物理學(xué)使“衰老”變得不可避免

彼得·霍夫曼

4年前，在我出版《生命的棘輪》一書時(shí)，我關(guān)注的重點(diǎn)是，在周圍的分子一片混亂的情況下，生命是如何創(chuàng)造并維持那些高度有序的系統(tǒng)的——也就是分子是如何被安裝上“棘輪”、“從混亂中提取秩序”的。令我感到驚訝的是，這本書在衰老研究領(lǐng)域引起了極大的反響。美國國家衰老研究所心血管科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主要負(fù)責(zé)人埃德·拉科塔說，衰老是從“秩序中提取混亂”。

最近，我應(yīng)邀為“鸚鵡螺”網(wǎng)站專門撰寫了文章，談到了這些觀點(diǎn)，也收到了數(shù)量相當(dāng)可觀的評論，比如：①我們是開放的熱力學(xué)系統(tǒng)，因此不會(huì)遵循熵不斷增加的規(guī)律（因?yàn)槲覀兛偸强梢詮沫h(huán)境中獲得更多的低熵能量）;②我們的細(xì)胞有一個(gè)修復(fù)系統(tǒng)，可以處理可能發(fā)生的任何損害;③現(xiàn)實(shí)中就存在“永生的”細(xì)胞和生物體，與我宣稱的“衰老不可避免”相互抵觸。那么，這些評論究竟有沒有道理呢？

第一條和第二條評論的答案基本相同：完全正確。我們是（熱力學(xué)）開放系統(tǒng)，這一點(diǎn)我在《生命的棘輪》中詳細(xì)介紹過。低熵能量的攝入，正是我們在分子學(xué)機(jī)制上可以從分子混亂中提取秩序的原因。然而，分子混亂是始終存在的，從微觀角度來說，我們細(xì)胞中的分子總是在不斷受到損傷。與其他的熱力學(xué)開放自組織系統(tǒng)不同，如颶風(fēng)，生命系統(tǒng)有著令人難以置信的嚴(yán)格控制的系統(tǒng)，包括復(fù)雜的連鎖反饋和調(diào)節(jié)回路。這些反饋回路都依賴于高度適應(yīng)性和構(gòu)建性的分子機(jī)器，由未被損壞的DNA提供藍(lán)圖，并及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)整并發(fā)出信號(hào)。這些系統(tǒng)在分子、細(xì)

胞器、細(xì)胞、細(xì)胞相互作用、組織、器官以及生物體的層次結(jié)構(gòu)上相互作用，有很多內(nèi)置的儲(chǔ)備、冗余和修復(fù)系統(tǒng)。

然而，這些系統(tǒng)中的某些部分最終會(huì)受到細(xì)微的損傷，比如能源供應(yīng)放緩、信號(hào)鏈變得分崩離析、反饋回路定時(shí)有點(diǎn)失常、損壞的分子不能被清除出細(xì)胞等，從而在細(xì)胞中累積，導(dǎo)致分子機(jī)器功能懈怠，或者無法被激活。這種功能的喪失會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致其他系統(tǒng)功能的喪失，因?yàn)樵谏矬w中，所有系統(tǒng)之間是相互依存的。這將導(dǎo)致故障的雪崩式增加。

“永生水母”的學(xué)名是燈塔水母，直徑只有四五毫米，屬于水螅蟲綱。燈塔水母在20℃的水溫中達(dá)到性成熟階段需要25天至30天，性成熟后會(huì)重新回到水螅型狀態(tài)，并且可以無限重復(fù)這一過程。

在一個(gè)龐大的細(xì)胞和功能系統(tǒng)中，這一過程的開始只是一個(gè)概率的問題。你可以嘗試防止一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，但取而代之的是，會(huì)有更多其他系統(tǒng)出現(xiàn)故障。而那個(gè)試圖阻止這一故障的系統(tǒng)，是依賴于其他系統(tǒng)的。所以歸根結(jié)底，從長遠(yuǎn)來看，它是肯定會(huì)受影響的。我們細(xì)胞中的修復(fù)系統(tǒng)是一流的，它們使我們能夠活到80歲以上，這個(gè)時(shí)間比任何與我們大小和心率相近的哺乳動(dòng)物都要長。我們還能活得更長一些嗎？原則上來說，修復(fù)系統(tǒng)是可以改進(jìn)的，但是嚴(yán)峻的復(fù)雜性使得要想對其進(jìn)行改進(jìn)需要很長時(shí)間。我們受制于概率游戲，這一事實(shí)是始終不會(huì)改變的，從而使我們最終輸?shù)暨@場游戲。

第三條評論提到在這個(gè)世界上有“永生的”生物。讀者提到的這些“永生的”生物體，都是非常簡單的生物體：典型的單細(xì)胞生物體或者至少是未高度分化的生物體。最典型的例子是細(xì)菌，還有像所謂的“永生水母”一類的動(dòng)物。“永生水母”有一個(gè)逆轉(zhuǎn)其生長發(fā)育過程的階段，從本質(zhì)上說，也就是“永生水母”從成蟲階段返回幼蟲階段，然后再重新發(fā)育成新的成蟲。如此看來，似乎可以這樣無限地延續(xù)下去，使水母“永生”。

乍一看，這似乎是不可思議的。然而，從某種意義上說，人類也做著同樣的事情，我們的生殖細(xì)胞也是“永生的”。但是，這不同于一個(gè)成年復(fù)雜個(gè)體的老化。相較于在許多年中使一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體維持其分子和系統(tǒng)秩序而言，使人類生殖細(xì)胞中的DNA保持適度穩(wěn)定是一個(gè)相對容易的任務(wù)。然而，即便如此，隨著時(shí)間的推移，退化也會(huì)發(fā)生。這就是當(dāng)父母上了歲數(shù)時(shí)，孩子的出生缺陷變得更為普遍的主要原因。

至于水母，作為一個(gè)成年個(gè)體，它們顯然不是永生的，因?yàn)樗鼈儽仨殹八廊ァ保曰氐接紫x階段。同時(shí)，并不是所有的水母都能成功地進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換，所以水母的“永生”是從群體層面而言的。如果這就是“永生”的定義的話，那么可以說人類也是“永生”的！但是，我們通常不會(huì)使用這種定義。

還有一個(gè)重要的事情值得一提，那就是正常的人類（體）細(xì)胞也可以“永生”。這就是所謂的癌癥。如果把分子紊亂比作一枚硬幣的話，那么癌癥和衰老就是同一枚硬幣的兩面。如果我們的細(xì)胞到了某個(gè)時(shí)候還沒有死亡的話，那么分子紊亂和DNA損傷會(huì)不斷增加細(xì)胞“耍流氓”和癌變的概率。保持我們的細(xì)胞在分裂、生長和分化時(shí)都遵守秩序的成本是嚴(yán)格的監(jiān)管，而面對這種熱力學(xué)上的猛攻以及化學(xué)損傷，嚴(yán)格監(jiān)管的成本就是衰老。

延伸閱讀

當(dāng)水母的精子和卵子結(jié)合到一起時(shí)，形成了小小的實(shí)囊幼體。但是，幼體并不走尋常路，快樂地長大，而是通常找個(gè)堅(jiān)硬的石頭之類一頭撞上去，撞出軟體的分支結(jié)構(gòu)，即水螅體。

絕大多數(shù)時(shí)候，這些幼體自身分裂出微小的克隆體——就像水螅一樣出芽生殖，但有些種屬也特立獨(dú)行。它們分離出能自由游弋的小型雄性或雌性水母，再長成成體，然后產(chǎn)生精子或卵子。總之就是怎么高興怎么來，任性得一塌糊涂。

大多數(shù)水母可以在這個(gè)復(fù)雜的生命周期的大部分階段逆轉(zhuǎn)其生長態(tài)勢，但一旦它們長成性成熟的成體，就失去了這種倒轉(zhuǎn)乾坤的技能。

燈塔水母違背了根本的規(guī)則，特別是，即使性成熟的成體也可以反轉(zhuǎn)為未發(fā)育成熟的幼體，這樣它們就躲過了生死簿，實(shí)現(xiàn)了可能的永生。這就像一只蝴蝶突然厭倦了飛翔，又鉆回蟲蛹。

正如多數(shù)生物學(xué)不死機(jī)體的案例，燈塔水母的這個(gè)技能也是一個(gè)謎。看起來它們在蛻變中細(xì)胞涉及了一次異乎尋常的逆轉(zhuǎn)。

水母與其他動(dòng)物沒有多少共同點(diǎn)，這也是它們無性繁殖的方式。它們的永生，在我們眼里如此奇特。