越大的动物越长寿?事情没有这么简单

新浪科技
2018-03-23

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新浪科技2018-03-23

弓头鲸能活到两百多岁
弓头鲸能活到两百多岁

一只果蝠。蝙蝠往往比同等体型的动物长寿。
一只果蝠。蝙蝠往往比同等体型的动物长寿。

皮肤皱巴巴的裸鼹鼠可能携带着长寿的奥秘
皮肤皱巴巴的裸鼹鼠可能携带着长寿的奥秘

3月23日消息,据国外媒体报道,秀丽隐杆线虫(学名:Caenorhabditis elegans)的体型微小,其一生大约只有3个星期。这样的寿命对蜈蚣或老鼠来说简直微不足道。然而,相比其他许多动物,从蜜獾到狮子,再到黑猩猩,蜈蚣和老鼠的寿命又不值一提了。更令人惊奇的是弓头鲸,其两百年的寿命是哺乳动物中最长的。

还有极少数极端的情况,比如一些动物的寿命远远超过其亲缘关系最近的物种。据华盛顿大学的分子生物学家马特·克贝尔莱茵(Matt Kaeberlein)介绍,有一种圆蛤的寿命达到了500岁,相当于秀丽隐杆线虫的8500倍。这种圆蛤的大小与一个餐盘差不多。不过,通常而言,较大的动物,比如鲸和大象,都具有比小型动物(比如老鼠)长得多的寿命。为什么会这样呢?

“我觉得问题的答案不止一个,”克贝尔莱茵说道。动物似乎有很多阻止DNA和组织过早衰老的方法,使它们能比其他动物活得更长。科学家希望找出这些方法背后的奥秘,以帮助人类应对与年龄有关的疾病,比如癌症、痴呆症和心脏疾病等。

好消息是,我们已经对大型动物为什么活得比小型动物长久有了一定了解——这与小型动物更可能被掠食者吃掉的事实有关。为了生存和繁衍,小动物往往很早就开始生育,并且迅速衰老。苏格兰圣安德鲁斯大学的宏观生态学家凯文·希利(Kevin Healy)说:“如果你是一只老鼠,那就真的没办法解决与癌症或衰老相关问题的选择压力,因为到那时候你肯定已经死了,你永远不会到那一步。”

体型较大的动物能承受更长的成长和繁殖时间。在英国利物浦大学研究衰老问题的生物学家乔奥·佩德罗·德马加拉斯(Jo?o Pedro de Magalh?es)说:“如果你是一只大象,打个比方,你就不会被一只鬣狗吃掉,因此体型够大本身就是优势。”因此,当某种动物面临的外界死亡风险——比如食物短缺或被掠食者捕食——较低时,其演化出更长寿命的机会就会增大。

还有一些动物类群虽然体型较小,但也能比其他差不多大的动物活得更久,比如许多鸟类和蝙蝠,还有裸鼹鼠。希利和他的同事们对不同生活方式对寿命的影响进行了分析,指出飞行或掘洞等习性可能就是造成这一现象的原因。“这有点像体型长得非常,非常大,”希利说,“如果你能飞,你就能躲开掠食者,你可以轻而易举地移动到新的地方。如果一个地方干旱了,你还可以去另一个地方。”

挖掘洞穴也是避开掠食者的优势之一。然而,生活在地下的物种并不算太多。最引人注目的物种要属裸鼹鼠,它们能活到30岁以上,并且几乎不会衰老或患上癌症。这种奇特的生物或许有着其他保持长寿的秘诀。

裸鼹鼠的生活方式更像蚂蚁或白蚁,而不像典型的啮齿类。它们营群居生活,由一只相当肥硕、负责繁衍的王后统治着一大群工鼠。希利说:“它们保护着王后,因此没有掠食者能靠近王后。如果出现了食物短缺,王后会首先获得食物。这基本上形成了一个相当有保护性,并且使它们能活得很久的环境。”

德马加拉斯指出,灵长类动物也享有更长的寿命。黑猩猩的寿命是根据它们体型所预期寿命的两倍。如果单独按体型计算,人类的最长寿命应该只有27岁。然而,目前我们所知最长寿的人岁数是这一数字的4倍;一位名为珍妮·路易斯(Jeanne Louise)的法国女性活了122岁零164天,于1997年逝世。

大丹犬的平均寿命为8到10年
大丹犬的平均寿命为8到10年

一只侏儒鼠和它正常体型的一母同胞。侏儒鼠的寿命比普通的小鼠长40%,它们缺乏生长激素,而生长激素能促进身体分泌另一种与生长发育相关的激素——胰岛素样生长因子1(IGF-1)。
一只侏儒鼠和它正常体型的一母同胞。侏儒鼠的寿命比普通的小鼠长40%,它们缺乏生长激素,而生长激素能促进身体分泌另一种与生长发育相关的激素——胰岛素样生长因子1(IGF-1)。

拿黑猩猩与人类比较并不完全公平。人类可能的最长寿命是有偏差的,一方面我们通过药物等医学手段延长了生命,一方面我们的数量远远超过其他灵长类。而且,我们如此夸张的长寿还来自于超乎寻常的智力;能够制造和使用工具使我们获得了生存优势,让我们在漫长的演化中变得越来越长寿。

“从演化的角度,我们已经很了解大型动物活得更长久的原因,”德马加拉斯说,“至于其中的机制基础?我觉得就不太清楚了。”

代谢更快,死得更早?

以往科学家认为,大型动物之所以比小型动物长寿那么多,主要原因是它们的代谢速率较慢。“如果体型很小,比如老鼠,那么你就有很大的表面积和体积比,这意味着你会疯狂地辐射热量,”美国密歇根大学安娜堡校区的生物衰老学家理查德·米勒(Richard Miller)说道。像大象这样的大型动物只需要消耗相对少的能量就能保持体温。也就是说,寿命较长的动物往往具有较低的代谢速率。科学家推测,低代谢速率对动物细胞的损耗会更少。

然而,新陈代谢速率其实只是在转移视线。米勒说:“袋鼠和负鼠具有非常低的代谢速率,因此如果这一理论成立的话,它们就应该具有很长的寿命。但事实上,这两种动物的寿命都相当短。”另一方面,鸟类和蝙蝠具有很高的新陈代谢速率,但它们的寿命要比自身体型相应的预期寿命长得多。

德马加拉斯和同事们对哺乳动物和鸟类的寿命与代谢速率之间是否存在联系进行了分析。在考虑了体型因素之后,这种联系消失了。

然而,有可能代谢速率在决定变温动物的寿命时扮演着重要角色。一些寿命较长的变温动物生活在冷水中,包括洞螈。这是一种生活在洞穴中的蝾螈,寿命可以长达100岁。生活在深海的大西洋胸棘鲷能活到150岁。还有格陵兰鲨,寿命甚至能达到惊人的400岁。“它们的代谢速率非常低,就好比一个火炉,当我们打开加热开关时,就得消耗更多能量,”希利说道。

此外,德马加拉斯还指出,类似线虫和苍蝇等变温动物如果在较冷的温度下培养,其寿命也会更长。这可能是由于它们的细胞在低温条件下积累损伤的速率更慢。我们很难在哺乳动物身上进行类似的实验,因为恒温动物所能承受的温度范围要窄得多。

“对于那些寿命非常长的圆蛤,我认为,几乎可以肯定低温是主要的因素,但并不是故事的全部,”克贝尔莱茵说道。在相同区域发现的其他蛤类通常寿命只有几十年,而不是几个世纪。

类似的,一些蝙蝠的寿命要远胜过同样会飞的其他动物。布氏鼠耳蝠尽管跟老鼠差不多大小,但是寿命能长达40年——老鼠最多也就能活3到4年。希利表示,同样体型的鸟类预期寿命大约为10年。“尽管体型较大的动物确实活得长,但会飞的动物活得更长……差别是非常,非常大的,”希利说,“这并不是一个通用模式。”

寻找长寿的内在机制

不过,在动物界中也普遍存在着一些特定的衰老标记。随着我们逐渐变老,我们的线粒体——在细胞中制造能量的微型工厂——也没有原来那么活跃了。蛋白质开始折叠成错误的形状,诸如阿兹海默症等疾病也开始出现。能保护DNA的端粒(染色体末端的DNA重复序列)也开始变短,直到细胞无法再继续分裂。突变在我们的DNA里积累。这些因素,加上少数其他过程,似乎决定了我们的细胞随时间衰老的程度。

我们不知道所有这些能在多大程度上解释不同动物之间巨大的寿命差异。不过,许多这些过程似乎在那些具有较长预期寿命的动物中有着不同的工作机制。有证据显示,一些蝙蝠(相对体型而言在哺乳动物中具有最长的寿命)体内的端粒并不会随着年龄增长而缩短。克贝尔莱茵指出,长寿的圆蛤和裸鼹鼠似乎特别擅长避免蛋白质的错误折叠。

然而,裸鼹鼠还有着许多其他天赋,其中之一便是产生玻尿酸的能力。玻尿酸又称透明质酸,是一种独特的糖类,能保持皮肤的弹性,还能抑制肿瘤。裸鼹鼠产生的玻尿酸比人类多5倍。“这至少可能与裸鼹鼠出现癌症的几率远低于预期的原因有关,”克贝尔莱茵说,“这并不是所有人都认可的衰老标志之一。”

科学家对裸鼹鼠这样非同寻常的物种特别感兴趣,但还有一些在长寿动物中也普遍出现的模式。这些动物或许能比寿命较短的动物更能应对突变和DNA损伤。科学家正在对大象和弓头鲸的这种能力进行研究。“你可能会觉得那些细胞数量比我们多的动物患上癌症的机会也更大,但如果真的这样,它们就不会活那么久了,”德马加拉斯说,“因此它们肯定有着某种我们不具备的肿瘤抑制机制。”

研究人员发现,大象具有额外的与肿瘤抑制有关的p53基因拷贝。p53基因为编码肿瘤抑制蛋白的基因,属于最早发现的肿瘤抑制基因(又称抑癌基因)之一。德马加拉斯及其同事还发现,在长寿动物——包括蝙蝠、大象、人类和其他灵长类动物——中,帮助细胞抵御DNA损伤的基因似乎在演化速度上要比短寿动物(如小鼠和大鼠)快得多。

米勒表示,具有较长寿命的动物可能还具有耐受性更强的细胞,能应对更大的环境压力。他从不同动物身上提取皮肤细胞,用镉、过氧化氢和紫外线进行处理。如果细胞来自较为长寿的动物(比如豪猪),其所能承受的有害物质就比来自小鼠的细胞多得多。

“如果你是一只老鼠,那么就有很大概率在活到一岁之前饿死或被吃掉,因此细胞对金属耐受的能力用处就不是很大,”米勒说,“但如果你是一只大象或豪猪,或者一只蝙蝠……演化出对众多毒素和生理攻击的耐受力将会非常有用。”

米勒和他的团队对长寿动物的细胞如何变得对压力不那么敏感进行了研究。他们已经鉴别出一种被称为“硫氧还蛋白还原酶2”(thioredoxin reductase 2)的酶。这种酶具有保护线粒体免受损伤的功能,并且几乎总是在长寿的灵长类、鸟类和啮齿类动物细胞中大量存在。此外,出现突变而寿命变长的小鼠体内也具有比同类更多的硫氧还蛋白还原酶2。

研究人员还致力于研究能帮助细胞分解受损蛋白质的免疫蛋白酶体结构。长寿的鸟类、啮齿类和灵长类动物都具有较高的免疫蛋白酶体水平,而它们的细胞也更擅长清楚错误折叠的蛋白质。“这三类动物是独立演化的,”米勒说,“这是个很明显的迹象,没有这些免疫蛋白酶体,就无法演化出长寿的物种。”

小体型的代价

那么,如果大型动物活得更久,那犬类又是怎么回事呢?吉娃娃等小犬种的寿命可以是大丹犬等大型犬种的两倍以上。米勒表示,犬种之间的寿命差异大约有56%与体型差异有关。而且,这并不仅仅局限于纯种犬。克贝尔莱茵称,混种犬的体型和寿命的联系也同样明显。这种情况并不限于犬类。虽然体型较大的物种往往活得比小体型物种长久,但同个物种内部,个子较高的个体平均寿命反而较低。“数据相当有说服力,平均而言,大个子往往没有小个子长寿,体型较大的小鼠也往往没有体型较小的小鼠活得久,”克贝尔莱茵说道。

造成这种现象的原因之一可能是一种称为“胰岛素样生长因子1”(IGF-1)的激素。这种激素能促进细胞生长。在哺乳动物和无脊椎动物中,个体的IGF-1水平越高,其体型就越大。有证据显示,人体或小鼠体内的IGF-1水平越高,患上癌症的风险也会越高。另一方面,对蠕虫、蝇类和小鼠的实验显示,如果IGF-1水平较低,则这些动物的衰老会变慢,并且具有较长的预期寿命。

“我们并不真正了解这些激素如何使一种动物寿命正常或延长,”米勒说道。不过,或许有一天我们可以利用IGF-1或其他相关激素来延长人类的寿命。

由于大型犬的体型要远大于小型犬,因此二者的寿命差异特别巨大。不过,延长大个子的寿命仍然有一线希望。克贝尔莱茵及其同事正在试验一种称为雷帕霉素(rapamycin)的药物能否用于延长健康寿命。雷帕霉素又名西罗莫司(Sirolimus),最初是在复活节岛土壤样品中吸水链霉菌的产物里发现的。当年老的小鼠接受雷帕霉素治疗时,其心脏会变得更强,而寿命延长了多达60%。当老年人接受了一种雷帕霉素衍生物之后,他们的免疫系统对流感疫苗的反应更像年轻人。克贝尔莱茵及其团队一直在宠物狗身上试验这种药物。和人一样,宠物狗也受到许多与衰老有关的类似疾病困扰。

“我们正在大型犬身上进行实验,原因就在于大型犬的衰老速度快过小型犬,”克贝尔莱茵说,“未来几年内,我们就能基本确定雷帕霉素等药物能否改善宠物狗的心脏功能或认知能力,而在人类身上的研究可能需要十年时间。”

研究者认为,雷帕霉素的作用机制是使细胞认为只能获取到极少的营养物质,从而进入存活模式,并且不再大量增殖。这与另一种称为“卡路里限制”(又称热量限制)的抗衰老策略十分类似。

在第一次小规模试验中,研究团队发现雷帕霉素对大型犬心脏功能的好处似乎与小鼠身上看到的十分相似。目前,研究人员正在进行第二次较长时间的试验,更密切地检查该药物对犬类心脏和认知功能的影响。他们希望最终能利用雷帕霉素来帮助宠物犬——还有我们自己——活得更久。

要弄清楚某种特定基因或某些环境因素如何帮助动物活得更长并不容易,因为这些动物往往在长到较大的体型之后会保持很长一段时间。“这些观点很多都只是假说,我们目前还无法证实,因为我们无法制造出转基因或突变的大象或鲸,”德马加拉斯说道。他希望培育出具有来自这些动物基因的小鼠,并研究这些基因如何影响小鼠的寿命。

所有这一切意味着我们仍然处于探索的初级阶段,我们还不了解大型动物和裸鼹鼠等奇特物种为何如此长寿的原因。“似乎没有一种万能、通用的衰老解决方案,”希利说,“这更可能像是临时拼凑的,用不同的作用机制来修补正在发生的所有衰老过程。这类机制发现的越多,我们就越有可能找到解决衰老相关疾病的方法,或许还能将这些方法付诸实践。”

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