2021年09月25日 09:30
【科學快訊】
人體內時刻進行著細胞分裂。|Andrzej Wojcicki/Science Photo Library/Getty Images
作者|劉天同 清華大學醫學院
你知道自己多久換一套皮膚嗎？對，你沒聽錯，不是王者農藥的的皮膚，就是你身體表面如假包換的皮膚。答案是，一個月。
不光如此，此時此刻你的胃，跟一星期前已經不是一個胃了；你肺裡的氣管，跟兩個月前也已經不是同一套氣管了。
事實上，人體內大多數器官和組織，時刻都在發生細胞分裂，用新生細胞替代衰老細胞。據估計，人體內有30萬億個細胞，每天會發生兩萬億次細胞分裂。也就是說，如果細胞分裂一次要收你一塊錢，一天就能收光4.5個馬雲的身家資產。
那麼問題來了，細胞分裂時，裡面的家當怎麼分？科學家發現，每一次細胞分裂，都是一次秉持儒家思想的分家——不患寡而患不均，非常講究公平。
細胞分裂時，家當怎麼分？
18世紀中期，人們逐漸意識到，新細胞不是憑空長出來的，而是由先前存在的細胞分裂而來。
別看細胞的直徑只有頭髮絲粗細的十分之一，其內部複雜程度之高，堪稱一個「小宇宙」。在宇宙中心是細胞核，周圍還有大大小小的星系——細胞器。
細胞的內部有很多家當，比如細胞核和線粒體等各種細胞器。|維基百科
細胞帶著這麼多家當，一分為二時，裡面的「家當」怎麼分呢？
不想不知道，其實大多數細胞分裂的時候都很有原則。首先，最基本的家當攜帶我們遺傳物質的染色體——必須分得均勻。細胞有一組獨特而巧妙的機制，保證每一條染色體都被複製成兩份（雖然小細節上經常出錯），在細胞分裂時被精準地拽進兩個子細胞。
然而，人類的染色體一共就只有23對，怎麼想都很難分錯。可是細胞分裂不止要分染色體，還要把一大堆過日子必需的傢俱——細胞器給分清楚，才能保證分裂產生的兩個子細胞都能正常獨立存活。
比如非常重要的線粒體也得分得均勻。線粒體是真核細胞的「鍋爐房」，透過「燃燒」（氧化分解）葡萄糖，為細胞的各種活動提供能量。而且它們還是一種實現了「獨立自主」的細胞器，每一個線粒體內部都有自己專用的DNA，負責編碼各種與氧化供能相關的蛋白質。
線粒體的內部結構。它為細胞的各種活動提供能量。|genebase
在細胞分裂時，與染色體類似，線粒體也不能憑空合成，只能把先前存在的線粒體當做模板，複製出一份兒來，然後兩個子細胞一人一半。
問題是，保守估計，人身上每個細胞裡有10萬~60萬個線粒體。這麼龐大的數量，能保證分得均勻嗎？神通廣大的細胞還真有辦法。
細胞內的「鍋爐房」：炸了炸了
正如人體需要骨骼支撐一樣，細胞也有自己的骨骼——細胞骨架。它們幫助維持細胞形態，運輸細胞內的各種物質。每一次細胞分裂想順利完成，細胞骨架功不可沒。
細胞骨架是由不同蛋白質纖維構成的複雜網狀體系，這些纖維粗細不一，像有序交織在一起的滑軌一樣，引導細胞內各種結構的運動。
顯微鏡下看到的細胞骨架。它們如人體骨骼一樣，維持著細胞的形態，引導細胞內各種結構的運動。| Harvard University
線粒體在細胞內的運動，依賴於一種很細的名為微絲的細胞骨架。微絲就像纜繩，由蛋白質作為纜車，搭載著線粒體「乘客」在微絲上滑行，實現在細胞內的運動。
科學家們早就發現，微絲在幹活兒的時候有一種很不尋常的行為——喜歡扎堆兒。不光如此，聚集在一起的微絲通常會以恆定的速度轉圈，就像一個正在執行的雷達在搜尋著什麼。
在細胞內旋轉的微絲團。|JournalofCellBiology
3月3日，《自然》雜誌發表的一項研究發現，細胞分裂時，線粒體要分得均勻，還得仰賴微絲的奇特功能。
在高解析度顯微鏡下，線粒體在細胞分裂中的運動似乎可以不用蛋白質「纜車」，而是直接纏到「纜繩」上。「纜繩」時常發生纏繞，這一纏繞，就把大量「乘客」給困在了裡面，讓它們動彈不得。
但是說來也奇怪，這一團「纜繩」說緊就緊，說松就松，有時會像引發微型爆炸一樣，突然把裡面的「乘客」一股腦兒向各個方彈射出去，速度很快。「乘客」身上通常還會系著一根「纜繩」，能在細胞內「墜落」相當一段距離，上演一次驚險刺激的「高空彈跳」。
微絲將線粒體向各個方向彈射，像是上演一場驚險刺激的高空彈跳。|Nature
這一系列複雜的「遊樂」操作聽來很神奇，可是細胞為什麼要把自己的骨架當成「彈弓」，把線粒體彈來彈去？這就又回到了開篇提到的儒家思想——平均分配。線粒體其實正是藉助細胞骨架的這一特殊行為，被完全平均地分配到兩個子細胞中。
其中原理就像我們玩撲克時洗牌一樣，要想把一摞牌儘量隨機均勻地分散開，就要反覆洗牌。細胞也在洗「線粒體」，用一團細胞骨架聚起一堆線粒體，然後用力向各個方向扔出去，保證線粒體在細胞內的隨機均勻分佈，而不是聚集在某一側。
線粒體，不只是「鍋爐房」
然而，科學研究每弄明白一個問題，就會提出十個相關問題。對於線粒體，我們還有很多未知。
比如，在通常的細胞分裂中，線粒體會均勻分配，但一些特定種類的幹細胞會進行非對稱分裂，分裂出兩個不同功能的子細胞，這時「知情識趣」的線粒體便總是傾向於只進入其中一個。它們是如何做到的？是藉助於一種完全不同的機制，還是微絲在不同種類的細胞中會有不同行為？目前並不清楚。
細胞分裂時，線粒體並不總是平均分。關於線粒體仍有很多未知。|來自網路
尤瓦爾·赫拉利在《未來簡史》中說，如果科學說得沒錯，幸福快樂是由生化系統所掌握的，那麼唯一能確保長久心滿意足的方法，就是去掌控這個系統。
我們的確正在掌控這個系統，但道路仍然漫長。
1890年，人們第一次發現線粒體。自此之後，我們對線粒體的認識不斷加深，才發現，它並不是細胞內普通的「鍋爐房」。
我們看到線粒體具有精細的內部結構，知道它的37個基因有何用處，還發現各種各樣的線粒體異常與至少300種疾病有關，每5000個人裡頭，就有一個會患上與線粒體相關的遺傳病。就連細胞的葬禮——細胞凋亡也與線粒體有關。
一個小小的細胞器尚且如此複雜，什麼時候才能真正弄清楚一個細胞，一個器官，乃至整個人體的奧秘？恐怕連科幻小說都不敢給出答案。
參考資料
<1> Molecular Biology of the Cell
<2>https：//www.nature.com/articles/s41586-021-03309-5
<3>https：//rupress.org/jcb/article/191/3/453/36063
<4>https：//www.pnas.org/content/115/51/13039
<5>http://book.bionumbers.org/how-quickly-do-different-cells-in-the-body-replace-themselves/
