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

大河奔流 导读 复 314 阅 509178

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2016-03-18 12:41:08
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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`
死亡起源(四)—— “永生”的思想实验 80

续上:死亡起源(三)

如果说上面我们描述的细菌或者细胞们的“永生”方式可能会让作为多细胞生物的我们有些困惑或者无法理解——就好象一个生活在三维世界的我们可能无法理解多维世界的生命一般,那么,从下面开始,我们可以开始观察一些多细胞生物的“永生”了。

2. 多细胞生物的“永生”。

2.1 一个思想实验。

讨论完单细胞生物后,现在我们可以开始讨论多细胞生物了。不过在讨论之前,我们需要先做一个思想实验:

我们都知道,大部分有性生殖的高等生物,其生命都来源于一个单细胞:受精卵。那么,我们做下面这样一个思想实验。我们不妨把一个单细胞生物,比如一个大肠杆菌,看作是一个受精卵。然后把它放进一个封闭环境,比如一个容器里面,提供适合的生存环境。然后,这个大肠杆菌就开始分裂并繁殖了。现在,让我们不妨把这个细菌分裂出来的所有细菌的整体,看作是一个单个的“多细胞生物”。在广义上,我们是可以把这个细菌团定义为一个特殊形态的“单个的”生物体的,只是我们需要加一些特定的描述条件而已。比如,我们可以把容纳它的容器内壁作为它的皮肤或者包膜,把容器内的细菌培养液看作是它的组织液等等。或许它和我们平时看到的有组织的多细胞生物不一样,但是,在概念上,我们是可以将其定义为一种特殊形态的,没有组织功能的一个“单个的多细胞生物”。

然后我们只要稍微思考一下,就会得出一个结论:这个抽象的单个的“多细胞生物”,在理想条件下是永远不会衰老和死亡的,只要条件合适,它可以一直生存下去,它是“永生”的

那么,问题就出来了:为什么这个“多细胞生物”作为一个生物整体,竟然是不会死亡的呢?

答案其实很简单:这个所谓的“多细胞生物”太原始了,它还没有演化出对于所有细胞整体而言的死亡和衰老机制。而且,正因为它的原始,它也不需要产生对于这团生命的整体而言的那种衰老和死亡机制,它可以通过大肠杆菌群内个体的基因变异,或者它们之间的结合生殖并交换DNA片段来演化和适应自然。

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图11. 思想实验中的细胞群所构成的这个“多细胞生物”的寿命是无限的,它是“永生”的。

和上面类似的实验其实已经有人做过了,只是他们使用的是酵母菌。当然,他们的目的也不是为了验证我的思想实验,他们的实验目的是为了观察是否可以从酵母菌群演化成一个有组织分化的多细胞生物。2015年1月《自然》杂志发表了这篇论文,介绍了美国明尼苏达大学的William C. Ratcliff小组曾经成功的在短短60天以内,就获得了一个由酵母菌组成的“雪片”状组织,显示这团细胞已经开始进行组织分化了 [6] 。另外,文章中,他们居然声称观察到了部分细胞组织的程序化死亡。(不过我对此深表怀疑,部分组织的程序性死亡不可能这么简单,居然可以在60天之内演化出来。有反对的声音说,酵母菌在上亿年前的祖先本就是多细胞生物,这只不过是它深藏在体内的,它们祖先的基因的一个表现而已)

总之不管怎样,有人利用酵母菌做了一个从单细胞到多细胞生物的演化实验,观察到了原始的组织分化。我们可以发现,这样简单的一个原始的,具有“组织分化”的生命,显然还没有演化出对于“整个多细胞生物”的衰老和死亡机制。所以,这个实验所产生的“多细胞生物”,在理想条件下也是永生的。

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图12. 美国明尼苏达大学实验室产生的由酵母菌演化而成的“多细胞生物”也是永生的

在生命从单细胞生物到多细胞生物的演化过程当中,有一种小生物是我们不得不提及的,那就是领鞭虫(choanoflagellate)。领鞭虫是一种单细胞生物,早在1888年,英国科学家William Saville-Kent便发现作为单细胞生物的领鞭虫和原始多细胞动物海绵之间的相似性了,因为海绵的环细胞看起来就像是一个许多领鞭虫的聚合体。而事实上,领鞭虫也往往会集聚在一起,形成一个多细胞集聚态(multicellular colonies)。领鞭虫是通过尾部长长的鞭毛搅动水流而捕获食物(细菌)的。当它们形成集聚团的时候,它们在协同作用下搅动的水流,会变得更有效率,也因此可以获得更多的食物。至于聚集成管状的多细胞动物海绵,它们的鞭毛的泵水能力则更加惊人,几秒钟内就可以泵超过自身体积的水流,也因此可以捕获大量的食物。美国加州大学的Nicole King团队则对领鞭虫由单细胞生物演化到多细胞生物的可能性做了进一步的研究。比如,领鞭虫在变成集聚态后,为了协调一起动作,它们是要进行细胞间通讯的,并且为此它们的细胞也需要有一定的分化能力,Nicole团队的研究发现领鞭虫含有多细胞生物才有的细胞间通信所必须的基因,并会在适当环境信号刺激下形成集聚态,相关文章发表在2014年3月的elife杂志上。[7][8]

同样,和上面的思想实验一样,在理想状态下,领鞭虫的多细胞集聚态(multicellular colonies)所构成的“原始多细胞生物”也是“永生”的。值得一提的是,有不少海绵的寿命也很长,南极洲的一些硬海绵的寿命可以高达1000年以上。

上面举出的三个例子,其实都还属于思想实验的范畴。它们各自在演化的道路上进化程度有所不同,不过我们可以观察到它们开始由松散独立的个体,向有合作的细胞群落发展了。下一章,我们将开始用真实的例子来说明问题。

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图13. 早在1888年,英国科学家William Saville-Kent便发现单细胞生物的领鞭虫(choanoflagellates)和原始多细胞动物海绵的环细胞(sponge choanocytes)之间的相似性了,因为海绵(图右)看起来就像是一个许多领鞭虫(图中)的聚合体

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图14. 领鞭虫(choanoflagellates)可以转化成一个多细胞的集聚态(multicellular colonies),并且有细胞间通讯。它们是生命由单细胞生物演化为多细胞生物的一个可能途径

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图15. 领鞭虫(choanoflagellates)可以形成多种集聚态(球状或链状),同时领鞭虫细胞有一定的分化能力,以适应不同的多细胞集聚结构

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图16. 荧光染色后的海水显示出海绵(Sponge)惊人的泵水能力。荧光染色过的海水,显示出有大量的水流,从海绵中持续不断的喷射而出。这个效果是由海绵众多环细胞的鞭毛,在协同一致的作用下达到的

待续........ 请点击:死亡起源(五)

备注与参考文献

[6] William C. Ratcliff, Johnathon D. Fankhauser, David W. Rogers, Duncan Greig & Michael Travisano, Origins of multicellular evolvability in snowflake yeast, Nature Communications 6, Article number: 6102

[7] Nicole King: Choanoflagellates and the origin of animal multicellularity http://www.ibiology.org/ibioseminars/nicole-king-part-1.html

[8] Levin TC, Greaney AJ, Wetzel L, King N: The rosetteless gene controls development in the choanoflagellate S. rosetta. eLife 2014, 3.


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