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人类为什么不进化出断肢再生的能力?

The following article is from 瞻云 Author 瞻云

有网友很好奇,为什么许多动物都有断肢再生的能力,自诩为高等动物的人类,却没有这种神奇的再生能力?

其实——是有的。

当我们还在妈妈肚子里时,一开始我们和蝾螈一样,拥有断指再生的完全能力 。

当然,用不上就是了。

出生后的婴儿时期,通常也具有一定的再生能力 。不过,只有指尖很小的一部分可以,通常需要不伤害到甲床。

少部分成年后还具有一定这样的能力。


「图片预警」


成年人指尖断裂再生过程:

成年人指尖断裂再生过程

儿童断指再生:

可以看出,儿童的断指再生能力,明显比成年人更强。


世界上没有哪一种生物,没有再生能力。

区别在于再生能力的强弱。

人类的再生能力,限于皮肤、黏膜、肝脏、指尖、体液相关系统等等。和演化树更加基干的一些动物相比,这种再生能力,的确太拉胯了,聊胜于无。

壁虎可以再生出阉割版的尾巴。

蝾螈不仅可以再生尾、爪、四肢、眼睛,损伤的大脑也能再生 。

损伤的蝾螈脑可能诱导神经干细胞逆转化,从而回到年轻状态,启动再生过程。

斑马鱼同样再生能力强大,无论鱼鳍、心脏、脊髓,还是肠道等重要器官,都具有再生能力。

一般来说,比起哺乳动物,两栖动物和鱼类具有更强的器官再生能力。

断指再生,一般是这样的过程 :

发生断肢损伤后,伤口表皮会迅速覆盖断肢表面,随后间充质细胞去分化形成干性更强的芽基。芽基细胞具有位置记忆,可以不断向外完成断肢的再生修复。

这个过程一般由多个hox基因(同源异形基因,通常多组决定肢体的分化和发育)一起调控。

斑马鱼尾鳍修复过程

b、传统观点;c、最新发现

至于演化支更加基干的动物,再生能力会更强。

除此之外……

深缘海天牛可自我斩首和再生。

摩尔根把一条2cm的涡虫,被切成279块后(约10000个细胞),一周后得到的279条完成活体。

纽虫可以被切成二十万分之一 。

而比水螅更加基干的动物,干细胞部分通常认为再生能力的限制非常低。例如,最简单的多细胞动物海绵,能做到碎末再生。

从门或者纲的大分类来说,动物基本上复合再生能力从简单到复杂的规律。

同一个门或者纲内,则可能表现出比较大的再生差异。

这样的再生差异,体现出演化上的「鱼和熊掌不可兼得」。

最早的多细胞动物基本上都是一些干细胞团,它们是十分脆弱的。

面对环境中的化学危害、紫外线危害、机械应力危害,自然而然有两条路摆在它们的面前。

1、要么不对抗危害,不断用干细胞修复,只要修复的速度快于损伤,就能继续生存。

2、要么分化干细胞,发展成具有各种功能的细胞,例如发展出表皮隔断外部化学危害,发展出黑色素细胞抵抗紫外线,发现出外骨骼、鳞片降低机械应力损伤。

如果我们把再生能力给个0~100分,0分和100分的动物基本上没有,都在这个区间内,只不过分数有高有低。

是什么力量决定了不同动物再生能力的高低?

答案是——繁殖。

这或许是很多人都不想到的答案。

任何理论永生的个体,都可能因为意外而死亡。只有通过繁殖,基因才能不断存续下去。

对于一个有生存个体上限的环境来说,亲代和子代其实是竞争关系。对于分化越高的动物来说,当环境变化时,基因保守的亲代是竞争不过具有基因多样性的子代的。

这就会造成亲代死亡,留下子代继续繁衍生息。

水螅的繁殖正是这样的过程。

环境优渥时,它们进行出芽繁殖,当环境恶劣时,它们进行有性繁殖,从而渡过干旱或严寒。

所以,水螅虽然是一种理论上永生的动物,但并不能真正永生。

处于有性繁殖和无性繁殖之间的水螅,其实很好地预示了,具有更高分化的动物,为什么大多失去了无性繁殖,最终都只保留了有性繁殖。

值得注意的是,孤雌繁殖并不是无性繁殖。

比水螅具有更高分化的动物,不仅细胞干性的逆转成本更高,也意味着个体更加难以适应恶劣的环境变化(高分化的动物,对适应的环境往往具有性状特化现象)。

演化压力,自然给到了有性繁殖。

即便一开始它们是完全再生的,然而当资源有限时,牺牲个体再生能力把资源分配到有性繁殖的分支,会因为表现出更强种群优势,而得到繁衍生息的机会。

经过长期演化,随着动物分化程度越来越高,繁殖策略不断更新,个体再生能力自然而然变得更弱。个体再生能力变差之后,体现出来的便是衰老。

当然,种内竞争也促使着这个过程的发生发展。

当亲代生下第一批子代,这些年轻、健康、强壮、繁殖能力强的子代,不仅和亲代是竞争关系和第二批、第三批子代也是竞争关系。

当然,竞争关系的强弱,取决于内部资源的大小。

然而随着每一次种群瓶颈的到来,竞争关系都会白热化。

对于衰老程度足够高的亲代,不仅它们自身竞争不过年轻的后代,繁殖能力下滑后产生的新后代竞争能力也会更低。

在不断淘汰的过程中,演化压力会促使种群朝着成本更低的方向发展:

衰老的亲代不仅不会高成本的逆转干细胞,还会丧失繁殖能力,繁殖能力丧失后还会加速衰老和死亡。大多数昆虫正是这种状态的极端表现,交配/繁殖后即尘归尘、土归土。

虽然大多数脊椎动物表现会好一些,但繁殖能力丧失后,往往都会快速衰老和死亡。人类同样具有这样的规律(尤其是女性)。

人类衰老后之所以还有长达1/3的寿命,则可能源于隔代照顾和知识传承的演化压力。

  • 见“祖母假说” 
正是因为子代竞争,高分化的动物才没有保留或发展出高再生能力,反而保持甚至促进衰老和死亡的发生。

从某种意义上来说,一个人的生、老、病、死的本源动力,都是来源于数亿年演化压力,对基因一代代的不断雕刻。


《参考文献》


[1] Allan, Christopher H., et al. "Tissue response and Msx1 expression after human fetal digit tip amputation in vitro." Wound repair and regeneration 14.4 (2006): 398-404.

[2] Dolan, Connor P., Lindsay A. Dawson, and Ken Muneoka. "Digit tip regeneration: merging regeneration biology with regenerative medicine." Stem cells translational medicine 7.3 (2018): 262-270.

[3] Choi, Yohan, et al. "The strategy and method in modulating finger regeneration." Regenerative Medicine 9.2 (2014): 231-242.

[4] Wei, Xiaoyu, et al. "Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration." Science 377.6610 (2022): eabp9444.

[5] McCusker, Catherine, Susan V. Bryant, and David M. Gardiner. "The axolotl limb blastema: cellular and molecular mechanisms driving blastema formation and limb regeneration in tetrapods." Regeneration 2.2 (2015): 54-71.

[6] Uemoto, Toshiaki, Gembu Abe, and Koji Tamura. "Regrowth of zebrafish caudal fin regeneration is determined by the amputated length." Scientific reports 10.1 (2020): 649.

[7] Zattara, Eduardo E., et al. "A phylum-wide survey reveals multiple independent gains of head regeneration in Nemertea." Proceedings of the Royal Society B 286.1898 (2019): 20182524.

[8] Watkins, Aja. "Reevaluating the grandmother hypothesis." History and philosophy of the life sciences 43.3 (2021): 103.



来源:瞻云 

编辑:停云


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