关于衰老，两个令人迷惑的问题 | 我们为什么会变老（上）
编者按：
人类可能长生不老吗？衰老对于生命有什么意义？是什么掌控着衰老的时钟？
这些问题大概所有人都关心。
这两篇文章将为你讲述衰老背后的故事，也许会让你对这些问题有新的认识。
经过几十亿年的演化，地球上的生物无论是在身体结构还是生理功能上都取得了令人惊异的成就，但是没有一种生物发展出了永葆青春的方法。所有的生物都会衰老和死亡，没有永生的生物体。动物和植物的衰老和死亡显而易见，而单细胞的生物如细菌和酵母也会衰老和死亡。
所有生物都会衰老和死亡的事实，似乎有些难以理解：生物能够发展出高度精巧的结构，但为什么不能永远维持这些结构，让它们一直工作？
（图片来源：veer图库）
关于衰老，两个令人困惑的问题
如果我们不看生物的个体，而是看群体，就会发现许多物种其实是长生不老的。
蓝细菌（Cyanobacteria）是地球上最古老的生物之一，已经至少有35亿年的历史，但现在仍然在地球上繁衍，而且作为物种毫无衰老迹象。昆虫已经有大约5亿年的历史，现在依旧是地球上物种最多的生物，在可预见的将来还会继续繁衍下去。
而人类自从和黑猩猩分道扬镳以来也已经有几百万年的历史，现在仍然生气勃勃。寻根溯源，地球上所有的生物，包括我们人类，都是几十亿年前那个共同的“老祖宗”连续不断分裂形成的后代。
之所以生物的个体都会衰老死亡而物种却能够一直延续，是因为每种生物都有生殖细胞。它们担负着传宗接代的任务，永远不会衰老，不但会一直保持分裂繁殖的能力，而且由生殖细胞繁殖出来的后代，寿命也不会随着传代数量的增加而缩短。
举个例子，假设人类有600万年的历史，平均20年传一代，那就已经传了30万代。如果每一代由于生殖细胞的轻微衰老而寿命缩短，那么即使每代只缩短一天，人类也早就灭绝了，因为人即使活到120岁，也还不到4万4千天。
其实，会衰老和死亡的是组成生物身体的 “体细胞”。体细胞包括皮肤上皮细胞、肌肉细胞、神经细胞、肝细胞等，它们执行日常的生理功能，包括运动、捕食、消化，排泄等，但是与繁殖任务无关。而我们谈论的生物的衰老和死亡，说的也是由体细胞组成的生物体的衰老和死亡。
这就产生了第一个令人困惑的问题：生殖细胞也是细胞，而且拥有和体细胞同样的DNA和基因，那么生殖细胞永葆青春的手段，原则上体细胞也能够拥有，为什么生物体不把这些手段用到体细胞上，让体细胞也永葆青春呢？那样一来，生物体不是就可以长生不老了吗？
另一个令人困惑的问题是：虽然所有的生物体最终都会死亡，但是在寿命的长短上却差异极大。例如动物中的“蜉蝣”（mayfly），成虫只生活不到一天，真可谓“朝生暮死”，即使加上幼虫生活的大约两个星期，寿命也只有十几天；而几年前人们捕获的一只北极蛤（Arctica islandica）寿命已经有507岁，两者相差一万倍以上。此外，同为哺乳动物，寿命差别也有几十倍：如小鼠的寿命是2-3年，狗的寿命是10-13年，大象是60-70年。
蜉蝣和北极蛤
（图片来源：veer图库、wikimedia）
动物如此，藻类和植物也一样。绿藻中的“团藻”只能生活4天左右，就被自己身体里面孕育出来的新团藻取代，于是原来的体细胞死亡；沙漠中的“短命菊”（The short-lived Chrysanthemum）在下雨后的几周内就完成从萌发、开花到结籽的全过程；而美国西部的一棵名为Methuselah的芒松（Bristlecone pine），则已经活了4,854岁，在其出生之日中国第一个有记录的朝代——夏朝还没有出现。
（图片来源：wikimedia）
如果我们想从不同生物的身体构造上寻找寿命差异的原因是无法得到答案的。因为地球上所有的生物都来自共同的祖先，它们建造身体所使用的“零件”和基本方式都相同。
例如所有的生物都由细胞组成；都用DNA作为遗传物质，而且DNA都由相同的四种核苷酸组成；都用蛋白质作为生命活动的主要执行者，组成蛋白质的20种氨基酸也一样；都用磷脂组成细胞膜，里面使用的脂肪酸也大体一致；就连使生命运行的最基本的生理过程都彼此相同，例如DNA转录为信使RNA，信使RNA转译为蛋白质，蛋白质都在核糖体上合成，分子之间也都通过三羧酸循环彼此转化。
如果我们想从使生物体衰老的机制上找答案，也寻不到头绪。经过多年的研究，使生物体衰老的分子机制已经比较清楚了，主要是DNA和蛋白质的损伤、端粒的缩短、活性氧的破坏作用（活性氧一定会导致衰老？抗氧化剂又真的能延缓衰老呢？戳这里可查看答案）及分子之间的交联等。
这些破坏机制在各种生物中都存在，生物对抗这些破坏作用的机制也差不多，例如DNA修复的机制、防止蛋白质变性的机制、对抗活性氧的酶、端粒酶、细胞的自噬作用等。可是既然在不同生物中引起衰老的机制相似，对抗这些作用的机制也相似，生物的寿命怎么会相差这么大呢？
生物明明有维持细胞青春状态的手段，却只使用在生殖细胞上，“放任”体细胞被各种破坏因素作用而衰老死亡，而且所有的生物都这样做，那就说明衰老和死亡必有存在的理由。
衰老的三个正面作用
按照一些人对达尔文“适者生存”理论的解释：自然选择只会保留那些使身体更健康，繁殖能力更强的基因，而不会保留那些对身体不利的基因，包括使身体衰老的基因，因为这样会使具有这些基因的个体竞争力变弱，从而被不具有这些不利基因的个体所取代。也就是说，自然选择会自动消除那些对身体不利的基因，衰老现象本不应该存在。
但是这样解释有两个问题：
一是认为自然选择只对生物个体起作用，而对群体不起作用，所以只会保留对个体有利的基因。其实自然选择对种群的作用更重要，因为没有种群就没有个体，而种群选择就有可能发展出对种群有利，而对个体不利的特性来。
二是忽略了环境条件的限制。对动物个体来说，当然是生存能力和繁殖能力都越强越好，但是要让这样的动物成功生活，除非自然界能够提供的资源是无限的。可实际情形却恰恰相反，自然界能够提供的资源是有限的，生存能力极强的动物若是大量繁殖的话，早晚会由于超过资源能够提供的极限而自我毁灭。
因此生物的种群要延续，不能只通过发展出生命力强大的个体来实现，还需要限制种群中个体的数量，这就是部分个体的衰老和死亡。
1891年，德国科学家奥古斯特·魏思曼（August Weismann，1834-1914) 提出了用种群的演化而非个体的演化来解释衰老现象。他认为衰老是为种群而不是个体的利益而演化出来的。种群中年老的个体应该通过特殊的机制死亡，这样他们就不会再与种群中年轻的个体争夺食物和其它资源。
在控制寿命的问题上，种群的利益才是唯一具有重要性的事情。而种群中的个体活得长一点或者短一点并不重要，重要的是个体必须为种群的生存做出贡献。
奥古斯特·魏思曼
（图片来源：wikimedia）
Weismann学说的核心是群体选择而不是个体选择，这是理解衰老过程的关键。他的这些想法是在131年前提出的，现在仍然是解释衰老现象最好的理论。
按照Weismann的学说，衰老可以有至少以下三个方面的正面作用：
第一是避免种群过度扩张（overpopulation)。由于自然界能够提供的资源有限，每个物种都必须限制个体的数量，否则就会遭遇到饥荒。衰老导致的死亡就是群体限制个体数量的有效方法。
第二是去除已经完成生殖任务的个体，把资源让给更年轻的个体。年轻（生育期前和生育期中）的个体负担着继续繁衍物种的任务，代表着种群的未来。让年老的个体通过衰老而死亡，这些个体就不会再与年轻的个体争夺食物和其它资源。
第三是使得自然选择过程能够有效发生。自然选择只能通过不断换代来实现，因为只有不断换代，新的个体才能不断产生，并给自然选择提供可以选择的对象。换代不仅能产生新的个体，还会通过有性生殖过程中的基因重组增加新个体基因组合的多样性，使得物种能够更好地适应不断变化的环境。
饥荒和传染病是每个物种都要面临的两个最大的威胁，而过度拥挤（高密度），基因组合又单调的群体不仅容易遭遇饥荒，在传染病面前受到的威胁也最大，因为高密度有利于疾病传播，而基因组合单调又使得群体中缺乏能够抵抗疾病的个体。衰老过程就使得物种能够更有效地应对这两个威胁。
因此，与对衰老过程的负面看法相反，衰老其实在生物的生存和演化中扮演着正面的，必不可少的作用，这就是衰老过程不但不被演化过程所消灭，反而在生物中普遍存在的原因。为了生物物种的延续，年老的个体必须为群体的利益牺牲自己，也就是通过衰老过程让自己或快或慢地死亡。
不过Weismann的这些想法并不被一些人所接受。他们认为：自然选择只能对生物个体起作用，对群体要么不起作用，要么作用很弱。可是既然自然选择只对个体起作用，它又怎么可能发展出对个体不利的功能来呢？
单细胞生物中的一些现象，明白无误地证明了群体选择不仅是可能的，而且是必要的。
为群体的生存而牺牲自己
细菌群落遇到食物短缺的情况时，理论上有两种处理方式：“抢夺”和“退让”。抢夺就是增加每个细菌获得食物的能力，这样最有能力获得食物的细菌就会活下来。与此相反的方式即为退让，一部分细菌为了整体的利益而“自杀”，把食物让给那些更优秀的个体，而且自杀释放出来的营养物还能为留下的细菌所用。
如果自然选择只发生在个体身上，细菌就不会发展出对自己不利的特性。这样一来，细菌对食物短缺的应对方式就应该是抢夺。但如果自然选择能够发生在群体上，就能够发展出对部分个体不利，而对群体有利的退让方式来。
实际情况是，自然选择使细菌采用了退让的方式。每个细菌的身体内都带有毁灭自己的“炸弹”，遇到逆境时就会“引爆”，然后用多数细菌的死亡换取少数细菌的生存。
细菌的这种自杀系统叫做“毒素-抗毒素系统”（toxin-antitoxin system），简称细菌的TA系统，由两个部分组成：一部分是有毒性的蛋白质，它们能够使细胞破裂死亡，释放出细胞内容物；另一个部分是抗毒素，其功能是在正常情况下中和毒素的作用，使其不能发挥作用。
毒素蛋白总是稳定表达的，但是抗毒素分子的生成却受环境条件的影响而变化。在遇到逆境时，抗毒素分子的作用会被减弱，使得毒素蛋白的毒性不再受屏蔽而被释放出来，导致一些细菌的死亡。而且细菌不是只发展了一种自杀机制，而是发展出了多种自杀机制，说明这种机制对细菌物种的延续一定是很重要的，必须保证它在各种情况下都能够起作用。
原核生物如此，作为真核生物的单细胞生物酵母也是这样。在营养不足时，部分酵母也会“自杀”死亡，然后把资源留给少部分能够生存下来的酵母。酵母的自杀机制和细菌不同，它们已经具有多细胞生物细胞程序性凋亡（apoptosis）的特征了。不过即便如此，它们为整体利益而牺牲个体的原则还是一样的。
黏球菌（Myxococcus xanthus）在条件好时以单细胞形式生活。遇到逆境时，粘球菌细胞会聚合在一起，形成能够生产孢子的子实体（fruit body）。在此过程中90%的细胞会自杀死亡，把营养留给生产孢子的细胞。这既可以看成是一些粘球菌个体为了群体牺牲自己，又有些类似多细胞动物体内（如果把子实体看成多细胞生物）细胞的程序性凋亡了。
到了真正的多细胞动物，细胞的自杀机制（程序性凋亡）和单细胞真核生物的自杀机制一脉相承，不过已经不是个体牺牲自己来成全群体了，而是在同一个体内，牺牲局部换取全局的利益。
细胞的程序性凋亡在胚胎发育、免疫细胞的形成及衰老细胞和癌细胞的清除等过程中扮演着不可或缺的角色。例如手在最初的发育阶段只是一个半圆形的小肉瓣，是指间的细胞程序性凋亡后才形成5指。在免疫细胞成熟的过程中，对自己的身体做出反应的细胞都会通过程序性凋亡而消失。
由于部分细胞的自杀通常是为了增进个体的利益而不是毁灭个体，所以多细胞动物牺牲个体换取种群生存的过程就不再由细胞自杀来实现，而是通过衰老来实现。出于和单细胞生物发展出自杀机制同样的理由，自然选择也可以通过对群体的作用而发展出衰老机制。多细胞动物的衰老就相当于是单细胞生物的自杀，目的都是通过去除部分成员来增加群体生存的机会。
不同生物的寿命为何差距巨大？生存需要罢了
既然衰老和死亡为物种的延续所必须，那为何不同生物的寿命差别如此之大，甚至能够达到万倍以上？
因为任何生物都不是单独存在的，而是和环境（包括环境中的其他生物）密切地相互作用。相互作用的具体情形决定了生物的寿命，每种生物的寿命也都是与环境相互作用下维持物种的最佳值。在长期的自然选择中，只有那些寿命长度最适合物种延续的物种才能生存下来。
我们来看一下具体的例子：
狮、虎、狼等捕食者的寿命都比较长，而鼠、兔等被捕食者的寿命会比较短。这是因为捕食者要有足够的食物才能存活，所以它们数量不能太大，也不能繁殖太快，寿命也相对较长。而被捕食者的数量不能太多，以免自己由于食物不足而使种群陷入危机，但也不能繁殖过慢，要避免在繁殖之前就被捕食者全部消灭，因此寿命也相对较短。
寿命（由衰老控制）和繁殖能力控制着捕食者和被捕食者的相对数量。现在我们看到的动物寿命和繁殖能力就是在这种相互作用的情况下，长期共同演化所形成的最佳值。任何一方数量太高或数量太低都会造成生态系统的崩溃。
动物与环境之间的相互作用也能够决定动物的寿命。一个有趣的例子是非洲一类美丽的小鱼，在分类学上都属于鱂属（Nothobranchius），但是不同种鱂鱼的寿命可以相差5倍之多。
在津巴布韦只有短暂的雨季，雨季过后水塘很快就会干涸，所以那里的鱂鱼（Nothobranchius furzeri）寿命只有3个月，相当于雨季的长度。而莫桑比克的雨季比津巴布韦长4倍，那里的鱼（Nothobranchius rachovii）就可以活9个月。此外，坦桑尼亚的另一种鱂鱼（Nothobranchius guentheri）寿命则长达16个月，因为那里有两个雨季（3月至5月和9月至12月）。
（图片来源：wikimedia）
只能活3个月的鱼生长极为迅速，一个月即达到性成熟，然后多次交配产卵，直到第3个月末水塘干涸为止。即使寿命这样短的鱂鱼在生命后期也会显出衰老迹象：运动变慢，骨质疏松，肝脏中脂褐素（lipofuscin）颗粒增加。而脂褐素就是衰老的重要指征之一，人类的“老年斑”中就含有脂褐素。
如果衰老是随机损伤积累的结果，那么如何解释这三种同一属的鱼（身体结构极为相似）寿命差别如此之大，而且“碰巧”与雨季的长度符合？
更合理的解释是：鱂鱼的衰老速度是受到程序控制的，雨季持续的时间选择了寿命正好符合这个时长的鱼类。寿命过长或过短，与雨季的长度不匹配，就会被自然选择所淘汰。将生命缩短，看似对个体不利，但正是这种在寿命上的牺牲换取了物种的生存。非洲鱂鱼的例子也再次证明了自然选择可以对群体起作用，而且是最重要的作用。
植物中类似的例子是生活在沙漠地区的“短命菊”，它们必须赶在下雨后短暂有水的时间内繁殖，否则物种就会灭亡，因此短命菊在一个月左右的时间内就能完成种子发芽、生长、开花、结籽的全过程。
一年生植物在结籽以后就死亡，是避免植株自己“熬”过严酷的冬天，而通过种子来度过冬天，这样物种生存的机会更大。只要物种能够繁衍下去，自己活一年或者多年并不重要。
除了环境作用，生物与下一代的关系也影响其寿命。
雄章鱼交配后会很快死亡，而雌章鱼要照顾产下的卵，会比雄章鱼多活几个月。在这段时间内，雌章鱼停止进食，体重减轻，到卵孵化后就死亡。为什么它们死亡的时间都“刚刚好”在生育下一代的任务完成，不再需要它们的时候？
更好的解释是章鱼也有死亡程序，到时候就启动。如果把产卵后不久的雌章鱼两眼之间的一对腺体摘除，它又会开始进食，接着体重增加，而且可以比对照组（没有摘除腺体的雌章鱼）多活9个月之久。这说明这些腺体是章鱼的“自杀开关”。
（图片来源：veer图库）
澳大利亚袋鼬（Australian marsupial mouse）的幼鼠需要雌鼠包括哺乳在内的长期照顾，而不需要交配后的雄鼠。因此雄鼠在交配后很快就会死亡，寿命总共只有大约11.5个月；而雌鼠可以交配和生育多次，寿命是雄鼠的3倍。
雄鼠的快速衰老和死亡是由雄鼠分泌出来吸引雌鼠的信息素（pheromone）引起的。信息素结合在雄鼠自己鼻腔内的犁鼻器（vomeronasal organ）上，通过海马和下丘脑使自身分泌大量的应激激素如皮质类固醇激素、肾上腺素和去甲肾上腺素，进而导致电解质失调和急性肾衰竭，所以雄鼠其实是自杀而亡的。如果将雄鼠去势，或者与雌鼠分开饲养，则可以避免雄鼠的快速死亡，使它们和雌鼠活得一样长。
这些事实说明，生物的寿命是根据物种生存的需要而决定的。
未完待续…
看完本文，相信大家对那两个令人困惑的问题有了新的认识，不过，控制生物寿命的机制是什么，真的没有办法能够延长一点儿寿命吗？
欲知答案如何，请听下次分解~
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