主题:【原创】死亡起源 The Origin of Death -- az09

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2016-03-17 13:01:07
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az09
az09`21737`/bbsIMG/face/0000.gif`70`2777`8328`70431`正四品下:通议大夫|壮武将军`2008-01-19 15:49:34`
【原创】死亡起源 The Origin of Death 469

关键字:永生,衰老,死亡,生物整体的程序化死亡,寿命,癌症,演化,自然选择,表观遗传,生殖,压力

Keyword: Biological immortality, senescence, death, programmed organism death, lifespan, cancer, evolution, natural selection, epigenetics, reproduction, stress

前言:

首先,这篇文章,包括文章的概述和摘要中的主要观点或假说皆是原创,如需转载,请注明出处。

在这篇文章里,我们将循着生命演化的轨迹,一步一步的揭开生命的死亡与衰老之谜。

其次,这是一篇用科普手法表述的文章,文章很好理解,内容也很有趣。您现在需要做的,只是冲一杯咖啡,然后闲下心来,慢慢的看完这篇文章。当您看完这篇文章之后,或许您就会发现,您眼里的衰老与死亡,乃至整个世界,从此开始变得不一样了……

最后,这篇文章的结论或者假说,初看起来,非常的离经畔道。不过好在科学的发展史上,虽离经畔道却终被证明是符合观察结果的例子向来层出不穷——这也是科学之所以能够发展的动力源泉。总之,我是严肃的提出来这么一个观察结果,而且用严肃的证据来证明它。用来证明这篇文章的大量证据,也大多来自于 Nature 《自然》, Cell《细胞》, PNAS 《美国国家科学院院刊》, eLife 这样的顶级期刊

文章有点长,我本只想写一篇短文的,后来发现,不写这么长,根本无法说清楚问题,结果花了大概两个月,越写越长,好在西西河长文一向不少,我的这篇论起来,其实算是短文了。若是冗长的文字让大家觉得实在无趣,这里先道个歉。

Frank Zou 2016年3月9日,于温哥华

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概述和摘要

1. 本文的标题是“死亡起源”,但是本文真正想描述的,却是“永生”。因为,当我们知道衰老和死亡的起源之后,我们自然就会知道,如何做到永生[1]——至少,是理想状态下某种程度上的永生。

2. 首先,对于生命来说,理想状态下的“永生”,是生命的内在固有属性。也正是因为这个原因,生命才因此具有非常稳定的结构,才能延续亿万年而绵延不绝。我们可以在所有的物种的身上都观察到这种“永生”的现象。而自然界中,人们司空见惯,乃至于被认为是天经地义而无法避免的衰老和死亡现象,反而是一个需要提出疑问并值得思考的对象。因为衰老和死亡所代表的,是一种不稳定的、倾向于崩溃的结构,而不稳定的结构是不可能延续亿万年,经历沧海桑田与种种磨难繁衍到现在的。本文会告诉大家:生物的衰老和死亡机制,不论从细胞的个体衰亡到有机整体的衰老和死亡,其实都是在演化的过程中创造的,并且是一种程序化行为。

3. 正因为理想状态下的永生是生命的内在固有属性,所以生命的长短,对于绝大多数的多细胞复杂生物来说,其实都是可控的,它是一个可变的变量。某个物种寿命的长短,不是内在恒定的,而是竞争的结果。当竞争和环境改变了,自然选择这只“看不见的手”,会使得生物去选择最有利竞争的方向,去改变这个变量。这就是说,复杂多细胞生物的生命的长短,不但可控,而且,它们可以通过调整自己生命的长短以适应环境的变化和选择,凡此种种,只不过是竞争的一种手段而已。(单细胞生物也有自己的永生和程序化死亡机制,而多细胞生物则把这种可控性向更广阔的方向发展)

4. 高等生物的衰老和死亡,本质上来说, 是一种自杀行为,是通过某种程序化机制逐步实施的,对于整个机体实施的自杀行为(programmed organism death),就如同细胞的凋亡(programmed cell death)一样。 这种自杀行为,只是为了获得更好的竞争条件。 这套完整的自杀机制,就写在我们的DNA里面,或就许在我们的有生之年,便可以被解开。

5. 生物的生命的任意一个阶段(stage),其生长和衰老速度(也就是那个阶段的寿命)也都是可调的。为了适应竞争和环境的需要,生物可以选择调节自己生命某一个阶段的生长、衰老和死亡速度,以及这个阶段的生命周期的长短。比如,对于某种昆虫,如果有必要的话,它可以极大的延长自己的幼虫时段的寿命;或者相反,在成虫或者成年产卵后,它很可能会选择突然触发死亡机制,也就是选择自杀。

6. 因为衰老和死亡机制是演化过程中引入的一个控制手段,所以如果我们试图去简单寻找所谓的“长寿基因”,我们很可能不会有太多的收获,因为永生本就是生命的固有属性。反之,我们需要寻找的,是那些让我们衰老和死亡的一系列基因组。诸多与自然衰老和死亡相关各种因素中,许多所谓的因素或者标志,其实都大多只是结果,而不是原因。生物在自然状态下,与它的衰老和死亡相关的最主要的因素是如下三点: 1. 生殖;2.压力(stress);3.遗传(包括表观遗传)。

7. 高等动物的衰老机制和死亡机制很可能不是同时产生的。真正意义上的衰老机制,或许是在哺乳动物这样的温血动物出现以后,为了适应它们的生活习性才产生的。

8. 自有生命以来,有两个问题一直是每个物种都需要面对和解决的,那就是1. 如何维持足够的,可以保证种群延续的种群数量;2. 如何获得足够的,演化过的(或者说升级改良过的),可以适应环境变化的个体。让这两者在自然选择这只看“不见的手”的作用下,达到一个微妙的平衡。这两点是关系到生物之所以衰老与死亡的一个最根本的因素。我们观察到的各种动物和各种植物的无性生殖与有性生殖之间的微妙平衡,细菌的衰老与凋亡,各种多细胞生物的父代与子代之间的数量的平衡,个体的衰老和死亡,都与此有关。

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自古以来,曾经有无数的人都问过同样一个问题:“我们为什么活着?” Google最近用超级计算机设计了一个可以自主学习的人工神经网络机器人(AI),与它类似的AlphaGo人工智能刚刚在围棋上击败了人类的世界冠军李世石。Google AI 会从Google 浩如烟海的庞大数据库和媒体里面,采用模拟人脑学习并思考的方式去寻找问题的答案。2015年6月,当它被问及我们为什么活着时,Google人工智能的回答是:“为了永生。”( the purpose of living is 'to live forever')。[58]

我不清楚这个具有超强的穷经据典能力的机器为什么会得出这样的答案,不过我会对它说:“恭喜你,答对了!”

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图1. Google人工神经网络智能(AI)对生命意义的解释:生命活着的目的,是为了永生。( the purpose of living is 'to live forever')

关于生命的衰老与死亡,一直都是一个很有趣的话题。我们所生活的这个世界非常的绚丽多彩,但是对于观察者来说,它却也往往因此显得过于繁杂,特别是当我们试图去观察和了解它的时候,更是如此。当我们开始研究我们所处的大千世界的时候,经常会被各种各样的噪声和干扰讯号所困扰。 所以,为了揭开事物的本质,我们通常都需要设法把那些干扰和噪声都过滤掉。因为只有这样,我们才有可能穿过重重迷雾,看清楚事情的本来面目。关于生命的衰老、死亡及其演化,自然界中有许多非常极端的例子,通过观察这些极端的例子,我们却往往可以拨开真相,看清事情的本质——这是因为,许多极端的例子,往往都是去了掉噪声信号,展现出事物本来面目的

本文准备讨论的问题很大,甚至为此部分改写了生物的演化机制,所以涉及的范围也很广。不过我们在进行广泛的讨论生物的衰老和死亡机制之前,我们可以先放松一下,看看下面一些有趣的例子:

加拿大北极的灯蛾毛虫,便是一个非常有趣的小生命。我们知道,一般的昆虫幼虫,生命周期不过几个月而已,而北极灯蛾的幼虫,却可以存活达14年之久。于此相类似的, 还有北美的17年蝉的幼虫,它们的寿命竟可以长达17年。研究者在观察这两种物种时发现,他们的长寿都和它们低温的生存环境,或者它们演化历史上的低温生存环境有关。北极灯蛾的幼虫,甚至可以在北极零下70摄氏度的极端环境下存活。冬天的它,躲在一小块岩石下面,全身被冰雪覆盖,血液冻结,心脏停止跳动。而来年春天,冰雪融化之时,它却可以迅速复苏,重新开始活动。而17年蝉的生命周期之所以如此之长,科学家们相信也是和地球历史上的冰河期有关。这两种昆虫之所以有这么长的幼虫期,主要是因为在极端低温的生存环境下,他们都不能在一个夏天内积攒够足够的能量从而转化为成虫,于是他们选择了延长生命,以此来获得足够的能量

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图2. 寿命长达14年的北极灯蛾毛虫 (Arctic woolly bear moth)

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图3. 寿命高达17年的17年蝉 (Magicicada septendecim)

那么,当我们看到这里,就有一个有趣的问题要提出来了:

我们都知道,大多数昆虫的寿命通常只有两三个月甚至只有几十天。那么, 为什么上面例子中的两种昆虫的寿命如此之长? 难道他们有什么特别的特异功能,有什么特别的“抗衰老基因”吗? 毕竟,通常我们理解的是:生命的衰老和死亡,是不可抗拒的,就如同机器会损耗,会报废一样。所以看起来,似乎需要很特别的机制和提供很特别的力量,才能延长它的寿命以达到象它们这样的,是许多昆虫的10倍乃至100倍以上的级别。打个比方,如果说普通飞蛾的寿命是在它们的相当于人类70岁的“虫龄”寿终正寝的话,北极灯蛾则是“千年老妖”了。而且看起来,这些“千年老妖”们还一个个都精力充沛,似乎还有再活“一千年”的潜力。相信有人会说:它们的寿命之所以那么长,是因为激素的作用,比如保幼激素等等所致。 但是,激素并不能解释它们的长寿,因为在一般的理解下,一个油尽灯枯奄奄一息的老人(或者虫子),即便给它再多的激素似乎也很难维系他的生命。同时,我又知道,从基因以及细胞构成的角度来看,其实不同种类昆虫的基因和细胞的差别,似乎并没有那么大,为何这两种昆虫可以得天独厚,获得大自然的如此厚爱呢?

我这里先提前给出答案,答案其实很简单:这两种昆虫寿命如此之长,并非它有所谓的“长寿基因”,它们之所以能够长寿,只是因为它们通过某种手段,暂时关闭了“衰老和死亡开关”。也就是说,其他的寿命较短的昆虫,如果在环境和竞争下有这个必要,给它们足够的时间演化,它们也是可以做到一样的长寿的。这是因为,“永生”才是生命的基本属性。也就是说,即便它不能真的永生,至少,它们的寿命储备也是非常惊人的,如果有必要,它们的寿命应该还能远远超出17年。

为了解释这个问题,也为了揭开生物衰老和死亡起源的重重迷雾,我们需要一步一步循着生命演化的轨迹来探索。其实关于衰老与死亡机制的任何分析与假说的对错与否,有一个简单的判别标准,那就是:它们都必须能够通过演化论的检验。关于它们的各种理论与分析,也都必须给出一个可以历经千万年的时间与竞争的考验而不会自己崩塌的稳定结构。如果不能自证这一点,那么这个理论或者假说就一定是不靠谱的。

待续........,请点击:死亡起源(二)

备注与参考文献

[1] 本文的永生,指的是理想状态下的永生。

[58] Oriol Vinyals(Google), Quoc V. Le (Google), A Neural Conversational Model, arXiv:1506.05869v2 [cs.CL] 23 Jun 2015,http://arxiv.org/pdf/1506.05869v2.pdf


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