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寿命长短到底取决于什么?不要再听隔壁算命先生瞎说了

发布日期:2019-08-10 20:30   来源:未知   阅读:

  2017年世界上第一个自愿冷冻的人詹姆斯·贝德福先生,因为没有后人为其继续支付冷冻费用,冷冻公司宣称他将会被解冻。不过詹姆斯先生是否解冻,或者解冻后是否复活了,都没有后续报道,估计詹姆斯在解冻后肯定直接挂了,否则媒体和冷冻公司怎么会放过这个时空穿越的好题材。

  冷冻是人类所能想象的延长生命的众多方式之一,从古代的炼丹修仙到今天,延长寿命始终是很多人的渴望。据说本来就以长寿著称的日本,正在尝试应用诺奖获得者山中弥申的研究成果,利用干细胞诱导技术研制“长寿疫苗”般的干细胞,将干细胞注射到人体内,长命百岁就不是个事儿了。

  但凡人类都有生老病死,不止人类,但凡活物,不管是鸟兽虫鱼,还是细菌病毒,甚至草木都有生死。似乎生死是普遍规律,没有例外。但如果从微观看,人的生殖细胞几乎是不死的,癌症细胞也是如此。全世界所有的生物都从单细胞而来,或许是一颗藻类细胞,从它第一次分裂开始到现在,大约经过了30多亿年,这颗细胞的遗传物质经历过无数次复制和变异,如今演化成了地球上难以计数的物种和个体。这颗始祖细胞可以说就是永生的。

  但体细胞丧失了生殖能力,主要由体细胞组成的多细胞生物也只能活一代,这就是寿命。

  世界上有很多生物生命极其短暂,如蚊蝇老鼠,至于细菌、藻类更有短至几天的。

  相比之下, 人们更关注长寿的动物。例如 1777 年,英国探险家库克船长把一只陆龟送给汤加国王,这只叫做 Tu’I Malila 的陆龟直到 1965 年才因自然原因死亡,活了 188 年。冰岛北部海岸发现的一只北极圆蛤 ,根据壳上的“年轮”的方法和碳 -14 测定法,发现它的寿命已经有 507 岁,可惜被船员误将它扔进冷柜冻死了。植物的寿命更长,美国加州的一棵芒松(Bristlecone Pine)已经活了 5064 年。欧洲山杨(Aspen)的根可以活8 万年。

  对于衰老机制的研究,是生命研究的热门领域,提出的理论不下 10 种。下面我们只讨论其中最重要的几个。

  对于人为什么会衰老的问题,最朴素,最直观的想法就是把人的生命比作灯油之类,“火苗”越大,烧得越快。在把人的寿命与其他哺乳动物的寿命相比较时,人们发现,体型越小的动物寿命越短。比如老鼠的寿命只有两三年,狗可以活十几年,牛 和马可以活 30 年左右,大象则可以活到 60 年或更长。1908 年,德国的生理学家Max Rubner(1854—1932)计算了一些动物消耗的能量,发现每克组织在一生中消耗的总能量基本相似。所以代谢快的,生命就短。比如豚鼠的心率为每分钟 300 次左右,小鼠更高,达每分钟 500~600 次,猫为每分钟 110~130 次,而牛每分钟只有 50~80 次。在这些结果的基础上,有人提出了生命速率学说(rate of living theory),即动物一生单位质量的组织消耗的总能量大体相近;新陈代谢的速率越高,动物老得越快。

  2007年,澳大利亚科学家A. J. Hubert 计算得出哺乳动物体重和基础代谢率的关系是:

  基础代谢率 = 227× 体重^(-0.31),这样计算出来的牛的基础代谢率就应该是豚鼠的 12% 左右。然后根据 Hubert 计算的结果,哺乳动物的预期寿命和体重的关系是:预期寿命 = 10.2× 体重^0.22

  也就是预期寿命按体重的 0.22 次方增加。体重每增 加一倍,预期寿命增加 16%。当然这个规律是很粗略的。动物之间的实际差异可以很大。例如人的体重比牛小得多,寿命却是牛的好几倍,但是总的趋势还是存在的。

  身体越大,代谢率就越低,寿命就越长。动物实验表明,把进食中的热量减少 60%~70% 左右,就可以延长许多实验动物的寿命,而且和老年有 关的疾病也推迟出现。所以说限食和节食是有些道理的。

  但这种学说的反例非常多。例如水螅,体重只有 0.1 克左右,却可以活数年,比体重比它大几千 倍的小鼠和大鼠的生命还长。在中国东海发现的“玻璃海绵”(glass sponge),高 10~30 厘米,体型并不很大, 却可以活 11000 年。

  相信很多80后应该还记得中国曾经有一种妇孺皆知的化妆品叫大宝,大宝的有效成分据说叫什么SOD蜜。

  现在我才知道这个SOD蜜实际上就是模仿人体的一种酶,这种酶可以抵抗体内的自由基,防止自由基来氧化人体组织。

  所谓自由基( free radicals)就是人体内产生的具有高度化学反应性的物质,像手持利刃的微型刺客,时刻攻击人体内的组织,甚至DNA。美国科学家 Denham Harman(1916 年—)注意到和 X 射线的辐射能在人和动物的身体内产生自由基,同时缩短人和动物的寿命。当时人们已经知道,富含“抗氧化剂”的食物能减轻放射线的危害,这使他去思考自由基是否与衰老有关。为了验证他的这个想法,他给受到射线照射的小鼠喂各种“抗氧化剂”,发现小鼠的寿命延长 30% 左右。

  随后的研究发现,自由基是动物正常新陈代谢的“副产品”。只要动物进行“有氧呼吸”,自由基就会产生。自由基是一种“超氧化物”,化学性质极为活泼,如果任其到处破坏,细胞的结构和功能很快就会被摧毁,新陈代谢越旺盛,产生的自由基就越多,这就解释了为什么新陈代谢旺盛的动物寿命比较短,而那些著名的长寿生物无一例外都是新陈代谢缓慢的。这这些事实的基础上,Harman 确信自 由基是人和动物衰老的原因,并且提出衰老的“自由基学说”。

  细胞怎么对付这些超氧化物的自由基呢?细胞可以产生能分解超氧化物的酶,如超氧化物歧化酶( SOD),过氧化氢酶(CAT)。还有一些非酶的“抗氧化剂”,比如维生素C、维生素E、β-胡萝卜素等等。

  虽然自由基学说已经获得了大量的实验结果支持,但是在同时,也有另外一些事实与这个理论相矛 盾。例如运动会增加能量消耗,使新陈代谢加快,增加 活性氧的产生,按说应该缩短人的寿命,而实际结果却正相反,爱好活动的人身体更健康,寿命更长。这个结 果在小鼠试验中也得到证实。最活跃,因而消耗能量最多的小鼠,比那些最不活动跃小鼠寿命长36%。所以生命到底是否在于运动,还真不好说呢。

  鸟类的能量消耗平均是哺乳动物的 1.44 倍,但是鸟的寿命比重量相同的哺乳动物平均几乎长一倍。最令人困惑的是对维生素功效的试验。2007 年,丹麦哥本哈根大学的 Cochrane 机构,2012 年,塞尔维亚的 Cochrane 机构,综合评定的结果表明,维生素并没 有预期的延长寿命的效果。对维生素 A、C、E 和 β-胡萝卜素的研究也表明对降低死亡率均没有效果,反而轻度升高死亡率。其他研究也发现“抗氧化剂”没有预防肝脏疾病、白内障、骨关节炎、感冒、肺癌、皮心血管疾病、老年痴呆症、男性不育等等疾病的功效,甚至有的情况下,抗氧化剂还会显著增加癌症的发生率。所以,咱们就不要轻易尝试像很多美国人一样天天吃复合维生素片(from A to Z)了。

  什么是端粒?我们知道染色体(DNA)就像两股丝线编在一起的绳子,在两端如果没有扣,就会散开解体。所以端粒就像鞋带两头的扣。这是保持DNA 分子的稳定性所必须的。细胞分裂时,染色体要复制,每复制一次,端粒就要磨损一点,这种现象是 1961年美国科学家海弗里克(Leonard Hayflick)发现的。他发现人的成纤维细胞在体外培养的条件下只能分裂 50 次左右,然后就停止分裂,进入衰老状态。人在受精卵阶段时,端粒大概是 15000 个碱基对长。受精卵发育成婴儿时,到出生时,端粒的长度就已经减少到 10000 个碱基对左右。婴儿出生后,体细胞每分裂一次,端粒就要损失大约 100 个碱基对,这样分裂 50 次之后,端粒就只剩5000 个碱基对左右,进入不稳定状态。这就相当于丧钟敲响,细胞到了衰老死亡的时候了。

  在多细胞生物出现以后,体细胞就始终处于倒计时之中。但生殖细胞和干细胞却可以不受此限,能够永远分裂繁殖。这是因为生殖细胞中有端粒酶,可以修复端粒每次的磨损。可惜的是端粒酶在体细胞中不表达,所以体细胞会死。

  海弗里克也发现,癌细胞能够无限制地分裂繁殖,因此他认为体细胞之所以不能无限制地繁殖,是人体为了防止它们变成癌细胞的缘故。他的这个想法 现在也被认为是正确的。

  如果体细胞寿命有限的原因是它们缺少端粒酶活性,那么让这些细胞表达端粒酶是不是就可以延长体 细胞的寿命呢?1998 年,美国 科学家 Bodnar 等人实验发现,接受了端粒酶的细胞能够多分裂 20 次左右。

  但端粒长度并不能解释所有与衰老有关的现象,也有许多事实是与端粒酶学说矛盾的。并非细胞中端粒越长,动物寿命就越长。例如有两种小鼠,Mus musculus的端粒长度大于 25000 个碱基对, Mus spretus则只有 5000~15000 个碱基对,但是它们的寿命却基本一致。小鼠的端粒普遍长于人的端粒,在体外培养的情况下小鼠的只能分裂 5~10 次,而人的细胞却可以分裂 50 次。这些事实说明体细胞衰老的原因是非常复杂的,不能用单一的机制来解释。

  随着对细胞研究的深入,科学家发现许多例子都表明,生物的死亡是由“程序”决定的。

  最明显的例子是一些生物交配后不久就死亡。许多 昆虫,包括许多人熟悉的家蚕,交配后雄性蛾子几乎立即死亡,而雌性蛾子要在产卵以后才死亡。雄蛾子从交配完毕到死亡,常常还不到一天的时间,什么自由基的作用也没有这么快啊。这段时间里雄蛾子的体细胞也没有必要分裂,端粒又怎么起作用呢?

  更好的解释是蛾子体内有一个生死的“开关”,蛾子完成繁殖任务“,不需要” 再活下去的时候,死亡开关就启动,让蛾子死亡。其他许多昆虫,例如蝴蝶、蟋蟀、蜉蝣,也只繁殖一次,然后死亡。

  鲑鱼在海洋中可以活许多年,但是在河里产卵后也 几乎立即死亡,一般的解释都是由于鲑鱼产卵时要从大 海洄游到河流上游,一路上体力耗尽了。但是并不洄游产卵的章鱼也是繁殖任务完成后很快死亡,又该如何 解释呢?

  雄章鱼交配,不到一个月就死亡,而雌章鱼要照顾产下的卵,在这段时间内停止进食,不断吹出水流保持卵清洁,直到卵孵化才死亡。这段时间可以长达几个月。既然雌章鱼和雄章鱼都要受到自由基的伤害,也有端粒的问题,为什么雌章鱼要比雄章鱼活得久呢?

  为了研究章鱼的“死亡开关”,美国科学家Jerome Wodinsky 把 14 条产卵后不久的雌章鱼两眼之间的一对腺体摘除。Wodinsky把这对腺体叫做“视腺”(optical gland),其实它们和章鱼的视觉没有关系,而是章鱼唯一的内分泌腺。有趣的是,在这些腺体被摘除后,章鱼又开始进食,体重增加,而且可以比对照组多活 9 个月。这说明这些腺体是章鱼的“自杀开关”,到时候就会分泌“自杀化合物”,让章鱼死亡,而不是什么自由基或者端粒的作用。

  对于那些不照顾后代的生物,如一些昆虫和鲑鱼, 产卵完成后就死亡是符合物种的繁衍的,因为这样可以减少父母和子女竞争有限的资源,让后代有更好的机会。而对于那些要照顾新生后代的生物如雌章鱼,它们产卵后就不立即死亡,而是要到后代能够自己独立生活后才死亡。

  一些昆虫一生也繁殖多次,例如蚊子、蟑螂,它 们就不是“产卵即死”。更高级的生物,包括大多数鱼 类、两栖类、鸟类,在一生中都不止繁殖一次,而是 多次。这就要求这些生物的寿命大大长于第一次生育完成后的年龄。

  到了哺乳动物,哺育后代的时间更长,常常长达数年,而且一生中要繁殖多次,所以这些生物的寿命也大大长于性成熟的年龄,一般认为是性成熟年龄的 5 到 7 倍。多年生的植物一生也繁殖许多次,寿命可以更长。所有这些年龄上的差别与其说是自由基或者端粒决定的,不如说是生物为繁衍后代的需要决定的。在生物演化的过程中和相互作用中,逐渐形成了各种生物的“最佳寿命”,比这个最佳寿命更长或更短都不利于物种的繁衍。各种生物寿命的长短,是根据它的生活方式决定的,是长期演化过程中与环境(包括其他有关的生物)相互作用的结果。自由基、端粒、体型大小、代谢速率等都起一定的作用,但是各种生物的平均寿命还是程序控制的。

  我们只能说基因能够让生殖细胞永生,它们也应该能够让体细胞,或者通过干细胞的更新,让生物体活到任何需要的年龄,决定因素只是每一代寿命的长短对物种的生存是不是最佳值。

  作为人类,我们自然会对自己的寿命感兴趣。有一 种说法,认为比起其他哺乳动物来,人好像没有活到“应该有”的年龄,人的年龄“应该是”120—150 岁。这种说法的根据是 18 世纪的法国科学家布封(G.De Buffon)提出 的一个说法。布封根据31 种哺乳动物的生长期,第一次生育时的年龄以及这些动物的寿命,提出哺乳动物的寿命应该是生长期的 7 倍。由于生长期大约是第一次生育的年龄的 2 倍,所以哺乳动物的寿命是第一次生育年龄的13 倍。这个说法被称为布封系数。例如狗的生长期为2 年,性成熟期是 1 年左右,寿命是 10~15 年;牛在生长期 2~4 年,寿命为20~30 年。人在12~13 岁就具有生育能力,生长期是 20~25 年,所以寿命应该是 140 岁或者更长。

  但是这并不是一个准确的公式,也没有已经证明的理论来支持这些说法。如果我们考察一下人类的三种近亲,就会发现这个“系数”并不准确。黑猩猩性成熟在 8—10 岁,按照布封系数计算,黑猩猩的寿命应该至少是56岁,但是实际上黑猩猩的年龄只有 30 多岁。大猩猩性成熟大约在 10—13 岁,按照布封系数计算,大猩猩的寿命应该至少 70 岁,实际上大猩猩的寿命只有 35—40 岁。长臂猿性成熟在 6-15岁,但是长臂猿都只能活 30 多岁。相比之下,人类的性 成熟年龄,生长期和其他三种灵长类差不多,但是活过 90、100 岁的大有人在与其他灵长类动物相比应该算是想当长的了。

  尽管“布封系数”在互联网上被引用得很多,但是在科学文献中几乎没有被提及。

  问题是我们是否可以活得更长。在上一段中,我们 谈到一个物种的寿命是由生物演化过程所决定的该物种的最适寿命,过长或过短都不利于该物种的生存。换句话说,一个物种的寿命是由身体里面的程序决定的,自由基、端粒等引起衰老的机制只不过是这个程序的执行者,而不是决定者。这对于动物来说是难以改变的,但是人类却有可能干预这个程序,使我们活得更长。当然目前,人类对于这个程序和它的工作机制还了解甚少,想靠一两种化合 物来延长寿命的希望更有可能落空。

  但即便是未来真有希望研制出一种长寿疫苗,可以让你像陆龟或者龙血树一样长寿,你愿意吗?