【論壇平台】自由論壇NO.2鬥陣來讀冊!:「關於老化」之生命的終結-老化(上)

我們身體隨年齡的增長而逐漸產生的變化,包括生理機能的減退、生殖能力的喪失等等,是人出生之後必然會經歷的老化過程。這個在生物世界中似乎是天經地義、無可逃脫的宿命,它背後究竟是什麼機制在決來?而為什麼不同生物之間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?」時需要瞭解的問題。

撰文|周成功 (長庚大學生命科學系教授)

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根據統計數據,2007年中國的百歲人瑞共有17800人左右、日本的百歲人瑞共有32295人、荷蘭的百歲人瑞共有1370人、英格蘭和威爾斯的百歲人瑞共有9330人左右。

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,身體在老化過程中的損壞有沒有特定的原因;另外它也沒有讓我們瞭解為什麼老鼠到了二、三歲就老死,而人可以活到100歲!

因此要真正認識並且掌握老化的生物意義,我們必須從「我們為什麼會老?」和「我們怎麼變老的?」這兩個不同層次的問題切入。前者試圖去回答生物在演化的過程中,為什麼會得到會使個體老化的基因或是遺傳程式。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。

就讓我們先從「我們為什麼會老?」這個問題開始罷!

在回答「我們為什麼會老?」這個問題之前,我們先來澄清一個觀念,那就是「老」是不是一種病?我們都知道老人家很容易生病,年紀大了之後,全身每一個地方的功能都在逐漸衰退;隨之而來的是各種病痛乃至於最後的死亡。但是我們無法在老化的過程中找出一個特定的致病原因。因此「老」不是一種病!

其次,每一個生命到老的時候,都會呈現出非常類似的特徵。因此我們是否可以說:老化是由一個有目的遺傳程式在控制?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。好像鮭魚身體裡面有一個內建的遺傳程式,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,因為它可以清除老人而保留有限的資源給年輕的後代等等。

但是所謂的老化基因真的在生物演化上扮演重要的角色嗎?我們可以試著去回答一個想像的問題:在非洲的原野裡面,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,因為斑馬還沒有到老,也許就會因為生病、或是跑慢了一點而被獅子吃掉了。想要看到老的斑馬?只有在文明的世界裡,古保護的環境下,在動物園裡!因此生物的老化是文明的產物。自然演化中沒有特別需要去發明出「老化」這個遺傳程式。

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在野外長頸鹿的壽命為20年左右,但被豢養在動物園裡的長頸鹿能活28-30年。

三個不同的老化理論

既然自然界中沒有發明出「老化」這個基因,那麼我們為什麼還會老?從演化生物學的觀點,有三個不同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理論」。這個理論的基礎是說,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數,在族群中會愈來愈少而終至完全消失。這麼一來這些基因突變就等於被淘汰掉而不會在族群中流傳。

但Medawar 認為如果有些特定的基因突變對身體所造成的不良影響,不會發生在人年輕的時候,不影響年青人的生殖能力,而只有當人過了生殖期之後才會顯現。過去多數人在二、三十歲就死了,這些突變基因完全沒有發揮作用的機會。這些基因突變就不會被演化淘汰掉而保存在族群裡。代代相傳,這一類型的基因突變不斷地在族群中累積。一旦我們有機會多活三、五十年,那些累積的基因突變就有機会在老人身上展現它們的負面作用,使人變老。

這個理論有一個問題,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,在嚴酷的天擇壓力下仍然是會被淘汰掉的!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,這些與老化相關的基因突變必須仍然對生物有些好處,它們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 提出了他的修正版的「累積延遲發作的基因突變理論」。

Williams的修正理論簡單說來就是:年輕必須付出的代價。譬如說身體的運作是由許多遺傳程式所控制,有些遺傳程式的運作對年輕的生命很好,但在運作過程會產生一些副作用,這些副作用開始的時候看不到,但累積久了在年老人身上就可能突顯出來。或者說,某些基因對年輕的生物來說很好,能夠增加年輕生物的活動力,但是在增加活動力的同時,對身体會產生一些潛伏的傷害,這些潛伏的傷害,只有到晚年才會顯現出來。對中國人來說,這其實是大家熟悉的觀念,年輕媽媽生產後要作月子調養身体,如果年輕時身體沒有調養好,到晚年就容易百病叢生了。

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中國人非常在乎坐月子:主要是認為婦女在生產的過程中,耗損了太多的體力與元氣。西方人根本沒有坐月子的習慣,坐月子是中醫的說法,所以也可算是中國人所獨有的——一般說來,自然生產的孕婦坐月子需要30天左右,但若是剖腹生產或流產的婦女則需要坐月子約40天。

第三個就是「生命的投資的抉擇理論」。這個學說是由英國演化生物學家 Thomas Kirkwood在1977年所提出。Kirkwood認為每一個生命個體,從外界攝取的食物或是能量是有限的。因此生命個体對有限資源如何應付生命多方面的需求,必須發展出特別的策略才能適應環境的壓力。

對任何生命個體的延續來說,最重要的兩件事是:一、在生命運作的過程當中,身體不斷地會受到傷害,所以必須要有非常有效率的修補機制。另外,所有的生物都要生育,要繁殖後代。身體的修補保養和繁殖後代這兩件事情,都需要用到資源,但就資源使用的觀點來說,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体的修補保養呢?還是投資在繁殖後代?

壽命實驗

我們用野外的小老鼠做例子,小老鼠在實驗室裡面,如果被保護得很好,不讓牠感染,給牠充分的食物,牠最多只能活兩到三年,我們稱之為壽命的年限。人保護得好的話,是可以活上一百歲的!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?我們知道野外的老鼠一出生,到處都是敵人,環境中的老鷹、狐狸都想吃掉牠。所以小老鼠在野外一出生,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!牠整個身體的結構與發育,都必須要讓牠一出生就能夠開始準備繁殖,所以身體損壞修補的能力就相對不足。身體運作產生的損壞不能及時修補,二、三年一過自然就老態龍鍾而終至死亡。另一方面,譬知大象生出後,能傷害牠的敵人不多,不需要急急忙忙地繁殖後代,所以大象修補保養的能力很好,可以活的很久。

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不同的環境壓力會影響生物的投資抉擇:身體修補保養、或是加速繁殖後代。

「生命的投資抉擇理論」能否在實驗室中得到証實?前幾年美國的科學家做了一個實驗,他們把果蠅養在兩個不同的環境裡,一個環境裡的死亡率很高,另一個環境裡死亡率很低。當果蠅在這二個不同環境裡長時間地繁殖,它會演化出什麼樣的後代?

結果非常清楚,長期在高死亡率環境中生長的果蠅,演化出來的後代體型都比較小,但生育成熟期都比較早。相反地,長期在低死亡率環境中生長的果蠅,演化出來的後代體型都比較大,而生育成熟期就比較遲。這個實驗結果符合「生命投資抉擇理論」的預測:不同的環境壓力會影響生物的投資抉擇:身體的修補保養呢?,或是加速繁殖後代。

(待續)

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