人類為什麼不能像壁虎那樣,可以「斷肢再生」

2020-12-02 宇宙探索百科

通常所指的進化是生物種群的集體演變和發展。在實際生活中,人,包括其他一些高級哺乳動物的個體在其一生中並不能單獨進化。這是為什麼?

蠑螈的再生原理

其實,這個問題可以從另一方面來理解。人為何不能像壁虎或蠑螈那樣,在斷了手腳或尾巴後能很快就長出手腳或尾巴來?如果蠑螈一條腿被砍斷了,在24小時內,它的腿斷面上就會生長出一層幹細胞。

一開始長出的是它的腳趾,接著是神經、肌肉和骨骼,它們都會在各自恰當的位置長好。三個月後,新腿就己完全長好,可以發揮正常機能了。原因是蠑螈的成年細胞能通過某種方式恢復到幹細胞狀態。而人體各個組織器官已經發育成熟,它們當中沒有大量的像胚胎時期的那種能全能分化的幹細胞,所以不能長出手腳出來。

其實,蠑螈這種斷腿後長出新腿只是生物再生的一種形式。

狹義地講再生是指,生物的器官損傷後,剩餘的部分長出與原來形態功能相同的結構,如壁虎的尾、蠑螈的肢體、螃蟹的足,在失去後又可重新形成,海參可以形成全部內臟,水螅、蚯蚓、蝸蟲等低等動物的每一段都可以形成一個完整的個體等等。但是從廣義的角度來看再生是生命的普遍現象,從分子、細胞到組織器官都具有再生現象。所以,再生有多種形式。

一種是生理性再生,即細胞更新,如人體內每秒中約有600萬個新生的紅細胞替代相同數量死亡的紅細胞。二是修復性再生,

壁虎的尾和螃蟹的肢體再生就是這一種,而且許多無脊椎動物也用這種方式來創建失去的器官。三是重建再生,而這是人工實驗條件下的特殊現象。比如,人為地將水螅的一片組織分散成單個細胞,放在懸液中,這些細胞可以重新聚集,在幾天至幾周以後,形成一條新的水螅。

不過,蠑螈的器官再生是細胞生長發育多種形式的結合,包括細胞去分化、細胞遷移和細胞增殖的組合,而不是單純的補充或增殖。蠑螈的前肢被切除後,傷口處細胞的黏著性減弱,通過變形運動移向傷口,形成單層細胞封閉傷口。這層細胞稱為頂帽或頂外胚層帽。頂帽下方的細胞,如骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞、肌細胞、神經膠質細胞迅速去分化,形成胚芽。此後,胚芽內部缺氧,pH下降,提高溶酶體的活性,促進受傷組織的清除。於是,胚芽細胞加快分裂和生長,最後細胞又開始分化構成一個新的肢體。

所以,蠑螈的斷肢再生是一個較為複雜的現象。

人的生長發育

然而,人斷了手腳就只能成為傷殘,無法長出新的手腳。補救的方法只能是裝假肢。但是,如果再深入地探討這個問題就會發現,這種情況是與人類的個體不能單獨進化聯繫在一起的。

就人的每個個體來說,從受精卵到誕生,從幼年到成年,從老年再到生命的結束,其間有極其艱難曲折的過程。因為,社會因素和生物因素交集在一起影響到一個人的生長發育。即使在純生物層面上,也需要在正確的地方和正確的時間完成有特殊功能的細胞的生長、新老代謝和替換。因為,新細胞的生長和替換舊細胞並非隨時隨地發生。

而且,即使新細胞能替換舊細胞,也不意味著靠複製就能更新每個人。而所有細胞的生長都嚴格遵循著從零開始的程序。這就能確保我們每個個體直到老年和死亡都不能產生進化。這是為什麼?研究人員認為,個體的細胞複雜的製造過程保證了每個個體不能單獨進化,由此可避免癌症的發生。

這樣的解釋是否合理,是否有科學試驗的根據?

在一種單細胞細菌群落,研究人員可以觀察它們的進化行為。由於細胞分裂,突變出現了。而在生存壓力或選擇性壓力下,一些有利的或好的突變勝過了其他突變,於是把優異的遺傳變化傳遞到整個種群。然而,要觀察多細胞生物,尤其是高級哺乳動物的進化就非常不容易,人更是如此。人體內的細胞經常以巨大數目替換。人的身體包含約數百萬億細胞,每天都有上萬億細胞死亡消失,但同時也有上萬億細胞產生以替換舊細胞。

這是通過細胞分化來完成的。人體成熟細胞的分化有三個階段。一是已存在的細胞,在其生長發育過程中,經歷了新生-成熟-衰老-死亡的過程,細胞生長的過程也是分化的過程。二是已有的分化細胞通過分裂產生兩個功能相同的細胞,如血管內皮細胞。三是成體許多組織具有一部分未分化的幹細胞,一旦需要可分裂和分化為新的子代細胞。如多功能造血幹細胞,可分化為各種血細胞。

這就產生了一個問題。如果人體內巨大的細胞群都以簡單的形式被替換,比如在不同的特殊功能的組織中進行新老交替,人體的組織必將進化。結果便是突變大量發生,並且很多突變會擴散開來。更特別的是,突變細胞並不能很好地完成其特定的工作,但它們容易更快速地替換非突變的細胞。因此,突變細胞就會產生競爭優勢,剝削其他正常細胞的勞動。在這種情況下,人體的分工極其精細的身體就會停止運轉。

避免人體功能崩潰的方式

為了避免大量細胞突變造成的每個個體身體功能的崩潰,就需要有一種自我控制的方法。美國亞利桑那大學的進化生物學家約翰·佩珀提出了一個理論來解釋人體為何沒有失控,也就是人體為何不會在斷指後長出新的肢體。

多細胞生物是如何避免身體失控的命運呢?它們是通過整體循序漸進的原則來完成細胞更新的。以上皮組織細胞為例,它們覆蓋著體表的所有部分,它們要完成所有的冗長路線的更換,而非簡單地複製自身來形成成熟的組織。

為了更新自身,上皮組織保留了一組無明顯特徵的幹細胞,如同胚胎中未成熟的細胞一樣,有能力發育成不同類型的細胞。當需要替換舊細胞時,這類幹細胞中的一些分裂後形成短暫增殖細胞(TAC)。然後TAC再分裂幾次,每一次分裂都會產生一些略為發育成熟的上皮組織細胞,直至最後產生新的成熟上皮細胞。

所有這些都要耗費大量的代謝能量,所以,這種細胞分裂的效率是較低的。但是,這樣的分裂替換舊細胞也意味著,自我複製和增值功能被分割到分離的細胞群之間。幹細胞的複製只是一點點,同時是循序漸進,所以沒有太多的機會增加突變。增殖的TAC也許會產生突變,但它們不會簡單地複製自我,所以在細胞之間沒有任何直接的競爭以創造進化的壓力。由於這樣的原因,進化不會在某個個體單獨開始。

所以,人不能像蠑螈那樣斷肢再生是因為缺少幹細胞,而且即使成熟的組織器官中有部分幹細胞,它們的再生和分化也是受到抑制的,關鍵角色就是短暫增殖細胞。它們只能一步步地再生,通過系統和全面地替換舊細胞而維持身體功能,同時又抑制了個體細胞的突變和進化,

但是,為何蠑螈的再生機理不會導致不可逆轉的問題呢呢?這是另一個問題。如果能知道其中的奧秘並應用到人體,將是再生醫學的一種突破,既能讓人長出新器官,又不會發生突變。

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