死亡門檻:是什麼決定了老鼠只能活三年,而鴿子卻可以活到三十年?

死亡門檻:是什麼決定了老鼠只能活三年,而鴿子卻可以活到三十年?
Photo Credit: Laura Suarez @ Flickr CC By SA 2.0

我們想讓你知道的是

假設真有所謂的死亡門檻,跨過這道門檻之後,細胞(連帶著整個生物個體)就會死於細胞凋亡。在門檻之下,細胞跟個體都可以存活。顯然,不同物種之間的閾值,一定不一樣高。

文:尼克・連恩(Nick Lane)

分布在不同地理區域的人,線粒體DNA的形式也不太一樣,這種差異性顯然並非隨機,而這也暗示我們,特殊環境對線粒體DNA,確實有篩選的效果,但是,這也就僅止於暗示而已。但是如同前面提過,鳥類的線粒體DNA很少變異,因為DNA序列已經是最適合飛行的了,大部分後來出現的突變,都會被天擇消滅;這也就是說,因為線粒體DNA的變異性很小,也就沒有留給天擇什麼機會,去篩選出碰巧適合寒帶氣候、或是適合多油飲食的變種線粒體。

從這個角度來看,鳥類必須經常遷移,而非停在一處忍受季節變化,就變成一件很有趣的事。是否是因為牠們的線粒體,比較適合應付遷徙時的消耗,而比較不適合應付留下來所要面對的嚴酷環境呢?反過來說,大鼠的線粒體差異就很大,根據第一原理的預測,這可以讓牠們有較多本錢,適應力就好很多。事實果真如此嗎?老實說,我不知道。但是老鼠確實是適應力極佳的小動物,這點無需辯駁。

但是當然,追求線粒體的變異性,也要付出代價,這代價就是疾病。就某種程度上,這缺點可以藉著選擇生殖細胞來避免,也就是帶有突變線粒體的卵子,會在成熟以前就被剔除。有一些證據顯示,這樣的篩選機制確實存在:在大鼠跟小鼠體內,嚴重突變的線粒體在經過幾代繁殖後,就會被剔除,而比較不嚴重的突變則會被留下。不過回頭想想這個結果,要數代後才會被剔除呢!這個天擇作用可真弱。如果你生下來,就受盡嚴重的線粒體疾病之苦,那麼當想到你的孫子(如果你夠幸運能有一個的話),可能不會有一樣的疾病,是不是感到很安慰呢?

即使天擇確實可以作用在生殖細胞上,去剔除突變的線粒體,但這並不保證也會剔除線粒體疾病。尚未成熟的卵細胞,還沒有完整的細胞核基因體,不只是因為它們在減數分裂半途就會停下來,被關在無人知曉的角落好多年;同時也是因為此時父系的基因尚未加入戰局。對核線粒體互相適應的篩選,只有當卵細胞受精之後,當一顆全新、擁有獨一無二細胞核基因體的受精卵誕生後,才算開始。

雜種衰退,並不是因為線粒體突變的關係,雜種衰退來自線粒體跟細胞核基因體的不相容性,而這兩套基因體,當各自處於另外一種情境下時,搞不好是完美的。我們也介紹過,對核線粒體不相容性的篩選變嚴的話,必定也會增加不孕的機率。如果我們不想變成不孕,那就必須付出一些代價,也就是有可能生病。而要在繁殖與疾病之間取捨,也是複雜生物因為需要兩套基因體,而出現完全可預測的後果。

假設真有所謂的死亡門檻(見圖)。跨過這道門檻之後,細胞(連帶著整個生物個體)就會死於細胞凋亡。在門檻之下,細胞跟個體都可以存活。顯然,不同物種之間的閾值,一定不一樣高。對於蝙蝠、鳥類以及其他對氧氣需求極大的生物來說,這門檻必定很低:只要線粒體跟細胞核的基因體稍有不合,線粒體稍微運作不良,又引起輕微的自由基外漏,就會放出細胞凋亡的訊號,然後終止胚胎發育。對大鼠、樹懶以及其他「懶惰的」動物而言,因為對氧氣需求比較低,等於把門檻提高:輕微的自由基外漏沒什麼關係,線粒體運作不太順利,也可以接受,胚胎就可以發育。

對這兩種選擇而言,都有各自的利弊。死亡門檻低,生物有氧運動能力高,不容易有線粒體疾病,但是代價就是生育力低以及適應力低。生育力、適應力、有氧運動力、疾病,這些都是關鍵字彙。沒有什麼比這些更適合作為天擇的種子了。我再強調一次,所有這些利弊取捨,都是因為需要有兩套基因體,而不可避免的結果。

死亡的門檻

圖說:死亡的門檻

自由基分子外漏,到什麼程度才能引起細胞死亡(細胞凋亡)?在不同物種之間結果應該不一樣,而這要看他們的有氧能力而定。對於有氧需求極高的生物,需要線粒體與細胞核的基因體完美匹配。如果相容性不佳,自由基從運作不良的呼吸鏈中外漏的速率,就會非常高。如果它們對相容性的需求很高,那也會對自由基外漏很敏感,即使只漏出一點點,也會放出適應不良的警報,就會開啟細胞凋亡的開關(低門檻)。

相反的,對有氧需求不大的細胞來講,自殺並沒有什麼好處。這樣的生物就可以忍受較多自由基外漏,而不會啟動細胞凋亡程序(高門檻)。對於死亡閾值高或低的預測,列在圖的兩側。我們預測鴿子有很低的門檻,大鼠則有很高的門檻。這兩種動物的體型跟基礎代謝率都差不多,但是鴿子自由基的外漏速率低多了。這些預測到底有多真?我們並不知道,不過讓人驚訝的是,老鼠只能活三四年,而鴿子卻可以活到三十年。

我純然稱它為一個「假設的死亡門檻」,它確實只是個假設。這道門檻真的存在嗎?它很重要嗎?以人類來說,大約有百分之四十的懷孕,最後會以「早期潛藏性流產」告終。這裡所謂的早期,是非常非常早,大概發生在懷孕前幾周之內,通常都還沒有出現任何懷孕症狀,妳甚至根本不知道妳懷孕了。而「潛藏性」的意思,就是說藏起來,所以也沒有臨床症狀。通常我們都不知道為什麼會流產,它也不是來自一些常見的原因,像是染色體分離失敗,結果造成「三染色體」(trisomy)之類的疾病。

那它有可能肇因於生物能量上的問題嗎?這很難證明。不過,今天科學家已經有了快速掃描基因體的能力,我們倒是有點希望可以知道。我們對於不孕症的焦慮,讓科學家甚至去進行一些不太健康的實驗,來研究可以促進胚胎發育的因子。有些嚇人的實驗,像是笨拙地把ATP(三磷酸腺苷)送入虛弱的胚胎中,而這樣做竟然可以延長胚胎的壽命!所以很明顯地,生物能量確實很重要。

同理,或許這些流產,是為了「追求最佳」所造成的結果;或許這些胚胎,有線粒體核不相容的毛病,所以進入細胞凋亡程序了。對於演化,沒有什麼道德批評可言。我只能說,我不會忘記自己也曾經為此苦惱不已(幸好現在都過去了)。而我,跟大部分人一樣,都想知道為何如此。我相信,大部分的早期潛藏性流產,應該都是源於線粒體核不相容。

此外,還有另外一個理由,支持死亡門檻的存在,以及它的重要性。高死亡門檻,會帶來一個間接的終極代價,那就是老得快,以及必需忍受各種老化相關疾病。這個論點可能會引起某些人的不快。高死亡門檻,代表生物可以忍受比較多的自由基外洩,而不會引起細胞凋亡。這意思也就是說,像大鼠這種低有氧能力的動物,會有比較多的自由基外漏;相反的,像鴿子這種高有氧能力的動物,則會有比較少的自由基外漏。


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Photo Credit:浪琴表
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