死亡並不總是不可逆轉的。看起來已經死亡或即將死亡的細胞有時可以通過一個叫做真核分裂的過程自我復活。當細胞不再被需要時，它們就會帶著尊嚴死去，」比爾·布賴森在《幾乎所有事物的簡史》中寫道。長期以來，人們普遍認為，這種走向死亡的進程，一旦取得足夠的進展，就無法逆轉。但隨著科學越來越詳細地描繪細胞功能的輪廓，一種關於細胞生死的可逆概念開始佔上風。
或許最具戲劇性的證據出現在去年4月，當時耶魯大學醫學院的一個團隊因短暫地恢復死亡大腦中的細胞活動而引起了全球關注。神經科學家開發了一種名為BrainEx的系統，可以向大腦灌注以血紅蛋白為基礎的溶液來滋養細胞，同時促進細胞從缺氧狀態中恢復。在10分鐘左右的缺氧狀態對神經元來說是致命的。他們用從豬身上提取的腦組織進行了測試，這些腦組織不含血液，在室溫下保存長達4個小時，這些腦組織都已完全死亡。
然而，在實驗溶液中灌注6個小時後，許多退化的、看上去毫無生機的腦細胞至少暫時恢復了一些正常結構和代謝活動。神經組織切片甚至能夠傳導電信號。BrainEx或類似的東西也許有一天會被用來恢復受到中風、缺氧或其他疾病威脅的大腦，儘管在這之前還需要多年的進一步測試。
耶魯大學研究小組的這一成就成為近期一系列探索細胞生與死之間有限空間的工作的頭條。雖然生與死通常被當作是可選擇的，但事情並沒有那麼簡單。醫生、醫學倫理學家和立法者一直在努力定義人類的死亡時刻：是在呼吸停止的時候嗎？當心臟停止跳動？當大腦活動無法檢測到的時候？不同的答案出現了，因為死亡是一個過程，不一定是不可逆轉的。
即使在細胞這一生命基本單位的層面上，生與死之間的屏障也是多孔的。研究人員發現，曾經被認為已經死亡的細胞可以在合適的條件下自我復活，或者部分復活。科學家們通過研究讓處於邊緣地帶的細胞慢慢恢復生機的過程，最終希望能讓患病的細胞恢復健康，限制細胞分裂過度活躍，讓過期的器官復活，甚至為長期滅絕的生物再次漫步鋪平道路。
死亡十小時後，細胞在未處理的腦組織的顯微圖中已經基本解體(左)，但在使用BrainEx系統處理的組織中已經被復活(右)。在這些免疫螢光圖像中，神經元呈綠色，星形膠質細胞呈紅色，細胞核呈藍色。直覺上，我們傾向於認為復活是一個壯觀的，炫耀的事件：一隻鳳凰從灰燼中升起。但在細胞層面上，復活與其說是一種勝利的轉變，不如說是一支調得很好的管弦樂隊的漸強。
雖然很容易將死亡等同於混亂，但細胞死亡絕不是一個隨機過程——即將死亡的細胞往往會以一種可預測的方式離開。它們的內部產生器變慢，它們的細胞器可能會分裂，它們的DNA也會分解。
要想復活，細胞必須逆轉這些過程，並試圖通過一個複雜的、精心設計的操作來修復損傷。它們常常可以自己啟動這一複雜的恢復過程——幾年前，科學家們對細胞死亡終結的舊假設提出質疑時，這一發現浮出水面。
在這張2012年的照片中，研究人員何文堂(左)、丹尼斯·蒙泰爾(中)和何林堂(右)坐在約翰·霍普金斯醫學院的實驗室裡。最執著的最初問詢者包括當時在香港中文大學工作的生物學家唐浩林和唐浩兄弟姐妹。唐氏家族早就聽說，一旦細胞進入凋亡(許多細胞都會經歷的一個經典的死亡過程)，它們就無法復活，因為caspases——一種所謂的「劊子手酶」——會將細胞蛋白質切成碎片。Caspases被認為是幾乎所有細胞的最後喪鐘：一旦Caspases出現，細胞凋亡就不可能逆轉。
為了找到答案，唐氏夫婦在2008年設計了一個簡單的實驗。他們將人類腫瘤細胞浸入乙醇中，已啟動細胞凋亡。但之後，他們並沒有扔掉這些可能已經死亡的細胞，而是將細胞清洗乾淨，放入新鮮的培養基中。
結果令人震驚。到第二天早上，一些細胞恢復了正常、健康的外觀。「這不是我們所期望的，」目前在約翰·霍普金斯醫學院工作的霍根·唐說。線粒體等關鍵細胞器恢復了正常功能。所有跡象都指向一夜之間的戲劇性逆轉—細胞起死回生。
當這兩位科學家確認了在這一過程中起作用的酶時，他們證實，即使caspases開始切割細胞內部，細胞也能恢復。2012年，霍根和霍莉·唐將這種細胞恢復過程稱為「anastasis」，源自希臘語，意為「復活。
細胞生物學家丹尼斯·蒙特爾也開始質疑細胞臨界點的存在。蒙特爾曾在約翰·霍普金斯大學與唐氏家族共事，也是2012年那篇論文的作者之一。為了研究這個問題，現任職於加州大學聖巴巴拉分校的蒙特爾將一些人類癌細胞浸入酒精中，開始細胞死亡。酒精在幾個小時內就產生了預期的效果：細胞開始收縮，細胞膜膨脹，就像帶有薄弱點的水球。
在蒙泰爾的研究小組將細胞清洗以去除酒精後，他們逐小時追蹤細胞的原形。起初，她以為細胞在兩小時後就完全恢復了，但12小時後，她意識到細胞看起來與10小時前大不相同。Montell說，對在不同時間點活躍的基因進行測序顯示，「基本上，復甦有兩個階段」。「還有一個涉及不同過程的後期階段。」
加州大學聖巴巴拉分校分子、細胞和發育生物學教授丹尼斯·蒙特爾表示：「細胞在瀕死之際仍能平穩地恢復。」在真核分裂的第一階段，在細胞凋亡過程中停止生長的細胞開始重新生長並恢復正常的細胞周期。在後期，大約過了半天，細胞在分裂和繁殖的過程中開始活躍，這一反應可能有助於受損組織的填充和再生。蒙特爾還注意到促進生長和恢復的基因在細胞凋亡過程中在一定程度上是活躍的，這表明即使細胞凋亡開始，潛在的安娜斯塔斯病的種子也已經播下。她說：「即使細胞瀕臨死亡，它們也能平穩地恢復。」
2015年，通過從蒙特爾的實驗室開始，到約翰·霍普金斯大學j·瑪麗·哈德威克的實驗室，唐氏夫婦發現了一種追蹤活生物體真假的方法，即用一種螢光蛋白標記動物的基因，這種螢光蛋白只有在半胱天冬酶激活後才會發光。這使他們能夠看到哪些細胞在凋亡的過程中發生了變化，然後逆轉並恢復正常功能。研究人員使用了多種技術來證明真假真假髮生在從果蠅到嚙齒類動物的各種生物體中。蒙泰爾說，這「相當令人震驚」。「即使在正常發育過程中，這種情況也並不罕見。」
這表明，由於它所提供的進化優勢，真假現象可能會持續存在。蒙特爾說：「有時細胞會受到嚴重而短暫的壓力，並不是身體的每個細胞都有自殺的傾向。」「它是一種限制永久性組織損傷的方法。」
例如，如果一些細胞在營養缺乏的情況下死亡，那麼存活下來的細胞就會有更多的營養可供消耗——前提是它們能夠逆轉死亡順序。當霍根和霍莉·唐在幾天的禁食後給果蠅一頓富含蛋白質的大餐時，已經開始凋亡的果蠅卵細胞改變了方向並自我修復。因此，安娜斯塔西婭是細胞剪枝體在壓力下的一種平衡，是細胞凋亡的能量陰陽。
數十年來，一種更微妙的復活形式一直吸引著生物學家：細胞用來讓自己從深度休眠中甦醒的過程。在許多物種中，某些細胞可以顯著地減緩它們的活動，就像光線變暗但不會完全消失一樣。當它們在這種靜止狀態中徘徊時，它們等待著合適的時刻重新回到生活中——只要條件是理想的，它們就會繁盛起來。
林蛙是研究得最透徹的冬眠動物之一，當冬天氣溫驟降時，林蛙會變成固態。在第一次冰凍之前，青蛙會找到一個由落葉層組成的窩，在裡面保持自己的絕緣。當冰晶遍布全身時，肝臟會產生糖原，這是一種防止細胞破裂的天然防凍劑。這種適應性增強了細胞對凍害的抵抗力，因此大多數細胞可以在以後恢復正常活動。
肯尼斯·斯託裡等研究人員正在研究這些冷凍保存的青蛙細胞是如何恢復全部功能的。斯託裡是渥太華卡爾頓大學的一名分子生物學家，多年來一直在研究他所稱的「凍冰棒」，基因測序幫助他確定了它們顯著恢復的某些基礎。
當青蛙進入長期停滯期時，它們的細胞會分泌一種叫做轉化生長因子-貝塔的物質，這種物質會刺激蛋白質的產生，從而使細胞過程停止。與此同時，這些蛋白質激活了幫助血液凝固的特定基因。這有助於確保冷凍過程中的輕微出血在休眠期間得到控制，讓青蛙的組織在漫長的冬季結束時恢復得更快。抗菌素蛋白也會在冰凍的青蛙細胞中積累，使這些細胞保持足夠的健康，以便在春季強勢反彈。
雖然很少有動物像樹蛙一樣使用同樣的冷生存方法，但哺乳動物細胞在休眠時也會使用類似的自我保護策略。細胞生物學家萊拉·裡茲瑪在荷蘭萊頓大學醫學中心用一種被稱為活體顯微鏡的成像技術研究活老鼠體內的休眠細胞。她用螢光染料染她的細胞，一旦染色細胞開始繁殖，螢光染料就會逐漸稀釋。
然而，在休眠細胞中，染料保持高度集中，這使得Ritsma能夠通過視覺識別這些細胞。通過螢光基因標記，她跟蹤了個體休眠細胞的命運。在休眠期間，「細胞的新陳代謝開始降低——它們關閉了所有增殖所需的途徑，」Ritsma說。「但並不是說他們什麼都不做。」在癌症中，部分惡性細胞似乎會習慣性地進入休眠狀態，這種狀態使它們能夠抵抗化療或放療的攻擊。
Ritsma的研究表明，和休眠的青蛙細胞一樣，休眠的哺乳動物細胞也能聰明地優化它們成功復活的機會，它們會蹲下身子，在條件最好的時候再咆哮起來。她今年報告說，基於蛋白質表達研究，哺乳動物細胞使用TGF-beta蛋白來控制它們的休眠狀態，就像林蛙細胞一樣。「TGF-beta非常有趣，因為它可以誘導休眠，但也可以誘導增殖，」Ritsma說。「這要看情況而定。例如，tgf -貝塔刺激基因的活動，使細胞周期緩慢爬行，這樣細胞就可以進入休眠狀態。要復活，細胞可以通過再次改變TGF-beta來抑制這些促進休眠的基因。
但這種勝利的逆轉也有其黑暗的一面。正如裡茲瑪所描述的，在癌症中，部分惡性細胞似乎會習慣性地進入休眠狀態，這種狀態使它們能夠抵抗化療或放療的攻擊。這可能是因為一些休眠的細胞後來重新醒來，回到瘋狂的分裂狀態，導致原本處於緩解期的癌症復發。
無論環境或物種，細胞的復活都是一個不斷調整和適應的過程。從不同類型的停滯狀態中恢復的細胞可能看起來和以前一樣健壯，但它們的恢復可能遠遠不是無縫的。在一項實驗中，霍根和霍莉·唐注意到，一些從死亡邊緣返回的細胞，在安娜斯塔西婭病後，染色體出現了故障。Hogan Tang說，這種情況可能會發生，因為細胞在凋亡過程中受到DNA損傷，無法完全修復。
大多數細胞在從休眠狀態返回的過程中都會經歷一個類似的脆弱階段。由於水在結冰時膨脹，樹蛙體內的一些細胞會發生細胞膜破裂和DNA突變，儘管它們有各種各樣的保護措施。一些休眠的細胞最終受損嚴重，無法修復，必須被清除掉，這是它們自身在細胞邊緣時期的損失。
通過研究細胞如何自我復甦的細節，以及它們如何經受住過程中的小故障，蒙特爾、唐和Ritsma等研究人員希望能在人類細胞中引發類似的復活。霍根·唐說:「在瀕死的神經元和心臟細胞中促進原生質還原可能有助於治療腦損傷和心臟病發作。」Storey正在研究如何解凍冰凍的人體器官，使其在不受損傷的情況下進行移植。這將使這些器官可以無限期地儲存起來，並運送到世界各地的接受者手中。
從治療的角度來看，停止細胞內的復活序列可能會證明同樣有效。例如，在癌症治療過程中，由於化療的毒性作用，許多細胞進入了凋亡狀態，這正是應該發生的。然而，這些毒素可能對已經進入休眠狀態的癌細胞沒有影響，甚至通過還原作用自我修復的細胞也可能保留永久性的基因損傷。這兩種類型的細胞都可能引發新的癌症，或導致現有的癌症復發。蒙特爾的目標是確定哪些分子信號允許癌細胞通過真核分裂過程，希望在必要時抑制或促進這些信號。
宮本慶是日本金代大學研究小組的成員，該小組曾試圖重振猛獁象的細胞核。宮本慶是一名基因工程師。儘管如此，生物學家還不知道如何識別哪些癌細胞可能從休眠中醒來並失去控制地分裂——在癌細胞構成真正的問題之前，可能需要包含被忽視的癌細胞的信息。驅動真假和其他類型恢復的細胞信號的組合也必須進一步解碼。為了使治療真假現象成為可能，「最重要的是我們試圖識別真假抑制因子和促進因子，」霍根·唐說。另一個懸而未決的問題是，相鄰的細胞如何相互通信，以確定每個細胞是會恢復生命、保持休眠狀態，還是繼續進行細胞死亡序列。
大多數關於細胞復活的研究都涉及到被認為正在死亡的細胞，或者按照通常的標準只是最近「死亡」的細胞，耶魯大學的研究小組對宰殺的豬腦的研究是一個極端的例子。但一些研究人員試圖從一種2萬多年前就已經滅絕的動物身上恢復細胞成分。
來自日本金達大學的生物學家團隊從實驗室冰櫃中取出了一些西伯利亞猛獁象，用微小的試管將組織搗碎，然後提取含有細胞核的微觀碎片—控制中心在最後一個冰河時代激活了這種已滅絕的哺乳動物細胞。使用比縫紉針小的移液器，研究人員使用稱為核轉移的技術將細胞核注入小鼠卵細胞。然後他們等著看雜交細胞是否會出現新的生命跡象。科學家緊張地坐在顯微鏡的數字屏幕前，警惕任何運動的暗示。
突然，在其中一個重建的細胞中，古老的猛獁象染色體出現在視野中，並開始與老鼠卵子的紡錘體連接起來。在研究小組的觀察下，這些染色體被植入了兩個不同的染色體簇。然後，每個星團周圍都出現了一個微弱的圓形邊緣——這條曲線表明，原來只有一個細胞核的地方，現在已經有了兩個細胞核。
猛獁象細胞核沒有進一步分裂，這可能是因為它們的DNA受到了損傷。基因工程師宮本慶是這項研究的合著者之一，他強調說，猛獁象染色體的排列高度不規則，沒有證據表明染色體周圍的曲線是早期細胞核的邊緣。不過，宮本茂稱觀測到的活動是「一個好跡象」。研究人員並沒有讓這兩萬八千年前的猛獁象細胞復活，但儘管如此，他們至少在細胞核內點燃了一些生化火花，而這些火花早在人類歷史開始之前就存在了。
我們現在知道，細胞可以危險地與死亡的邊界『調情』——甚至可能完全越過死亡的邊界——但仍能恢復失去的功能。這種靈活性是經過深思熟慮和適應的。在細胞層面上，正如在更廣泛的生命周期中一樣，死亡和復甦必須保持微妙的平衡，以使整個系統繁榮。了解這種平衡是如何維持的，以及細胞是如何調整這種平衡的，可能會給我們帶來一種自由而又可怕的力量，讓這種平衡向生命傾斜。