N个 ick Lane是伦敦大学学院(University College London)的进化生物化学家,他思考了生命的重大问题:生命是如何开始的,如何维持,我们为什么衰老和死亡,以及我们为什么做爱。 莱恩摒弃了我们这个时代将这些视为进化遗传学问题的习惯,坚持认为我们的基本生化机制——特别是活细胞产生能量的机制——可能决定或限制这些生命事实。
莱恩一直在稳步构建一种替代的、互补的进化观,以取代基因为繁殖成功和生存而竞争的进化观。 他认为,进化史上的一些重大变化,如被称为真核生物的复杂细胞的出现(如我们自己的细胞)和多细胞生命形式的出现,最好通过考虑能量限制来理解。
一切都在能量中: 尼克·莱恩认为长寿的秘诀在于线粒体。 广眼娱乐有限公司。 莱恩的书 生命的提升:进化的十大发明 被授予2010年英国皇家学会科学图书奖,这是英国科学图书的最高奖项。 他2015年的书 关键问题:为什么生活是这样的? 被描述为“改变游戏规则”和“充满大胆而重要的想法”。它提供了一个新的、详细的模型,说明通过利用深海喷口的初始化学能,生命是如何开始的。 比尔·盖茨打过电话 关键问题 “对生命起源的惊人探索。”
鹦鹉螺 在伦敦的实验室里找到了莱恩,问他对衰老、性和死亡的看法。
在你的书中 权力、性、自杀 你问,“什么时候性欲被判处死刑,为什么?”你是什么意思?
性是由复杂的细胞进化而来的。 如果我们回到细菌,它们就不会像我们所知道的那样进行性行为。它们会做类似的事情——交换基因,这基本上就是性的作用:它在移动基因。 但我们正在以不同的方式组合它们。 复杂的真核细胞,包括我们、植物、真菌等都有性。 这本身就很了不起。 但我们真的不知道性的优势是什么。这是在进化过程中在这一大群复杂细胞中产生的。 这似乎是必要的,它与死亡紧密相连。 我们越是将资源集中在生产后代上,我们在进化方面就会做得越好。 所以,如果我把所有的资源都集中在性爱上,那么实际上我就从长寿中拿走了资源。 我让它们不再存活更长时间,所以从进化的角度来看,我几乎故意缩短了我的寿命。
生活是有代价的; 做每件事都要付出代价。
你说性与死亡紧密相连是什么意思?
从这个意义上讲,死亡是一个称为程序性细胞死亡的特殊过程。 这是由基因控制的,需要消耗能量,而且非常谨慎。 受损的细胞会自我杀伤并自我清除,通常会被干细胞群中的原始新细胞所取代。 性是通过重组基因在个体层面上做到这一点的。 就自然选择而言,这正在增加个体之间的差异。 它增加了人口的可变性,这有助于自然选择。 而自然选择所看到的人与人之间的差异又回到了性。 你要留下多少后代? 对我们来说,这尤其意味着男性。 选择非常偏向于留下更多孩子的相对较小比例的男性。
你的意思是有些男性做得好,有些做得差?
对。 性别在选择层面上所做的就是让最好的基因留下更多的自我复制。 它增加了人口的差异。 所以你有一些非常有效的男性和一些相当无效的男性,这给了更有效的男性机会。 从人类的角度来看,这不是一种非常愉快的方式。 但这基本上就是进化在做什么。
你可以追溯到细胞中一个叫做线粒体的部分。 线粒体是从哪里来的?
它们是进入另一个细胞的细菌。 关于另一个细胞是什么样子还有争议,但几乎可以肯定,它是一个非常简单的细胞。 最后,线粒体成为了我们细胞的动力装置。 所以我们生存所需的所有能量都来自线粒体。
这与衰老有什么关系?
生活是有代价的; 做每件事都要付出代价。 这在一定程度上取决于我们的生活速度。 如果我们的生活节奏过得很快,我们就会很快精疲力竭。 新陈代谢率(我们吸氧和燃烧食物的速率)与寿命之间有着密切的关系。 在良好的条件下,我们将大部分资源集中在性成熟上。 我说的不是人类,而是动物。 但这超出了动物王国。
我们把资源集中在性成熟和留下后代上。但是,如果条件不好,如果我们挨饿,就有一种从为性和蛋白质合成做好准备,到为生存做好准备的转变:关上舱盖,等待坏时光过去。 在过去十年左右的时间里,这种基因转换一直是大多数老龄化研究的重点。它不仅与代谢率有关,还与流动性有关,与我们集中资源的方式有关。 我们要么让他们关注性,要么让他们专注于生存。 各种基因突变可以使非常简单的生物体的寿命延长一倍或三倍。 像我们这样复杂的事情要困难得多。
如果你从鸟的新陈代谢率推断出,鸟的寿命远远长于它们应该活的时间。
尽管如此,我们对延长寿命有着非凡的渴望。 最好的策略是什么? 一些关于哺乳动物热量限制的研究似乎表明,这是一种显著延长寿命的方法。 这对人类有用吗?
这相当模棱两可。 几十年来,人们对恒河猴进行了相当长期的研究,但结果却相互矛盾。 一些人认为它效果很好,可以延长30%或40%的寿命。 另一些人则认为,允许对照组想吃什么就吃什么,实际上对健康是相当有害的,因此他们的寿命可能比应有的要短。 所以在实验设计中有很多不确定性。 此外,大多数人都不希望将饮食限制在40%左右 是 一些人这样做了,但不清楚这是否真的延长了他们的寿命。 我听说有一个人很容易摔倒,摔断了骨头,结果发现他得了骨质疏松症。 所以有副作用。
那么,人类长寿的真正可能性是什么呢?
从进化的角度来看,似乎几乎没有极限。 这才是真正引人注目的。 生活在没有捕食者的岛屿上的负鼠,其寿命会在五到六代之间延长一倍。 如果你从鸟的新陈代谢率推断出,鸟的寿命远远长于它们应该活的时间。 尽管根据鸽子的高代谢率和体型,你可以预测鸽子的寿命只有三四年,但鸽子可以活30年左右。 这增加了十倍。 有充分的理由认为,鸽子之所以能活得更长,是因为它们的有氧能力非常强; 换句话说,他们能飞。 仅仅为了离开地面就要付出巨大的新陈代谢代价,因此它们必须拥有良好的线粒体才能做到这一点。 而拥有这些真正好的线粒体的部分原因是它们很少泄漏自由基。 这似乎是鸽子长寿的原因之一。
缓慢而稳定: 像这只巨龟一样,能活很长时间。 这可能是因为他们的新陈代谢率极低。 Trevor Watchous/EyeEm/Getty Images公司
我们听到很多关于自由基的消息,尤其是与饮食有关的消息,以及我们应该如何服用抗氧化剂来清除自由基,从而延长寿命。 我们对自由基真正了解多少?
衰老的自由基理论,正如它最初在50或60年前所说的那样,实际上是线粒体产生这些被称为自由基的活性氧。 我们呼吸的一定比例的氧气以活性自由基的形式释放出来,这些自由基会破坏DNA、突变DNA、破坏蛋白质或破坏膜本身。 随着时间的推移,这种损害逐渐累积成所谓的错误灾难,即细胞不再能够自我维持。 在过去的几十年里,最初提出的理论已经被全面推翻; 这不是真的。 我们可以通过服用大量抗氧化剂补充剂来延长寿命或保护自己免受包括癌症和痴呆在内的与年龄相关的疾病的影响,这种想法也不正确。 已经进行了大量研究和大型荟萃分析。 数据也令人信服地表明,如果你服用大量抗氧化剂补充剂,那么你更有可能早死。
如果氧化自由基确实会损害我们的细胞,为什么抗氧化剂不起作用?
我认为有一个很好且被普遍接受的原因:它们干扰信号传递。 我们现在知道自由基是细胞内应激状态的信号。 有各种细微的区别,但如果出了问题,它们的行为就像烟雾探测器,或者至少它们是烟雾,细胞被设置为检测烟雾并做出相应的反应。 抗氧化剂的问题在于,它们实际上会使烟雾探测器失效,这不是一件好事。烟雾探测器会引发压力反应,而压力反应会改变对细胞有保护作用的各种基因的表达。 因此,经常会有更多的自由基产生一种具有保护作用的应激反应,这种应激反应会封闭这些舱口,使细胞能够活得更长。 通过向信号中添加抗氧化剂来干扰信号确实无济于事。
如果鸽子的寿命是其代谢率预测值的10倍,这是否意味着我们也可以这样做?
就我们而言,我们受到大脑的限制。 如果我们能够在活着的时候替换所有的细胞和组织,那么我们的寿命大概是无限的。 但如果我们更换神经元,我们也会在这个过程中重写自己的经历,不再是我们自己。 我认为这才是延长神经元寿命超过其自然最大寿命(约120年)的真正惩罚。 这就是我看到的真正极限。 我们如何防止大脑随着时间的推移而有效地失去质量,失去神经元连接,失去突触,而突触正是我们储存记忆和经验的地方?
线粒体,通常被视为一个电源组,负责所有这些复杂性的进化。
如果我们可以再生神经元来替换受损的神经元,它们是否处于原始状态,准备好留下经验的印记? 或者它们是受到已经存在的神经通路的制约吗? 我们谈论的是大脑的哪些部分再生? 那些与记忆有关的? 认知处理?
神经元不会留下经验的印记。 但是,作为神经网络的一部分,单个神经元可能有10000个突触连接,而我们还不了解它们对整个网络的贡献。 认知处理似乎天生比记忆更容易替换; 如果突触连接可以储存记忆,那么新生长的神经元如何重建所有这些连接?
更换神经元还有其他有趣的问题。 例如,你可以取一个皮肤细胞,重新编程使其成为干细胞。 令人惊讶的是,这种方法效果很好。 然后你可以诱导这个干细胞成为神经元,也许可以用它来代替大脑中逐渐死亡的神经元。 如果这个新神经元能够成功建立正确的连接,一个重要的问题是:它的线粒体会发生什么? 当你重新编程皮肤细胞时,它的线粒体会恢复成干细胞中的线粒体的样子——它们变圆并失去电荷。但我们还不知道它们的DNA会发生什么变化。 它是在皮肤细胞中保留了以前生活中遭受的损伤,还是以某种方式被清除了? 如果它仍然受损,那么这个闪亮的新神经元可能是一个哑谜,它会像廉价的塑料复制品一样迅速包装起来。
在 权力、性、自杀 你写道,“为了长寿和摆脱老年疾病,我们需要更多的线粒体。”为什么我们需要更多?
如果我们考虑寿命,看看爬行动物和乌龟,它们的寿命会非常长。 原因是他们的新陈代谢率极低; 它们几乎不动,所以它们活得很长,只是因为它们的细胞没有受到任何真正的压力。 在光谱的另一端,我们看到鸟类的新陈代谢速度比我们更快。它们的体温更高,消耗更多的氧气,但它们比同等大小和新陈代谢率的哺乳动物活得更长。 他们似乎是通过选择高质量的线粒体并拥有大量线粒体来做到这一点的,所以他们增强了整个系统的功能。 因此,我发现寿命与代谢率之间存在一条几乎呈U形的曲线,非常有趣。
我们在曲线上的位置是什么?
我们处于中间位置。 与鸟类或爬行动物相比,我们的体重相对较短,因为我们的新陈代谢率相当高,但我们没有鸟类所拥有的高质量线粒体。 这部分取决于单个线粒体的质量,部分取决于线粒体的数量。 例如,我们的肝细胞线粒体数量是乌龟的10倍。 因此,这似乎意味着至少在我看来,这并不是事实证明的——选择高有氧能力似乎可以延长寿命。 这就是为什么鸟类和蝙蝠对能量要求很高的原因之一:飞行和长寿。 现在,我们比大猩猩或黑猩猩活得更长。 当我们提高了有氧能力和耐力时,我们似乎已经经历了人类早期进化的一个阶段。 我不知道这是否与在非洲平原上追逐瞪羚有关,这是有争议的。 但与其他类人猿相比,我们确实有很高的耐力和保持活跃的能力。
我们知道从进化的角度来看,有氧能力的增长是什么时候发生的吗?
我想是一百万年前,而不是二十万年前。 这似乎是一个相对较早的增长。
让我们深入了解复杂细胞的进化。 你能告诉我们更多关于细菌和宿主细胞早期结合的情况吗?
不确定的是,获得这种细菌的宿主细胞是什么,以及获得这种细菌是什么。 我们真的不知道。 但我对这可能是如何发生的有着相当强烈的看法,强烈地认为这在科学上更有可能发生。 大量证据表明,宿主细胞是一种简单的类细菌细胞,称为古细菌。 它没有储存DNA的细胞核,也没有性交。 它并没有吞噬其他细胞。 由于某种侥幸的意外,它获得了一种细菌,这种细菌进入体内并成为线粒体。所以我们有两个非常简单的细胞,其中一个进入另一个。 真核细胞是我们自己的复杂细胞类型,其所有特征都是在这种相互作用的背景下产生的。 所有这些复杂性、寿命和衰老都是在这种背景下产生的。 这意味着线粒体,通常被视为一个电源组,负责所有这些复杂性的进化,并且仍然是所有复杂性的核心。
那么线粒体仅仅作为能源被低估了?
好吧,如果我们考虑如何延长人类寿命,我们必须考虑线粒体,而不是从它是一个电源组的角度,而是它是导致所有这些复杂性的两个关键因素之一,并且仍然是它的绝对核心。无论一个细胞是复制自己、分裂还是死亡, 线粒体对所有这些都至关重要。
那么,科学家如何利用线粒体的多种功能来延长人类寿命呢?
这很难。 用好的线粒体替换坏的线粒体的最简单方法是在细胞水平上诱导选择,坏的线粒体死亡,好的线粒体存活。 所以你需要的第一件事是细胞更新。 运动可以做到这一点,即使是良好的饮食:水果和蔬菜可能对我们有好处,部分原因是它们含有刺激细胞更新的毒素,与抗氧化剂关系不大。 古老的建议是好好吃,好好锻炼。 但这无助于我们进一步延长生命。
当细胞没有被替换时,选择就不会在细胞水平上进行,所以坏的线粒体会增殖。 随着年龄的增长,这种情况发生得出乎意料地容易,在各种疾病中,最坏的线粒体以好的线粒体为代价增殖。 随着线粒体突变体的出现,心肌纤维(也不容易更换)可能变得粗糙。
大脑仍然是一个大问题,但可能为线粒体移植的答案提供了线索。 我很长一段时间都在想,神经元如何在出生时获得大量线粒体的情况下存活120年。 事实证明,他们不是这样做的; 线粒体可以从干细胞通过微小的连接丝转移到它们体内。 这听起来像科幻小说,但如果干细胞能够将原始线粒体传递给相邻的神经元,那几乎就是生命的注入。 这并不容易,但再生医学可能是最好的方法——不是直接替换神经元,而是重振干细胞。
菲利普·鲍尔是《 看不见:看不见的危险诱惑 还有许多关于科学和艺术的书。
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