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【生物】生物为什么不能永生?

人工智能产业链联盟 | 人工智能产业链核心:基础技术、 2021/01/14 13:56

新知达人, 【生物】生物为什么不能永生?

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新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 最长寿的多细胞生物:北极蛤

长生不老的生物

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新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 端粒长度随着细胞分裂的次数增多而缩短


唯有癌细胞能突破海弗利克极限。 因为癌细胞内高活性的端粒酶能填补因细胞分裂而丢失的端粒。然而,由于癌细胞不能分化成组织器官参与机体建设,它的无限增值还会夺取正常细胞所需的养料,因此癌细胞的永生是以生物体的迅速死亡为代价的。


在理想生长条件下,对称分裂的细菌和酵母能实现生物学上的永生。它们以二分裂方式繁殖,每次分裂都会使细胞重回年轻状态。由于每个子细胞都与亲代完全相同,它们都可以视为是亲代生命的延续。如果环境适宜,它们的分裂将一直持续下去。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 细菌的分裂生殖


高等生物求之不得的长生不老,低等的细菌和酵母却可以轻易实现。这告诉我们一个秘密: 原始生命本来是能够永生的,但它们却放弃了永生能力,进化出了衰老和死亡。

生命何时放弃了永生?

在高等生物的有性生殖中,父母产生子女需经过基因重组,子女无法再延续父母的生命。因此, 从生命选择有性生殖的那一刻起,就失去了永生能力。 最早的有性生殖化石证据发现于巴芬岛的岩层中,可追溯至10-12亿年前。然而,科学家普遍认为,有性生殖的进化和真核生物的产生是同步发生的,这一时间点大约在距今21亿年前。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 最早的有性生殖证据是一种名叫 Bangiomorpha pubescens 的红藻,发现于加拿大巴芬岛


除了失去永生能力以外,有性生殖的其他弊端也是显而易见的。 无性生殖中任何一个个体都可以繁衍后代,而有性生殖中只有一半个体能繁殖,这大大降低了繁殖速度。 而且在有性生殖中,生物只能将自身的一半基因传递给后代,这似乎与基因延续的目的相悖。


这两个“一半”,就构成了有性生殖的“两倍成本”,然而,有性生殖的代价不止这两倍成本。生物的性行为需要浪费大量的时间和能量,这些浪费对生存和繁殖本身毫无益处,反而还会带来麻烦,如招来天敌的捕杀。然而,有性生殖能在当今生物界中占据主导地位,证明它所带来的适应性优势远远超过了成本。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 雄虎和雌虎正在交配


有性生殖的一个明显优势是阻止有害突变的积累。经过父母双亲的基因重组,在基因水平上提供了两种容错机制:一是在减数分裂产生配子的过程中,同源染色体要经过配对和复制,受损伤的基因得以修复;二是在合子形成之后,双方的有害突变彼此掩盖,优势得以互补,这就是我们说的杂种优势。


有性生殖在基因延续上的优势,具体地表现在以下三个方面。一是将两个有益突变结合在一个个体身上,使有益性状更广泛地传播。二是将两个有害突变聚集在一起,将有害基因更快地从种群中剔除。三是通过基因重组,创造出比以往存在的基因型更加适应环境的新个体。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 雄孔雀开屏与性选择有关


有性生殖不可避免地涉及到 性选择 ,即多个雄性争夺一个雌性。最终的结果是:优势雄性三妻四妾,留下更多后代,优势基因得到更广泛的传播;而劣势雄性很少或根本得不到交配机会,劣势基因在种群中减少乃至消失。这是在无性的种群中所不存在的强大进化动力。


“生命诚可贵,爱情价更高”。20亿年前的原始生命似乎做出了匈牙利大诗人裴多菲诗句中的选择。然而,这里面有个细思极恐的事实——进化的本质在于基因的延续,而生命体不过是个容器罢了。对自私的基因来说,在复杂多变的环境中,时不时更换新容器,要比长期使用同一种容器,更有利于它们的传播和延续。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 雄狮茂盛的鬃毛是健康、有活力的指标

真核生物为什么选择了性?

要想知道真核生物为什么放弃永生而选择有性生殖,必须先搞清楚在真核生物产生之际,即距今20多亿年前,地球环境是什么样子的,正在经历哪些变化。


从原始生命最初产生的距今38亿年前开始,前后持续了14亿年,地球环境没有太大变化。古细菌和真细菌不断分裂,在浅海中无忧无虑地生活着。


然而,到距今24亿年前,蓝藻产生的氧气开始在大气中聚集,这就是“大氧化事件”,对厌氧的原始生命来说,氧气是有剧毒的。同时,氧气消耗掉大气中的温室气体甲烷,使地球在几万年间下降了70℃,整个地球被冻住,这就是休伦冰期。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 大氧化事件的遗产:巨大的铁矿床


对分裂生殖的古细菌来说,进化的唯一动力是基因突变,况且突变还多是有害的。 它们因无法适应如此剧变的环境而纷纷死亡。我们今天只能在海底火山喷口等极端环境下,才能看到古细菌的踪迹。 到头来,永生成了永灭。


有一支古细菌活了下来,它们发展出了基因重组机制,每一代的性状都各不相同,总有个体能适应复杂多变的新环境。它们的后代有个响亮的名字,叫做真核生物,这种新的繁殖方式就是有性生殖。今天所有的动物、植物和真菌都是这些原始真核生物的后代。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 雌性水母排出卵子,为基因重组做准备


长远来看,有性生殖是生命延续和发扬光大的唯一机会。尽管有性生殖的生物注定无法永生,但它们的后代却可以活得更久、更精彩。 经过20亿多年的进化大战,裂殖的细菌还是老样子,有性生殖的真核生物却以极具多样化的形态占领地球的各大生态位,还演化出了我们人类这样的高智慧生物,成为地球的统治者。


细菌和癌细胞在生物学上是永生的,但它们永生的前提条件是环境一直不变、一直适宜——这个前提在瞬息万变的地球上是不可能成立的。在现实环境中,细菌的一个细胞系能活几年就不错了,终免不了全军覆没的命运。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 海拉细胞的免疫荧光图

海拉细胞系(取自一名妇女的宫颈癌细胞)已经存活68年了,但这是在实验室培养的理想条件下,现实中癌细胞的寿命不会超过宿主,它在杀死宿主后自己也就死到临头了。因此, 在生物学上永生的生物,在现实中活得更短,这是个相当讽刺的事实。

衰老和死亡是如何进化的?

通过上面的分析,我们得知生命进化的本质在于基因延续,我们这个容器只要将基因传递给后代,就算完成了任务。然而,活着是生命的固有属性,我们的永生虽称不上对基因延续有利,但也绝称不上有害,为什么会进化出衰老和死亡呢?


有人说,只有个体生命衰老并死亡,才能给种群新生力量的发展腾出空间,有利于整个种群的繁荣。这话貌似很有道理,但并没有从科学上揭示衰老和死亡产生的本质。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 印度海德拉邦的老人

1951年,彼得·梅达瓦尔提出了 衰老的突变积累理论 。他指出, 自然选择的作用随着个体年龄的增长而下降 当有害突变在生命早期表达的时候 ,由于会对个体产生的后代数量产生重大影响, 自然选择的作用非常强烈 ,能很快将这些有害突变剔除。

然而, 有些有害突变是在生命晚期表达的 ,尤其是在个体繁殖停止之后,自然选择根本不起作用,因为这些有害突变 早就在不知不觉中传递给后代了 。随着时间流逝, 这些在晚期表达的有害突变会因遗传漂变而积累起来,最终导致生命体的衰老和死亡

例如,亨廷顿氏病可致患者痴呆,罹患各种并发症并最终死亡,危害极大。而且它是一种常染色体显性遗传病,能代代遗传并表达。但这个病仍然得以流传至今,因为它多在30岁以后发病,患者早就在30岁之前的生育中把致病基因传递给子代了。

新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? “选择阴影”模型

为了更好地表达突变积累理论,梅达瓦尔绘制了 “选择阴影”模型 。个体生育力在刚成年的时候达到高峰,之后保持不变或下降。而由于内部(疾病)和外部(意外和天敌捕食)的种种生存压力,个体存活率随着年龄增长而下降。二者加在一起的结果就是,生物到晚年繁殖几率很低,自然选择对这一阶段表达的有害突变几乎不起作用。 梅达瓦尔用“选择阴影”概念表示自然选择缺席的年龄范围,这就是生物体的老年阶段。

根据“选择阴影”模型,通过延长生物的生育期,能提高自然选择缺席的年龄,从而促进延缓衰老和长寿的进化。 在自然界,会飞的动物由于天敌较少,生育期也较长,因此有利于长寿的进化。动物学家发现,蝙蝠的寿命可达30多年,而体型、代谢率均相似的老鼠寿命却只有几年,这一事实证明了突变积累理论的合理性。


新知达人, 【生物】生物为什么不能永生? 果蝠寿命可达35岁

然而,生物在晚年的繁殖几率一定低于青壮年,自然选择的阴影必然存在,在阴影区表达的有害基因也将持续传递给后代,使生物世世代代都逃脱不了死亡的宿命。因此, 任何有性生殖的物种都不可能通过自然进化实现永生 。未来要想实现“冻龄”或者长生不老,有赖于人类超越自然的技术。


来源:生物铭师堂 gkbiology ,若侵权请联系删除。

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