有網友很好奇,為什么其它動物都有斷肢再生的能力,自詡為高等動物的人類,卻沒有這種神奇的再生能力?
其實——是有的。
當我們還在媽媽肚子里時,一開始我們和蠑螈一樣,擁有斷指再生的完全能力 。
當然,用不上就是了。
出生后的嬰兒時期,通常也具有一定的再生能力 。不過,只有指尖很小的一部分可以,通常需要不傷害到甲床。
少部分成年后還具有一定這樣的能力。
「圖片預警」
- 成年人指尖斷裂再生過程:
成年人指尖斷裂再生過程
- 兒童斷指再生:
可以看出,兒童的斷指再生能力,明顯比成年人更強。
世界上沒有哪一種生物,沒有再生能力。
區別在于再生能力的強弱。
人類的再生能力,限于皮膚、黏膜、肝臟、指尖、體液相關系統等等。和演化樹更加基干的一些動物相比,這種再生能力,的確太拉胯了,聊勝于無。
壁虎可以再生出閹割版的尾巴。
蠑螈不僅可以再生尾、爪、四肢、眼睛,損傷的大腦也能再生 。
- 損傷的蠑螈腦可能誘導神經干細胞逆轉化,從而回到年輕狀態,啟動再生過程。
斑馬魚同樣再生能力強大,無論魚鰭、心臟、脊髓,還是腸道等重要器官,都具有再生能力。
一般來說,比起哺乳動物,兩棲動物和魚類具有更強的器官再生能力。
斷指再生,一般是這樣的過程 :
發生斷肢損傷后,傷口表皮會迅速覆蓋斷肢表面,隨后間充質細胞去分化形成干性更強的芽基。芽基細胞具有位置記憶,可以不斷向外完成斷肢的再生修復。
這個過程一般由多個hox基因(同源異形基因,通常多組決定肢體的分化和發育)一起調控。
斑馬魚尾鰭修復過程
b、傳統觀點;c、最新發現
至于演化支更加基干的動物,再生能力會更強。
除此之外……
深緣海天牛可自我斬首和再生。
摩爾根把一條2cm的渦蟲,被切成279塊后(約10000個細胞),一周后得到的279條完成活體。
紐蟲可以被切成二十萬分之一 。
而比水螅更加基干的動物,干細胞部分通常認為再生能力的限制非常低。例如,最簡單的多細胞動物海綿,能做到碎末再生。
從門或者綱的大分類來說,動物基本上復合再生能力從簡單到復雜的規律。
同一個門或者綱內,則可能表現出比較大的再生差異。
這樣的再生差異,體現出演化上的「魚和熊掌不可兼得」。
最早的多細胞動物基本上都是一些干細胞團,它們是十分脆弱的。
面對環境中的化學危害、紫外線危害、機械應力危害,自然而然有兩條路擺在它們的面前。
1、要么不對抗危害,不斷用干細胞修復,只要修復的速度快于損傷,就能繼續生存。
2、要么分化干細胞,發展成具有各種功能的細胞,例如發展出表皮隔斷外部化學危害,發展出黑色素細胞抵抗紫外線,發現出外骨骼、鱗片降低機械應力損傷。
如果我們把再生能力給個0~100分,0分和100分的動物基本上沒有,都在這個區間內,只不過分數有高有低。
是什么力量決定了不同動物再生能力的高低?
答案是——
- 繁殖。
這或許是很多人都不想到的答案。
任何理論永生的個體,都可能因為意外而死亡。只有通過繁殖,基因才能不斷存續下去。
對于一個有生存個體上限的環境來說,親代和子代其實是競爭關系。對于分化越高的動物來說,當環境變化時,基因保守的親代是競爭不過具有基因多樣性的子代的。
這就會造成親代死亡,留下子代繼續繁衍生息。
水螅的繁殖正是這樣的過程。
環境優渥時,它們進行出芽繁殖,當環境惡劣時,它們進行有性繁殖,從而渡過干旱或嚴寒。
- 所以,水螅雖然是一種理論上永生的動物,但并不能真正永生。
處于有性繁殖和無性繁殖之間的水螅,其實很好地預示了,具有更高分化的動物,為什么大多失去了無性繁殖,最終都只保留了有性繁殖。
- 值得注意的是,孤雌繁殖并不是無性繁殖。
比水螅具有更高分化的動物,不僅細胞干性的逆轉成本更高,也意味著個體更加難以適應惡劣的環境變化(高分化的動物,對適應的環境往往具有性狀特化現象)。
演化壓力,自然給到了有性繁殖。
即便一開始它們是完全再生的,然而當資源有限時,犧牲個體再生能力把資源分配到有性繁殖的分支,會因為表現出更強種群優勢,而得到繁衍生息的機會。
經過長期演化,隨著動物分化程度越來越高,繁殖策略不斷更新,個體再生能力自然而然變得更弱。個體再生能力變差之后,體現出來的便是衰老。
當然,種內競爭也促使著這個過程的發生發展。
當親代生下第一批子代,這些年輕、健康、強壯、繁殖能力強的子代,不僅和親代是競爭關系和第二批、第三批子代也是競爭關系。
當然,競爭關系的強弱,取決于內部資源的大小。
然而隨著每一次種群瓶頸的到來,競爭關系都會白熱化。
對于衰老程度足夠高的親代,不僅它們自身競爭不過年輕的后代,繁殖能力下滑后產生的新后代競爭能力也會更低。
在不斷淘汰的過程中,演化壓力會促使種群朝著成本更低的方向發展:
衰老的親代不僅不會高成本的逆轉干細胞,還會喪失繁殖能力,繁殖能力喪失后還會加速衰老和死亡。大多數昆蟲正是這種狀態的極端表現,交配/繁殖后即塵歸塵、土歸土。
雖然大多數脊椎動物表現會好一些,但繁殖能力喪失后,往往都會快速衰老和死亡。人類同樣具有這樣的規律(尤其是女性)。
人類衰老后之所以還有長達1/3的壽命,則可能源于隔代照顧和知識傳承的演化壓力。
- 見“祖母假說” 。
正是因為子代競爭,高分化的動物才沒有保留或發展出高再生能力,反而保持甚至促進衰老和死亡的發生。
從某種意義上來說,一個人的生、老、病、死的本源動力,都是來源于數億年演化壓力,對基因一代代的不斷雕刻。
參考
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- ^Dolan, Connor P., Lindsay A. Dawson, and Ken Muneoka. "Digit tip regeneration: merging regeneration biology with regenerative medicine." Stem cells translational medicine 7.3 (2018): 262-270.
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- ^Wei, Xiaoyu, et al. "Single-cell Stereo-seq reveals induced progenitor cells involved in axolotl brain regeneration." Science 377.6610 (2022): eabp9444.
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