据国外媒体报道,作为伦敦大学学院的一名进化生物化学家,尼克·莱恩(NickLane)思考的都是和生命有关的大问题:生命是如何开始的?又是如何存续的?我们为何会衰老并死去?我们为什么要啪啪啪?不考虑我们这个时代的生活习惯,莱恩从进化遗传学的角度对这些问题进行了剖析。他认为,我们的基础生物化学机制、尤其是活细胞的能量产生机制,也许正是决定上述问题的关键。
莱恩一直在努力构建一套新的进化学说,与目前认为基因为繁殖和生存而竞争的进化学说形成相互替代、相互补充的关系。他认为,要想充分理解进化史上的一些重要变化,如真核细胞和多细胞生物的出现等等,就要把能量限制纳入考虑范围内。
莱恩所著的《生命的跃升:进化史上的十大发明》(LifeAscending:TheTenGreatInventionsofEvolution)一书曾获2010年英国皇家学会科学类书籍大奖。他于2015年出版的《至关重要的问题:为何生命会如此》(TheVitalQuestion:WhyIsLifetheWayItIs)也曾被描述为“改变局势的作品”、“充满了大胆而关键的想法”等等。书中建立了一个全新的、详细的生命起源模型,解释了生命是如何利用深海热泉中的化学能、逐渐诞生成型的。比尔·盖茨称,《至关重要的问题》一书“对生命起源发起了精彩的探询”。
为了解莱恩对衰老、性爱和死亡的观点,Nautilus网站在莱恩位于伦敦的实验室中,对他进行了采访。
在您所著的《能量、性、自杀:线粒体与生命的意义》一书中,您提出了这样一个问题:“对性的追求是从何时开始受到死亡的惩罚的?原因是什么?”这个问题是什么意思呢?
这里所说的死亡指的是“细胞程序性死亡”。这一过程是由基因控制的,会消耗能量,而且完全是刻意为之。受损细胞会主动杀死自己,将自己从原处移除,然后被干细胞生成的新细胞取代。而性交则在生物个体的层面上完成同样的任务。从自然选择的角度来看,性交的目的就是要加大个体之间的区别,增加种群内的多样性,从而促进自然选择。而从自然选择的角度来看,人与人之间的区别又要说回性交。你能留下多少后代?对人类而言,这个问题主要针对的是男性。自然选择偏向的结果是,男人越少越好,但留下的儿女越多越好。
您的意思是,有些男性在这方面表现得比较好,有些则比较差?
没错。从自然选择的角度来看,性交的目的就是让最优良的基因留下尽可能多的副本。这可以增加种群内的多样性。种群内会有一些非常“有效”的男性,和一些“无效”的男性,那么“有效”的男性就会获得更多机会。从人类的角度来看,这可能不太美好。但进化说到底就是这么回事。
您一直在追踪细胞中线粒体的能量产生过程。那么线粒体究竟从何而来?
线粒体最初其实是混进了另一个细胞里的细菌。至于这个细胞究竟长什么样、是什么细胞,目前还有很大争议,但几乎可以肯定的是,它是一个很简单的细胞。最终,线粒体变成了细胞中的能量工厂。我们生存所需的全部能量都来自线粒体。
这和衰老有什么关系?
但我们还是有强烈的延长寿命的欲望。那什么才是延年益寿的最佳策略呢?有些研究显示,限制热量摄入似乎能明显延长哺乳动物的寿命。这在人类身上也能奏效吗?
我们暂时还无法确定。有人在恒河猴身上开展了长达几十年之久的研究,但这些研究的结果总是相互矛盾。有些研究显示,这种方法效果很好,可以将寿命延长30-40%。但有些研究显示,让对照组的恒河猴随心所欲地大吃特吃其实对其健康有损,或导致它们的寿命低于正常寿命。因此这些实验设计存在很多不确定性。此外,大多数人也不愿意把摄入的热量缩减40%。当然啦,确实有些人愿意这么做,但我们还不清楚这么做究竟能不能延年益寿。我听说过某人因节食患上了骨质疏松,跌倒后极易骨折。可见这种方法也是有副作用的。
那么人类究竟有多大可能实现长寿呢?
从进化的角度来看,人类寿命似乎是没有上限的。这点很令人震惊。比如住在小岛上的负鼠只要没有天敌,经过五六代之后,寿命就会翻倍。鸟类的寿命也远比从它们新陈代谢率推出的寿命要高。例如,鸽子能活到30岁左右,但从它们的新陈代谢率和体型推算,它们应该只能活三四年才对,这中间竟差了十倍。鸽子之所以如此长寿,原因在于它们有着很强的有氧代谢能力。为了离开地面,鸽子要进行大量的新陈代谢,为此,它们必须有强大的线粒体。这些线粒体很少渗漏出自由基。这似乎就是鸽子如此长寿的原因之一。
我们已经听说了很多有关自由基的事情,比如我们应该多吃含抗氧化剂的食物,以此消除自由基、变得更长寿。自由基的真相究竟是怎样的呢?
自由基会引发衰老的理论最初起源于五六十年前。该理论声称,线粒体会产生一种名叫自由基的活性氧化物。我们吸入的一部分氧气会以活性自由基的形式在体内释放出去,对DNA、蛋白质、细胞膜等造成损害,还会使DNA发生变异。这些损害逐渐积累,最终造成灾难效应,此时细胞受损过于严重,已经无法继续存活。而在过去几十年来,这一理论已经被彻底推翻。另外,服用大量抗氧化剂可以延年益寿、阻止癌症和痴呆等疾病的说法也不成立。科学家开展的大量研究和大型数据分析显示,如果你服用大量抗氧化物补充剂,只会死得更快。
如果具有氧化作用的自由基的确会对细胞造成损伤,为何抗氧化剂没有用呢?
原因在于,这样会对自由基信号造成干扰。我们已经知道,自由基可以使细胞切换到应激状态。细胞中可能有各种各样的细微差别,但一旦出了什么岔子,细胞就会变得像烟雾探测器一样,随时准备好“探测烟雾”、并根据情况做出反应。而抗氧化剂的问题在于,它们会使“烟雾探测器”失灵,这可不是什么好事。“烟雾探测器”会切换到应激状态,而这种应激反应会影响各类基因的表达、从而保护细胞。因此,自由基往往能激发细胞做出保护性的应激反应。但如果此时让抗氧化剂扰乱了这些保护信号,只会有害无益。
既然鸽子的寿命可以达到新陈代谢预期寿命的10倍,人类可以吗?
替换神经元还涉及到其它一些有趣的问题。例如,你可以对皮肤细胞进行重新编辑,将其变成一个干细胞。然后你可以再引导这个干细胞变成神经元,并且用这个神经元替换掉大脑中死去的神经元。如果这个新的神经元能够成功形成正确的突触连接,就会带来一个重要的问题:它的线粒体该怎么办?当你重新编辑皮肤细胞时,它的线粒体就会转化成干细胞线粒体的模样,变得更圆,并且不带电荷。但你不知道其中的DNA会经历怎样的变化。这些DNA是否会保留此前在皮肤细胞中所遭受的损伤,还是会设法抹去这些损伤?如果这些损伤保留了下来,那么我们得到的新神经元就是个劣品,很快就会失灵。
您在《能量、性、自杀》一书中写道:“为了延年益寿,并避免衰老带来的各种疾病,我们需要更多线粒体才行。”我们为何需要更多线粒体呢?
想想爬行动物、乌龟等等,它们的寿命都长得惊人。原因在于,它们的新陈代谢率极低。这些动物基本不怎么动弹,细胞也很少处于应激状态,因此十分长寿。而鸟类则是另一极端。它们的新陈代谢率远高于人类,体温更高,消耗的氧气也更多,但它们的寿命却比同等体型、同等新陈代谢率的哺乳动物长得多。这似乎是因为它们有更多、质量更好的线粒体,从而改进了整个系统的功能。寿命长短与新陈代谢率之间的比率构成了一条U型曲线。我发现这一点非常发人深省。
我们在这条曲线上处于什么位置呢?
您知道人类有氧代谢能力的提升发生在什么时候吗?
我想大约是100万年前吧,这似乎发生得很早。
我们再来进一步谈谈复杂细胞的进化。您能再讲讲细菌与宿主细胞的早期结合吗?
我们还不确定捕获这种细菌的究竟是什么宿主细胞、被捕获的又究竟是哪种细菌。但我对此已经有了一种较为坚定的猜测。很多证据显示,这个宿主细胞可能是一种类似细菌的简单细胞,名叫古细菌(archaeon)。它没有储存DNA的细胞核,不会进行有性生殖,也不会去四处吞噬其它细胞。但机缘巧合,某个细菌通过某种方式进入了这个细胞,就此变成了线粒体。这个过程涉及了两种简单细胞,其中一个跑到了另一个细胞里。真核细胞的一切特征都是在这种互动过程中产生的。这就意味着,真核细胞的复杂性全都与线粒体有关,并且线粒体至今仍在其中扮演着至关重要的作用。
那么科学家该如何充分利用线粒体的功能、从而延长人类寿命呢?
这个问题很难回答。要想用优质线粒体替换掉次品,最简单的方法就是在细胞层面上引入选择机制,拥有劣质线粒体的细胞会死亡,拥有优质线粒体的细胞则会存活下来。因此我们首先需要提高细胞周转率。运动和良好的饮食习惯都有助于实现这一点。蔬菜水果之所以对健康有益,一部分原因可能是因为其中含有能够促进细胞更新的毒素,与抗氧化剂没什么关系。所以“好好吃,勤锻炼”这句老话没说错,但对延年益寿的作用有限。
如果细胞不更新,细胞就无法进行选择,劣质线粒体就会越来越多。随着我们逐渐衰老、患上各种疾病,很容易发生这种情况,最劣质的线粒体在细胞中逐渐累积,优质线粒体则无从生长。而随着这些变异的线粒体逐渐占据上风,心肌纤维就会受到破坏。