衰老生物学,衰老的奥秘

衰老生物学,衰老的奥秘

4 0 亿年前,两个氨基酸碰撞、结合,形成了第一个生物有机分子。有朝一日,这个分子将带来生命。这个分子从诞生的那一刻起,就开始与周围的环境相互作用。分子化学形式的变化记录了这些相互作用随时长变化的历史。从那一刻起,生命分子就总是与生物学变化过程联系在一起。衰老,也就这样开始了。

20 世纪初以前,衰老对人类而言并不重要,因为那时人类的寿命相对较短。公元 1500 ~ 1900 年,西欧和美国人的平均寿命在35 ~ 45 岁之间徘徊,大多数人在出生时即死亡,很多妇女在分娩时死亡,儿童疾病夺去数百万10 岁以下儿童的生命,流感、肺结核等传染病侵袭所有年龄的人群。当时并没有充分的理由去研究衰老——这一影响如此之小的现象。相反,一些疾病导致大多数人在有机会衰老之前就死亡。当时的生物学家专注于研究和治疗这些疾病,而关于衰老的思考则留给了哲学家和神学家。

从 1900 年左右开始,科学技术的进步显著增加了寿命。然而,仍然只有少数科学家从事生物学衰老和长寿的研究。直到1937年,一群科学家在马萨诸塞州的伍兹霍尔举办了衰老研究俱乐部的第一次会议,该俱乐部成为了后来的美国老年学学会。20世纪40年代,生物老年学成为独立的研究学科。

尽管生物老年学家对实验室物种的研究提供了对衰老的基础生物学机制的深入了解,但实验室的这些物种寿命太短,很难作为研究人类中观察到的特殊长寿的机制的模型。于是,一些生物老年学家通过观察长寿的野生动物研究寿命(这一生物老年学的分支称为比较生物老年学),以评估可能导致其长寿的遗传和生化机制。确定抵抗早期死亡及寿命延长的进化机制为研究人类如何向长寿进化提供了线索。

除了简单测量身体大小外,还有其他因素更能反映寿命和体型之间的关系。例如,20 世纪上半叶,探索体型和寿命关系的科学家通过测量单位体重的每日能耗,注意到小型哺乳动物的代谢速率显著高于大型哺乳动物。这引出了一个一般性的理论:能量消耗速率越大,寿命越短——科学上称为“生命速率理论”,更通俗的说法则是“活得快,死得早”。尽管在非科学文献中依然流行,但无法在更广泛、严谨的科学实验中立足。禽类动物的代谢速率是相似体重哺乳动物的2 倍,而鸟的寿命是同体重哺乳动物的2~3 倍。

鸟类和哺乳动物基础代谢率和最大潜在寿命的关系。鸟类比相似体型的哺乳动物寿命更长,代谢速率更高。

越安全越长寿

尽管观察和统计分析表明,野生动物的体型和长寿可能相关,温血动物中发现的很多例外足以说明这是一种偶然关系,而非因果关系。野生动物长寿的原因尽管尚未被充分了解,但极有可能反映了物种适应环境的能力。大型动物寿命较长,可能只是因为它们的体型和力量能够更好地防御天敌。大型动物的觅食区域也往往比小动物大得多,这将降低种群密度,减少对食物的竞争。

1.对捕食者的防御及降低饥饿风险的能力提高存活率。不会飞和飞行能力弱的鸟类(如鸡)的寿命显著低于飞行能力强的鸟类。飞行是一种极其有效的逃避天敌的方式,也是一种比用腿更为有效的长途跋涉方式,从而提供更大的觅食区域。同时,蝙蝠的寿命是同等大小哺乳动物中最长的。长寿的、不会飞的哺乳动物和冷血动物都有保护自己免受捕食的能力。豪猪是继蝙蝠之后,相对于其体型第二长寿的哺乳动物,它们身上的刺极有可能是其长寿的原因。一些物种,如龟,能够活150年以上。

2.群居更加安全。社会性动物,如灵长类动物和群居动物,相对于同体型的寿命比非社会性动物更长。社会延长寿命的一个很好的例子是生活在赤道非洲的裸鼹鼠。裸鼹鼠的体型与小鼠相当,一生都生活在地下。也就是说,裸鼹鼠从不暴露在地面世界的危险中,而且成群生活。因此,这些动物能活到20~30岁,是相似体型哺乳动物的2~3 倍。

裸鼹鼠一生都生活在地下,减少了在恶劣环境中的暴露。这可能是它们就其体型而言相对长寿的原因。

社会性昆虫,如白蚁、蚂蚁、黄蜂和蜜蜂,是另一群长寿动物。这些昆虫的社会层面包括基于繁殖功能的劳动分工,这种社会组织称为完全社会性(eusociality)。繁殖功能也决定了昆虫的寿命。例如,每个蜜蜂蜂巢只有一只具有繁殖活力的蜂王,可以活5~7 年。蜂王与成千上万不育的、负责照顾幼虫和蛹、只能活几个月的雌性工蜂的基因完全相同。一些雌性工蜂会转变成收集花粉、制造花蜜的采集蜂,这些雌性采集蜂的寿命不足30 天。而雄蜂唯一的任务就是与蜂王交配,只能活一个季节周期。因此,一个蜂群中可以包含基因完全相同而具有三种不同表型和寿命的雌蜂,以及寿命直接与繁殖相关的雄蜂。另外,雌蜂的等级似乎由其发育过程中的营养状况控制,营养最好的幼虫才能成为蜂王。完全社会性昆虫的这种特点为生物老年学家提供了简单操纵寿命,以及评估营养和寿命之间相互作用的方法。

蜜蜂的形态和寿命似乎与幼虫期的营养差异相关。蜂王(中央的大蜜蜂)和工蜂(蜂王周围的小蜜蜂)。

持续生长才能长寿

海绵、水母、海葵、蛤类和一些鱼类,被认为极端长寿,尽管这些物种大多数尚未在实验室中饲养,难以估计它们的精确寿命。白鲟(Acipenser transmontanus)是一种发现于北美洲西海岸的淡水鱼,估计可以活到200 岁。海葵在鱼缸里生活超过150 年,这个数据未发表,但经常被引用。直到最近,一种蛤类——北极蛤(Arctica islandica)的极端长寿才被确定并记录在案。以碳定年法检测贝壳,发现一只蛤蜊有400 岁,其他许多蛤蜊的年龄在100 岁左右。这些水生物种极端长寿背后的生化和遗传机制还有待确定,然而这种极端长寿似乎与持续生长有关。因为,生长和发育与很多提高生存能力的生物学功能相关。长寿的蛤蜊显示出更高的抵抗细胞损伤的能力,而细胞损伤是衰老的根本机制。海绵和水母进化出了一种独特的机制,可能是其长寿的原因。海绵和水母的细胞能够在体细胞(somatic cell,不参与有性生殖的细胞)和生殖细胞(germ cell,由多细胞生物的生殖器官或组织产生的、传递遗传信息的细胞)之间转换。生殖细胞拥有特别有效的抵御伤害的机制,并且被认为具有无限的寿命。

(A)白鲟(Acipenser transmontanus) 的最大寿命还不为人知,估计会接近200年。(B)一只使用碳定年法确定为400岁的北极蛤(Arctica islandica)。

那么,衰老意味着什么呢?我们以及其他生物是如何衰老的?为何会衰老?如何衡量衰老?不同物种衰老的原因是否相同?衰老有什么后果?而我们又能做些什么呢?《衰老生物学》一书的主题就是回答这些问题,以及许多其他相关问题。

热量限制:热量限制能够延长啮齿类动物的寿命,减缓其衰老速度。但对人类的效果还不明确,存在争议。不过,低热量饮食对于超重和肥胖的个体具有积极作用。

体力活动:体育锻炼增加肌肉的需氧量,有规律的运动能够减缓衰老的速率

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