物理學使“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，我關注的重點是，在周圍的分子一片混亂的情況下，生命是如何創造并維持那些高度有序的系統的——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域引起了極大的反響。美國國家衰老研究所心血管科學實驗室的主要負責人埃德·拉科塔說，衰老是從“秩序中提取混亂”。

最近，我應邀為“鸚鵡螺”網站專門撰寫了文章，談到了這些觀點，也收到了數量相當可觀的評論，比如：①我們是開放的熱力學系統，因此不會遵循熵不斷增加的規律（因為我們總是可以從環境中獲得更多的低熵能量）;②我們的細胞有一個修復系統，可以處理可能發生的任何損害;③現實中就存在“永生的”細胞和生物體，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）開放系統，這一點我在《生命的棘輪》中詳細介紹過。低熵能量的攝入，正是我們在分子學機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，我們細胞中的分子總是在不斷受到損傷。與其他的熱力學開放自組織系統不同，如颶風，生命系統有著令人難以置信的嚴格控制的系統，包括復雜的連鎖反饋和調節回路。這些反饋回路都依賴于高度適應性和構建性的分子機器，由未被損壞的DNA提供藍圖，并及時、準確地進行調整并發出信號。這些系統在分子、細

胞器、細胞、細胞相互作用、組織、器官以及生物體的層次結構上相互作用，有很多內置的儲備、冗余和修復系統。

然而，這些系統中的某些部分最終會受到細微的損傷，比如能源供應放緩、信號鏈變得分崩離析、反饋回路定時有點失常、損壞的分子不能被清除出細胞等，從而在細胞中累積，導致分子機器功能懈怠，或者無法被激活。這種功能的喪失會進一步導致其他系統功能的喪失，因為在生物體中，所有系統之間是相互依存的。這將導致故障的雪崩式增加。

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

在一個龐大的細胞和功能系統中，這一過程的開始只是一個概率的問題。你可以嘗試防止一個系統出現故障，但取而代之的是，會有更多其他系統出現故障。而那個試圖阻止這一故障的系統，是依賴于其他系統的。所以歸根結底，從長遠來看，它是肯定會受影響的。我們細胞中的修復系統是一流的，它們使我們能夠活到80歲以上，這個時間比任何與我們大小和心率相近的哺乳動物都要長。我們還能活得更長一些嗎？原則上來說，修復系統是可以改進的，但是嚴峻的復雜性使得要想對其進行改進需要很長時間。我們受制于概率游戲，這一事實是始終不會改變的，從而使我們最終輸掉這場游戲。

第三條評論提到在這個世界上有“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。最典型的例子是細菌，還有像所謂的“永生水母”一類的動物。“永生水母”有一個逆轉其生長發育過程的階段，從本質上說，也就是“永生水母”從成蟲階段返回幼蟲階段，然后再重新發育成新的成蟲。如此看來，似乎可以這樣無限地延續下去，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，我們的生殖細胞也是“永生的”。但是，這不同于一個成年復雜個體的老化。相較于在許多年中使一個復雜的有機體維持其分子和系統秩序而言，使人類生殖細胞中的DNA保持適度穩定是一個相對容易的任務。然而，即便如此，隨著時間的推移，退化也會發生。這就是當父母上了歲數時，孩子的出生缺陷變得更為普遍的主要原因。

至于水母，作為一個成年個體，它們顯然不是永生的，因為它們必須“死去”，以回到幼蟲階段。同時，并不是所有的水母都能成功地進行這種轉換，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，我們通常不會使用這種定義。

還有一個重要的事情值得一提，那就是正常的人類（體）細胞也可以“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。如果我們的細胞到了某個時候還沒有死亡的話，那么分子紊亂和DNA損傷會不斷增加細胞“耍流氓”和癌變的概率。保持我們的細胞在分裂、生長和分化時都遵守秩序的成本是嚴格的監管，而面對這種熱力學上的猛攻以及化學損傷，嚴格監管的成本就是衰老。

延伸閱讀

當水母的精子和卵子結合到一起時，形成了小小的實囊幼體。但是，幼體并不走尋常路，快樂地長大，而是通常找個堅硬的石頭之類一頭撞上去，撞出軟體的分支結構，即水螅體。

絕大多數時候，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。

大多數水母可以在這個復雜的生命周期的大部分階段逆轉其生長態勢，但一旦它們長成性成熟的成體，就失去了這種倒轉乾坤的技能。

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

正如多數生物學不死機體的案例，燈塔水母的這個技能也是一個謎。看起來它們在蛻變中細胞涉及了一次異乎尋常的逆轉。

水母與其他動物沒有多少共同點，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。