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  • 动物长寿秘诀:你以为光长得威武雄壮就够了?

    发布时间: 2017/6/19 1:15:58 被阅览数: 次 来源: 新浪科技
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    新浪科技讯 北京时间6月15日消息,据国外媒体报道,庞大的体型能帮助一些动物延长寿命,但这并非唯一的影响因素。
      米黄色的外壳上分布着灰褐色的斑块,这只被称为“明”的北极圆蛤(学名:Artica islandica)看起来实在有些其貌不扬。不过,仅从名字上就可以看出,它背后的故事要比大多数软体动物都要丰富得多。2006年,科学家从冰岛附近的海床上发现了它(并杀死了它)。2013年的分析表明,它的年龄为507岁(即出生在1499年,相当于明朝弘治十二年,这也是它得名的缘由),是目前已知最长寿的多细胞动物个体。
      2016年8月,研究人员发现,一条5米长的雌性格陵兰鲨(又名小头睡鲨,学名为Somniosus microcephalus)已经存活了392年,是目前为止发现的最长寿的脊椎动物。在哺乳动物中,最长寿的记录属于一头弓头鲸,据估计其年龄达到了211岁。
      或许是因为人类在其他方面的优势太过明显,因此对那些比我们活得更久的物种十分着迷。对生物学家来说,极端的长寿现象意味着有关生物体衰老和死亡的基础问题。为什么某些物种的个体能够存活数百年,而其他许多物种只能活几个月、几星期甚至几天呢?
      人类是相对长寿的动物。一些研究者认为,通过对动物界中长寿现象的研究,我们就能更进一步地了解这些物种,更重要的是也能了解我们自身。还有人想得更远,他们相信这是人类寿命变的更长、更健康的关键。
      2013年对北极圆蛤“明”的年龄分析使许多人提出了猜想,认为它长寿的秘诀在于极低的耗氧量。事实上,关于动物寿命最深入人心的一个观点就是,寿命长短与代谢速率——食物转化为能量和物质的化学反应速率——的关系十分紧密。换句话说,当动物像机器一样满负荷工作时,就会不断累积损伤,死亡得更快。
      20世纪初,德国生理学家马克斯·鲁布内(Max Rubner)比较了豚鼠、猫、狗、牛、马和人类的能量代谢速率和寿命。他发现,体型更大的动物具有更低的每克组织代谢速率,它们的寿命也更长,因此他得出结论,能量消耗越快寿命就越短。
      美国生物学家雷蒙德·珀尔(Raymond Pearl)研究了饥饿、温度变化和遗传对果蝇和哈密瓜秧苗寿命的影响,然后把这一观点又做了延伸。他在出版于1928年的《生存的速率》(The Rate of Living)一书中写道:“总体而言,生命的持续时间与能量消耗的速率成反比。”
      1954年,加州大学伯克利分校的德纳姆·哈曼(Denham Harman)提出了一个理论,支持当时已经广为人知的生存速率理论。他指出,衰老是自由基导致的细胞损伤不断积累的结果。自由基产生于新陈代谢过程中,是非常活泼的分子,能够通过窃取电子导致细胞结构的损伤。
      然而,尽管体型较大的哺乳动物的确显示出较慢的代谢速率,并且活得更久,但生存速率理论现在已经被大多数人抛弃。首先,研究人员已经指出,许多鸟类和蝙蝠尽管代谢速率很高,但它们的寿命却比预期的长得多;而有袋类动物尽管具有较低的代谢率,但它们的寿命却短于胎盘哺乳动物。
      包括英国阿伯丁大学的约翰·斯皮克曼(John Speakman)在内的许多科学家指出,虽然有些长寿动物具有较慢的代谢速率,但这并不代表低代谢率就是它们长寿的原因。“所有被用来支持生存速率理论的证据都存在一个基本缺陷,”斯皮克曼说,“就是它们都来自对不同体型动物的比较研究。”
      2005年,在一项涉及239种哺乳动物和164种鸟类的数据研究中,斯皮克曼使用了一个聪明的统计学手段,将体重的影响从等式中剔除。对于每一种代谢速率相对自身体型高于预期的动物,他都检查了其寿命是否相应地低于预期,反之亦然。“对于哺乳动物和鸟类,一旦体重因素被剔除,那代谢速率和寿命之间的关系就是零,”斯皮克曼说道。
      不过,这项研究与此前支持生存速率理论的工作一样,使用的都是动物的静息代谢率数据,即动物既没有消化食物,也没有调节体温时的代谢率。研究人员传统上之所以使用这些速率,是因为动物在这种状态下可以获得更多的数据。然而,许多动物一生中只有很少的时间处于静息代谢率的状态,而不同物种的情况又有很大差别。
      为了解决这一问题,斯皮克曼比较了48种哺乳动物和44种鸟类的每日能量消耗和最长寿命数据,然后用同样的统计学方法将体型因素剔除。“结果发现,确实存在某种联系,但是与生存速率理论所预计的恰恰相反,”斯皮克曼说,“对于哺乳动物,如果你把体型因素剔除,那具有较高代谢率的动物反而活得更久。”鸟类的分析结果没有达到统计学显著性。
      事实上,认为动物消耗氧气越多,产生导致细胞损伤的自由基越多,因而衰老得更快的观点,现在已经过时了。这要归功于对线粒体更加深入的研究。
      线粒体是细胞中产生能量的细胞器。当线粒体把食物中的化学物质分解时,质子在它们的内膜上受到挤压,形成电势差。当这些质子被重新释放到膜表面时,这种电势差就被用来制造三磷酸腺苷(ATP)——用来储存能量的分子。
      科学家原先认为,当线粒体内膜表面的电势差较高的时候,自由基的产量也较高,即新陈代谢的速率越高,造成细胞损伤和衰老高度活泼分子也会越多。然而,这一模型没有考虑到线粒体内膜上“解偶联蛋白”的存在。除了产生热量的功能之外,这些解偶联蛋白还能触发质子在膜表面的流动,降低电势差,从而阻碍三磷酸腺苷的正常生成。
      “传统观点认为,随着你的新陈代谢速率提高,你所消耗的氧气中有一定的比例将会转为产生自由基,这与我们已知的线粒体工作方式存在基本的矛盾,”斯皮克曼说,“无论发生什么,我们将看到的是,当新陈代谢速率加快时,解偶联过程也加快……自由基的损伤就会减少。”
      因为自由基生成量越低,意味着寿命就会越长,因此这一理论被称为“解偶联生存”假说。斯皮克曼在2004年对这一理论进行了试验,他发现,代谢强度排前四分之一的小鼠消耗了更多氧气,并且其寿命比后四分之一的小鼠长36%,这一结果支持了解偶联生存假说。
      关于动物寿命,更加简单直接的决定因素是它们的体型。在2007年发表的一篇论文中,英国利物浦大学的Jo?o Pedro Magalh?es列出了超过1400个物种——包括哺乳动物、鸟类、两栖类和爬行类——的体重和最长寿命的关系。
      Magalh?es发现,在这四类动物中,有63%的寿命差异源于体重;如果只是哺乳动物,这一比例为66%。蝙蝠是比较特立独行的动物,它们的寿命要比对应自己体型的预期寿命长得多。因此,Magalh?es将蝙蝠的数据剔除,重新进行了计算,发现体重能解释76%的哺乳动物寿命差异。对于鸟类和爬行动物,体重与寿命之间的相关性分别为70%和59%。两栖动物中未发现存在关联。
      Magalh?es和其他研究体型如何影响动物寿命的学者表示,这种影响来源于演化和生态学因素。“体型决定了生态学上的机会,”Magalh?es说,“动物体型越小,其捕食者越多,它们必须长得更快,繁殖得更快,这样才能把基因传递下去。体型较大的动物,比如大象、鲸,被捕食者吃掉的可能性就很低,并且缺乏较早成熟和繁殖的演化压力。”
      如果体型是通过被捕食的可能性来影响寿命,那可以推断出,同一物种的不同种群可能会因为身处不同环境而呈现出寿命长短的差异。
      史蒂文·奥斯塔德(Steven Austad)原先是一位记者,后来成为一名驯狮员,再后来当了生物学家。20世纪80年代晚期,他在一项以成年雌性负鼠为实验对象的研究中检验了自己的观点。他从美国佐治亚州萨佩洛岛和南卡罗来纳州艾肯附近分别捕捉了34只和37只负鼠,并都安装上了无线电项圈。艾肯的负鼠种群会受到野狗和短尾猫(学名:Lynx rufus)的捕食,而生活在萨佩洛岛的负鼠则没有这种威胁。总体而言,岛屿生活的负鼠受到的捕食压力较小,并且在遗传上较为孤立。
      奥斯塔德发现,这些岛屿生活的负鼠平均寿命为四个半月,比大陆上生活的近亲长23%。它们的产仔数显著少于后者,开始繁殖的时间晚一些,繁殖期也长一些。分析显示,大陆负鼠的尾巴中,肌腱纤维的胶原蛋白老化速度更快。
      奥斯塔德考虑了各种可能的因素,包括气候变化、病原体和饮食结构的影响,但他最后的结论是,岛屿负鼠种群的较长寿命最可能是因为不同选择压力下出现的遗传分化。
      还有其他一些乍看之下似乎对动物寿命有影响的因素,但仔细分析,这些因素其实只是体型和生态学机会的结果。举例来说,研究显示大脑体积与动物的最长寿命存在关联,特别是在灵长类动物中。同样的还有眼球体积。“任何能随着体型发生变化的东西,看起来似乎都与寿命有关,而这仅仅是因为体型与寿命存在相关性,”斯皮克曼说道。
      尽管目前主流的科学观点认为体型决定了被其他动物捕食的可能性,进而对寿命产生了重要影响,但还有一些关键问题没有得到解答。“这取决于你是在什么水平上问这个问题,”斯皮克曼说,“演化论的解释与外在的死亡风险有关。接下来的问题在于,是什么机制真正在保护身体?”
      在尝试解答这一问题的过程中,奥斯塔德将目光投向了一些极为长寿的动物,他在2010年出版的论文中将这些动物称为“玛土撒拉的动物园”(Methusaleh‘s Zoo)——以圣经故事中活了969年的人物得名。奥斯塔德指出,长寿记录的保持者如北极圆蛤“明”、格陵兰鲨和弓头鲸等,它们都生活在低温环境中,而这并非巧合。
      “大部分寿命超长的动物都具有较低的体温,或者生活在某种低温环境中,”奥斯塔德说道。他指出,诸如活性氧类的产生、DNA修复和基因转录等关键生物过程在寒冷环境中会变得更慢。
      奥斯塔德对于有可能为延长人类寿命带来启发的生物过程特别感兴趣,于是他重点研究了裸鼹鼠和小棕蝠,两种相对于自身体型而言比人类更加长寿的哺乳动物。他的结论是,自由基生成引起的细胞损伤累积确实在衰老中发挥了作用,但在许多情况下影响相对较小,并且对不同物种的重要性存在很大差别。
      近年来,快捷、廉价的DNA测序技术为科学家提供了重要的研究手段,以探索基因在众多物种的寿命调控中扮演的角色。例如,一个名为daf-2的基因发生突变后,可以导致线虫的寿命延长一倍,并且依然保持健康。如果侏儒症鼠具有会破坏生长激素、催乳素和促甲状腺激素产生的基因突变,那它们的寿命将比对照组延长大约40%。
      在发表于2013年的一篇论文中,Magalh?es等人比较了许多对相似哺乳动物的基因组。这些相似的动物中有的最长寿命显著不同,有的寿命则差不多。他们发现,与DNA损伤和蛋白质重复利用有关的基因在较长寿的物种中演化更快。
      2015年,Magalh?es又领导了一个研究小组对弓头鲸的基因组进行测序,发现了与DNA损伤应答、细胞周期调节和癌细胞调控有关的物种特异性基因突变。“我们不确定这些是否就是与物种衰老差异有关的蛋白质,但这些研究为我们下一步的实验提供了线索,” Magalh?es说道。目前,他正在参与对卷尾猴基因组进行测序的国际合作。这种猴类尽管体型相对较小,但寿命可达50岁以上。
      Magalh?es等学者正不断搜集有关决定长寿的遗传因素数据,并逐渐发现长寿动物中存在着某种强化DNA修复能力的规律。举例来说,基因测序已经解决了一个从20世纪70年代以来困扰科学家多年的生物学难题;如何解释大象和鲸等长寿的大型动物为何具有极低的癌症发病率?
      2015年,犹他大学的约书亚·希夫曼(Joshua Schiffman)领导的团队计算发现,只有不到5%的圈养大象会死于癌症,而人类的癌症致死率约为11%至25%。当研究人员审视测序结果时,他们发现非洲象拥有40份编码p53蛋白的基因拷贝。p53是在抵抗癌症时起关键作用的一种蛋白质,能够阻止受损DNA解体,直到损伤被修复;或者触发这些DNA自行凋亡。亚洲象拥有30到40份基因拷贝。相比之下,人类和蹄兔——与大象关系最近的现生物种——只有两份基因拷贝。
      后来的试验显示,大象在修复受损DNA上并没有过人之处。希夫曼的结论称,大象之所以对癌症有着较强的防御能力,是因为它们能杀死那些有可能癌变的细胞,阻止它们变成肿瘤。“我的假说是,不是DNA修复在本质上存在不同,而是细胞对DNA损伤的反应有所不同,” Magalh?es说,“同等数量的DNA损伤会杀死一个大象细胞,或者阻止它增殖,但小鼠的细胞就不一定做得到这点。”
      “寿命较短的动物浪费宝贵的能量来抵抗需要很多年才能发展起来的疾病,这在演化上是很没有道理的,”奥斯塔德说,“这就像在一个廉价手表上使用价值1000美元的面板。”
      目前,采用比较生物学方法研究衰老的科学家已经对数十种哺乳动物的基因组进行了测序。当测序对象变为数百种时,他们将更好地鉴别出促成动物长寿的遗传学线索。“长寿在某种程度上塑造了我们人类,尽管我们并不知道为什么人类具有这种能力,”Magalh?es说,“对更多的物种进行测序将帮助我们提出并回答许多其他迷人的问题。”
      Magalh?es还认为,如果能对长寿动物抵挡疾病的机制有更深入的了解,那就将帮助人类进一步延长已经相当可观的寿命。“例如,我们能否从裸鼹鼠和弓头鲸身上获得对抗癌症的线索?”他说,“我认为我们可以,但仍然有大量的工作需要完成。”(任天)
    编辑:秋痕

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