问题

灯塔水母永生的原因是什么?

回答
灯塔水母(Turritopsis dohrnii)之所以被誉为“永生水母”,是因为它拥有一个令人惊叹的生命周期逆转能力,这在动物界是极为罕见的。它的永生并非我们通常意义上的“不死不灭”,而是一种通过细胞重编程(transdifferentiation)和返老还童来实现的周期性重生。

下面我们将详细阐述灯塔水母永生的原因:

1. 独特的生活周期与“返老还童”能力:

灯塔水母与大多数水母一样,拥有一个复杂的生活史,通常包括几个阶段:

幼体(larva):自由游动的幼体,最终会附着在海底或其他表面。
息肉(polyp):附着在基质上,通过无性繁殖(出芽)产生新的水母个体。
水母(medusa):我们通常认识到的钟形水母,能够自由游动并进行有性繁殖。

关键在于,当灯塔水母处于生命周期的某个阶段,特别是面临压力或损伤时(例如饥饿、物理伤害、温度变化等),它们可以发生一种惊人的转变:

从水母回到息肉阶段(Dedifferentiation):受损或衰老的水母个体,其细胞并不会死亡,而是会开始“退化”。钟形身体会收缩,触手会回缩,然后整个身体会变回一个水螅状的结构,回到息肉阶段。这个过程被称为“去分化(dedifferentiation)”。
在息肉阶段无性繁殖(Budding):回到息肉阶段后,它们就像刚开始生命周期一样,可以无性繁殖,产生新的幼体,这些幼体又会发育成新的水母。

这个过程可以反复进行,理论上,只要环境条件允许并且不被捕食或死亡,灯塔水母就可以不断地从水母阶段“返老还童”回到息肉阶段,然后再生出新的水母个体,从而实现一种形式上的永生。

2. 细胞重编程(Transdifferentiation)机制:

灯塔水母“返老还童”的核心是其细胞的惊人可塑性,即细胞重编程(transdifferentiation)。

未分化或低分化细胞(Undifferentiated or Partially Differentiated Cells):在水母的体内,存在一些具有高度潜能的细胞,它们不像其他动物的特化细胞(如神经细胞、肌肉细胞)那样已经固定了其功能和形态。这些细胞类似于干细胞,但它们并非严格意义上的干细胞,而是在特定条件下可以转化为其他类型细胞的细胞。
基因表达的改变:当水母受到刺激时,其体内的基因表达模式会发生显著改变。一些与衰老、分化相关的基因会被抑制,而一些与细胞生长、分化、发育相关的基因则会被激活。
形态和功能的逆转:这些高度可塑性的细胞能够“忘记”自己原有的特化功能和形态,重新分化成其他类型的细胞,甚至重塑整个身体结构。例如,肌肉细胞可以转变成神经细胞,或者形成新的息肉组织。

目前,科学界对灯塔水母细胞重编程的具体分子机制仍在深入研究中,但初步的基因组学研究已经揭示了一些重要的基因通路和蛋白质在这一过程中发挥着关键作用。

3. 关键的基因与分子机制(推测):

尽管具体细节仍在探索,但科学家们推测以下几个方面是灯塔水母永生的重要因素:

干细胞样细胞的存在:如同前文所述,灯塔水母体内存在能够充当“种子”的细胞,在需要时进行再生。
强大的细胞修复能力:细胞在受损或衰老时,能够有效地修复自身的损伤,防止累积性损伤导致死亡。
特殊的基因调控网络:灯塔水母可能拥有一套独特的基因调控网络,能够精确地控制细胞的分化、去分化和再生过程。例如,某些“返老还童”相关的基因可能在幼体阶段和息肉阶段被高度活跃表达,并在水母阶段被抑制,但在逆境下又被重新激活。
与衰老相关的基因调控:可能存在一些基因能够抑制或延缓衰老过程,或者通过清除衰老细胞来维持年轻状态。
端粒酶(Telomerase):虽然尚未得到明确证实,但科学家们猜测,类似端粒酶的活性物质可能帮助灯塔水母维持细胞染色体的完整性,从而避免细胞在反复分裂中“夭折”。

4. 并非绝对不死:

需要强调的是,灯塔水母的“永生”并非绝对意义上的不死。它们仍然会死亡,原因包括:

被捕食者吞噬:它们是食物链中的一部分,会被其他海洋生物捕食。
疾病感染:它们也可能受到细菌、病毒等病原体的感染而死亡。
环境剧变:极端的不利环境条件(如污染物浓度过高、缺乏食物等)仍然可能导致其死亡。
无法成功返老还童:如果生命受到严重威胁,或者细胞重编程过程出现故障,它们仍然会死亡。

总结:

灯塔水母的永生并非因为它拥有某种神奇的“不死药”,而是因为它拥有独特的细胞可塑性和基因调控能力,使其能够在环境压力或生命衰退时,将成熟的水母细胞逆转为未分化的息肉细胞,然后通过无性繁殖重新开始生命周期。这是一种以退为进、以“重生”来“不死”的生命策略。

对灯塔水母的研究不仅让我们惊叹于生命的奇妙,也为人类在再生医学、抗衰老等领域提供了宝贵的启示和研究方向。

网友意见

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一个生物进化了数百万年,把自己活成了马尔科夫均衡的样子,真是不容易。

高级的动物一般都选择有性生殖,因为有性生殖可以带来基因的融合和突变。而只有让基因不断的相互结合,才能在进化中占据更大优势,不断的和环境互相适应,形成更加有竞争力的后代。

从族群的角度来说,环境是不断变化而危险的。我们永远不知道今天的强者过个几百万年会不会成为弱者,而今天的弱者在另外一个环境,反而会成为种族延续的希望。所以更多的突变能够为族群提供更大的容错性,能够面对各种环境的变化有更大的概率内抗病菌,外抗自然的延续下去。

高级动物往往都很强大,尤其是人类发展到今天,不考虑个人利益(想活的时间更长)就种群而言,是毫无必要进行无性生殖的。所以人类即便曾经有过有相关的无性生殖的突变,也不过就是历史长河的一朵浪花,无法取得明显的进化优势,所以人类种群的最优策略是毫无疑问的有性生殖。

灯塔水母也会有性生殖。当周围环境宜人的情况下,它们可以进行有性生殖,来追求群体基因的多样化,和进化的可能性。所以有性生殖可以看做是灯塔水母无私的牺牲自己,为自己种群的多样性做出了贡献。

但是当环境恶劣的时候——比如有人说在实验室环境下不断用针刺激它,那么当它认为环境已经恶劣到无法让自己从容的有性生殖的时候,它就会逆转自己全身的细胞,把自己分裂成数百个水螅——也就是水母的幼年形态,他们如果都能存活,就会长成和之前的灯塔水母一样的成年体。

因为不知道分裂后的水母是不是有记忆,所以这种分裂到底是永生还是无性生殖,取决于自己如何文学化的描述。但是因为是一对多的,我还是倾向于这是无性生殖。因为永生我们一般指的是返老还童,而不是把自己分裂成一堆和自己小时候一样的儿童。

神奇的不在于逆转,虽然逆转确实很稀罕,而在于这种根据环境而实时变化自己生殖策略的策略。

这就好像灯塔水母会解马尔科夫链一样。假如生物的终极目的是「延续基因」的话,有性生殖就是用当下的低概率来换取未来更强健的基因组合;而无性生殖就是用当下的高概率延续来保留未来的火种。

每一期,生物都面临一个选择。而生物必须从周围的环境出发,理性的最大化自己的基因从现在开始到未来无穷期延续概率的最大化。给定环境每一期是随机的,那么这就能构造一个马尔科夫均衡。满足一些数学条件之后,最终的均衡策略解就是一个触发器策略:

存在一个临界值 ,当环境的舒适度 的时候,就采用有性生殖;当环境舒适度 的时候,就采用无性生殖。

我真的觉得灯塔水母是活的最经济的生物之一了,「穷则留下火种,达则追求进步」,整个生命就是在求解一个马尔科夫动态均衡。

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