人体细胞的惊人秘密

作者:吴建永(美国乔治城大学神经科学系)

演艺明星的年龄是商业机密,而人体细胞的年龄却是科学里的机密。

但是你知道吗?你身体里的细胞并不都是和你一起出生的。

血液里的中性白细胞可能是昨天才出生的;舌头的味蕾细胞大约是十天以前出生的;肝细胞的出生在一年前;而肚皮下的脂肪细胞但却已经和你一起生活了多年,也难怪大家经常抱怨减肥太难。

人体图

多年以来,科学家认为身体中皮肤,血液,粘膜上的细胞是不断更新的,而大脑皮层的神经细胞却不更新,从你生下来后就一直跟着你。

这就像一所大学中,学生们 (皮肤细胞) 一茬一茬永远年轻,而教授(神经细胞)却在一年年变老。

怎样才能测出细胞的年龄?

为了探究细胞的年龄,科学家像侦探明星年龄的狗仔队一样,追踪各种细胞,从它们生下来一直追踪到死。

“追踪”,用的最简单的方法就是把细胞染上颜色,观察有颜色的细胞能活多少天。

你可以做个小实验:用紫药水或染头发的染料在手臂皮肤上涂一点。由于皮肤表层是死的皮肤细胞堆积成的,一染上就退不了色了,过几天观察,就会发现颜色会越来越淡,最后完全消失。

这是因为皮肤表面的细胞不断地脱落,由表皮下面的新细胞不断补充,染上颜色的老细胞脱落了,越来越少,皮肤颜色就越来越淡。

用这个方法可以测量一下皮肤的年龄,染色的细胞脱落一半大约需要十几天。

从这个意义上讲,明星的年龄和你的颜值主要取决于脸上皮肤细胞的年龄,也就是十几天左右。

于是,一些保养品就会又腐蚀掉表层的死细胞的作用,使得下面的新细胞加速生长,补充表皮,从而让你显得年轻些。

去角质

利用以上类似的标记方法,我们还可以测量年龄更长的细胞年龄。

我们知道,细胞内的遗传密码DNA是在细胞出生时候合成的,如果让细胞用用标记物合成DNA,然后测量某细胞内标记过的DNA存在了多久,我们就能够得到这个细胞的真实年龄。

虽然这个方法成功地测量了许多细胞的年龄,却在测量脑细胞年龄上碰了钉子。

那就是,我们即使有无害的办法标记胎儿的大脑细胞,又怎么能等个七八十年,到被观察者去世了再来观测当年标记的DNA呢?

即使有研究者愿意做这个难题,但实际困难却太大了,因为研究者一般都熬不过比他们年轻几十年的被观察者,会先去世了。

因此,大脑细胞长寿的说法长期以来只能说说而已,虽有有间接证据但从来没有被实验直接证实。

原子弹能测量细胞年龄?

测量脑细胞年龄的方法让科学家困扰了许久,没想到的是,却被一位聪明的瑞典女科学克丽丝·思宝丁(Kirsty L Spalding) 轻易地解决了。

她的办法就是利用几十年前冷战时代爆炸的原子弹。

原子弹

大气中爆炸的原子弹,核反应释放的大量热中子把空气中的氮-14变成碳-14

正是因为原子弹的爆炸带来了碳-14,成就了标记细胞内DNA的理想办法。

我们的生活中到处需要碳,米饭,馒头都是碳水化合物,肉里面的脂肪和蛋白质也是碳氢氧氮的化合物。

细胞的遗传物质DNA,是生命最重要的战略物质,因此必须使用最普通的材料,由细胞能完全自力更生地合成,这些最普通的材料当然就是碳,氮,氢,氧了。

地球表面的碳主要是碳-12,碳-13和极少量的碳-14。

所谓碳-12,13,14 是指其原子核内质子数量的不同:碳-12含6个中子,13是7个,14是8个。碳-14是 来自太空的宇宙射线创造的:在距离地球表面9000-15000米的大气外层,宇宙射线的能量会把一个中子打入一个氮原子核,后者继续蜕变成碳-14。

由于宇宙射线的水平是基本稳定的,自然界中的碳14/12比例也是千百万年来大致不变,大约是万亿分之一,即每一万亿个碳-12原子中就会碰到一个碳-14原子。

实际上,生物在利用碳的时候是完全分不清的碳12还是碳14 的。

但是到了1945年,人类爆炸了第一颗原子弹,原子弹产生的大量中子在大气中产生了大量碳14。

这样每一颗原子弹爆炸后,全球的碳-14/12比例都会上升一下,从1950到1963年美国和苏联在大气中爆炸了几百颗原子弹,形成了一个碳-14/12比例的高峰(图一)。

在1963年美英苏协议共同停止了在大气中的核实验。这样大气中的碳14/12在1963年达到最高峰,之后比例又开始逐年下降。

这样,从1950年代到2000年,每年大气中的碳14/12都不一样,从1953到1963年比例不断快速升高,而之后又慢慢下降,形成了一个“炸弹高峰”(the bomb pulse)。

碳1412

“炸弹高峰”,由于大气中核试验制造出大量反射性碳,空气中的碳14/12比例的逐年变化,在1963年美苏达成禁止大气层核试验的共识后又逐年下降。

我们吃的粮食是由当年大气中的二氧化碳制造的,同样每年人体内的新出生细胞是由当年的粮食来合成DNA的。

这样,由于年年空气中的碳14/12比例不同,当年新出生的细胞DNA中的碳14/12也随之波动;哪年细胞中的碳14/12比例与当年空气中的碳14/12比例完全相同。

举例来说,如果你想测量一位50岁遗体捐献者神经细胞的年龄,只要先测其中DNA的碳14/12比例,然后到炸弹高峰表里去查一查。

如果发现其与50年前(1967年)大气中的碳14/12相同,说明这些细胞是50年前出生的,与人的年龄一致。

相反,如果测量该捐献者皮肤细胞里的DNA,就会发现其与捐献者死亡当年(2017)空气中的碳14/12比例一致,这就说明皮肤组织在不断地更新,而大脑皮层神经细胞却是与生俱来的。

 

细胞死了,然后呢?

克丽丝·宝丁测量脑细胞的方法太聪明了,前面提到的先标记婴儿,再等他去世后测量这样的困难就完全被解决了。

又一次说明,科学上看来一个似乎不可能回答,可以被一个想法轻而易举地给出了满意的答案:人生百岁,大脑皮层中很多种神经细胞也是百岁。

大脑皮层神经细胞死一个少一个,这不是件很悲观的事吗?

但其后的研究发现,脑中有些非常重要的细胞是不断再生的。

用同样的碳14/12 方法,克丽丝宝丁小组发现人脑中一个重要结构“海马回”中竟然有很活跃的神经细胞再生。

我们知道海马回对记忆非常重要,没有海马的人记忆只能维持不到15秒钟,而克丽丝宝丁小组发现人的海马每年以1.75%的速度更新,这样一生中竟有大约三分之一的神经细胞可以更新。

脑中虽然神经细胞长寿,但脑中的胶质细胞是不断再生的,平均寿命在1-2年左右。

这些胶质细胞维持着脑组织中的生态,供给养料,清除垃圾,修补损伤,当有感染或损伤的时候胶质细胞就会活动,做好防御和修补的工作。

所以,照这样来看,减肥那么难很大程度是因为脂肪细胞很长寿,成年人脂肪细胞的数量是胖瘦的主要因素。

克丽丝宝丁小组发现,不管你现在是减肥还是增肥,体内脂肪细胞的数量基本不变。因为体内脂肪细胞的数量是童年和少年时代决定的,而在成年以后每年只有约10%的变化。

这样,当你努力减肥的时候每个脂肪细胞都瘦一点,而一顿猛吃则让每个脂肪细胞都胖点。

减肥

按这个说法,童年时代吃成小胖墩等于给一辈子埋了一颗健康的定时炸弹,因为心血管病,糖尿病和癌症都与肥胖有很强的相关性,所以成年时代怎么努力减肥都不如童年时代远离可乐和果汁之类的软饮料。

研究人体细胞的年龄,除了满足科学家的好奇心,也为医疗健保和药品开发带来很多意想不到的收益。

人类社会和平地发展,就不开避免地进入老龄社会,长寿细胞是否有寿命的极限,人体快速更新的短寿细胞的产生能力是否有自己极限,都是未决问题。

可惜所谓“炸弹高峰”到了21世纪已经快变平了,用克丽丝宝丁方法测量“90后”,“00后”体细胞的年龄已经不够灵敏。科学家必须靠发现新的方法来继续这个领域的研究。

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