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从基因进化角度揭秘:人类为什么会衰老

2019年3月31日  来源:scottcgi 作者: 提供人:lanlan88......

那么,人类为什么会衰老?

第一,有一个经典的比喻,基因每次复制就像一次复印的过程,只不过每次复制都是使用上次的副本来复印,这样随着复制次数的增加,基因丢失的信息就越多

显然,基因丢失的信息越多,根据基因信息,复制出的细胞和蛋白质分子(包括各种酶和氨基酸)就会越容易出错——产生功能性错误。而随着错误不断积累——超过容错阈值,即修复能力的上限,就会开始慢慢影响上层组织器官的功能,和运行效率,从而产生衰老的感觉和表现。

基因——是具有遗传效应的DNA片段或RNA片段,即多个DNA或RNA,由碱基序列组成。基因编码了氨基酸和RNA,氨基酸组合形成肽链,多个肽链形成蛋白质。

DNA——存储遗传信息的碱基序列,通常位于染色体上,非染色体上也有,比如线粒体与细胞质中。而人类体细胞染色体上的DNA共有碱基对三十亿个,其中绝大部分遗传信息并不会表达出来,同时对性状也没有直接的影响,这些是没有遗传效应的DNA片段,反之有遗传效应的DNA片段,就是基因

RNA——能够根据DNA序列,转运氨基酸、形成蛋白质模板、组成核糖参与合成蛋白质、以及成为特定的酶。

氨基酸——仅有二十几种,除了构成蛋白质,还能形成酸、激素、抗体、肌酸等含氨物质;转变为碳水化合物和脂肪;氧化成二氧化碳和水及尿素,产生能量。

蛋白质——是生命的物质基础,是有机大分子,是构成细胞的基本有机物,是生命活动的主要承担者。人体内蛋白质的种类很多,性质、功能各异。

——是具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。

并且,这种基因复制丢失信息的过程中,还伴随着信息的错乱所带来的随机突变。这些突变,一部分是来自基因的复制机制,比如碱基异构互变效应,一部分是来自环境压力和污染源,比如物理辐射、化学毒剂、生物因素(细菌、病毒、寄生虫等)。

基因突变,是指基因在结构上,发生碱基对组成或排列顺序的改变。

碱基异构互变,是指DNA中的四种碱基,各自的异构体之间都可以自发地相互变化。

异构体,是指具有相同化学式,有同样的化学键,但有不同原子排列的化合物,即相同分子式不同结构的物质。

那么,基因的突变,不仅会加速衰老,还会导致不可逆转的,且无法自我修复的,细胞功能性错误——这也就是各种严重疾病的源头,比如,镰刀型细胞贫血症和癌症。(癌症真相:深度科普与全面解读(第二版))

可见,正是由于基因复制中不可避免的错误,所以在宏观上,人体才会表现出衰老,只是不同人衰老快慢的程度不同,每个人的完全成熟期也有差异,但在发育成熟后,衰老就会开始一刻不停的进行。

然而,甚至还有观点认为,发育其实也是衰老过程的一部分,因为从受精卵开始,细胞不断的分裂分化、从通用性到独特性、从独立性到被迫协作——普通细胞沦为神经系统的奴隶。而这可以看成是:细胞从出生、到残化、弱化、最后到死亡的过程。

第二,从微观角度来看,细胞的代谢过程,其实是一个线粒体磨损消耗的过程。

线粒体,是细胞内部提供能量供给的细胞器,也就是有氧呼吸的主要场所,而90%以上吸入体内的氧气,都会被线粒体转化为能量消耗掉。可以说,线粒体就是细胞内部的“发电站”,上升到宏观层面,也就是人体的“能量之源”。

既然线粒体是能量之源,那么可以想象,细胞中线粒体的数量,就会取决于该细胞的代谢水平,即代谢活动越旺盛的细胞,其线粒体就会越多。比如,肝脏细胞中有1000~2000个线粒体,酵母细胞中却只有一个线粒体,而大多数哺乳动物的成熟红细胞中没有线粒体。

所以,细胞代谢的过程,其基础就是线粒体的氧化代谢过程,而线粒体在工作过程中会不断的磨损消耗,其原因主要来自于两个方面:

其一,线粒体有其独立的基因遗传体系——与人体其它细胞的基因信息并不相同,但只要存在基因复制就会有前面提到的——基因突变。那么,基因突变积累的错误,久而久之,超过了自身修复能力的上限,线粒体就无法正常工作了。

其二,线粒体在氧化代谢过程中,大约会有4%~5%的氧分子转变为氧自由基,即氧分子形成的自由基。而自由基,是具有不成对电子的原子或基团,其化学性质活泼,拥有强氧化性和磁矩,会试图去抢夺蛋白质分子和基因的电子,以恢复为成对的电子状态,也因为其反应迅速而存在时间极为短暂。

那么,被抢夺电子后的蛋白质分子和基因,就会发生畸变和突变。并且畸变后的分子,又会继续去抢夺电子,从而形成一种链式反应——创造出更多的畸变和突变。

但线粒体,通常会把氧自由基“限制封闭”在双膜结构内部,不准它到处“流窜作乱”,并会通过超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD),把两个氧自由基转变为H2O2和O2,以达到清除自由基的作用。

只不过,如果氧自由基超过了线粒体的处理能力,线粒体自身基因突变导致功能下降,或是“中和物质”不足够,都会让氧自由基对线粒体产生损伤——包括基因突变和分子畸变。而这又会导致线粒体功能的下降,接着进一步加剧氧自由基的损伤,形成一个恶性循环。

最终,线粒体就会因为不断的磨损消耗,而丧失功能,导致一系列不可逆转的结果。

事实上,细胞的修复机制,是依赖于线粒体供能的,也就是说,线粒体的损伤会间接导致细胞修复能力地不断下降,出现越来越多的功能性错误。而现代研究表明,其实线粒体不仅提供能量,还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程,并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。

所以可见,线粒体的磨损消耗,其实加速了细胞的衰亡。而同时细胞的凋亡,也是线粒体参与调控的结果。要知道,就算氧气不产生自由基,线粒体一直不损伤,细胞自身的基因复制错误,也会不断的积累,最终让细胞发生变异。这时候,细胞的自我凋亡,其实是在防止细胞癌变。

线粒体能够,调节内膜电位,引起跨膜电位的耗散,并提高内膜的通透性,从而诱导凋亡因子(Apoptosis Inducing Factor,AIF)从内膜释放进入细胞质基质,破坏细胞结构,最终导致细胞凋亡。

那么,衰老不可抗拒的关键就在于,虽然细胞死了,还可以创造新的,但是基因就像图纸,如果损坏了,自然就没法造出正常的细胞了。

另外,值得说明的是:

除了氧气,有N多的途径在人体内产生自由基,比如药物、辐射、烟草、发烧、吸入非有机微粒和微生物、体内分子自动氧化等等。

而人体也进化出了清除自由基的机制,比如酶促机制——包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等;非酶促机制——包括维生素E、维生素C、谷胱甘肽等;小分子抗氧化剂——包括胆红素,尿酸,类黄酮,类胡萝卜素等。

并且,控制得宜的自由基是有用的,比如白血球利用自由基来杀死外来的微生物,体内一些分解代谢的反应必须要由自由基来催化,血管的舒张和部分神经、消化系统信号的传导,要借助于自由基来完成等等。

第三,从环境和进化角度来看,对于衰老,环境信息并没有给基因施加压力(进行筛选),表示开始衰老就必须停止繁衍,否则衰老就会严重影响繁衍。

于是我们看到,人类的极限寿命很长(120岁以上),而中间衰老的过程,并不会对人类的基因遗传,造成立竿见影,或是毁灭性的影响。

因此,衰老和繁衍是可以同时进行的,哪怕衰老效应越来越明显,人类仍然可以一边衰老,同时也可以一边不停地进行繁衍。

那么,衰老自然就会在自然进化的穷举试错中保留下来,并且也就不会进化出,保持不衰老等待繁衍期的功能机制了。

当然,繁衍是有最佳的时间段的,也就是说,衰老对繁衍的影响有一个阈值,超过了,负面效应——比如后代基因突变数,还是会成正比例增加的,但总体看来影响很小。

而从另外一个方面来看,人类的繁衍期非常长(并且几乎全年无休、随时随地),那么进化出不衰老等待繁衍期的可能性,就是不存在,也是不合理的——因为不衰老就会一直繁衍,一直繁衍就又不会衰老——这就是循环依赖,产生永生了。

所以,从某种角度上来说,繁衍能力的衰退,就是衰老的一部分,并且还代表着衰老的进程。因为不能繁衍的生存机器(宿主),对基因来说就没有价值,并且随着繁衍能力的衰退,宿主的价值也是在不断降低的。

病毒会把宿主给弄死,但在此之前,病毒会极力的通过宿主扩散。那么类比起来,基因的扩散手段就是繁衍。

而与此同时,基因还进化出精子和卵子活力很强,复制过程明显不同于人体其它细胞的机制。也就是说,精子和卵子不怎衰老(复制稳定),但人体的其它细胞则在不断的衰老(复制不稳定)。

男性身体在接近寿命极限(有报道是93岁)的情况下,精子依然可以进行有效繁衍。

由此可见,人类利用智能创造的医学手段,并不能延长人类的极限寿命,而只是在增加抵达极限寿命的概率。

结合实际的寿命记录,人们得出了哺乳动物的自然寿命,相当于生长期的5~7倍的结论。人的生长期长达20~25年,因此,人的自然寿命应该是100~175岁。

事实上,基因在乎的只是生存机器的繁衍,然后就是把后代养大,并能够让后代正常的递归进行繁衍。其中养育后代,这个操作是必要的,因为没有完成把后代养大(可以独立繁衍)操作的基因,就会有更大概率的得不到复制遗传,而最终消失。

那么,把后代养大(父母平均50岁之后,25岁生育,后代抵达25岁),这就是环境压力给基因的筛选指令

再往后,基因的复制就开始混乱了,越来越胡来了,积累的错误和突变,也就更多了,身体就更容易崩坏了,疾病、癌症、脆弱的可能性也就更高了。这都是因为没有环境压力给与的“约束力”和“驱动力”来维持有序,所造成的结果。

这正是说明了,发育成熟后就开始衰老,并没有什么问题——以目前人类的衰老速度,并不会影响养育后代,从而影响基因复制遗传——那么,基因随机到这个结果并适应了环境,就会一直保持,直到环境压力驱使它改变。

第四,基因并不会衰老,基因只是一串排列组合的信息,相反存在越久远的基因,越会存在更长的时间。

事实上,衰老的是上层结构,基因代表的是信息,描述了上层结构,结构复制结构就会把基因传递下去。所以,基因指导了结构的复制,这是基因的生存之道,而结构的复制错误,就是衰老的原因,并且会反作用于基因的复制。

而从宏观的来看,局部的牺牲是为了让整个自然更好地运作。我们牺牲自己是为了让基因留存,就好像用我们的脆弱换取了它们的生存。我们会衰老,但是在我们的肉体之外,基因会永远年轻,而且越来越适应新的环境。小规模的破碎永远存在,这往往是为了规避影响广泛的大规模灾难。

或许,人类衰老的起点,并不是在皮肤松弛之时,而是在失去好奇心的那一刻。

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