掀開老化的秘密:我們為什麼會老?

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (9)

人出生之後必然會經歷生、老、病、死的過程。隨著年齡的增長,我們的生理機能會逐漸減退,生殖能力會逐漸喪失,老化在生物世界中似乎是個天經地義、無可逃脫的宿命。老化背後究竟是什麼機制在決定?為什麼不同生物彼此老化的速度會有天壤之別?這些都是在討論「我們為什麼會老?」時需要回答的問題。一般人對老化最簡單的解釋就是:機器用久了終究會損壞!但是這個解釋並沒有說明,有沒有特定的原因造成身體在老化過程中的損壞;另外它也沒有解釋為什麼老鼠活到了二、三歲就會老死,而人的壽命可以到100 歲! 要認識並掌握老化的生物意義,必須從「為什麼會老?」和「怎麼變老的?」這兩個不同的層次切入。前者試圖回答生物在演化的過程中,為什麼會演化出會使個體老化的基因。而後者則試圖去瞭解在生命運作的過程中,是什麼樣的分子機制造成細胞、組織乃至個體呈現老化的特徵。讓我們先從「為什麼會老?」這個問題開始吧! 每一個生命到老的時候,都會呈現出非常類似的特徵。因此我們是否可以假設:老化是由身體中一個設計好的遺傳程式在控制?舉個例子:鮭魚在大海中生長成熟後,會迴游到出生地產卵,之後這些鮭魚就會立刻老化死亡。鮭魚身體裡面好像真的存在一個遺傳程式,指揮牠的回鄉,產卵和死亡。像德國生物學家 August Weismann 在1889 年甚至提出,老化的產生對生物族群的發展有其必要性,因為它可以清除族群中沒有用的老人,而保留有限的資源給年輕的 後代。

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圖9-1 在野外的動物,出生後存活的機會隨著年齡而下降(黑線)。只有在文明的世界裡,動物受到保護,才能看到它老化死亡的歷程(紅線)。

但所謂老化的遺傳程式真的在生物演化上扮演重要的角色嗎?我們可以試著想像:在非洲原野裡面,會不會看到很老的斑馬?答案明顯是否定的!斑馬在野外的存活率,會隨著年紀增加而急速降低,在野外你不會看到很老的斑馬,因為斑馬還沒有老,就會因為生病、或是跑慢一點而被獅子吃掉。想要看到老的斑馬只有在文明的世界中,在保護的環境下,在動物園裡!因此生物的老化也可以說是一種文明的產物。自然演化沒有特別的理由去發明出「老化」這個遺傳程式(圖9-1)。 既然自然界中沒有需要演化出「老化」的基因,那麼我們為什麼還會老?有三個演化生物學的理論來解釋老化產生的原因。首先是英國學者 Peter Medawar 在1952 年提出的「累積延遲發作的基因突變」。這個理論是說,任何基因突變如果對有生殖能力的年青人會帶來負面的影響,那麼帶了這些基因突變的人,在族群中會愈來愈少而終至完全消失。因此這些基因突變在長期的生物演化過程中,就會被淘汰而不會在族群中流傳。Medawar 認為如果有些特定的基因突變不會對年輕人造成不良影響,而只有當人過了生殖期之後才會顯現其作用,例如古代社會中人的平均壽命只有三十歲,這些突變基因就完全沒有發揮作用的機會,因此不會被演化淘汰掉而保存在族群裡。這樣世代相傳,這一類型的基因突變會不斷在族群中累積。一旦我們有機會活到五、六十歲,那些長期累積的基因突變就有機會在我們身上展現它們的負面作用,使人變老。

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圖9-2 同一個基因,在年青個體身上的作用和在老年個體身上的作用恰恰相反!老化是維持年青活力必須付出的代價。

我們可以用杭丁頓舞蹈症的例子來解釋Medawar 的想法。杭丁頓舞蹈症是因為遺傳到一個突變基因產生的神經病變。但遺傳到這個突變基因的人年輕時完全沒事,只有到四、五十歲才會發病,發病後百分之百致死。我們可以想想看,造成杭丁頓舞蹈症的突變基因在古代人類社會中是否存在?再來,如果遺傳到杭丁頓舞蹈症的突變基因十歲就會發病,我們今天還會看到杭丁頓舞蹈症的病人嗎?

Medawar 的理論有一個問題,那就是任何會產生老化現象的基因突變,縱使完全不影響年青生物的生殖能力,但仍然可能對身體產生細微的影響,在嚴酷的天擇壓力下仍然可能會被淘汰掉的!譬如說任何基因突變會使生物跑的慢一點,或是免疫力降低了一些,都會使這個生物很容易被敵人吃掉,或是容易被感染而死亡。換言之,這些造成老化的基因突變必須對生物要有些好處,才可能在天擇壓力下保存下來。1957 年,美國演化生物學家 George C. Williams提出了他修正過的「累積延遲發作的基因突變」理論。Williams 的修正理論簡單說就是:年輕活動必須付出的代價(圖9-2)。

譬如說有些遺傳程式的運作對年輕的生命很好,能夠增加年輕生物的活動力,但運作過程中難免會產生一些副作用或是潛在的傷害,這些潛在的傷害會在老年人身上顯現出來。這個理論對大多數中國人來說並不寞生,中國年輕媽媽生產後傳統上都要作月子調養身體,其實就是這個道理。生產對身體產生潛在的傷害必須在年輕時就要調養好,否則到晚年就容易百病叢生了。 第三個是由英國演化生物學家Thomas Kirkwood 在1977 年所提出「生命的投資抉擇理論」。Kirkwood 認為每一個物種所擁有的資源是有限的。因此物種在演化過程中,如何利用有限的資源去應對不同環境的壓力,就成了一個重大投資抉擇策略的選擇。對任何生命的延續來說,有兩件重要但耗費資源的事要作:一是在生命運作的過程中,身體不斷地會受到損傷,所以必須要有非常有效率的修補機制。另外,所有的生物都要耗費資源來繁殖後代。身體的修補保養和繁殖後代這兩件事情,都需要用到有限的資源,因此就資源使用的觀點,這兩件事是互相衝突的。然而每一個生物,在不同環境中都要面臨這樣的抉擇:到底是把有限資源投資在身體的修補保養呢?還是投資在繁殖後代? 用野外的小老鼠做例子,小老鼠在實驗室裡被保護得很好,不讓牠感染,給牠充分的食物,最多只能活兩到三年。人則可以活到一百歲!為什麼老鼠只能活兩年而人可以活到一百歲?根據投資抉擇理論,如果你是野外的老鼠,出生以後最重要的事是什麼?是修補保養身體呢?還是繁殖後代?野外的老鼠一出生到處都是敵人,環境中的老鷹、狐狸都想吃掉牠。所以小老鼠在野外出生後,最重要的事就是在還沒有被老鷹、狐狸吃掉前,趕快想辦法繁殖後代。因此對小鼠而言,投資的抉擇是很清楚的,當然是繁殖後代!我們知道小老鼠出生六個禮拜,就可以開始繁殖後代了!牠身體的結構與發育必須要讓牠一出生就能夠開始準備繁殖後代,所以相對身體損壞修補的能力就明顯不足。身體運作產生的損壞不能及時修補,二、三年裡就會老態龍鍾而終至死亡。另一方面像大象,能傷害牠的敵人不多,不需要急急忙忙去繁殖後代,所以大象修補保養的能力很好,因此壽命可以很長。 參考讀物 1. Why do we age? Nature 408: 233-38; 2000.

參考讀物

1.  生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32713

2. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (2) http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32717

3. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (3)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32719

4. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (4)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32731

5. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (5)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32737

6. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (6)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32772

7. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (7)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32758

8. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (8)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32804

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