我们为什么会衰老？丨脑智擘未来
2022/8/19 7:30:00 中科院之声
编者按：脑科学对各种脑功能的解析、脑疾病的诊断治疗、类脑智能和脑机接口的技术开发，都具有非常重要的意义，中科院之声与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心联合开设“脑智擘未来”专栏，为大家解读视觉、学习记忆、注意力、抉择、意识、语言、共情、合作等日常生活中常见行为和现象的研究方式和科学发现。
绝大多数人都想要健康长寿，但是，人上了年纪，总是有各种毛病找上门来。衰老，是不是命中注定？为什么有些古木可以存活千年，历经沧海桑田。动物则大都短命。比如我们可爱的宠物，或者，我们自己。每当对着镜子注意到脸上皱纹，或者面对亲人垂垂老去，我们会本能地对衰老产生困惑。不可避免的衰老，究竟是为什么？
你可能看过一些解释。比如，代谢率高活动量大的生物，不断地消耗自我，就会更快地衰老死亡。果真如此吗？自然界中有一些反例：袋鼠等有袋类哺乳动物，比有胎盘型哺乳动物有着平均更低的代谢率，但它们却衰老得更快。另外，像蝙蝠这样有着很高代谢率的动物，却衰老得很慢。
另一个解释：在我们的日常经验里，物品往往都会折旧。手机越用越慢，菜刀越用越钝。身体是不是也一样？用久了便会因为消耗磨损，不可避免地坏掉，这样的理论也很局限，不能随便拿来套用。比如，锋利的菜刀劈在坚硬的骨头上，刀刃会崩，当机体受到的严重的损伤，也会留下烙印。然而，严重损伤并不是经常发生的事，常常出现在运动系统上的损伤也不应影响人的衰老，中学时期球场上的一次崴脚，不会显著地缩短你的寿命。在我们每个人的经历中，很多损伤，都是被机体修复的。要知道，很多组织器官会自发地不断更新。对于一部手机或者一辆汽车，零件都是从出厂一直用到坏。而对于一个成年人，身上的器官却大都不是出生时的那套原配。构成机体的细胞会不停地生出新的细胞来，比如，肠道上皮细胞约4-5天就会换一次，舌头上的味蕾细胞，约10天就更新一次。我们不禁要追问，为什么有不断再生修复能力的器官，也会走向衰亡？
中学生物课本上提过一个解释：位于染色体上的端粒，在不断地分裂后就会变短。细胞每分裂一次，端粒的长度就会损失一点。当端粒无法再缩短时，细胞就会因为无法分裂而死亡。但这只是换了个层面，从分子生物学的角度阐释了一个衰老的现象，却并没有真正说清衰老的本质原因，我们可以继续问下去，端粒为什么要缩短？很多微生物就不会受到端粒问题的困扰，一团细菌，真的可以像“忒休斯之船”那样，永远更新下去，不会变老。所以，为什么动物难逃衰老的命运？
要想从本质上解开这个疑惑，也许要换一个思路，演化发生的角度给提供了一种解释。
我们来做一个假想，如果现在有这样一种海洋动物，它们发育到成体后，可以保持青春，还能不断繁殖，不会衰老，更不会因为衰老而死亡。造成其死亡的原因只有——遭遇不测，比如被其他生物吃了，或者被潮水冲上陆地干死。由于汹涌的大海充满危险，我们假设一下，每一年中这种生物因遭遇意外而终结的概率是5%。这意味着，一个假想生物要活到90岁，概率是0.95^90，不到1%。
接着，来考虑一下遗传突变的作用，我们知道，由于细胞内分子之间的偶然性，基因突变总是在发生，而且是随机发生的。突变可能产生有利性状，有害性状，也有可能没有明显作用。造成有害性状的突变，会引起生存功能异常，不能产生后代，所以这些有害突变会在种群繁衍的过程中，被自然选择所淘汰。
重点来了，基因突变产生性状并不是随着新生命一下子全部发生，而是具有时效性，或早或晚。我们假想的生物也在产生突变，如果新产生的突变在早期阶段就造成有害效果，那会很容易影响繁殖，被自然选择筛掉。而如果是潜伏很久才起有害作用，这些个体就会持续携带有害突变，并在年轻时进行繁殖，把有害突变传给下一代。然而，到了一定年龄以后，不管是晚期有害突变的效果，还是遭遇不测，一个生物活着的概率都很小。这就造成了：不携带晚期有害突变的个体在生命的旅程中并不具备更强的繁殖优势，难以被自然选择所青睐。可想而知，自然选择对于晚期效果和早期效果并不是公平的，它很容易筛除早期有害的突变，却难以筛掉晚期有害的突变。如此一来，我们假设的这种本不会衰老的海洋生物，在突变和自然选择的作用下会逐渐演化出衰老。
这已经是很精妙的解释，但还有一个补充。
基因突变的作用可能还不止简单地发生一次。假若一个突变在生命早期就起有害作用，无论后期效果有利还是有害，都很容易被筛掉。假如一个突变，前期产生有利作用，后期也是有利作用，那它毫无疑问会被自然选择保留。但是，假如一个突变前期有利，后期有害，又会怎样？结果是，这种突变会被自然选中。因为在前期的有利效果，会让携带这种突变的个体有机会生出更多的后代，倒霉的是，到了晚期，糟糕的有害效果就会出现。当以上这些有害突变多了，生物就会产生一种程序性的衰老，不可避免地走向死亡。
以上两个演化上对衰老的阐释，就是Medawar-Williams理论(Medawar-Williams Theory)，分别由英国学者PeterMedawar和美国学者George Williams提出。你也许会问，那古树是怎么回事，为什么有的树成百上千年不倒？以上假说也可以用来解释这一现象：这是因为动物个体的繁殖方式跟树有极大的区别。对于动物来说，由于繁殖力低，在假想的高龄状态下，自然选择对含或不含有害突变的个体后代，做不出有效的筛选。但树木则大不一样。一些树的繁殖力惊人，种子以量取胜，对于它们来说，每一根枝桠几乎都是繁殖器官。如果一棵树没遭受雷劈或砍伐的不测，活到了足够高龄，它可能会产生巨量种子，跟其他所有同类竞争。比如某地的古银杏树，每年产生上千斤白果。这样，自然选择可能就会选出这颗长寿树的基因。也有一些树，譬如热带雨林里的美洲轻木，存活周期较短，只有几十年，其实这也是自然选择的结果。这些树的竞争对象是雨林里的其他植物，在演化的历程中它们逐渐占据了快速长高的生态位，以保证阳光的获取，但这导致了其木质结构疏松多孔，容易被摧折。
相信这番从演化角度出发对寿命和衰老的阐释，要比中学课本上端粒的解释，更能让你对衰老有一种更本质的认识。有的时候，新的知识点并不足够带给我们启发和体悟，只有不断地追问下去，才能更接近问题的本质，找到洞见和启发。
参考文献：
1. Other Minds, the octopus, the sea, and the deep origins ofconsciousness
来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
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