有人問:既然人和猴子都不能長生不老,進化還有什麼意義?也有人問:地球生命已經進化38億年,人類也有200多萬年的歷史,為什麼還是沒有進化出永生能力?這代表了大眾對進化和死亡存在的普遍誤解。
很多人以為死亡是生命的宿命,但事實上,永生才是生命的本來屬性,而死亡是進化的產物。
最長壽的多細胞生物:北極蛤
絕大多數生命體的壽命都有極限,人最多活120多歲,東部箱龜可以活到138歲,巨紫球海膽和阿留申平鮋可超過200歲,格陵蘭睡鯊能活到400歲,北極蛤的壽命極限是507歲。
生物的衰老和海弗利克極限有關。海弗利克的實驗證實了體外培養的人體細胞至多只能分裂50-70次,之後就會停止分裂,並衰老和死亡。現在我們知道,海弗利克極限是由端粒長度決定的。
端粒是真核生物染色體末端一段不編碼任何蛋白質的DNA序列,細胞每次分裂都會丟失一小段端粒。等到端粒長度小於臨界長度,細胞就停止分裂,生命體也就走向衰老和死亡。
端粒長度隨著細胞分裂的次數增多而縮短
唯有癌細胞能突破海弗利克極限。因為癌細胞內高活性的端粒酶能填補因細胞分裂而丟失的端粒。然而,由於癌細胞不能分化成組織器官參與機體建設,它的無限增值還會奪取正常細胞所需的養料,因此癌細胞的永生是以生物體的迅速死亡為代價的。
在理想生長條件下,對稱分裂的細菌和酵母能實現生物學上的永生。它們以二分裂方式繁殖,每次分裂都會使細胞重回年輕狀態。由於每個子細胞都與親代完全相同,它們都可以視為是親代生命的延續。如果環境適宜,它們的分裂將一直持續下去。
高等生物求之不得的長生不老,低等的細菌和酵母卻可以輕易實現。這告訴我們一個秘密:原始生命本來是能夠永生的,但它們卻放棄了永生能力,進化出了衰老和死亡。
在高等生物的有性生殖中,父母產生子女需經過基因重組,子女無法再延續父母的生命。因此,從生命選擇有性生殖的那一刻起,就失去了永生能力。最早的有性生殖化石證據發現于巴芬島的岩層中,可追溯至10-12億年前。然而,科學家普遍認為,有性生殖的進化和真核生物的產生是同步發生的,這一時間點大約在距今21億年前。
最早的有性生殖證據是一種名叫Bangiomorpha pubescens的紅藻,發現于加拿大巴芬島
除了失去永生能力以外,有性生殖的其他弊端也是顯而易見的。無性生殖中任何一個個體都可以繁衍後代,而有性生殖中只有一半個體能繁殖,這大大降低了繁殖速度。而且在有性生殖中,生物只能將自身的一半基因傳遞給後代,這似乎與基因延續的目的相悖。
這兩個「一半」,就構成了有性生殖的「兩倍成本」,然而,有性生殖的代價不止這兩倍成本。生物的性需要浪費大量的時間和能量,這些浪費對生存和繁殖本身毫無益處,反而還會帶來麻煩,如招來天敵的捕獵。然而,有性生殖能在當今生物界中佔據主導地位,證明它所帶來的適應性優勢遠遠超過了成本。
雄虎和雌虎正在交配
有性生殖的一個明顯優勢是阻止有害突變的積累。經過父母雙親的基因重組,在基因水準上提供了兩種容錯機制:一是在減數分裂產生配子的過程中,同源染色體要經過配對和複製,受損傷的基因得以修復;二是在合子形成之後,雙方的有害突變彼此掩蓋,優勢得以互補,這就是我們說的雜種優勢。
有性生殖在基因延續上的優勢,具體地表現在以下三個方面。一是將兩個有益突變結合在一個個體身上,使有益性狀更廣泛地傳播。二是將兩個有害突變聚集在一起,將有害基因更快地從種群中剔除。三是通過基因重組,創造出比以往存在的基因型更加適應環境的新個體。
雄孔雀開屏與性選擇有關
有性生殖不可避免地涉及到性選擇,即多個雄性爭奪一個雌性。最終的結果是:優勢雄性三妻四妾,留下更多後代,優勢基因得到更廣泛的傳播;而劣勢雄性很少或根本得不到交配機會,劣勢基因在種群中減少乃至消失。這是在無性的種群中所不存在的強大進化動力。
「生命誠可貴,愛情價更高」。20億年前的原始生命似乎做出了匈牙利大詩人裴多菲詩句中的選擇。然而,這裡面有個細思極恐的事實——進化的本質在於基因的延續,而生命體不過是個容器罷了。對自私的基因來說,在複雜多變的環境中,時不時更換新容器,要比長期使用同一種容器,更有利於它們的傳播和延續。
雄獅茂盛的鬃毛是健康、有活力的指標
要想知道真核生物為什麼放棄永生而選擇有性生殖,必須先搞清楚在真核生物產生之際,即距今20多億年前,地球環境是什麼樣子的,正在經歷哪些變化。
從原始生命最初產生的距今38億年前開始,前後持續了14億年,地球環境沒有太大變化。古細菌和真細菌不斷分裂,在淺海中無憂無慮地生活著。
然而,到距今24億年前,藍藻產生的氧氣開始在大氣中聚集,這就是「大氧化事件」,對厭氧的原始生命來說,氧氣是有劇毒的。同時,氧氣消耗掉大氣中的溫室氣體甲烷,使地球在幾萬年間下降了70℃,整個地球被凍住,這就是休倫冰期。
大氧化事件的遺產:巨大的鐵礦床
對分裂生殖的古細菌來說,進化的唯一動力是基因突變,況且突變還多是有害的。它們因無法適應如此劇變的環境而紛紛死亡。我們今天只能在海底火山噴口等極端環境下,才能看到古細菌的蹤跡。到頭來,永生成了永滅。
有一支古細菌活了下來,它們發展出了基因重組機制,每一代的性狀都各不相同,總有個體能適應複雜多變的新環境。它們的後代有個響亮的名字,叫做真核生物,這種新的繁殖方式就是有性生殖。今天所有的動物、植物和真菌都是這些原始真核生物的後代。
雌性水母排出卵子,為基因重組做準備
長遠來看,有性生殖是生命延續和發揚光大的唯一機會。儘管有性生殖的生物註定無法永生,但它們的後代卻可以活得更久、更精彩。經過20億多年的進化大戰,裂殖的細菌還是老樣子,有性生殖的真核生物卻以極具多樣化的形態佔領地球的各大生態位,還演化出了我們人類這樣的高智慧生物,成為地球的統治者。
細菌和癌細胞在生物學上是永生的,但它們永生的前提條件是環境一直不變、一直適宜——這個前提在瞬息萬變的地球上是不可能成立的。在現實環境中,細菌的一個細胞系能活幾年就不錯了,終免不了全軍覆沒的命運。
海拉細胞的免疫螢光圖
海拉細胞系(取自一名婦女的宮頸癌細胞)已經存活68年了,但這是在實驗室培養的理想條件下,現實中癌細胞的壽命不會超過宿主,它在解決宿主後自己也就走到頭了。因此,在生物學上永生的生物,在現實中活得更短,這是個相當諷刺的事實。
通過上面的分析,我們得知生命進化的本質在於基因延續,我們這個容器只要將基因傳遞給後代,就算完成了任務。然而,活著是生命的固有屬性,我們的永生雖稱不上對基因延續有利,但也絕稱不上有害,為什麼會進化出衰老和死亡呢?
有人說,只有個體生命衰老並死亡,才能給種群新生力量的發展騰出空間,有利於整個種群的繁榮。這話貌似很有道理,但並沒有從科學上揭示衰老和死亡產生的本質。
印度海德拉邦的老人
1951年,彼得·梅達瓦爾提出了衰老的突變積累理論。他指出,自然選擇的作用隨著個體年齡的增長而下降。當有害突變在生命早期表達的時候,由於會對個體產生的後代數量產生重大影響,自然選擇的作用非常強烈,能很快將這些有害突變剔除。
然而,有些有害突變是在生命晚期表達的,尤其是在個體繁殖停止之後,自然選擇根本不起作用,因為這些有害突變早就在不知不覺中傳遞給後代了。隨著時間流逝,這些在晚期表達的有害突變會因遺傳漂變而積累起來,最終導致生命體的衰老和死亡。
例如,亨廷頓氏病可致患者癡呆,罹患各種併發症並最終死亡,危害極大。而且它是一種常染色體顯性遺傳病,能代代遺傳並表達。但這個病仍然得以流傳至今,因為它多在30歲以後發病,患者早就在30歲之前的生育中把致病基因傳遞給子代了。
「選擇陰影」模型
為了更好地表達突變積累理論,梅達瓦爾繪製了「選擇陰影」模型。個體生育力在剛成年的時候達到高峰,之後保持不變或下降。而由於內部(疾病)和外部(意外和天敵捕食)的種種生存壓力,個體存活率隨著年齡增長而下降。二者加在一起的結果就是,生物到晚年繁殖幾率很低,自然選擇對這一階段表達的有害突變幾乎不起作用。梅達瓦爾用「選擇陰影」概念表示自然選擇缺席的年齡范圍,這就是生物體的老年階段。
根據「選擇陰影」模型,通過延長生物的生育期,能提高自然選擇缺席的年齡,從而促進延緩衰老和長壽的進化。在自然界,會飛的動物由於天敵較少,生育期也較長,因此有利於長壽的進化。動物學家發現,蝙蝠的壽命可達30多年,而體型、代謝率均相似的老鼠壽命卻只有幾年,這一事實證明瞭突變積累理論的合理性。
果蝠壽命可達35歲
然而,生物在晚年的繁殖幾率一定低於青壯年,自然選擇的陰影必然存在,在陰影區表達的有害基因也將持續傳遞給後代,使生物世世代代都逃脫不了死亡的宿命。
因此,任何有性生殖的物種都不可能通過自然進化實現永生。未來要想實現「凍齡」或者長生不老,有賴於人類超越自然的技術。