动物的超能力

动物的超能力令科学家们着迷

在这片被封得严严实实、毫无空气的冰层中,一种非凡的动物正在安静地等待着,它已经在水下屏住呼吸好几个月了……终于,春日的温暖来了,它伸了伸爪子,用嘴将周遭融化的冰雪推开,舒展着身体,把脑袋探出湖面,大大地饱吸了一口空氣。这就是西部锦龟。这种神奇的动物能够扛过极端的缺氧环境,而在同样的条件下,人类只能够存活几分钟。

凭着在无氧环境中超过100天的存活时长,锦龟现在仍旧占据着四条腿动物中无氧生存的冠军宝座。当然,拥有令人瞠目结舌之能力的动物远不止它们。综观整个动物种群,这里面可真是群星荟萃:有的能够几乎完全再生内脏;有的可以躲避衰老或是癌症;有的沉睡数月也不会造成骨骼或肌肉的损耗;有的能够减慢自身的生物学时间,甚至进入“假死”状态,并且承受住从冰冻到伽马射线“轰炸”等各种极端条件的考验,真可谓具有梦幻般的超能力!

凭着在无氧环境中超过100天的存活时长,西部锦龟现在仍旧占据着四条腿动物中无氧生存的冠军宝座。人类是否可以借用动物的一些超能力呢?例如让进入太空旅行的人们保持冬眠状态。

我们人类是否可以借用其中的一些能力呢?你也许会感觉有些科幻。但是,当科学家们发现这些超能力是由我们人类也同样拥有的一些基因及生物作用所形成的时,这样的可能性便大大提高了。固然,某些潜在的应用,例如使进入太空旅行的人们保持冬眠状态,在现阶段仍然是遥不可及的目标。但是,有一些应用性措施看起来还是很有可行性的,如在不冷冻的情况下对移植器官进行保鲜,或是制定新的策略来应对衰老及癌症等。实际上,美国已经启动了一项旨在探索借鉴动物的超能力以帮助战场上受伤士兵康复的研究项目。另外,美国加州一家由谷歌公司支持的生物技术公司也声称,正在研究对抗衰老的新技术(见相关链接:停止计时)。

其实,这些动物的惊人能力早已使科学家们着迷不已,但直到近些年,要想弄清它们适应性的遗传学原理仍旧是个棘手的课题。不过,随着基因组学技术的出现,这种情况发生了变化。基因组学技术揭示了动物所有基因中所包含的指令,以及这些基因与体内其他分子因响应环境变化而产生的转移活性。现在,科学家们正在对越来越多的野生动物进行基因组测序,以便为揭示这些动物的超能力打开生物学的新大门,发现其相关的DNA及细胞的生化反应过程,并集中精力开展进一步研究。

无氧条件下红耳滑龟的绝招

美国佛罗里达大西洋大学的学者莎拉·弥尔顿的研究兴趣是乌龟,尤其是乌龟的大脑。尽管他们采用的实验物种并非无氧生存冠军西部锦龟,而是一种叫红耳滑龟的淡水龟,但红耳滑龟也可以在冰下无氧存活6周,室温状态可以无氧存活2天。这可真是一项大脑维护方面的非凡实例。要知道,大脑之所以消耗大量能量,就是为了保持其细胞内外电荷的平衡。而当氧气供应被切断(如老人中风)时,灾难性的脑停电便会发生:释放跨细胞膜电荷的泵失效,从而破坏神经元内部的电平衡。这会使得过量的神经递质被释放,引发进一步的电混乱及细胞死亡。矛盾的是,若在此时恢复氧气供给,反而会使情况变得更糟,因为当能量被耗尽的细胞恢复发电时,它们会产生一种被称为“活性氧”的有害副物质,破坏并杀死更多的细胞。

为了在无氧条件下生存,红耳滑龟自有绝招:一是改变自身新陈代谢,使其产生较少的活性氧;二是制造专门的蛋白质来保护细胞免受伤害。其实人类也有类似的防御措施,不过人类是以不同的方式进行。例如,当缺氧造成的破坏发生后,人类自身会提高一些蛋白质的产量,而红耳滑龟则会不断地制造蛋白质。科学家认为,这些相似之处对于我们来说是个好消息。因为这表明我们有机会调整自身的生物学机制,使其更像乌龟。同时,此研究潜在的医学应用,还可扩展到任何出现缺氧的情况,包括中风及心脏病发作等的情形。

红耳滑龟可以在冰下无氧存活6周。

树蛙耐冰冻的策略

不仅是乌龟,还有一些动物也有能够耐受冰冻及解冻过程的超能力,其中的明星当数生活在加拿大的一种树蛙。这种树蛙可以将自己近三分之二的身体冻结,并在加拿大严酷的冬天幸存下来。它们的身体冻结得非常牢固,以至于轻轻敲击都会发出叮当响的声音。加拿大卡尔顿大学的学者肯·斯托里对此解释道:即便身体冻结,但树蛙体内的生化反应在-5℃时仍在进行,只不过其速度只有正常的万分之一。树蛙存活的秘密在于它们能够生成一种化学抗冻物质,可阻止水分从细胞中被析出,以便在自身已经被部分冰冻的情况下存活下来。

树蛙的这种能力给了人类解决紧迫医学问题以启示。目前,医学中有一项难题——用于移植手术的人体器官很难保存,因为常规的冷冻保鲜措施会破坏人体器官。全球每年捐献的所有心脏中约有三分之二都会因此浪费掉。哈佛大学的一个研究团队正在尝试用树蛙的这种“部分冻结”策略来保护器官。

不过斯托里的研究方向与“部分冻结”有所不同,他的研究方向是探索在保持温暖的状态下降低自身代谢速度。斯托里的灵感来自于那些在非冰冻环境下可以将生物时间变慢的动物。毕竟,在较高温度下冬眠的生物中有哺乳动物,其中还包括我们人类的近亲灵长类动物。冬眠不但可以大大降低代谢速度,也能增加我们同时保留必要生物机制的可能性。斯托里及其团队发现,确实在这些动物间存在着一个通用的“蓝图”,即细胞中一组可以减缓代谢速度的生化反应。

为了唤醒人类冬眠的这一反应过程,科学家们面临的挑战是:该过程打开及关闭的要素是什么?现在,该研究正在紧锣密鼓地进行中,科学家们也在不断取得研究进展。以这种方式减慢生物学时间可以用以延迟某些伤害过程,如败血症、中风和心脏病引起的身体病变等。最终,这种技术甚至可能使人类进入深空探索成为现实。

科学家正在尝试用树蛙的这种“部分冻结”来保鲜人体器官,用于解决移植手术的人体器官保鲜问题。

加拿大的一种树蛙可以将自己近三分之二的身体冻结,但树蛙体内的生化反应在 -5℃时仍在进行。

长寿裸鼹鼠的抗癌传奇

科学家们还发现,这些神奇动物所具备的超强适应性往往对于它们其余的生理机能也具有连锁反应。例如,许多可以在无氧条件下存活或是可降低自身新陈代谢速度的生物,都有着异常长寿且似乎没有衰老的生命。一个典型的例子便是裸鼹鼠。根据这种小啮齿类动物的体形,它们的寿命应该不超过5年,但往往却长达30年。直到现在,它们最终死亡的原因仍是一个谜。长期研究裸鼹鼠的生物学家罗谢尔·布芬斯坦承认,自己至今并不了解这些小家伙到底死于什么。

裸鼹鼠虽然寿命长,但它们的生存条件却并不怎么样,甚至可以说是非常恶劣。这种小啮齿类居住在含氧量极低的地下隧道中。它们挖过的泥土里含有有毒的重金属,所吃的一些块茎植物也有毒。不过,从好的方面来看,或许生活在地下也使得它们避免了捕食者的追逐和疾病的侵扰。有学者认为,正因为这样,才使得裸鼹鼠不必参与生物间的竞争便可以获得繁衍机会,因此它们可以进化出将更多的资源用于抵抗恶劣环境所造成的细胞损伤的生理机制。多年来,科学家们对于裸鼹鼠非凡的抵抗力做了许多测试,无论将它们或是它们的组织细胞暴露在紫外线、有毒化合物或是高剂量的化疗药物之下,这些裸鼹鼠们都不过是“耸一耸肩”,完全不受影响。

这样强悍的抗逆能力还意味着它们似乎不会有衰老的困扰。随着年龄的增长,裸鼹鼠的心脏功能、骨骼密度、肌肉量以及新陈代谢等都保持在较好的状态,即便是30岁以上的雌性裸鼹鼠都还保持着极高的生育能力。而且,它们对于癌症的抵抗能力可谓传奇。在长达30年的研究中,布芬斯坦的团队检查了2000多只死亡裸鼹鼠,其中仅有5例患癌症。研究人员还将已知的致癌基因插入到裸鼹鼠的细胞中,这样的试验在其他哺乳动物身上会导致侵袭性肿瘤的生长,但裸鼹鼠却不会中招。

为了充分探索裸鼹鼠的非凡能力,我们需要将其基因组进行完整的测序。现阶段,这一研究还未全部完成,但科学家们正在努力,线索也逐渐出现。与红耳滑龟不同,裸鼹鼠不会生成大量的抗氧化剂来对抗细胞受损,它们似乎能通过增强某些基因活性,从而阻止体内受损细胞进行分裂,以此避免更大的伤害。令人欣慰的是,人类也拥有类似的基因。另外,啮齿类新陈代谢的不同寻常,也揭示了限制热量饮食与长寿之间的关系。

对于裸鼹鼠的研究方兴未艾,但还需要一些时间才能证明我们是否可以借鉴它们的能力来对抗衰老和癌症。

研究人员还将已知的致癌基因插入到裸鼹鼠的细胞中,若在其他哺乳动物身上会导致侵袭性肿瘤的生长,但裸鼹鼠却不会中招。

蟒蛇的超强再生能力

蟒蛇具有特殊的超强再生能力。蟒蛇一般会饿上几个月,然后一口气吞噬掉整个猎物。为了节省能量,它们的内部器官会在两餐之间萎缩下去。美国得克萨斯州大学阿灵顿分校的学者托

德·卡斯托发现:在禁食期的蟒蛇体内,其肠子看起来就像是一条空的小管子,但当它进食后,这些器官便会以爆炸式的速度得以重建。一天之内,蟒蛇的小肠质量就会增加一倍以上,其他器官包括肝脏、胰腺、心脏和肾脏都会肿胀一半以上。在进食后24~48小时内,其内脏又会开始萎缩至饥饿状态。整个过程在短短两周内就会被逆转。

这种戏剧性变化的基础来自于基因活性的爆发。卡斯托为此比较了进食前后蟒蛇体内不同器官在不同时间段内的基因活性。可以预见的是,许多基因都参与了这一再生长过程。但引起卡斯托注意的是那些通常可以幫助保护细胞免受压力的基因,这些基因在以前被认为只与癌症和衰老相关。但最新研究发现,在生长基因保持打开的状态下,关闭这些应激反应基因,似乎就会触发蟒蛇体内的器官再次收缩。这就像是一种后门开关,是调节脊椎动物再生生长的关键。

那么,是什么控制了这种奇特的反应?答案似乎存在于蟒蛇的血液内。研究人员将血浆从最近喂食的蟒蛇体内取出,加入到培养皿中的大鼠细胞内,这些细胞便会经历一段生长过程,并启动与激活蟒蛇细胞的基因类似的基因组。这表明,无论是什么物质信号激活了蟒蛇的器官再生,它在哺乳动物的细胞内同样可以得到回应。现在,研究团队正在探索这一神秘信号的踪迹。卡斯托认为,就算人们永远也不会想要一种能使自己每个器官都异常生长的药物,但利用蟒蛇的特殊能力,我们依旧可以在再生特定器官,或是在阻止肿瘤生长等方面看到光明的研究前景。

蟒蛇具有特殊的超强再生能力。蟒蛇一般会饿上几个月,然后一口气吞噬掉整个猎物。当它进食后,这些器官便会以爆炸式的速度得以重建。

除了揭示与模仿这些神奇动物的超级能力之外,类似的研究还能带给我们更多的益处。例如,研究某些动物的极强适应性,也为我们提供了一个研究自身生物特性的独特窗口。研究人员正在从蟒蛇的研究中获得启发,以便更好地了解进食后人类的生理变化,以期获得有关糖尿病和肥胖症等疾病的更多信息。

不仅如此,这些自然界中的神奇动物还可以帮助我们了解生命的能力到底有多强。从这般新颖甚至有些奇怪的角度去重新认识一些基础生物学的东西,是非常有价值并颇具前途的。

相关链接:停止计时

没有什么动物能像水熊虫这樣极端,它们的耐受与恢复力几乎可以抗衡时间。当面临脱水时,这些微小的六足虫会将其新陈代谢减慢到几乎无法检测到生命迹象的状态,即科学家们所说的“假死”状态。这样,不管是伽马射线、极端环境温度,还是外太空的真空环境,甚至是随着飞行器坠落月球,它们都可能幸存下来。这些缓步动物减慢生物时间的能力启发了美国国防高级研究计划署的科学家们,并建立了一个名为“生物停滞”的研究计划,其目的在于为战斗中受伤的士兵争取救治时间。毕竟,在“黄金时间”内得到治疗,是让这些士兵生存机会最大化的一个希望。

美国国防高级研究计划署的科学家们希望找到能够减慢生物时间的各种动物间共有的生物过程,从缓步动物到冬眠的熊,研究人员掌握了阻止驱动细胞内新陈代谢的蛋白质活性的能力。接着,他们又标记了动物中达成该过程的三种方式,并向所有学者发起号召,希望他们能够成功模仿这些过程。

现在,哈佛大学的一个团队正在尝试制造一种新药,可以将蛋白质锁定为非活性状态,转而复制产生伴侣蛋白来进行生物活动。第二个研究小组则正在开发一种能在细胞内部链接成晶格的分子,从而排挤蛋白质,使之减慢代谢活性。其他团队则在寻求第三种办法,即迫使缓步动物产生大量的无序蛋白质,借此既能够充当伴侣蛋白,又能挤占其他蛋白质的空间。

要想将这些研究进展转化为药物将是一项艰巨的任务。“生物停滞”计划正在逐步进行中,科学家们希望在每一个阶段都能获得有用的技术。例如,当研究人员掌握了第一步,即在室温下稳定单个蛋白质的技术时,便可以帮助开发不需要冷藏的疫苗和抗体疗法,这对于偏远地区来说是个福音。接下来,减慢全细胞的生物活性可以用于延长献血的保存期限。

最后,当减缓组织或整个动物的生理过程得以实现之时,不仅可以用于减少战场上伤员的出血,阻止死亡及败血症的发生,还可以用于民用领域,减少心脏病发作及中风造成的伤害。科学家对此充满信心。

水熊虫拥有可以进入假死状态的能力。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年11月1日 上午5:08。
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