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1700263276 对于这些特别严重的错误,细胞需要一些特殊的修复机制。
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1700263278 比如说,性行为就在DNA的修复机制中占据了重要的位置,因为它给细胞提供了“抄答案”的机会。
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1700263280 简单地说,一切生命都有性行为,也就是与其他个体交换DNA的行为。对于原核细胞来说,它们的性行为很多样,除了第二十一章介绍过的“接合”,它们还能以种种方式从环境中摄取DNA。而真核生物的性行为主要是“有性生殖”,也就是受精作用(或者细胞融合)与减数分裂周期更替,这能让细胞直接获得一整套DNA,效率更高。那些二倍体甚至多倍体的真核生物还会在每个细胞里常驻好几套内容相同的DNA。
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1700263282 DNA损伤毕竟是概率很小的事件,同类的DNA与自己的DNA不可能有同样的损伤,那么,自己的DNA哪里缺了、断了、乱了,只要在同类的DNA上找到对应的序列,复制一遍,也就修复好了。IX这就如同考场舞弊,自己哪道题不会做空下了,就抄别人的。
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1700263284 不过,DNA的修复机制也不是随随便便就能“抄答案”的。因为DNA编码了那样多的内容,势必拥有惊人的长度。一个细菌的DNA可以长达几厘米,而真核细胞的DNA更可以长达几米,所以这些DNA总是以惊人的密度折叠成一团,蜷缩起来。要全面修复其中的错误,细胞往往需要一个“大修”的机会。
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1700263286 通常来说,这个机会就是细胞分裂。因为细胞分裂伴随着DNA的复制,细胞会从头到尾把DNA都捋一遍,趁机展开更加全面的检查和修复。同时,细胞内各种物质、各种结构,也都要清点一遍,还会根据需求合成一大批新的出来。经此一番大修,分裂出来的子细胞真可谓“焕然一新”。这就是为什么在之前的讲述里,细胞分裂在赦免中占据了重要的位置。
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1700263288 但是,正所谓“智者千虑,必有一失”,细胞分裂的全面大修也是控制系统的一部分,还是不能彻底解决第一个大难题,甚至可能带来新的错误。这些错误岂不是全都要随着分裂进入子细胞了吗?这的确是个尖锐的问题,而且是个现实的问题。实际上,我们已经明确地观察到,就连单细胞生物也会因为这样的错误展现出衰老的迹象,也就是上一步开头的时候,我们留待解决的“违反直觉的事情”。X就拿我们最熟悉的大肠杆菌来说,它们的繁殖方式就是直截了当的二分裂,长期以来,我们一直认为这两个细胞就是两个均等的新个体,认为它们都绝对永生。但是如果我们像编写家谱一样仔细追踪这些细胞的分裂谱系,就会发现大肠杆菌每次分裂产生的两个子细胞的代谢速度并不相同,总有一个慢一些。而且在下一次分裂中,那个慢一些的细胞的后代也会先天地慢一些,其中还有一个更慢一些。于是以此类推,每一代分裂都会产生一个代谢更慢,看起来更“衰老”一些的大肠杆菌,它们的适应性也总是更差一些,有更高的死亡率。
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1700263290 类似的,粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)是一种单细胞的真菌,一种真核生物。它们无性生殖的主要方式也是一分为二,如果追踪它们的分裂谱系,也同样会发现每一代分裂都会产生代谢更慢的个体。
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1700263295 图增—13 大肠杆菌每次都从“杆”中央分裂成两个细胞,所以第二代的大肠杆菌有一端直接继承自第一代细胞,另一端是在分裂的过程中新形成的。那么就这样分裂下去,有的子细胞仍然保留着第一代细胞的一端,有的子细胞两端都很新。经过统计,我们发现那些保留着较早世代的某一端的细胞会代谢更慢、分裂更慢、更容易死亡,而两端都很新的就代谢旺盛、分裂迅速,适应性也比较强。另外请注意,现实中的任何一个大肠杆菌都是上一代细胞分裂的产物,所以并不存在“第一代细胞”,这里只是为了方便理解而画上了它。(作者绘)
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1700263297 看起来,如果这种衰老的趋势一直延续下去,经过足够多次的分裂,那些代谢最慢的个体就会彻底失去分裂能力,然后老死。但是迄今为止,即便持续观察几百代[11],我们都没有在均等分裂的单细胞生物中观察到停止分裂的个体,所以这种分裂谱系中呈现出来的“衰老”是不是真正的衰老,仍然有些许模糊的地方。
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1700263299 但是对于那些细胞分裂不均等的单细胞生物来说,衰老就明确得多了。
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1700263301 酿酒酵母是实验室里最重要的真核细胞模式生物,它们既能有性生殖也能无性生殖,而它们无性生殖的主要方式被称为“出芽”,也就是从一个大细胞上分裂出去一个很小的细胞,这是一种不均等的有丝分裂。那个大细胞在分裂过程中只消耗了很少的物质和能量,所以能以非常快的速度不断出芽,制造大量的子细胞。但是,1993年,我们发现每一个大细胞都不能无限地出芽,它们分裂出大约40个小细胞之后就会停止出芽,然后迅速地凋亡了。后来在2008年,我们发现这种凋亡其实是酵母细胞的“自杀行为”:它们会在分裂足够多次之后启动一些让自己死亡的基因,而如果敲除了这些“自杀基因”,那么酿酒酵母的寿命至少可以延长10倍。XI
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1700263303 无独有偶,原核细胞模式生物新月柄杆菌(Caulobacter crescentus)也有不均等的分裂,也展现出了类似的衰老机制。这种细菌的生活史很有趣,它们刚刚分裂出来的时候拥有发达的鞭毛,活跃地游动着,而当发现了条件优越的环境就会长出一个柄,固定下来,然后充分利用那里的资源,从另一端不断地分裂出带有鞭毛的新个体,去占领更大的空间。
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1700263305 然而我们观察到,经过一段时间以后,固定的新月柄杆菌的出芽间隔会明显增加,显现出衰老的迹象,死亡率也大幅提高了,这与多细胞生物上了年纪而代谢衰退、变得脆弱易逝如出一辙。
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1700263307 那么,这是为什么呢?
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1700263309 一种比较直观的解释是,单细胞分裂出来的两个子细胞并不是全新的,而必然继承了原来那个细胞的一部分物质,也就继承了原来那个细胞的一部分错误。比如在均等的分裂中,细胞要从中间分裂,就要在中间新合成一些物质,这样分裂来的子细胞就会有一端是新合成的,而另一端是从旧细胞那里继承来的。这样经过了许多代的复制,如图增—13,就会有一些细胞继承了历代沉疴,另外一些细胞却几乎是全新的,所以它们的衰老程度就会有所不同。
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1700263314 图增—14 新月柄杆菌的生活史。(作者绘)
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1700263316 而在不均等的细胞分裂中,这种历代沉疴就更加显著。那个大细胞或者固定的细胞实际上一直保留着旧细胞的物质,这使它们积累了越来越多的错误,最终呈现出了衰老的迹象。至于酿酒酵母的自杀基因,首先,它不会有害,因为那个衰老的大细胞已经制造了大量的子细胞,圆满完成了扩增的目的,在出芽40多次之后启动自杀并不会损失什么。其次,耐人寻味的是,酵母的性行为是有性生殖,如果任由这个可能积累了大量错误的衰老细胞与其他细胞融合起来重组基因,那就如同上了考场与不知道底细的陌生人对答案,必然承担巨大的风险。所以让老细胞及时死掉,对于整个种群来说很有好处。
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1700263318 想想看,我们在正文里说过性行为把个体缔结成了种群,但这并不只意味着同富贵,也同时意味着共患难:在不可抗拒的威胁面前,常常需要某些个体主动牺牲自己。
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1700263320 总而言之,即便在单细胞生物的世界里,衰老死亡的阴影也仍然笼罩着每个生命的未来,这就是第一步里的规律要加上“有机会”三个字……的一半原因。但是为了节省一些拗口的措辞,我们在下文里仍要装作所有的单细胞生物都不会老死,那并不会带来什么分析上的变化。
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1700263322 至于加上“有机会”这三个字的另一半原因,当然就出在多细胞生物身上。那些负责制造新个体的细胞也不都能免于衰老。就拿人类来说,卵巢刚刚在胚胎体内长出来的时候拥有200多万个潜在的卵母细胞,但是到出生的时候就只剩100万个左右,再等到青春期,就只剩30万个,而在每个月的排卵期开始前,都会有20多颗卵母细胞苏醒过来,但是它们中的绝大多数都会迅速地衰老凋亡,只有表现最好的那一两个能从卵巢里成熟排出,准备受精——这个衰老凋亡的过程,就是我们在精密地检查卵母细胞的质量,只有错误最少的卵母细胞才有资格发育成新的生命。
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1700263324 至于这究竟是在检查什么样的错误,你在读完这一整则增章之后自然就会明白。眼下,我们先要弄明白多细胞生物负责制造新个体的细胞们还有什么特殊的地方。
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