你知道自己多久換一套皮膚嗎?對,你沒聽錯,不是王/者農(nóng)藥的皮膚,就是你身體表面如假包換的皮膚。答案是:一個月。
不光如此,此時此刻你的胃,跟一星期前已經(jīng)不是一個胃了;你肺里的氣管,跟兩個月前也已經(jīng)不是同一套氣管了。
事實上,人體內(nèi)大多數(shù)器官和組織,時刻都在發(fā)生細胞分裂,用新生細胞替代衰老細胞。據(jù)估計,人體內(nèi)有30萬億個細胞,每天會發(fā)生兩萬億次細胞分裂。也就是說,如果細胞分裂一次要收你一塊錢,一天就能收光4.5個馬云的身家資產(chǎn)。
那么問題來了,細胞分裂時,里面的家當怎么分?科學(xué)家發(fā)現(xiàn),每一次細胞分裂,都是一次秉持儒家思想的分家——不患寡而患不均,非常講究公平。
細胞分裂時,家當怎么分?
18世紀中期,人們逐漸意識到,新細胞不是憑空長出來的,而是由先前存在的細胞分裂而來。
別看細胞的直徑只有頭發(fā)絲粗細的十分之一,其內(nèi)部復(fù)雜程度之高,堪稱一個“小宇宙"。在宇宙中心是細胞核,周圍還有大大小小的星系——細胞器。
細胞的內(nèi)部有很多家當,比如細胞核和線粒體等各種細胞器。
細胞帶著這么多家當,一分為二時,里面的“家當"怎么分呢?
不想不知道,其實大多數(shù)細胞分裂的時候都很有原則。首先,最基本的家當——攜帶我們遺傳物質(zhì)的染色體——必須分得均勻。細胞有一組獨/特而巧妙的機制,保證每一條染色體都被復(fù)制成兩份(雖然小細節(jié)上經(jīng)常出錯),在細胞分裂時被精準地拽進兩個子細胞。
然而,人類的染色體一共就只有23對,怎么想都很難分錯??墒羌毎至巡恢挂秩旧w,還要把一大堆過日子必需的家具——細胞器給分清楚,才能保證分裂產(chǎn)生的兩個子細胞都能正常獨立存活。
比如非常重要的線粒體也得分得均勻。線粒體是真核細胞的“鍋爐房",通過“燃燒"(氧化分解)葡萄糖,為細胞的各種活動提供能量。而且它們還是一種實現(xiàn)了“獨立自主"的細胞器,每一個線粒體內(nèi)部都有自己專用的DNA,負責(zé)編碼各種與氧化供能相關(guān)的蛋白質(zhì)。
線粒體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它為細胞的各種活動提供能量。
在細胞分裂時,與染色體類似,線粒體也不能憑空合成,只能把先前存在的線粒體當做模板,復(fù)制出一份兒來,然后兩個子細胞一人一半。
問題是,保守估計,人身上每個細胞里有10萬~60萬個線粒體。這么龐大的數(shù)量,能保證分得均勻嗎?神通廣大的細胞還真有辦法。
細胞內(nèi)的“鍋爐房":炸了炸了
正如人體需要骨骼支撐一樣,細胞也有自己的骨骼——細胞骨架。它們幫助維持細胞形態(tài),運輸細胞內(nèi)的各種物質(zhì)。每一次細胞分裂想順利完成,細胞骨架功不可沒。
細胞骨架是由不同蛋白質(zhì)纖維構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)狀體系,這些纖維粗細不一,像有序交織在一起的滑軌一樣,引導(dǎo)細胞內(nèi)各種結(jié)構(gòu)的運動。
顯微鏡下看到的細胞骨架。它們?nèi)缛梭w骨骼一樣,維持著細胞的形態(tài),引導(dǎo)細胞內(nèi)各種結(jié)構(gòu)的運動。
線粒體在細胞內(nèi)的運動,依賴于一種很細的名為微絲的細胞骨架。微絲就像纜繩,由蛋白質(zhì)做為纜車,搭載著線粒體“乘客"在微絲上滑行,實現(xiàn)在細胞內(nèi)的運動。
科學(xué)家們早就發(fā)現(xiàn),微絲在干活兒的時候有一種很不尋常的行為——喜歡扎堆兒。不光如此,聚集在一起的微絲通常會以恒定的速度轉(zhuǎn)圈,就像一個正在運行的雷達在搜索著什么。
在細胞內(nèi)旋轉(zhuǎn)的微絲團。
3月3日,《自然》雜志發(fā)表的一項研究發(fā)現(xiàn),細胞分裂時,線粒體要分得均勻,還得仰賴微絲的奇特功能。
在高分辨率顯微鏡下,線粒體在細胞分裂中的運動似乎可以不用蛋白質(zhì)“纜車",而是直接纏到“纜繩"上?!袄|繩"時常發(fā)生纏繞,這一纏繞,就把大量“乘客"給困在了里面,讓它們動彈不得。
但是說來也奇怪,這一團“纜繩"說緊就緊,說松就松,有時會像引發(fā)微型爆炸一樣,突然把里面的“乘客"一股腦兒向各個方彈射出去,速度很快。“乘客"身上通常還會系著一根“纜繩",能在細胞內(nèi)“墜落"相當一段距離,上演一次驚險刺激的“蹦極"。
微絲將線粒體向各個方向彈射,像是上演一場驚險刺激的蹦極。
這一系列復(fù)雜的“游樂"操作聽來很神奇,可是細胞為什么要把自己的骨架當成“彈弓",把線粒體彈來彈去?這就又回到了開篇提到的儒家思想——平均分配。線粒體其實正是借助細胞骨架的這一特殊行為,被*平均地分配到兩個子細胞中。
其中原理就像我們玩撲克時洗牌一樣,要想把一摞牌盡量隨機均勻地分散開,就要反復(fù)洗牌。細胞也在洗“線粒體",用一團細胞骨架聚起一堆線粒體,然后用力向各個方向扔出去,保證線粒體在細胞內(nèi)的隨機均勻分布,而不是聚集在某一側(cè)。
線粒體,不只是“鍋爐房"
然而,科學(xué)研究每弄明白一個問題,就會提出十個相關(guān)問題。對于線粒體,我們還有很多未知。
比如,在通常的細胞分裂中,線粒體會均勻分配,但一些特定種類的干細胞會進行非對稱分裂,分裂出兩個不同功能的子細胞,這時“知情識趣"的線粒體便總是傾向于只進入其中一個。它們是如何做到的?是借助于一種*不同的機制,還是微絲在不同種類的細胞中會有不同行為?目前并不清楚。
細胞分裂時,線粒體并不總是平均分。關(guān)于線粒體仍有很多未知。
尤瓦爾·赫拉利在《未來簡史》中說,如果科學(xué)說得沒錯,幸??鞓肥怯缮到y(tǒng)所掌握的,那么唯1能確保長久心滿意足的方法,就是去掌控這個系統(tǒng)。
我們的確正在掌控這個系統(tǒng),但道路仍然漫長。
1890年,人們第一次發(fā)現(xiàn)線粒體。自此之后,我們對線粒體的認識不斷加深,才發(fā)現(xiàn),它并不是細胞內(nèi)普通的“鍋爐房"。
我們看到線粒體具有精細的內(nèi)部結(jié)構(gòu),知道它的37個基因有何用處,還發(fā)現(xiàn)各種各樣的線粒體異常與至少300種疾病有關(guān),每5000個人里頭,就有一個會患上與線粒體相關(guān)的遺傳病。就連細胞的葬禮——細胞凋亡也與線粒體有關(guān)。
一個小小的細胞器尚且如此復(fù)雜,什么時候才能真正弄清楚一個細胞,一個器官,乃至整個人體的奧秘?恐怕連科幻小說都不敢給出答案。