物理学使“衰老”变得不可避免

2016-09-06彼得·霍夫曼

飞碟探索 2016年8期

彼得·霍夫曼

4年前，在我出版《生命的棘轮》一书时，我关注的重点是，在周围的分子一片混乱的情况下，生命是如何创造并维持那些高度有序的系统的——也就是分子是如何被安装上“棘轮”、“从混乱中提取秩序”的。令我感到惊讶的是，这本书在衰老研究领域引起了极大的反响。美国国家衰老研究所心血管科学实验室的主要负责人埃德·拉科塔说，衰老是从“秩序中提取混乱”。

最近，我应邀为“鹦鹉螺”网站专门撰写了文章，谈到了这些观点，也收到了数量相当可观的评论，比如：①我们是开放的热力学系统，因此不会遵循熵不断增加的规律（因为我们总是可以从环境中获得更多的低熵能量）;②我们的细胞有一个修复系统，可以处理可能发生的任何损害;③现实中就存在“永生的”细胞和生物体，与我宣称的“衰老不可避免”相互抵触。那么，这些评论究竟有没有道理呢？

第一条和第二条评论的答案基本相同：完全正确。我们是（热力学）开放系统，这一点我在《生命的棘轮》中详细介绍过。低熵能量的摄入，正是我们在分子学机制上可以从分子混乱中提取秩序的原因。然而，分子混乱是始终存在的，从微观角度来说，我们细胞中的分子总是在不断受到损伤。与其他的热力学开放自组织系统不同，如飓风，生命系统有着令人难以置信的严格控制的系统，包括复杂的连锁反馈和调节回路。这些反馈回路都依赖于高度适应性和构建性的分子机器，由未被损坏的DNA提供蓝图，并及时、准确地进行调整并发出信号。这些系统在分子、细

胞器、细胞、细胞相互作用、组织、器官以及生物体的层次结构上相互作用，有很多内置的储备、冗余和修复系统。

然而，这些系统中的某些部分最终会受到细微的损伤，比如能源供应放缓、信号链变得分崩离析、反馈回路定时有点失常、损坏的分子不能被清除出细胞等，从而在细胞中累积，导致分子机器功能懈怠，或者无法被激活。这种功能的丧失会进一步导致其他系统功能的丧失，因为在生物体中，所有系统之间是相互依存的。这将导致故障的雪崩式增加。

“永生水母”的学名是灯塔水母，直径只有四五毫米，属于水螅虫纲。灯塔水母在20℃的水温中达到性成熟阶段需要25天至30天，性成熟后会重新回到水螅型状态，并且可以无限重复这一过程。

在一个庞大的细胞和功能系统中，这一过程的开始只是一个概率的问题。你可以尝试防止一个系统出现故障，但取而代之的是，会有更多其他系统出现故障。而那个试图阻止这一故障的系统，是依赖于其他系统的。所以归根结底，从长远来看，它是肯定会受影响的。我们细胞中的修复系统是一流的，它们使我们能够活到80岁以上，这个时间比任何与我们大小和心率相近的哺乳动物都要长。我们还能活得更长一些吗？原则上来说，修复系统是可以改进的，但是严峻的复杂性使得要想对其进行改进需要很长时间。我们受制于概率游戏，这一事实是始终不会改变的，从而使我们最终输掉这场游戏。

第三条评论提到在这个世界上有“永生的”生物。读者提到的这些“永生的”生物体，都是非常简单的生物体：典型的单细胞生物体或者至少是未高度分化的生物体。最典型的例子是细菌，还有像所谓的“永生水母”一类的动物。“永生水母”有一个逆转其生长发育过程的阶段，从本质上说，也就是“永生水母”从成虫阶段返回幼虫阶段，然后再重新发育成新的成虫。如此看来，似乎可以这样无限地延续下去，使水母“永生”。

乍一看，这似乎是不可思议的。然而，从某种意义上说，人类也做着同样的事情，我们的生殖细胞也是“永生的”。但是，这不同于一个成年复杂个体的老化。相较于在许多年中使一个复杂的有机体维持其分子和系统秩序而言，使人类生殖细胞中的DNA保持适度稳定是一个相对容易的任务。然而，即便如此，随着时间的推移，退化也会发生。这就是当父母上了岁数时，孩子的出生缺陷变得更为普遍的主要原因。

至于水母，作为一个成年个体，它们显然不是永生的，因为它们必须“死去”，以回到幼虫阶段。同时，并不是所有的水母都能成功地进行这种转换，所以水母的“永生”是从群体层面而言的。如果这就是“永生”的定义的话，那么可以说人类也是“永生”的！但是，我们通常不会使用这种定义。

还有一个重要的事情值得一提，那就是正常的人类（体）细胞也可以“永生”。这就是所谓的癌症。如果把分子紊乱比作一枚硬币的话，那么癌症和衰老就是同一枚硬币的两面。如果我们的细胞到了某个时候还没有死亡的话，那么分子紊乱和DNA损伤会不断增加细胞“耍流氓”和癌变的概率。保持我们的细胞在分裂、生长和分化时都遵守秩序的成本是严格的监管，而面对这种热力学上的猛攻以及化学损伤，严格监管的成本就是衰老。