2022年04月06日 09:00
【科學快訊】
生存還是毀滅？這不僅是一個哲學問題，也是生物演化中真實存在的終極拷問。生和死這兩者在個體生命的兩端辯證而統一的存在著，串聯起個體生死乃至物種存亡的是繁殖這一重要使命。
對於人類個體，死亡帶來的往往是不幸與苦難，古今中外人類始終抱有長生不老的夢想。但是從更廣闊的時間軸上來看，個體的衰老和死亡與新生一樣，對整個物種的繁衍是極其重要而有價值的。
為了本物種的長盛不衰，殘酷的物競天擇教會了地球上的生物至關重要的兩條生存定律：
1。生物演化的基礎有兩點：足夠維持種群的個體數量和滿足適應環境變化的基因多樣性。
2。在有限的資源環境裏，以合理的時間和形式完成世代更迭，有利於整個物種的發展。
讓我們沿著進化的軌跡，看看這兩條定律是如何發揮作用的。
Part.1
基因多樣性：應對競爭的秘密武器
古生物學家發現早在35億年前，地球上就已經存在能利用陽光產能的光合細菌，以及能夠制造甲烷的古細菌等微生物。這些古老的微生物曾經為地球環境的演化做出了不可磨滅的貢獻。值得一提的是約10億年前誕生的藍菌，它的出現使得原本充滿二氧化碳、甲烷和氨氣的大氣層開始擁有氧氣。而厭氧生物如果不能適應氧氣的增加就會死亡甚至滅絕。為了生存和繁殖，各種生命不得不進化出各自的本領來適應環境的變化，物種競爭的大幕從遠古時期就已經拉開。
物種的進化主要來自兩方面：個體的基因突變以及自然選擇。這兩者的區別在於，基因突變產生的改變可好可壞也可以默默存在，而自然選擇幾乎一邊倒的將不利於生存的那部分清除。基因多樣性的增加意味著在自然選擇到來時應對的策略和可能性更多。人類最近觀察到的一次自然選擇事件發生於2017年8,9月間，美國哈佛大學科學家科林·多尼休剛在西印度群島完成小型安樂蜥屬（Anolis scriptus）種群的研究工作，幾周後颶風艾爾瑪就突然造訪，在颶風過後，科學家們沿著同樣的路徑抓了100只蜥蜴，發現它們的前後腳趾趾板面積的平均數比之前的分別大9.2% 和6.1%，而且後腿長前腿短，這樣的蜥蜴更容易抓住樹枝在颶風中存活下來<1>。正是因為基因多樣性的存在，才使得這一種屬的蜥蜴不至於在一次颶風過後就全部滅絕。
維持種群的個體數量與基因多樣性之間有著千絲萬縷的聯系。國際自然及自然資源保護聯盟IUCN自上世紀60年代開始發布瀕危物種紅皮書（Red Data Book），根據物種受威脅程度和滅絕風險將物種列為不同的瀕危等級，而界定不同等級的一個最重要的標准就是種群中可繁殖個體的數量。種群中可繁殖的個體越少，滅絕的可能性越高。我們知道近親結婚後代很可能會有某些遺傳疾病，在其他生物中亦是如此。種群內個體數量越少，其後代的基因越相似，一方面不利於基因多樣性，另一方面那些後代患有共同基因疾病的風險也越高，一旦落入惡性循環，整個種群將處於衰退狀態最終導致滅絕。
在地球曆史上，生物已經經曆過五次自然大滅絕，而我們現在正處於第六次物種大滅絕的進程中。隨著人類活動的加劇，越來越多極端天氣的產生以及生存環境的變化，都對其他物種造成了比自然災害更為頻繁和劇烈的影響，人類對這次的物種大滅絕有著不可推卸的責任。那些幸存下來的生物不得不學會如何在城市中立足，當然也出現了一些適應了人類活動並因此得益的物種。適者生存的法則就像一把大刀，追趕著每個生物不停前進。生存不易，且活且珍惜。
Part.2
有性生殖：開啟基因多樣性的鑰匙
繁殖是物種存在的根本，是所有生命都有的基本現象。任何一個物種的延續都離不開繁殖，而它們各自的繁殖方式卻大不相同，如果要細說這一篇都說不完。存在即是合理，不管哪種進化方向，只要沒有淹沒於曆史長河至今依舊生存在這地球上，就是成功的。
在進化的初級階段，細菌、病毒等通常采用無性繁殖。細菌通過無性二分裂繁殖，簡單說就是把自己的所有物質複制成兩份然後一分為二。病毒的自我複制就更加簡單粗暴，它甚至放棄了細胞結構，只有外殼和一段遺傳物質，通過寄生的方式利用宿主，不知疲倦地只做自我複制這一件事，簡直可以說是繁殖界的標兵。
在一些原始動物中，慢慢進化出了一種新的繁殖方式——孤雌生殖。不需要雄性個體的存在，單獨的雌性也可以通過複制自身的DNA進行繁殖。與無性繁殖不同之處在於：無性繁殖並不存在生殖系統而是由成熟細胞本身發生自我複制和分裂；而孤雌生殖的動物有生殖系統，卵細胞以減數分裂的形式存在，符合「雌性」的定義。
然而無性繁殖或孤雌生殖畢竟還是複制了同一套母本DNA，其後代發生突變的幾率遠不如有性生殖多。有性生殖是由親本產生的兩性生殖細胞（例如精子和卵細胞）的結合成為受精卵，再由受精卵發育成為新的個體的生殖方式。在有性生殖中後代接受了來自父母雙方的基因，在融合的過程中大大豐富了基因多樣性。在進化的過程中，為了獲得更多利於適應環境的基因突變，越高等的生物越傾向於有性生殖。
進化中總有處於過渡地帶的生物，比如可以通過出芽方式無性繁殖並在成熟後進行有性生殖的真菌，以及擁有無性繁殖世代和有性生殖世代的水母等，這在後文還會提到。秀麗隱杆線蟲則處於孤雌繁殖和有性繁殖的過渡區間，在自然界中絕大多數秀麗隱杆線蟲都是雌雄同體，它們擁有一對性染色體，可以用自己精囊產生的精子為自己的卵子受精。但在自然條件下有萬分之五的概率會丟失性染色體中的一條而產生雄性後代，這「萬裏挑一」的雄性可以通過交配讓雌雄同體產下比自交更多的後代，並且雌雄同體會優先使用雄蟲的精子。有意思的是，在實驗室通常會使用熱刺激性成熟前期的雌雄同體的方式促使其性染色體的丟失，從而提高雄性產生的幾率。或許在自然界中也是如此，正常環境下秀麗隱杆線蟲通過自交產生數量和基因穩定的後代，只有極少的雄蟲起到豐富基因多樣性的作用；當遇到不利的環境，便會通過提高產生雄蟲數量的方式產生更多的後代以提高整個種群存活的幾率。
圖片來源：www.wormbook.org
Part.3
主動調控：進化邁出的一大步
高等生物的衰老和死亡如同細胞的凋亡一樣，是某種程序化機制運作的結果，開啟衰老和死亡模式的開關，正是隨著進化一步一步編碼在DNA裏寫入我們基因的。
低等生物，無論是細菌、真菌還是病毒，它們的生存、繁殖和死亡並不是主動調控的選擇，而是由外界環境決定：環境適宜便可無窮無盡的存在，環境惡化不能繼續繁殖就走向死亡。
一個細菌菌落只要有足夠的營養和空間就可以無限的繁殖，一旦營養缺乏，整個菌落就可能走向死亡。在這種情況下細菌應對的方法是：對同類型細菌是多占營養加快複制不給對方壯大的機會，對不同類型的細菌則可以和諧共存互惠互利。人類的腸道菌群就是一個很好的例子，各種細菌幫助消化分解不同的食物，維持整體的平衡。
病毒寄生於宿主，如果宿主死亡病毒就無法繼續存活，所以病毒也進化出了自己的策略：臭名昭著的埃博拉病毒能在短短兩周時間內就致人死地；艾滋病毒能在體內潛伏多年後摧毀人體免疫系統；流感病毒則經常換「馬甲」，靠著不停變換表面抗原與免疫系統作鬥爭。這些策略都是為了能在宿主死亡前感染上新的宿主。
真菌則走了一條不一樣的道路，在成熟前可以通過出芽繁殖複制出後代，擴大種群；成熟後則形成孢子體，並通過風媒等介質傳播出去，這樣這一菌落就能在母體營養耗竭前找到新的地盤繼續發展。部分真菌在占領地盤這件事上還進化出了弄死其他物種的能力，青黴素就是因為青黴菌溶解了同一培養皿上的葡萄球菌菌落而被發現的。
隨著進化的腳步繼續邁進，植物和部分低等動物進化出了控制發育節奏的能力。當環境不適宜生長時，植物的種子能進入休眠狀態並暫時關閉萌發的開關。在秀麗隱杆線蟲中，科學家Sherwood發現了在到達性成熟前存在發育檢查節點（checkpoins），用於評估當前條件是否適合繼續發育，如果出現食物短缺等情況，發育就會停止在這一節點上並形成一種叫dauer的幼蟲形態，dauer能存活數月之久遠長於正常三周的平均壽命並且不會衰老，直到條件適宜後繼續發育。但秀麗隱杆線蟲的這一能力在性成熟之後就消失了，也就是說一旦性成熟，線蟲就在奔向死亡的路上一去不回頭<2>。之後的研究證實了，線蟲生殖系統的成熟為死亡開關的打開提供了重要信號。這一基因開關作用在細胞的熱休克反應（heat shock response）機制上，它通過刺激級聯信號通道對外界壓力進行響應，使細胞能夠對抗外界的不良刺激，維持細胞處於極佳狀態。然而保護性熱休克反應在線蟲性成熟後8小時全部關閉，細胞失去了這一保護慢慢老化從而導致線蟲的衰老和死亡<3>。死亡開關的開啟很大程度上與發育和性成熟有關。
雖然很羨慕秀麗隱杆線蟲這種能將自己停留在「少年時期」的能力，然而，可惜的是這一調控機制並沒有隨著進化寫入哺乳動物的基因中。進化賦予哺乳動物調節體溫的恒溫系統，生存幾率更高的胎生方式以及一系列足以應對外界環境變化的能力，不再需要根據環境去調節自身發育。這也使得我們從出生開始便一刻不停的走向死亡。
Part.4
世代更迭：死亡不可避免
死亡開關的開啟很大程度上與發育和性成熟有關，這其實也是自然選擇和進化的必然結果。個體的存在離不開賴以生存的資源，隨著種群內個體越來越多，必定會引入種間競爭、優勝劣汰。前面已經說道：物種的長盛不衰靠的是種群內可繁殖個體的數量以及基因多樣性。在有限的資源環境裏，以合理的時間和形式完成世代更迭，有利於整個物種的發展。這一現象在單次繁殖的昆蟲和部分魚類裏最為顯著，一旦完成繁殖任務這些個體便會快速死亡完成世代更迭，最出名的或許就是「朝生暮死」的蜉蝣，一年生的草本植物也遵循這樣的邏輯。
能逃脫死亡魔咒的生物少之又少，久負盛名的燈塔水母是唯一已知的能在性成熟後再次回到幼體階段的物種，這種被稱為分化轉移的能力理論上可以讓它們獲得無限的壽命。包括燈塔水母在內的刺胞動物門擁有世代交替生活史，分別為水螅型（polyp）水母型（medusa）。水螅型世代為無性繁殖，通過出芽的方式產生許多水母芽，這一世代並不會衰老和死亡；一旦性成熟就會進入水母型世代，通過有性生殖繁殖後代。1996年意大利研究者Piraino等人通過人為改變環境，對4000只不同發育階段的水母型燈塔水母進行了轉化誘導試驗，包括饑餓、突然改變水溫、降低鹽度和機械損傷。結果顯示，不同發育階段的燈塔水母均出現了水母型轉化為水螅型的現象，堪稱「返老還童」。而刺胞動物門的其他物種則沒有那麼幸運了，一旦有性生殖結束水母體便會死亡。<1>
而對於像我們人類這樣擁有多次繁殖機會的物種來說，失去繁殖能力的一刻也就是我們開啟衰老和死亡模式的一刻——該給後代留下足夠的資源了。至於為什麼我們哺乳動物沒有像蜉蝣一樣馬上進入死亡，而是預留了一個衰老的過程，我想大象可能會給我們一個啟示：老者的經驗和智慧可以給種群帶來某些好處。
Part.5
長生不老真的值得嗎？
托爾金曾在《指環王》裏寫到：精靈擁有不朽的生命，而死亡是造物主賜予人類的禮物。在托爾金的小說裏正是由於人類短暫的生命如煙火般迸發，才譜寫了燦爛輝煌的曆史篇章。而那些被人類所羨慕的精靈，縱使擁有無雙的能力，在經曆了漫長的歲月後卻行將就木，慢慢淡出了曆史舞台。
長生不老後世界會變成什麼樣？電影裏也給了許多可能性。《時間規劃局》和《極樂空間》裏都描繪了即使長生不老，只要貧富差距還在、人性依舊貪婪的話，長生不老後的世界也不會變得更加美好，只有更無止盡的壓榨而已。更何況以現在的人類數量地球都已經不堪重負，如果都長生不老那離地球毀滅也就不遠了。你可能會說我們還有星辰大海啊，很可惜，人類現在的技術水平根本無法做到星際移民。我們擁有的只有地球，我們能留給後代最好的禮物並不是財富和地位，而是一個更美好更健康的地球，以及不再需要犧牲地球資源的更綠色更環保的發達科技。
最後我想說一句：拋開個體的生死，一個物種能夠長久的存在並繁衍，從某種意義上說就是永生。
參考文獻：
<1> Donihue， C.M。， et al。， Hurricane-induced selection on the morphology of an island lizard。 Nature， 2018。 560（7716）： p。 88-91。
<2>Schindler， A.J。， L.R。 Baugh， and D.R。 Sherwood， Identification of late larval stage developmental checkpoints in Caenorhabditis elegans regulated by insulin/IGF and steroid hormone signaling pathways。 PLoS Genet， 2014。 10（6）： p。 e1004426。<3>Labbadia， J。 and R.I。 Morimoto， Repression of the Heat Shock Response Is a Programmed Event at the Onset of Reproduction。 Mol Cell， 2015。 59（4）： p。 639-50。
作者：宋夢嬌
作者單位：中國科學院分子細胞科學卓越創新中心/生物化學與細胞生物學研究所
來源：中國科普博覽
