高中生物學“Hayflick界限”知識拓展

黃思思

[摘???要]正常細胞在完成生命歷程后的歸宿是衰老凋亡，而“Hayflick界限”為“正常細胞的增殖不是無限的”提供了有力的實驗證據(jù)。文章在回顧實驗背景的基礎上，簡要介紹了Hayflick等人的實驗發(fā)現(xiàn)，并據(jù)此對高中生物學知識進行拓展，同時提供了經(jīng)典的生物學探究試題予以佐證。

[關鍵詞]Hayflick界限;細胞衰老;探究性試題

[中圖分類號]????G633.91????????[文獻標識碼]????A????????[文章編號]????1674-6058（2019）35-0078-02

現(xiàn)行人教版生物必修1第六章《細胞的生命歷程》第三節(jié)《細胞的衰老和凋亡》第121頁提到：“有人做過這樣的實驗，體外培養(yǎng)的人體某種細胞，最多分裂50次左右就停止分裂了，并且喪失了正常的功能。這說明細胞會隨著分裂次數(shù)的增多而衰老。”可見，細胞衰老是細胞正常新陳代謝的自然現(xiàn)象。生物學作為一門實驗性學科，那么，得出這個結論的實驗依據(jù)是什么？該實驗是由誰來完成的？培養(yǎng)的是何種細胞？這個實驗又是怎樣設計的呢？

一、背景回顧

任何個體都有生老病死的規(guī)律，細胞也不例外。然而，在一百年前，盛行的觀點“細胞不死”卻與我們現(xiàn)在的認知截然相反。人們在觀察原生動物時發(fā)現(xiàn)，其無性系是可以一直保持高速分裂狀態(tài)的，因此魏斯曼在此基礎上提出了種質不死而體質會衰老并死亡的假說。原來原生生物新細胞的成分含有原細胞的老化結構，而并非“全新”，是細胞的不均等分裂所致。后來，Carrel和Ebeling以雞心臟細胞為材料進行實驗，觀察發(fā)現(xiàn)雞心臟細胞是可以無限生長和分裂的。實際上，這可能是他們向培養(yǎng)基中添加提取物時混入了新鮮細胞的緣故。其間，雖然?L系小鼠細胞和Hela細胞系的建立，表面上看貌似細胞可以無限增殖，事實上這樣的異常細胞并非在我們探討的正常細胞之列。Hayflick等人在20世紀60年代初的關鍵性工作，最終從根本上動搖了“細胞不死”的觀點，這就是細胞生物學史上著名的“Hayflick界限”。

二、“Hayflick界限”簡介

（一）定義

經(jīng)過培養(yǎng)的正常細胞并非不死，而是具有一定的壽命，細胞的增殖是具有一定的界限的，這就是“Hayflick界限”。

（二）相關實驗

1.否定細胞“不死性”的學說

實驗1：人的正常體細胞表現(xiàn)出明顯的衰老和死亡的現(xiàn)象。

Hayflick等人將一個瓶中的細胞分到兩個瓶中，讓細胞數(shù)以1∶2的比率連續(xù)進行傳代增殖培養(yǎng)。實驗結果表明，細胞平均只能增殖50次左右，細胞最終逐漸解體并衰老、死亡。

實驗2：發(fā)現(xiàn)細胞的增殖能力與供體年齡有關。

Hayflick等人還發(fā)現(xiàn)了胎兒肺和成人肺的成纖維細胞的培養(yǎng)差異（如圖1和圖2），即前者可在體外條件下傳代50次，后者只能傳代20次左右就開始死亡。可見，細胞的增殖能力與供體的年齡有關。

實驗3：發(fā)現(xiàn)物種壽命與培養(yǎng)細胞壽命之間存在著正相關的關系。

Hayflick等人發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的患有Werner綜合征的兒童身上分離的成纖維細胞，只能傳代2～10次。但加拉帕戈斯象龜?shù)钠骄鶋勖礁撸浼毎囵B(yǎng)傳代的次數(shù)也相應增加，甚至可達110次左右;小鼠平均壽命在3.5年左右，對其細胞進行傳代培養(yǎng)，增殖代數(shù)相應減少，僅為20次左右。（如圖3）

2.確定影響細胞衰老的因素

對正常人體細胞進行體外培養(yǎng)，其衰老是由細胞內部因素決定的，還是由外部環(huán)境的改變引起的呢？Hayflick等人設計了巧妙的實驗予以驗證：

實驗1：說明細胞衰老是由內部因素引起的，并非外部環(huán)境所致。

實驗中單獨或混合培養(yǎng)老年男性個體的細胞和年輕女性個體的細胞，并統(tǒng)計不同培養(yǎng)條件下的細胞增殖代數(shù)。實驗表明，在培養(yǎng)條件相同的情況下，一段時間后，年輕女性個體的細胞仍增殖旺盛，老年男性個體的細胞卻已經(jīng)停止生長。

實驗2：說明細胞衰老的因素取決于細胞核，而并非細胞質。

Hayflick和Wright用藥劑處理細胞后，通過離心等技術手段除去細胞核，將保留下來的年老的細胞胞質體與年輕的完整細胞相融合，觀察新的雜種細胞的衰老情況。實驗結果顯示，新的雜種細胞不再增殖;反之，將年輕的細胞核與年老的細胞胞質相結合形成的雜種細胞仍然繼續(xù)增殖。這說明，細胞的增殖能力主要取決于細胞核。

三、與“Hayflick界限”相關的探究性試題

【例題】根據(jù)材料回答以下四個問題。

材料：有一種巴氏小體結構十分特殊，它存在于雌性哺乳動物的細胞內。由于巴氏小體能夠在細胞分裂間期進行凝縮，因而在對雌性細胞特征研究的實驗中可將其作為標記結構。表1是某科學家所做的實驗，他將年輕女性細胞用巴氏小體標記，記錄為A;沒有標記的是老年男性細胞，記錄為B。

問題如下：

（1）該實驗是為了探究細胞的哪些性質？

（2）實驗1中為什么要將A細胞和B細胞分別單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)，其目的是什么？

（3）實驗2中的操作目的是什么？實驗是否實現(xiàn)了預期目標？

（4）實驗1和實驗2綜合能否說明細胞能夠無限增殖？

問題解答：

（1）該實驗是為了探究細胞衰老的原因。

（2）分別培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的目的是對比年輕女性細胞和老年男性細胞的增殖情況，使實驗結果更能說明A、B兩種細胞的增殖情況。

（3）實驗2的操作目的是探究細胞衰老取決于細胞質還是細胞核。實驗并不能實現(xiàn)預期目標，因為用到細胞核的同時也用到了同一個細胞的細胞質，并不能確定衰老的物質在哪里。

（4）不能。盡管雜交細胞增殖旺盛，但畢竟也會衰老，增殖有限。

從上述探究性試題不難看出，試題命制離不開對經(jīng)典實驗的研判和分析，這是真實情境下信息題、材料題設置的基本原則，應該引起我們足夠的重視。

（責任編輯????黃春香）