2018物理学使“衰老”变得不可避免

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物理学使衰老变得不可避免
4年前，在我出版《生命的棘轮》一书时，我关注的重点是，在周围的分子一片混乱的情况下，生命是如何创造并维持那些高度有序的系统的也就是分子是如何被安装上棘轮、从混乱中提取秩序的。令我感到惊讶的是，这本书在衰老研究领域引起了极大的反响。美国国家衰老研究所心血管科学实验室的主要负责人埃德拉科塔说，衰老是从秩序中提取混乱。 　　最近，我应邀为鹦鹉螺网站专门撰写了文章，谈到了这些观点，也收到了数量相当可观的评论，比如：①我们是开放的热力学系统，因此不会遵循熵不断增加的规律（因为我们总是可以从环境中获得更多的低熵能量）;②我们的细胞有一个修复系统，可以处理可能发生的任何损害;③现实中就存在永生的细胞和生物体，与我宣称的衰老不可避免相互抵触。那么，这些评论究竟有没有道理呢？ 　　 　　第一条和第二条评论的答案基本相同：完全正确。我们是（热力学）开放系统，这一点我在《生命的棘轮》中详细介绍过。低熵能量的摄入，正是我们在分子学机制上可以从分子混乱中提取秩序的原因。然而，分子混乱是始终存在的，从微观角度来说，我们细胞中的分子总是在不断受到损伤。与其他的热力学开放自组织系统不同，如飓风，生命系统有着令人难以置信的严格控制的系统，包括复杂的连锁反馈和调节回路。这些反馈回路都依赖于高度适应性和构建性的分子机器，由未被损坏的DNA提供蓝图，并及时、准确地进行调整并发出信号。这些系统在分子、细 　　胞器、细胞、细胞相互作用、组织、器官以及生物体的层次结构上相互作用，有很多内置的储备、冗余和修复系统。 　　然而，这些系统中的某些部分最终会受到细微的损伤，比如能源供应放缓、信号链变得分崩离析、反馈回路定时有点失常、损坏的分子不能被清除出细胞等，从而在细胞中累积，导致分子机器功能懈怠，或者无法被激活。这种功能的丧失会进一步导致其他系统功能的丧失，因为在生物体中，所有系统之间是相互依存的。这将导致故障的雪崩式增加。永生水母的学名是灯塔水母，直径只有四五毫米，属于水螅虫纲。灯塔水母在20℃的水温中达到性成熟阶段需要25天至30天，性成熟后会重新回到水螅型状态，并且可以无限重复这一过程。 　　在一个庞大的细胞和功能系统中，这一过程的开始只是一个概率的问题。你可以尝试防止一个系统出现故障，但取而代之的是，会有更多其他系统出现故障。而那个试图阻止这一故障的系统，是依赖于其他系统的。所以归根结底，从长远来看，它是肯定会受影响的。我们细胞中的修复系统是一流的，它们使我们能够活到80岁以上，这个时间比任何与我们大小和心率相近的哺乳动物都要长。我们还能活得更长一些吗？原则上来说，修复系统是可以改进的，但是严峻的复杂性使得要想对其进行改进需要很长时间。我们受制于概率游戏，这一事实是始终不会改变的，从而使我们最终输掉这场游戏。 　　第三条评论提到在这个世界上有永生的生物。读者提到的这些永生的生物体，都是非常简单的生物体：典型的单细胞生物体或者至少是未高度分化的生物体。最典型的例子是细菌，还有像所谓的永生水母一类的动物。永生水母有一个逆转其生长发育过程的阶段，从本质上说，也就是永生水母从成虫阶段返回幼虫阶段，然后再重新发育成新的成虫。如此看来，似乎可以这样无限地延续下去，使水母永生。 　　乍一看，这似乎是不可思议的。然而，从某种意义上说，人类也做着同样的事情，我们的生殖细胞也是永生的。但是，这不同于一个成年复杂个体的老化。相较于在许多年中使一个复杂的有机体维持其分子和系统秩序而言，使人类生殖细胞中的DNA保持适度稳定是一个相对容易的任务。然而，即便如此，随着时间的推移，退化也会发生。这就是当父母上了岁数时，孩子的出生缺陷变得更为普遍的主要原因。 　　至于水母，作为一个成年个体，它们显然不是永生的，因为它们必须死去，以回到幼虫阶段。同时，并不是所有的水母都能成功地进行这种转换，所以水母的永生是从群体层面而言的。如果这就是永生的定义的话，那么可以说人类也是永生的！但是，我们通常不会使用这种定义。 　　还有一个重要的事情值得一提，那就是正常的人类（体）细胞也可以永生。这就是所谓的癌症。如果把分子紊乱比作一枚硬币的话，那么癌症和衰老就是同一枚硬币的两面。如果我们的细胞到了某个时候还没有死亡的话，那么分子紊乱和DNA损伤会不断增加细胞耍流氓和癌变的概率。保持我们的细胞在分裂、生长和分化时都遵守秩序的成本是严格的监管，而面对这种热力学上的猛攻以及化学损伤，严格监管的成本就是衰老。
延伸阅读　　当水母的精子和卵子结合到一起时，形成了小小的实囊幼体。但是，幼体并不走寻常路，快乐地长大，而是通常找个坚硬的石头之类一头撞上去，撞出软体的分支结构，即水螅体。 　　绝大多数时候，这些幼体自身分裂出微小的克隆体就像水螅一样出芽生殖，但有些种属也特立独行。它们分离出能自由游弋的小型雄性或雌性水母，再长成成体，然后产生精子或卵子。总之就是怎么高兴怎么来，任性得一塌糊涂。 　　大多数水母可以在这个复杂的生命周期的大部分阶段逆转其生长态势，但一旦它们长成性成熟的成体，就失去了这种倒转乾坤的技能。 　　灯塔水母违背了根本的规则，特别是，即使性成熟的成体也可以反转为未发育成熟的幼体，这样它们就躲过了生死簿，实现了可能的永生。这就像一只蝴蝶突然厌倦了飞翔，又钻回虫蛹。 　　正如多数生物学不死机体的案例，灯塔水母的这个技能也是一个谜。看起来它们在蜕变中细胞涉及了一次异乎寻常的逆转。 　　水母与其他动物没有多少共同点，这也是它们无性繁殖的方式。它们的永生，在我们眼里如此奇特。