老而不死是為賊－亂談衰老、死亡與演化

Ent 發表於 2009-12-16 09:48

1如果Ent的這篇文章喚起了你了解生物演化知識的慾望，作為中關村圖書大廈第六屆科技文化圖書節「科技文化大講堂」的一站，科學出版社特邀中科院古脊椎動物與古人類研究所的周忠和老師，圍繞這本書，從古生物的角度講一講演化的證據。活動詳情見文末。

我們常常會發出疑問：真的存在命運這種東西嗎？春風得意，走馬觀花之時，或許我們會更相信自己的熱血和汗水，相信主觀能動性的偉大力量；而月落烏啼，夜半鐘聲之際，卻又更容易感慨造化弄人，命運無情，渺小的人類不過是上帝骰子上的一個數字而已。但是無論如何，當我們面對死亡時，可能都會意識到，其實死亡才是唯一永恆的命運，才是唯一能真正實現的願望。幾乎整個的人類語境中，對死亡的恐懼和探詢都是核心內容，而人類的所有努力又大半可以歸結為對死亡的抗爭。可是，從古代煉丹煉金家到現代醫學遺傳學，雖然擊潰了一種又一種疾病，將平均壽命延長了幾倍，可面對衰老的大限卻仍是束手無策。現代生物學的一連串發現，從端粒、氧自由基到凋亡通路、細胞周期調控，似乎都表明衰老不但是環境負擔積重難返，更是基因早已編好的程序。基因確實只能有限地影響到我們的身高、相貌、智力和成就，但在衰老一事上卻是鐵定無疑，如同創世紀三章十九節所言：「你本是塵土，仍要歸於塵土。」我們很容易想到，這就是命運。

然而，馬克思爺爺曾經說過，任何事物之所以存在，都是歷史積累鋪墊的產物，而絕不是因為「命中如此」或者「天生這樣」。而達爾文爺爺也告訴我們，生命的存在形態經歷了漫長的演化歷史，而並非是某個智能存在一拍腦袋的瞬間設計。因此，我們用演化生物學的眼光審視一下這個問題：衰老死亡真的只不過是上帝對罪惡的無情懲罰嗎？抑或和生命世界其它不可思議的現象一樣，是加西莫多式的福祉和禮物？

衰老是一個詛咒嗎？

表面看起來，衰老似乎不合乎演化的要求啊。演化的「理想」境界好像應該是這樣一種生物：甫一出生立即性成熟，每次都生出儘可能多的後代，並且永不衰老，直到萬壽無疆子孫滿堂……只要稍微接近這個目標，就應該能獲得極大的選擇優勢。老而不死是為賊，不但不死還產仔豈不是魔鬼？於是生物學家把這種想象中的動物叫做"達爾文魔鬼"。稱之為魔鬼原因有二：一是假如這種動物出現，必然會橫掃一切其它生物，迅速填滿整個地球；二是如此強悍的東西卻從來沒出現過，也毫無出現的跡象。

想象一下，倘若人類消滅了衰老，一切死亡都是由於意外事故、疾病等因素造成，那麼人類的死亡率就會始終維持在青壯年的水平，而與年齡無關。目前18歲的人類平均死亡率大概是每年千分之一，照這個死法，簡單的對數計算可得出，一半的人可以活到693歲，13%的人可以活到2000歲。（放射性粒子就是這樣衰變的。）換言之，一個永不衰老的人，起碼比別人多上十幾倍的生殖優勢。可是，如果不考慮那些沒有根據的傳聞，雖然有「與魔法無異」的種種現代科技護駕，人類的最高壽命卻毫無增長的跡象，該老則老，該死則死。在1%的選擇優勢就足以改變一切的進化領域，在造就過無數精美絕倫的奇迹的進化領域，難道就長生偏偏是個畫餅？

看官要說了：你想長生，我還想無敵傳送任意門呢！生命不是想怎麼樣就怎麼樣的。這倒不假，問題是長生好像確實可以實現。且不說那些可疑的單細胞的生物（無限二分裂算長生嗎？），就是多細胞動物也留有後門：生殖細胞。它在受精之後不斷分裂成長為一個新的個體，其中所有的細胞都是它的後代，包括新的生殖細胞；而這些細胞受精之後又可以長成新的個體，如此往複無窮無盡；而其中的任何損傷幾乎都可以被強大的修復機制解決掉。如果我們只追蹤這些細胞（它們的學名叫做「種質細胞」），就會看到一幅長生的圖景……看起來，在細胞層面，長生是可行的。既然它們可以，為什麼別的細胞不可以？

且慢，我們的推論似乎過於急躁了。有些理想看起來非常美好，但是真要推行起來才發現困難重重——要麼是高估了好處，要麼是低估了代價。而演化領域的基本原則之一就是權衡原理，在收益和支出之間尋求最佳平衡。你說什麼？經濟學也是這樣？看來亞當斯密和達爾文果然是心有靈犀啊~(1) 不管怎麼說，讓我們放慢腳步仔細一點，看看好處有多少，代價又有多大。

進化天平上的砝碼

要想討論收益支出，首先得有一套衡量標準。在經濟學里是效用或者利潤，而在演化生物學里則是傳遞基因、繁衍後代的能力。原因很簡單，多數淹沒少數，「失敗」的個體早晚會淹沒在「成功」個體的汪洋大海之中，消失不見。它們不懂得寫史書，唯一能夠傳承下去的只有基因。一個生物，不管它活得再怎麼威風，如果不能把自己的基因傳給後代，也是白搭，演化的歷史會迅速將它遺忘。反之哪怕一個生物活得很窩囊，只要能夠高效地把基因傳給後代，子子孫孫無窮匱也，早晚會遍布世界。生物學里用「適應度」這個詞來衡量生物的傳遞基因能力，其實就相當於它們的「成功指數「啦。

怎麼提高適應度呢？無非是盡量多生孩子的同時，保證孩子的成活率盡量高。為了簡明起見，我們先假設孩子的成活率都一樣，給每個孩子的投資也都一樣(2)；那麼就可以姑且認為適應度=繁殖效率×有效壽命。所謂有效壽命就是總生殖期長度，以性成熟開始，以絕育為結束……而絕大部分物種的唯一絕育方式就是死亡。看起來，死亡在其中是至關重要。那麼，長生不老在這個公式中到底意味著什麼呢？

喜憂參半的長生

先說長生的好處。前面的計算似乎很是誘人，然而人類並不是在這個環境中進化來的……別忘了，是演化歷史決定了人類的生物學屬性。而歷史上人類大部分時間都用在狩獵採集生活上了……靈長目人科的歷史一般的估計大約在1000萬年，而人類採取農耕文明不過一萬年，工業革命和現代醫學更是僅有數百年，幾乎可以忽略。顯而易見，從生物學上人類應該更適應史前採集狩獵，而不是農耕生活；更不用提我們現在這群侘奼面對計算機的徹底畸形的生活了……

而那個時代的平均壽命是多少呢？周口店發現的北京猿人化石中，68.2%的人死於14歲前，超過50歲的不足4.5%。即便是到了「文明」的希臘時期，平均壽命也只有18歲左右（而平均婚齡大概只有十二三歲……）。 換言之，由於環境惡劣，大部分人甚至都活不到壯年；同樣道理，野生動物里也很少有衰老的個體。當自然狀況下極少有人活到60歲的時候，就算是衰老讓人們全部在60歲時死去，又有多大區別呢？可見，長生並不是看上去那麼美好。不難理解，只有吃飽喝足享盡清福的皇帝們才會整天想長生，面朝黃土背朝天的廣大勞動人民才不會考慮這個問題……總之現代社會中對長生的盼望或許可以成為堪與恩格爾係數比肩的經濟衡量標準，但是整個進化歷史上，長生不過是金玉其外而已，其真正價值不見得多大。

再說長生的代價。波伏娃說，死亡不僅是人人平等的唯一基礎，而且是一切正麵價值——榮譽、友誼、愛情等等存在的前提……啊不對，在演化史上，衰老可是比這些東西出現得早得多，不能算。但是長生不老也自有其生物學的代價——常言道，天下沒有免費的午餐，長生又憑什麼例外呢？理想狀況下，永生的達爾文魔鬼或許是演化的終極目標。然而現實中的進化則有許多約束條件，最大的問題當然是資源稀缺。面對環境的威脅，任何抵抗都要以資源（通常表現為食物）為代價，而食物不是無限的，就算你是達爾文魔鬼也不行……魔鬼為了浮士德區區一條靈魂尚且得大費周章，何況生物呢？因此要想維持長生，一定是犧牲了其它的可能的利益。對，就是所謂的「機會成本」。呃，這位同學你走錯教室了，這裡是演化生物學，不是經濟學……我沒騙你，真的……生老病死的規律（這個領域學名叫做「生活史」）和經濟行為確實有很多相似之處……

那麼長生到底有哪些機會成本呢？多了去了……有限的資源不但要用來追捕野兔山羊，躲避獅子老虎，修補傷口損耗，清剿細菌病毒，還要用來繁殖後代；每一項都不是省油的燈。更麻煩的是，隨著個體的逐漸成長，這些因素的相對重要性還會改變。譬如小時候手無縛雞之力，在山坳里沒食吃的野獸一到村裡來就玩完了；長大之後就會大有改觀。看來分配資源、制訂生活史策略並不是想象中那麼簡單。

在所有可能性中，最好的那一個

最「理想」的生活史當然是達爾文魔鬼了，然則它可望而不可即……那麼利用現有條件，我們如何設計一個最好的策略呢？

在設計策略時千萬別忘了，所有的策略都是可遺傳的。還記得吧，生物界里只有可遺傳的東西才具有演化意義……因此任何策略不但要在自己身上應用，還要應用在子女後代身上。因此策略的真正受眾通常是你和你的後代組成的一個群體，絕不是一個人在戰鬥。

這個群體的成分如何呢？顯然，隨著時間的推移，少年會一邊長大一邊死掉，年齡越大剩下的人越少，因此任何一個正常的群體里都是青年占絕大多數，而老年人占極少數。於是無情的多數淹沒少數原則又一次發威了：佔多數的青少年對於演化的發言權較大，而少數派的老年人命運則無法對適應度大局產生有力的影響。

讓我們用一個最簡單的模型舉個例子：假設有一百隻永不衰老的小老鼠，每年被可惡的老貓隨機地叼走二十隻，但是年底又有二十隻小老鼠新出生，保持平衡。那麼在元旦那一天，這個老鼠種群的成分如下：20隻0歲的小鼠，16隻1歲的小鼠（去年年底出生，一年下來被叼走了百分之二十），12.8隻2歲的小鼠（舉個例子而已，所以不要問我0.8隻小鼠是怎麼回事……），10.24隻3歲的小鼠，以至無窮……但是把所有20歲以上的小鼠加在一起，也不過1.2隻左右而已，只及0歲小鼠數目的零頭。

這時突然發生了一個突變，利於青年卻不利於老年（沒辦法，沒有免費午餐嘛，總得有代價）。帶有突變的小鼠在20歲時將全部死去（存活率從0.8降為0），但是在0歲時存活率略微提高（從0.8升高到0.9）。看起來挺吃虧，降得多升得少……但是，0歲小鼠的基數太大了，因此利潤是20隻*0.1=2隻，而成本不過是1.2隻*0.8=0.96隻，實際上划算得很啊。很快，這種帶著新突變的小老鼠就佔據了優勢，突變逐漸擴散到整個群體當中，直到所有的小鼠都將在20歲時死去……從此長生不老成為一個遙遠的回憶，但是整體而言老鼠家族卻更為興旺發達。

總結一下這個場景：投資維持晚年生存，可能的受益者卻寥寥無幾；投資保障青少年的生存，卻是受益者甚眾。這時，如果產生一種機制，以犧牲了晚期的生存為代價，而有利於早中期，那麼自然選擇一定會偏愛該機制。

而衰老似乎就是這樣一種機制。

丟卒保車

但是衰老究竟怎樣有利於早中期生存呢？這就是前沿問題了，眾說紛紜……已知的大部分例子都是個別基因有利於早期而對晚期不利：比如有的基因有助於吸收鐵以防止幼年的缺鐵性貧血，但是到了晚年卻會因鐵在肝臟里沉積過多而致肝壞死從而喪命；有的基因會釋放更多的胃蛋白酶防止細菌感染和促進消化，代價可能是晚年患胃潰瘍；人類喪失了分解尿酸的能力，使得它們可以發揮抗氧化劑的作用，代價則是晚年很容易因尿酸積累患上痛風，等等。

可惜較大的衰老機制的作用仍然不甚清楚，只有一些猜想。譬如端粒，這是染色體末端的一個小結構，複製一次短一點，短到沒有的時候細胞就玩完了，跟定時炸彈似的。（曾經很多人覺得只要把這炸彈引線掐了就能永生，現在發現沒那麼簡單。端粒故事的詳解，請見桔子的精彩文章 ）因此，大多數體細胞都有一定壽命。但是癌細胞幾乎都不吃這一套，它們突變之後有高活性端粒酶修復端粒，從而永生下去。端粒酶基因本來在體細胞是有的，但是除了少數需要不停分裂的組織之外，大都沒多少活性，所以我們不得不懷疑，這個失活是不是抵抗癌症的一個機制，癌細胞必須突破它才能囂張……當然，是犧牲了永生的可能性來抵抗。

再譬如先前提到的修補損傷。既然生殖細胞能夠修好，體細胞為什麼不能修？恐怕唯一的原因是成本問題——完全修補費時費力，到了老年已經很不划算。還不如讓修補速率比損傷速率稍微慢一點，等到損傷積累起來產生嚴重後果時，生物個體差不多也因為其它原因死光了。看起來是個很不厚道的辦法，不過生物本來就不懂得要講厚道……

例外，永遠的例外

故事到此為止了嗎？非也。轉念一想就會發現，自然界遠遠不是這麼簡單的一個理論所能概括的，凡有規律必有例外。而正是這些例外，具體分析之後反過來卻又更支持了原先的假說，這正是自然界無盡魅力之所在。

比如，絕育是怎麼回事？既然上文說了生命的適應程度體現在繁殖上，為什麼不生育的個體還要活著呢？但是仔細觀察我們會發現，絕育現象幾乎都發生在懂得照料後代的生物里，尤其是社會性的生物，比如大象和人類。照料後代和群體生活會產生什麼影響呢？最重要的一條是，任務變多了。一隻雌青蛙的使命無非就是填飽肚子並找到配偶然後產卵，一旦產卵完畢，它就無牽無掛，可以去尋求解脫了……因此並不意外，自然界很多生物繁殖之後立刻就自尋死路，比如大馬哈魚。但是一隻母雞就得負責孵卵，負責帶小雞找食，還要負責擋住老鷹……而年長的雌象可能還要擔負領導整個象群的責任。這樣，活著就不只是為了生孩子了。

現在就變成了多個任務之間的選擇問題。上文提到了，因為修補系統故意怠工（其實也不能算是怠工啦，不過是人家精打細算尋求最大利潤……），年紀越大，生物體的機能越低，同時維持多項任務就變得困難起來。先拋棄哪一項？又得權衡權衡。但是多數情況下，照料孩子和指導群體的投入會比較少，而受益會比較大（這裡不包括現代人類……）。因此生殖就不得不受委屈了——不過這隻適用於雌性。雄性對於生殖本身的投資非常小，所以它們的絕育通常遠遠晚於雌性。

再比如，某些植物的問題。我們動輒可以在各種寺院中看到千年的古木，這些木本植物看起來沒有什麼固定壽命的樣子啊。確實，大部分高大喬木在年事已高時生長速度會放慢，但是少有像動物這樣給出明確的固定最高壽命。植物和動物當然不一樣，可是哪一點差異讓植物保全了長生的可能呢？

可能的一個因素是：植物不容易癌變。還記得吧，包括端粒在內的很多衰老機制都有可能是應對癌變而生。但是癌細胞的真正危害在於無限分裂和四處游移，可惜在植物里，細胞壁一夫當關，讓細胞的相對運動基本上沒了可能，要想無限分裂也困難重重。所以最壞的情況不過一個大樹瘤子，不會轉移（除非是病毒導致的癌變）。危害小了，根據權衡原理，為防禦危害付出的開支自然也變小了。

但是竊以為更重要的是，木本植物是「模塊化」生長的。如果讓你寫出一棵樹和一個人的區別，你多半想不到這一條——這是搞發育生物學的人才關注的領域。不過細想之下，植物的每一片葉子都功能相同，都可以相互取代，根、莖亦然，但是最重要的——看到現在你應該知道啥東西重要了——繁殖器官花、果實、種子也是如此。需要時，植物完全可以長出全新的一整套東西，彷彿樂高積木可以無限延展。相比之下，人卻更像變形金剛，在器官層面上是一個整體，增一分嫌多減一分嫌少。這個看似不起眼的區別後果可是頗為嚴重：由於每個人的繁殖器官都是一套，不隨年歲的增長而增加，所以繁殖潛能終歸是有限的。然而，木本植物的個體大小卻隨年齡而增，其繁殖潛能亦然。倘若越老越能生，衰老當然就不划算了……當然真正能抗到好幾百年的依然是少數，但是每一棵必然都是碩果累累，老樹出馬一個頂n，也就和低存活率相抵了。

最後一個該死的例外：一種燈塔水母Turritopsis nutricula。這個真的是沒轍了……它在性成熟之後可以經過變化再倒回未成熟形態，如此往複，到現在為止還沒人能給出一套充分的理由來解釋它是怎麼學會返老還童的。確實，人家很低等，結構很簡單，逆轉回去很容易，但是這些都算不上充分的解釋。沒準由於它的特殊生活條件，使得演化的天平上長生的好處壓過了代價？不知道……不過話說回來，如果一種理論扔出來竟然一點例外都沒有，那也太不好玩了。當年普朗克的兩朵烏雲降下了怎樣的瓢潑大雨啊……或許這個例外又能開出一片新領域也未可知。

對我們的啟示

寫到這裡必須再次聲明，以上的討論相當一部分並不適用於現代人類。我們的平均壽命正在向最高壽命逼近，我們的大部分資源投入到了繁殖之外的領域，我們的社會角色常常是老當益壯……也因此，對於動物而言可以負擔的衰老，對於人類卻成為了不能承受的可怕命運。但是沒有辦法，畢竟人類這個特殊物種藉助文化的力量進步得太大、太快。在自然界中本沒有廣譜的「成功」一說，一切的適應都只是針對特定環境的適應；因此面對環境的飛速變遷，過去的適應到了現在反而變成了負擔——並且是人類暫時還無力扭轉的負擔。

但是，雖然不可改變，我們至少應該學會理解。衰老死亡的基因並不是命運的惡作劇，而是進化精心權衡利弊之後所找到的一個平衡；它也不是對生命的否定和摧殘，相反卻恰是為生命的延續提供了最好的條件。它似乎是事先規定了生命的歷程，但卻也同時受種種進化因素的控制；因此我們所看到的衰老和死亡的方式，在命運女神的手中並不是一條單調的絲線，而是五彩斑斕的織錦；而我們自身的生命周期，也打下了進化歷史的深刻烙印。同時，既然歷史已經不能更改，我們與其徒勞地追求長生，不顧一切地延年益壽，是否更應該珍惜進化和基因帶給我們的祝福，讓有限的生命充滿活力和希望，讓衰老基因所做出的犧牲不至於白白浪費呢？