人類為什么會衰老

1、人類為什么會衰老？,衛(wèi)劍釩,說 明,本文主要內(nèi)容節(jié)選自《三聯(lián)生活周刊》2018年第3期，封面故事“人類到底能活多久-抗衰老科學指南”主要原作者：袁越（土摩托）本PPT主要是節(jié)選和編排,人均預期壽命,2015年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：人均預期壽命最長的是日本：83.7歲其他比較長的國家：瑞士83.4，新加坡83.1，西班牙82.8，意大利82.7，以色列82.5，韓國82.3，德國81.0，古巴79.1，卡塔爾78.22015年。全球人

2、均預期壽命為71.4歲。中國人均預期壽命為76.1歲。有22個國家的人均預期壽命在60歲以下，所有這些國家都在撒哈拉以南的非洲，最低的國家是塞拉利昂，只有50.1歲。,人在不同歲數(shù)的死亡率,當然，年齡越大，死亡率越高。美國政府在2010年時所作的統(tǒng)計，20歲美國男性的死亡率是0.001，30歲時的死亡率是0.002，60歲時的死亡率一下子提高到了0.01，80歲時死亡率更是上升到了0.06，而100歲的美國男性的死亡率則是0.36。

3、死亡率表明在這個歲數(shù)上的死亡可能性。也就是說，100歲的美國男性當中有超過三分之一的人活不到101歲。,動植物的壽命？,其他動物和植物就不太一樣。目前地球上還活著的壽命最長的植物大概是加州的某顆松樹，據(jù)說已經(jīng)活了4850年。壽命最長的動物存在爭議，因為大部分動物沒有類似樹木年輪的東西，有證據(jù)表明，某些種類的烏龜、鯊魚、石斑魚和蛤蜊能活到200歲以上。而像海綿和珊瑚這類低等海洋動物甚至可以活成千上萬年，幾乎相當于永生了。,細菌知識

4、,細菌似乎是不會死的，只要條件允許，它們會永遠分裂下去。而且細菌的分裂是平均地一分為二，讓人很難分清誰是父母誰是兒女，因此也就很難定義細菌的壽命。如果周圍環(huán)境惡劣，細菌就會變成孢子，暫停一切生命活動，耐心等待重生。這個循環(huán)可以一直延續(xù)下去，沒有盡頭。高等動植物的細胞也有可能永遠不死，比如科學家做實驗用的人類細胞系就具備永生的能力，可以在培養(yǎng)皿里永遠繁殖下去。這些細胞系大都取自病人的惡性腫瘤組織。,細菌知識,目前科學界公認，細胞之所以會

5、死亡，源于細菌時代，當時整個地球可以被看成是一鍋細菌濃湯，里面除了各種細菌外，還有數(shù)量更多的噬菌體（Bacteriophage）。噬菌體其實就是細菌的病毒，本身不具備繁殖能力，必須侵入到細菌體內(nèi)，利用細菌自身的DNA復制系統(tǒng)進行繁殖，然后將宿主殺死，自己破壁而出，再去入侵新的細菌。當年的細菌們進化出了很多辦法對付噬菌體，可都不怎么成功，最終一種細菌進化出了自殺這個辦法，即在病毒侵入自身后立即自殺，不給噬菌體繁殖的機會，從而保住了周圍

6、那些和自己具有相同基因的同伴們。也就是說，自殺的細菌犧牲了自己的身體，保住了自己的基因。,長生不老,長生不老并不違反物理定律，單細胞生物有很多都是長生不老的?？茖W家們在多細胞復雜生物中也發(fā)現(xiàn)了長生不老的例子，這就是水螅（Hydra）。水螅是一種非常簡單的腔腸動物，具有極其強大的修復能力，只要環(huán)境適宜，水螅便可以一直活下去，永不衰老。,古人能活多長？,很多人以為古代人能活過40歲就算萬幸。澳大利亞國立大學的研究小組日前在《人類考古學雜

7、志》上發(fā)表論文指出，這可能只不過是偏見而已。古代女性分娩時和嬰幼兒的高死亡率，才令現(xiàn)代人產(chǎn)生了古人不長壽的錯覺。事實上，大量新的考古證據(jù)顯示，在各個文化中，在沒有天災人禍打擊的情況下，對于遵循傳統(tǒng)生活方式的人——尤其是男性——70歲左右才是最常見的死亡年齡。,衰老是否有解藥？,古代的新生兒死亡率很高，大家也習以為常了，認為理應如此。當時的醫(yī)生也想不出解決辦法，因為每個嬰兒的死亡原因似乎都不一樣。最終法國微生物學家路易·巴斯

8、德（LouisPasteur）發(fā)現(xiàn)了病菌，一勞永逸地解決了這個問題。衰老問題與此類似，一旦有人找到了衰老的生理基礎，解決了這個問題，那么人類的健康長壽就將成為新的常態(tài)?！?三種典型的老年病,癌癥、心血管疾病和老年癡呆是典型的老年病，也就是說，它們的發(fā)病率都隨著年齡的增加而呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長。目前全球超過85歲的人當中有至少一半患有阿爾茲海默氏癥（老年癡呆癥），他們?nèi)夹枰腥苏疹櫜拍芑钕氯ァ４送?，衰老的一個重要特征是體內(nèi)的炎癥反應增

9、多，這個現(xiàn)象被稱為“炎癥衰老”（Inflamaging）。,不同年齡段阿爾茲海默氏癥患病率,老年病給人帶來的痛苦,“我周圍經(jīng)常見到這樣的人，65歲得了第一次心臟病，開始服用他汀類藥物；兩年后又得了糖尿病，開始吃降糖藥；5年之后又得了阿爾茲海默氏癥，生活逐漸不能自理，只能住進養(yǎng)老院，在痛苦中勉強活到了85歲。”威爾丁博士說。,生命是什么,1943年，著名奧地利量子物理學家薛定諤在都柏林三一學院發(fā)表了一個題為“生命是什么？”的演講。在那次

10、演講中，薛定諤首次提出生命最本質(zhì)的特征就是能夠不斷地從外界獲得能量，以此來維持自己的負熵狀態(tài)。這個過程并不違反熱力學第二定律，因為生命本身不是封閉系統(tǒng)，它能夠把正熵作為廢物排出體外。,衰老理論-DNA復制誤差,波蘭裔美國核物理學家里奧·西拉德（LeoSzilard）從原子核裂變的過程中得到啟發(fā)，認為衰老的關鍵就在于DNA的每一次復制都會產(chǎn)生少量誤差，這些誤差會隨著細胞分裂而被逐漸放大，整個過程和核裂變一樣都是指數(shù)增長的，總有一

11、天會讓大部分基因失去功能，從而導致大量細胞死亡，生命系統(tǒng)就崩塌了。但是干細胞知識不支持此理論。,細胞知識：干細胞,干細胞是1978年被發(fā)現(xiàn)的，生物學家們意識到組成人體的體細胞并不是按照一分為二、二分為四這樣的節(jié)奏分裂而來的，而是全都來自少數(shù)干細胞。這些干細胞平時被嚴密地保護了起來，其DNA很難發(fā)生磨損。一旦身體某處有需求，這些干細胞就會發(fā)生分裂，產(chǎn)生出的后代被運送到指定地點，分化成特定功能的體細胞，去完成特定的任務。,器官的老化和替

12、換,人的器官老化了以后，可以采用更換的方式，但健康器官的來源問題始終難以解決，所以這個方法顯然不適用于所有人。還有一個解決辦法就是人造器官，但截至目前為止，除了人造髖關節(jié)和假牙之外，還沒有哪個器官可以被大批量地制造出來。未來有可能造出人工心臟，因為這是個純機械問題，但人體器官絕大部分都是化學問題，很難在工廠里制造出可靠的替代品。,干細胞可否用來人造器官？,近幾年極為火爆的干細胞技術(shù)給人造器官領域注入了一針強心劑。其實用干細胞來制造替代

13、器官的想法很早就有了，但干細胞不是那么容易得到的。此前科學家們認為真正的全能干細胞只能從胚胎中獲取，這就是為什么有一陣子流行過保存新生兒的胎盤。但自從日本科學家山中伸彌發(fā)明了人工誘導干細胞的方法后，任何體細胞理論上都可以用這個方法誘導成全能干細胞了，這就為干細胞的應用掃清了最大的障礙。目前這項技術(shù)還未發(fā)揮出最大的潛力，原因是從干細胞到特定器官的發(fā)育過程尚未完全搞清楚。如果這項技術(shù)成熟的話，一般性的衰老將不再是個問題，人類的壽命將會大

14、幅度提高。,干細胞療法,干細胞療法是通過利用對干細胞進行體外分離、培養(yǎng)、定向誘導分化等，培養(yǎng)出一種全新的、正常的、更年輕的細胞、組織、器官等。通過特殊的移植技術(shù)將其移植到體內(nèi)，干細胞植入人體后，可替代已損傷的細胞進行修復，從而達到治療的目的。,衰老理論-生物鐘-甲基化,關于衰老和基因之間的關系方面，霍瓦茨提出了甲基化生物鐘理論，他選取其中的幾個和年齡關系似乎比較密切的位點，測出它們甲基化的比例，然后再看這個比例和年齡到底有何關系。比如

15、他從某個組織或器官上取出100個細胞，先測A位點，有35個被甲基化了，65個沒有，那就把A位點記為0.35，然后再測B位點，得出一個比例數(shù)值，依次類推。然后他把這些比例數(shù)值合在一起，再和年齡相比較，看看能否找出兩者的關聯(lián)。,衰老理論-甲基化,最終霍瓦茨推導出了一個公式，只要把測出的甲基化比例帶入這個公式，就可以算出這個人的實際年齡，兩者的相關性高達96%以上?！捌鋵嵾@個公式很容易推導，因為兩者的相關性實在是太強了?！被敉叽膶ξ艺f。來自

16、全世界的科學家們已經(jīng)用這個方法測量了很多次，得出的結(jié)論大都和已知的衰老研究相吻合。比如肥胖的人測出來的年齡往往要比實際年齡大，正在嘗試饑餓療法的人測出來的年齡往往要比實際年齡小。,DNA的甲基化,DNA的甲基化，屬于DNA分子的修飾方式。研究DNA修飾方式的學問叫作表觀遺傳學（Epigenetics），這是最近20多年來遺傳學研究的熱點之一，后面所題的霍瓦茨的甲基化生物鐘就是這門新學問所結(jié)出無數(shù)個豐碩成果中的一個。,DNA知識,眾所周知

17、，DNA是由ATGC這四種核苷酸首尾相連組成的長鏈，這四個字母的排列順序決定了不同基因之間的差別。但后人發(fā)現(xiàn)DNA分子上會有一些核苷酸被連上了一個甲基，這就是甲基化。通常情況下這個甲基會出現(xiàn)在CG位點上，即一個字母C后面緊跟著一個字母G的那個位置。人類基因組中大約有2800萬個這樣的位點，它們都是潛在的甲基化位點。常用的甲基化測量法只能測出其中的幾萬到幾十萬個位點，但這也已經(jīng)大大超出了普通人的研究能力。,衰老理論-甲基化,“有一點很

18、有趣，那就是所有干細胞測出來的年齡幾乎都是零，這說明人工誘導干細胞就相當于生命的重啟?！被敉叽恼f，“這個結(jié)果很好理解，因為決定一個細胞狀態(tài)的不是基因組本身，而是基因的甲基化?！蔽覀兩眢w內(nèi)的細胞有千千萬萬，每個細胞的基因組序列都是一樣的，為什么細胞會分化成好多種不同的類型呢？答案就是每個基因的活躍程度有差異。這個差異是由DNA的甲基化控制的。,衰老理論-甲基化,霍瓦茨說，“我相信每個細胞內(nèi)的DNA分子上都會有一個普適的衰老時鐘，控制著這

19、個細胞的衰老過程，這才是衰老的本質(zhì)所在。”“我的計算表明，衰老過程不是從40歲才開始的，而是從人剛一生下來就開始了。事實上我認為衰老和發(fā)育是同一個過程，兩者受同一個甲基化程序所控制?！?衰老理論-甲基化,“從某種意義上說，發(fā)育和衰老都是依靠甲基化來完成的，而整個甲基化過程都是在基因控制下才能實現(xiàn)的。”“不過我不敢肯定衰老是基因故意這么做的，因為大自然沒有理由進化出衰老這個功能，所以我傾向于認為衰老是發(fā)育的一個副產(chǎn)品。任何人都需要發(fā)育

20、，否則你就沒法長大成人，沒法繁殖后代了。但當你結(jié)婚生子，完成了繁殖任務后，這個過程卻仍然在繼續(xù)，可惜結(jié)果卻正相反，從發(fā)育變成了衰老。”,衰老理論-基因控制說,三文魚費盡千辛萬苦逆流而上，產(chǎn)卵之后便迅速死亡，看上去似乎是死于心力衰竭。但研究發(fā)現(xiàn)，三文魚其實是自殺的，它們在產(chǎn)卵后體內(nèi)的腎上腺會分泌一種激素，觸發(fā)一系列連鎖反應，不但將自己的血管堵住，而且還會破壞自身的免疫系統(tǒng)，把自己的身體變成微生物們的食堂。如果用手術(shù)割除三文魚的腎上腺，那么

21、這條魚就不會死了，說明它的能量并沒有耗盡。三色堇在開花后會很快死亡，但如果把花掐掉，三色堇就會在原來位置再開出一朵新的花，這個過程可以一直繼續(xù)下去，說明它還是有潛力的。這些案例進一步證明，衰老和死亡都是由基因所控制的自殺行為。,衰老理論-基因控制說,霍勒迪發(fā)現(xiàn)，人類的身體由各種不同的組織構(gòu)成，它們的新陳代謝模式各異，細胞分裂的形式更是多種多樣，但卻都遵循著幾乎相同的衰老時間表，在幾乎相同的時間段內(nèi)一起老去。這說明衰老是在一個“總負責

22、人”的管理下按部就班進行的生理過程，因為只有這樣才能最大限度地節(jié)約能量。,自私基因理論,英國生物學家理查德·道金斯（RichardDawkins）撰寫的《自私的基因》一書家喻戶曉。自私基因理論很好地解釋了遍及動物界的利他主義行為。比如，工蜂之所以甘愿犧牲自己成全蜂王，是因為蜂王可以更好地傳遞自己的一部分基因；再比如，第一個發(fā)現(xiàn)敵情的猴子之所以甘愿冒著生命危險向同伴發(fā)出警告，是因為同伴們也攜帶有自己的一部分基因……,衰老理論-

23、基因控制說,群體選擇學說認為衰老就是為了照顧群體的利益而被進化出來的，因為衰老的受益者只能是群體，這是顯而易見的事實，有無數(shù)野外觀察到的案例為證。反對者認為衰老是不可能被進化出來的，因為數(shù)學計算結(jié)果不支持這個想法：假如一個由“衰老者”組成的正常群體中出了個不會衰老的“作弊者”，其后代的數(shù)量肯定要比“衰老者”更多，“衰老者”就會慢慢變少，直到消失。,衰老理論-體細胞不重要,1951年，英國著名的免疫學家、諾貝爾獎獲得者彼得·梅

24、達瓦（PeterMedawar）在倫敦大學學院所做的一次演講中指出：我們之所以會死，原因是當我們完成了繁殖后代的任務后，自然選擇就不再搭理我們了，任由我們老去。其結(jié)果就是這些“年輕基因”的質(zhì)量會越來越好，這就是為什么我們年輕時身體都那么好的原因。但當我們完成了繁殖后代的任務之后，再出什么毛病就無所謂了。,衰老理論-體細胞可拋棄,“可拋棄體細胞”（DisposableSoma），該假說的核心思想就是生物的可支配能量是有限的，繁殖需求肯定

25、是排第一位的，這是自然選擇理論所導致的必然結(jié)果，于是其他需求就被犧牲掉了，比如保持身體永遠健康。顯然，這個假說的思想鼻祖就是魏斯曼，當初正是他提出為了保證生殖細胞的健康，體細胞是可以被犧牲掉的。,衰老理論-突變累計,“突變累計”（MutationAccumulation），大意是說，在進化的過程中會出現(xiàn)很多基因突變，大部分突變都是不好的，注定將會被自然選擇所淘汰。凡是影響生物發(fā)育早期性狀的壞基因肯定會最先被淘汰掉，因為它們影響了繁殖。

26、但那些只影響中后期性狀的壞基因遇到的選擇壓力就會小一些，生命體來不及將其清除出去，就是它們導致了衰老和死亡。,衰老理論-基因多效性,“拮抗基因多效性”（AntagonisticPleiotropy），這個假說的關鍵詞是“基因多效性”，意思是說有一類基因具備多種功能，年輕時能提高生育能力，年老時則會導致衰老和死亡。因為自然選擇只關心繁殖的效率，因此這樣的基因在進化上具備優(yōu)勢，很容易被選中。但當個體進入中老年之后，這些基因便顯示出不好的

27、一面，最終導致個體死亡。,衰老理論-衰老細胞理論,2011年出版的《自然》雜志刊登了一篇重磅論文，主要作者是美國著名的私立醫(yī)院梅奧診所（MayoClinic）的伊安·范德森（JanvanDeursen）教授，他在文章中提出了一個全新的理論，認為“衰老細胞”（SenescentCells）是導致多細胞生物衰老的罪魁禍首。這里所說的“衰老細胞”指的是一種失去了分裂能力，但卻沒有死的細胞。人體內(nèi)幾乎所有的組織都有這樣的細胞，科學家

28、也早就知道了它們的存在，但卻一直不明白它們到底有何危害。,衰老理論-衰老細胞理論,眾所周知，細胞內(nèi)的DNA每時每刻都在發(fā)生基因突變，大部分突變都是中性的，不好不壞。但如果發(fā)生了壞的突變，導致這個細胞無法完成本職工作，它就會停止分裂，變成“衰老細胞”，防止這個壞突變進一步擴散開來。這些壞突變當中有很多都是致癌突變，所以“衰老細胞”機制最初被進化出來的一個主要目的就是防癌。,衰老理論-衰老細胞理論,正常情況下，進入“衰老”狀態(tài)的細胞都會被執(zhí)

29、行“安樂死”，即通過一種名為“細胞凋亡”（Apoptosis，也有人翻譯成“細胞自殺”）的程序自動分解，轉(zhuǎn)化為其他健康細胞的養(yǎng)料。但是，隨著年齡的增長，越來越多的細胞因為各種原因沒有自殺成，而是繼續(xù)活了下去，導致體內(nèi)衰老細胞的數(shù)量越來越多，問題就來了。,衰老理論-衰老細胞理論,衰老細胞會不斷向周圍環(huán)境釋放化學信號，告訴大家自己出了問題，馬上就要啟動自殺程序了，周圍的健康細胞收到這個信號后立刻就會加速分裂，生產(chǎn)出新的細胞去接班。正常情況

30、下衰老細胞很快就會自殺，新的細胞順利地來接班，不會有問題，但如果衰老細胞沒有自殺，而是越積越多，它們釋放的求救信號就會越來越強烈，導致周圍健康細胞加速分裂，直至失去控制，變成癌細胞，這就是老年人為什么更容易得癌癥的原因之一。除此之外，這些求救信號還會把免疫細胞召集過來進行清理，這個過程導致了炎癥反應。這就是為什么老年人炎癥很多的原因。,細胞知識：體細胞與生殖細胞,魏斯曼是第一個意識到多細胞生物體內(nèi)的所有細胞可以分成體細胞（Somati

31、cCell）和生殖細胞（GermCell）這兩大類的，后者才是不朽的存在，前者只是為了促成后者的不朽而被進化出來的工具而已。進化的實質(zhì)就是生殖細胞的延續(xù)。相比之下，生命個體本身是不重要的，是可以被拋棄的。,細胞知識：分裂上限,正常的脊椎動物體細胞存在分裂上限，后人將這個上限命名為海佛烈克極限（HayflickLimit）。實驗證明，不同脊椎動物的海佛烈克極限都不一樣，人體細胞的上限大約為40～60代，再也多不了了。這個計數(shù)是從受精卵

32、開始算起的，也就是說，如果從年輕人身上取出來的細胞，在培養(yǎng)皿里活的時間就會更長一些。相反，從老年人身體里取出來的細胞就會死得更早，仿佛細胞內(nèi)部有一個生命時鐘，從一生下來就開始不停地走，直到大限將至。,細胞知識：基因變異,“人體細胞里的DNA每時每刻都在復制，出錯是難免的，再加上很多環(huán)境因素也會導致DNA發(fā)生突變，比如一個人只要去海灘上曬會兒太陽，皮膚細胞就會發(fā)生4萬個基因突變?！睖靥卣f，“正常情況下，我們的DNA復制系統(tǒng)會修正一部分基因

33、突變，我們的免疫系統(tǒng)也會清除剩下的突變細胞，問題不大，可一旦修復的速度趕不上突變的速度，衰老就出現(xiàn)了?！?細胞知識：大腦神經(jīng)細胞,根據(jù)目前的研究結(jié)果，大腦神經(jīng)細胞從生下來開始就基本固定了，不大會再更新。任何不會分裂的細胞壽命都不可能是無限的，所以一個人只要活得足夠長，就一定會得老年癡呆癥。這個病本質(zhì)上就是神經(jīng)細胞數(shù)量減少造成的，但人工補充神經(jīng)細胞的做法卻不可行，因為一個人一輩子積累下來的所有記憶，學習到的所有知識，以及培養(yǎng)成的獨特人格

34、，全都保存在這些神經(jīng)細胞以及它們獨特的連接方式當中，很難被替代。,細胞知識：不會分裂的細胞,人腦是由一大群不會分裂的神經(jīng)細胞組成的，神經(jīng)元總數(shù)從一生下來就固定了，此后只減不增。心臟也是由一大群不會分裂的心肌細胞組成的，它們要不停地工作一輩子，直到死亡。按理說，任何不會分裂的細胞的壽命都是有限的，不可能永遠活下去，所以一個人只要年紀足夠大，一定會得老年癡呆，因為這種病的本質(zhì)就是神經(jīng)細胞的丟失。,細胞知識：不會分裂的細胞,與此類似的還有

35、眼睛的晶狀體，其主要成分晶狀體球蛋白也是不會再更新了，于是白內(nèi)障就成為老年人最常見的疾病，甚至可以說是一個人衰老的標志。與此相反，皮膚則是由一大群極為活躍的皮膚細胞組成的，幾乎每時每刻都在更新，每隔一個月就全部換一遍。但皮膚到了一定年紀也會衰老，事實上很多人就是根據(jù)皮膚的狀況來判斷陌生人年齡的。,細胞知識：細胞凋亡,比如我們的手在胚胎發(fā)育早期就是一團均勻的肉球，然后肉球表面的四個細胞團開啟了自殺模式，其余部分則繼續(xù)生長，這才長出了五根

36、手指。如果這個過程沒控制好，開啟自殺模式的細胞團多了一個，最終就會生出來一個六指兒。成年后的多細胞生物也經(jīng)常需要依靠細胞凋亡功能來清除掉不合格的細胞，大部分癌細胞就是這樣被清除出去的。據(jù)統(tǒng)計，一個成年人每天都有600億個細胞是通過細胞凋亡被清除掉的，約占人體細胞總數(shù)的千分之一。,衰老理論-端粒說,一個名叫伊麗莎白·布萊克本（ElizabethBlackburn）的澳大利亞生物學家，她發(fā)現(xiàn)海佛烈克極限存在的原因是染色體上的一個

37、叫作端粒（Telomere）的東西。DNA分子的復制需要用到DNA合成酶，這種酶有個致命的缺點，使得染色體無法百分百地被復制到下一代，而是每次都會剩下那么一小段復制不了。大自然進化出了這個名叫端粒的東西，解決了這個難題。雖然名字里有個“?！弊?，其實這玩意兒就是位于染色體末端的一小段DNA而已。但這段DNA基本上就是一大堆重復序列，不攜帶任何信息，它唯一的功能就是成為DNA合成酶的“抓手”，每次復制時丟掉的那一小段DNA都是從端粒里丟

38、出去的。,衰老理論-端粒說,那干細胞是如何無限制地分裂下去的呢？這個問題同樣是被布萊克本博士解決的，她發(fā)現(xiàn)了端粒酶（Telomerase），能夠把缺失的端粒補齊。負責編碼這種酶的基因是人類基因組的一部分，任何一個細胞里都有一份拷貝，但是正常情況下人類體細胞中的端粒基因不會被表達，也就不會有端粒酶。只有受精卵和干細胞的端粒酶基因才是活躍的，因此也只有這兩類細胞的端粒能夠被及時地修復，保證它們可以一直分裂下去。,衰老理論-端粒說,大家都期

39、盼著科學家們能夠發(fā)明出激活端粒酶的辦法，似乎只要這件事能成功，人類就可以長生不老了。可惜的是，大家都高興得太早了。激活端粒酶確實可以讓細胞長生不老，但卻會誘發(fā)癌癥，得不償失。事實上，正常細胞之所以會發(fā)生癌變，就是因為這些細胞發(fā)生了基因變異，激活了原本一直沉睡著的端粒酶，從而讓自己具備了無限分裂的能力。,衰老理論-端粒說,隨著研究的進一步深入，端粒長度和年齡之間的關系也變得模糊起來，反面的案例越來越多。比如小鼠最多只能活三年，但小鼠細胞

40、的端粒遠比人類的要長。再比如，父親年紀越大，生下來的孩子端粒就越長。這兩件事很難用端粒理論加以解釋，說明這個理論肯定有哪里不對。這個理論聽上去簡單優(yōu)美，但毛病恰恰就出在“簡單”二字上。衰老是一個非常復雜的過程，每個組織或者器官的衰老程序都不一樣，不能期望用一個簡單的端粒理論來解釋一切。最終的答案，似乎還得從DNA分子攜帶的信息中去尋找。,衰老理論-自由基,美國化學家德納姆·哈曼（DenhamHarman），他本來是研究放射化

41、學的，在一次實驗中意外發(fā)現(xiàn)接觸過輻射的小鼠會未老先衰。他在研究這一現(xiàn)象的過程中逐漸意識到細胞內(nèi)的線粒體同樣會產(chǎn)生大量具有氧化作用的自由基，其破壞力和放射性物質(zhì)產(chǎn)生的高能粒子是類似的，兩者都會攻擊細胞中的有機大分子，包括蛋白質(zhì)、核酸和脂肪等，最終導致細胞功能的喪失。,衰老理論-自由基,新陳代謝是生命的核心，氧氣則是這一過程的主角。這是一種化學性質(zhì)極為活躍的氣體，它最擅長干的事情就是從其他分子那里奪取電子，這個過程被稱為“氧化”（Oxida

42、tion）。我們吃進去的食物當中含有很多富含能量的有機化合物，主要成分就是碳和氫，氧氣會從這些有機大分子中奪走電子，并在這一過程中釋放能量供人體使用。失去了電子的碳原子和氫原子則會分別和氧原子結(jié)合，變成二氧化碳和水。,衰老理論-自由基,氧化還原反應是生命的能量之源，但生命最終卻會毀于氧化還原反應之手。在所有真核生物中，氧化還原反應主要發(fā)生在線粒體內(nèi)，所以說線粒體是真核細胞的能量來源。氧化還原反應的過程非常復雜，很多步驟都像是在走鋼

43、絲，稍有不慎就會出岔子。線粒體是專門進化出來干這個的，其效率已經(jīng)高到科學家至今都無法在試管里模仿出來的程度，但即便如此仍然會發(fā)生誤差，導致氧化還原反應的效率降低，食物分子中的電子沒有被氧氣抓牢，從線粒體中跑了出來，這就是自由基（FreeRadical）。,衰老理論-自由基,自由基是一種破壞力極強的負離子，對DNA、蛋白質(zhì)和細胞膜的傷害非常大，所以線粒體一定會盡全力不讓自由基跑出來。線粒體也是有DNA的，但線粒體DNA的復制精度不如核D

44、NA那么高，隨著年齡的增長，線粒體累積的有害突變會越來越多，導致其工作效率逐年下降，于是自由基早晚會被泄露出來，對細胞產(chǎn)生傷害，衰老就是這么發(fā)生的。研究發(fā)現(xiàn)，自由基很可能不是衰老的原因，而是衰老的結(jié)果。,細胞知識：真核與原核,眾所周知，生命的基本單元是細胞，所有的生物都可以按照細胞的不同分成原核和真核兩大類，其中真核生物（Eukaryote）包括原生生物（阿米巴）、真菌、植物和動物這四界，雖然旗下物種形態(tài)各異，但細胞內(nèi)部的構(gòu)造卻出奇地

45、相像，其生化反應類型也極其單一，幾乎可以肯定是源自同一個祖先，而且之后就再也沒有發(fā)生過大的改變了。原核生物（Prokaryote）曾經(jīng)被認為只有細菌這一類，但后來發(fā)現(xiàn)還有一類古細菌（Archaea），其DNA復制機理和蛋白質(zhì)合成機制均和細菌有很大的不同，反而更像真核細胞，所以應該單獨算一類。,細胞知識：真核與原核,換句話說，地球上的所有生命雖然看上去千奇百怪，但實際上僅有細菌、古細菌和真核生物這三大類，這是很不尋常的事情。要知道，生物

46、進化的一個最大特征就是復雜多樣，很多我們能夠想到的功能都不止一次地被進化出來過。比如多細胞生物至少獨立地進化出了5次，飛行能力至少獨立地進化出了6次，眼睛更是獨立地進化出了幾十次，為什么細胞本身反而只是獨立進化出了3次呢？,細胞知識：真核與原核,細胞知識：能量從何而來,具體來說，目前已知的所有細胞的能量全都來自跨膜質(zhì)子梯度，即細胞膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度差異。這個差異導致了細胞膜兩側(cè)產(chǎn)生了電壓差，驅(qū)使質(zhì)子從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)轉(zhuǎn)移，能量

47、就是在這個過程中產(chǎn)生的。,細胞知識：能量從何而來,這個過程的學名叫作化學滲透偶聯(lián)（Chemiosmo-ticCoupling），其本質(zhì)就是前文提到過的氧化還原反應，只不過中間加了個膜而已。最早發(fā)現(xiàn)此機理的是英國生化學家皮特·米切爾（PeterMitchell），他因為這項發(fā)現(xiàn)而獲得了1978年的諾貝爾化學獎。根據(jù)簡單的數(shù)學原則，單位體積的細胞所能分配到的細胞膜表面積和細胞直徑成反比，也就是說，細胞的體積越大，細胞內(nèi)部每個細胞

48、器所能分到的能量就越少，這就限制了原始細胞在進化上的想象力。,細胞知識：單細胞與多細胞,根據(jù)最新研究，細菌早在40億年前就誕生了，但直到今天細菌仍然是一種極為簡單的單細胞微生物，無論是細胞體積還是基因組都非常小。已知最大的細菌基因組只有1200萬個核苷酸（ATCG），這么小的基因組是很難支撐起任何復雜的生命形態(tài)的。轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在距今大約20億年前，地球上首次出現(xiàn)了真核細胞，突破了細胞膜帶來的能量限制，從此地球生命發(fā)生了翻天覆地的變化，不但

49、很快就進化出了多細胞生物，而且還首次出現(xiàn)了有性生殖方式。最重要的是，衰老終于登上了歷史舞臺，成為只有真核生物才有的新性狀。,線粒體知識,原核向真核的轉(zhuǎn)變關鍵在于線粒體，這是專門為真核細胞提供能量的微型發(fā)動機，食物中的能量分子在線粒體中被氧化，產(chǎn)生的能量以三磷酸腺苷（ATP）的形式被釋放出來供細胞使用。這個過程仍然需要用到化學滲透偶聯(lián)反應，因此線粒體所產(chǎn)生的能量同樣是和線粒體膜的表面積成正比的，但因為每個細胞內(nèi)都含有成百上千個線粒體，這

50、就大大增加了膜的總面積，所產(chǎn)生的能量要比僅靠細胞膜產(chǎn)生能量的原核生物多得多。,線粒體知識：線粒體的來源,關于線粒體的來源曾經(jīng)有過很多理論，目前是馬古利斯提倡的內(nèi)共生學說占了上風。1998年，美國生物學家威廉·馬?。╓illiamMartin）在此基礎上又提出了一個更加具體的方案，被稱為氫氣假說（HydrogenHypothesis）。該假說認為第一個真核細胞是由一個古細菌吞噬了一個細菌而產(chǎn)生的，這個古細菌是依靠氫氣生活的，而

51、它吞進去的細菌能夠生產(chǎn)氫氣，正好為宿主提供了最需要的東西。一個細胞吞噬另一個細胞并不是什么新鮮事，但被吞進去的細胞居然沒有死，還被宿主“招安”，成為宿主生命的一部分，則是極為罕見的事情。這導致了真核細胞的誕生。,線粒體知識：線粒體的來源,那個被古細菌吞進去的細菌進入了一個非常安全的環(huán)境，迅速地繁殖起來。作為宿主的古細菌是樂見其成的，因為它需要細菌產(chǎn)生的氫氣為自己提供能量。漸漸地，這個細菌進化成了原始線粒體，繼續(xù)為宿主提供能量。但這樣一來

52、，宿主細胞內(nèi)便同時有了兩套基因組，一套負責細胞本身，一套負責線粒體，這就相當于一個帝國內(nèi)部有了兩套領導班子，早晚要出事。果然，處于劣勢的原始線粒體基因組首先投降了，線粒體內(nèi)部的基因片段不斷地跑出來，并被一一整合進了宿主的基因組內(nèi)。這是一件對雙方都有利的轉(zhuǎn)換，因為這樣一來線粒體在自我復制的時候就不必每次都復制一大堆基因了，這就加快了自身的繁殖效率，同時宿主也減少了線粒體的維護成本。,線粒體知識：真核細胞的誕生,隨著越來越多的線粒體基因被

53、整合進宿主的基因組，一些細菌病毒也跟了進去，并最終進化進化成了內(nèi)含子（Intron）。內(nèi)含子的概念解釋起來比較復雜，只需知道它們是殘存的病毒片段就行了。內(nèi)含子的出現(xiàn)逼得宿主細胞進化出了一層新的保護膜，把自己的基因組保護起來，這就是細胞核的由來。從此，真核細胞誕生了。因為有線粒體提供充足的能量，所以真核細胞終于可以養(yǎng)得起一個龐大的基因組了，于是真核細胞的基因組便越來越大了。比如人類基因組包含30億個核苷酸，是細菌基因組的數(shù)百倍。,線粒

54、體知識：真核細胞的誕生,由于線粒體是在細胞內(nèi)部活動的，這就打破了細胞膜總面積對能量生成的限制，于是真核細胞的體積也迅速膨脹起來。如今真核細胞的平均體積已經(jīng)達到了原核細胞平均體積的1.5萬倍！這是個巨大的變化，再像細菌細胞那樣“無組織無紀律”就不行了，于是真核細胞進化出了很多不同類型的細胞器，比如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體和中心體等等，它們就像是細胞內(nèi)部的微器官，大大提高了真核細胞的組織性和紀律性，工作效率也大大增加。換句話說，線粒體的誕

55、生導致細胞發(fā)生了一系列連鎖反應，為復雜生命的出現(xiàn)做好了準備。,線粒體知識：線粒體基因組,線粒體也并沒有把全部基因都轉(zhuǎn)移到細胞核內(nèi)，自己仍然保留了一部分DNA，這是因為“化學滲透偶聯(lián)”是一個極其精細的化學反應，對蛋白酶的三維結(jié)構(gòu)的精確度要求特別高，這就要求線粒體基因組內(nèi)專門負責編碼這幾個酶的基因盡可能地靠近線粒體膜，以便能隨時針對外部環(huán)境的變化而迅速做出反應。舉例來說，人類的線粒體基因組包含大約1.6萬個核苷酸，不到原來那個細菌基因組的

56、百分之一，但卻包括13個重要基因，負責編碼能量生產(chǎn)過程所需的那幾個最重要的蛋白酶。,線粒體知識：有性生殖,也就是說，經(jīng)過這么多年的進化，如今的真核細胞內(nèi)包含有兩套各自獨立的基因組，其中核基因組負責編碼組成線粒體的絕大部分蛋白質(zhì)，線粒體基因組則負責編碼線粒體中最重要的那幾個蛋白質(zhì)，兩者必須結(jié)合在一起才能組裝成一個完整的線粒體。眾所周知，基因突變無法避免，這是生命進化的原動力，沒有基因突變就沒有我們的今天。但是，絕大多數(shù)基因突變都是負面的

57、，生物體必須通過自然選擇將其淘汰。,線粒體知識：有性生殖,細菌很容易解決解決這個問題，因為細菌的基因組都非常小，而且細菌相互之間經(jīng)常交換基因，術(shù)語稱之為“基因水平轉(zhuǎn)移”（HorizontalGeneTransfer），這就保證了細菌基因組的流動性，便于“老天爺”看到單個基因的表現(xiàn)，然后從中篩選。但是，真核生物的基因組都非常大，即使分成了一個個染色體也都嫌太大了，再加上細胞核的保護，真核生物便沒法通過“基因水平轉(zhuǎn)移”來交換基因，于是基因

58、的流動性就不存在了。如果真核細胞再像原核細胞那樣采取一分為二（即有絲分裂）的方式進行繁殖，問題就來了。,線粒體知識：有性生殖,假設有一條染色體，上面有個非常重要的基因，哪怕變一點都不行，這個基因后面跟著一個次要的基因，雖有好壞之分但卻沒那么重要，于是這個次要基因就相當于攀了門高親，它再怎么差都不會被淘汰了。長此以往，染色體上的那些次要基因就會變得越來越差，這顯然是不行的。真核細胞如何解決這個難題呢？答案是有性生殖。有性生殖過程當中最重

59、要的一步就是基因重組，也就是來自父母雙方的染色體兩兩配對，然后相互交換基因片段，這就相當于打破了基因之間固有的綁定關系，讓基因“流動”了起來，只有這樣才能讓“老天爺”看到單個基因的表現(xiàn)，從而把表現(xiàn)差的基因清除。,線粒體知識：有性生殖,有性生殖雖然降低了繁殖的效率，但卻大大提高了核基因組的質(zhì)量，所以當真核細胞出現(xiàn)之后，很快就進化出了有性生殖。目前地球上所有的真核生物都會在生命的某個階段采取有性生殖的方式繁殖后代，沒有例外。線粒體基因組的

60、情況比較復雜。這是個很小的基因組，所以它肯定只能跟在核基因組后面走，逼著自己學會適應有性生殖方式，沒有其他選擇。,線粒體知識：有性生殖,照理說，當兩個性細胞彼此融合之后，線粒體肯定也會混雜在一起，如果一方帶來了不好的線粒體，就會被稀釋，從而躲過“老天爺”的篩選，于是包括人類在內(nèi)的絕大部分真核生物采取了一種極端的方式，即受精卵內(nèi)的線粒體全部由卵子提供，精子只負責提供核染色體，一個線粒體也不貢獻，這就避免了彼此遮掩的情況，便于大自然淘汰壞的

61、線粒體。,衰老理論-線粒體理論,在萊恩看來，衰老的核心就是核基因組和線粒體基因組的不匹配，這就是為什么只有真核生物才有衰老，原核生物都是永生的。幾乎永不衰老的海綿（Sponge）是世界上結(jié)構(gòu)最簡單的多細胞動物，其體細胞的分化程度非常低。海綿平時不需要行動，所以海綿細胞內(nèi)的線粒體數(shù)量很少，工作效率也不高，因此海綿線粒體的突變率很低，不太容易出現(xiàn)壞的突變。如果真核生物都是像海綿這樣的簡單生物，那么衰老也許就不會出現(xiàn)了。,衰老理論-線粒體理

62、論,而高等動物高度分化的身體結(jié)構(gòu)對胚胎的早期發(fā)育提出了很高的要求，胚胎中的任何一個細胞都不能掉鏈子，否則就會影響整個器官，然后波及到全身。于是高等動物進化出了超大體積的卵子，里面含有超多的線粒體，這就解決了胚胎發(fā)育的線粒體質(zhì)量控制問題。另外，像人類這樣的陸地動物是需要滿地亂跑的，這種生活方式需要大量的能源，于是人類線粒體的工作效率非常高，繁殖速度非?？欤蛔兟室搽S之大大提升。已知人類線粒體基因組的突變率達到了核基因組的10～50倍，

63、遠高于海綿，于是人類體細胞中的線粒體出現(xiàn)壞變異的可能性變得非常大。,衰老理論-線粒體理論,于是，為了保證后代的線粒體的健康，人類進化出了專門的生殖細胞系，在出生后不久便將它們凍結(jié)起來，不再參與任何生理活動，盡可能降低基因突變的可能性。比如人類的卵母細胞在女性胚胎發(fā)育的早期就被保護起來，成年后每次排出的卵都是從這幾個被保護起來的卵母細胞分裂出來的，其中的線粒體質(zhì)量有保證。萊恩把這個現(xiàn)象總結(jié)成了一句話，叫作“不死的生殖細胞，短命的身體細胞

64、”（Immortal germline，mortal body）。,衰老理論-線粒體理論,研究發(fā)現(xiàn)，所有真核生物的細胞凋亡全都遵循同一個模式，其核心就是線粒體工作效率下降，然后自由基泄露出去，然后觸發(fā)一系列生化反應，導致呼吸作用停止，跨膜電壓消失，細胞徹底失去了能量來源，很快就被餓死了。根本原因是：真核細胞內(nèi)存在兩套基因組，它們共同為線粒體編碼，這就相當于同一個線粒體卻有兩張設計圖紙，彼此之間必須配合得嚴絲合縫才能組裝成一個高質(zhì)量的線

65、粒體。如果雙方因為某種原因不再匹配了，生命體就必須將這個細胞除去，免得連累其他細胞，這就是為什么自由基泄露會啟動細胞自殺程序，因為這是線粒體質(zhì)量下降的標志。,衰老理論-線粒體理論,卵子的每一次受精都是撞大運，碰上合適的精子皆大歡喜，碰上不合適的就會倒霉一輩子，所以大多數(shù)高等動物都學會了對受精卵進行預篩，即把不合格的胚胎剔除出去，這樣就不會浪費資源了。對于人類來說，這就是流產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，人類有大約40%的妊娠是以流產(chǎn)告終的，很多流產(chǎn)就連母親

66、都覺察不出來。萊恩認為，其中很多流產(chǎn)的原因就是線粒體基因組和核基因組不匹配，導致線粒體質(zhì)量出了問題。但是，基因組之間的匹配沒有最好只有更好，線粒體的質(zhì)量究竟要達到什么樣的標準才能不被篩除呢？答案必須依照動物的生活方式來決定。,衰老理論-線粒體理論,比如，飛行需要耗費大量的能量，因此所有會飛的動物對線粒體質(zhì)量的要求都非常高，這就是為什么絕大多數(shù)鳥類對于配偶都極為挑剔。很多進化生物學家都對雄鳥為什么會進化出如此艷麗的羽毛感到不解。原因是

67、：雄鳥羽毛上的色素是很難合成的，需要高質(zhì)量的線粒體提供能量，所以萊恩認為雄鳥羽毛其實就是展示自己線粒體質(zhì)量的一個廣告牌。還有一點也很重要，那就是雄鳥的性染色體是ZZ，雌鳥是ZW，和人類正相反。很多和線粒體有關的基因都在Z染色體上，所以雌鳥的線粒體基因大都來自父親，這就是為什么鳥媽媽在擇偶時必須十分挑剔，否則她的女兒就會遭殃。不過，挑剔的結(jié)果就是鳥類的生殖能力相對較低，一只雌鳥一年往往只能生一窩。,衰老理論-線粒體理論,再來看看小鼠的情

68、況。小鼠的生活范圍很小，也不用飛，不需要特別優(yōu)質(zhì)的線粒體就能活得很好，如果母鼠也像鳥媽媽那樣挑剔的話，就沒有必要了。于是，小鼠對于胚胎質(zhì)量的要求要比鳥類低很多，其結(jié)果就是小鼠的體力雖然不如鳥類，但繁殖力比鳥類強。為什么鴿子和小鼠的體重差不多，新陳代謝速率也相近，但絕對壽命卻相差10倍，原因就在于鳥類的線粒體質(zhì)量高，其自由基泄露速度是同等體重的哺乳動物的十分之一。有趣的是，唯一會飛的哺乳動物蝙蝠的線粒體質(zhì)量和鳥類更相似，壽命也相應地比

69、同樣體重的小鼠長很多。,衰老理論-線粒體理論,這套理論還解釋了為什么饑餓療法、鍛煉身體和低碳水化合物飲食會延緩衰老，原因都是自由基。研究結(jié)果證明，人在饑餓、運動和低碳飲食時，其線粒體的工作效率會更高，自由基就更不容易泄露?，F(xiàn)代智人誕生于非洲大草原，祖先們的絕對速度不如獵豹，絕對力量不如獅子，雖然學會了使用工具，但原始工具的作用有限，他們憑什么稱霸非洲？答案就是長跑。我們的祖先是非洲草原上長跑成績最好的選手，這項技能對線粒體的質(zhì)量提出