的时候,会产生一个“真身”和一个“替身”。每次分裂,真身都会把分裂过程中产生的垃圾,各种不好的DNA错误,尽量转移到“替身”上面,于是,每一次分裂后,这个“真身”就能够获得崭新的DNA,成为一个“新”的细菌。 而“替身”呢,它也未必死亡,它只是也把垃圾转给它的“替身”,如此这般,击鼓传花。 不过,这种转移不是无限的,当经过若干代以后,它的第n代“替身”的生长速度会变慢,也就是开始衰老。至于死亡,由于现代的技术所限,也因为它可能要分裂许多许多代以后才会死亡,所以,那些倒霉的做了人家“替身”的大肠杆菌的自然死亡暂时还没有被观察到。(不过酵母菌已经被观察到了,稍后就会提到)

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图5. 一个正在分裂的大肠杆菌,杆状的它在杆的两个尽头是有两端(pole)的。注意它的中间凹陷处,就是细胞分裂之处。在这个凹陷处形成的新细菌的那个端(pole),就是所谓的“新端”(new pole)

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图6. 大肠杆菌的无性生殖。分裂中它不断产生新端和旧端(pole),继承旧端的细胞,随着“年龄”(代)的增长,它的生长速度越来越慢(也就是衰老)。反之,如果每次都继承新端,7代以后细菌生长速度加快(也就是变年轻了)。

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图7. 大肠杆菌在分裂过程中,通过一系列的手段,通过多次分裂,将出错的基因等垃圾,尽量转移到继承了最旧的旧端的细胞里面

相信大肠杆菌应该还有其他的一些手段来自我修复受损的DNA和细胞组织,比如我们知道细胞通常可以通过光修复、切除修复和重组修复等等方法来修复受损的DNA,这本就是细胞的一个非常重要的功能。总之,不管它采用了何种手段,根据细胞学的原理,新的细胞只能从已经有的细胞分裂而来。我们总是可以将这个单细胞的大肠杆菌追本溯源到亿万年前的某一个细胞上。也就是说,不管怎样,事实上显微镜下我们正在观察的这个大肠杆菌,的确是在过去的亿万年间不停分裂而获得“永生”的。

自有生命以来,有两个问题一直是每个物种都需要面对和解决的,那就是1. 如何维持足够的,可以保证种群延续的种群数量;2. 如何获得足够的,演化过的,可以适应环境变化的个体。并让这两者在自然选择的作用下,达到一个微妙的平衡。这个话题我在文章的后面还会反复提到,因为这两点是关系生物之所以衰老与死亡的一个非常重要的因素。

为了兼顾上述这两个问题,大肠杆菌也进行某种意义上的有性生殖。大肠杆菌通常是采用无性的分裂生殖,因为这样可以迅速的扩大种群数量,也就是保证上面的1的要求。我们经常可以观察得到,细菌类乃至各种低等生物,在理想条件下,也就就是竞争和压力低的情况下,一般会更倾向于采用无性生殖的方式,迅速扩大种群数量。但是,大肠杆菌也进行有限的所谓的“有性生殖”——结合(Conjugation)。也就是两个大肠杆菌之间交换一小部分DNA片段。有性生殖的好处是,如果某个大肠杆菌出现了在物种竞争中会处于优势地位的突变,它可以通过有性生殖以级数的传播速度把它传播出去,在自然选择这个看不见的手的作用下,这个突变就会被保留下来,并广泛传播,这是非常有利于种群生存的。这样就它们可以达到上面所述的2的要求。不过有性生殖是需要消耗能量的,消耗过多的能量显然不利于竞争。所以,细菌需要在自然选择的这只看不见的手下,达到一个微妙的平衡。

另外,值得一提的是,即便是如大肠杆菌这样原始的细菌,它们的细胞之间,也是具有一定的通讯能力的。它们可以通过分泌一些小分子化合物作为信号分子,并且发展出了包括受体在内的各种信号传递机制去捕获并传递信号。本文后面会提到,这种细胞间信号传递机制的出现,对于多细胞生物的衰老与死亡的产生,是至关重要的

待续.......请点击: 死亡起源(三)

备注与参考文献

[2]. Stewart EJ, Madden R, Paul G, Taddei F. Aging and death in an organism that reproduces by morphologically symmetric division. PLoS Biol. 2005 Feb;3(2):e45.

[3] Lindner AB, Madden R, Demarez A, Stewart EJ, Taddei F. Asymmetric segregation of protein aggregates is associated with cellular aging and rejuvenation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Feb 26;105(8):3076-81


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