你也可以变成三头六臂

文/赵海平

 

低等动物,如涡虫、蝾螈、非洲爪蟾的蝌蚪,具有很强的再生能力。然而,人类却只有非常有限的再生能力。是什么抑制了人类器官和肢体的再生?最近,生物电的研究取得了重大进展,或许在生物电密码被破解后,人类能够重新找回这一丢失的超能力。
神秘的生物电
生命体的组织、器官和身体都拥有固定的形状,然而这些形状却发源于没有固定形状的原始细胞团。叶海龙的尾巴是这样,巨嘴鸟的喙是这样,我们人类的手同样也是如此。生命科学中的一大谜团是:是谁将成千上万的细胞编织在一起,设计成错综复杂的组织、器官和身体?
当然,答案应该都在基因中。可是近年来,一个被忽略多年的课题引起了科学家的兴趣,这个课题就是:微弱的生物电信号像雷电一样不停地在细胞之间闪烁,正是这些信号控制着生命体的形状。在胚胎发育和身体修复的时候,貌似是生物电在向细胞们发号施令,告诉细胞应该到哪里去,应该发育成什么样子。例如,一些生物具有令人吃惊的超能力,它们能够再生出丢失或损伤的肢体。生物电就如同一个密码系统,控制着生物体的形状。
如果能够弄明白器官和身体的形状是如何编码的,破解了生物电密码,不仅能够使我们更深入地理解进化过程,还能够为组织工程和再生医学带来革命性的突破,一些梦寐以求的事情可能就会变成现实。美国塔夫斯大学的发育生物学家麦克·勒文这样说:“一旦我们知道形状是如何编码的,将能够按照我们的需求来改变身体的形状。”也就是说,我们将拥有改变身体形状的能力,甚至能像哪吒一样变成三头六臂。
很长一段时间内,人们一直认为在生命体的发育过程中,是基因驱使一个单细胞发展成一个成熟的生物体。但是就生命体的形状来说,基因却更像是一张形成生命体的原材料清单。在没有获得一系列指令之前,生命体并不知道这些原材料该如何使用。就像是盖一幢大楼,基因只是形成水泥、砖块、木料等原材料,然而如何应用这些原材料建造整幢楼,还需要一张建筑蓝图。一种被称为“形态发生素”的化学信号在控制着基因的表达和细胞的迁移。但是勒文等科学家认为,形态发生素不足以形成生命体形状的“蓝图”,应该还有更深层次的物质。

化身万千的涡虫
涡虫是一种长着一对“斗鸡眼”的软体动物,只有5毫米长。在涡虫身上所做的一系列实验告诉我们,细胞与细胞之间的交谈决定了再生的部位是“长成头还是长成尾巴”。蝾螈和涡虫都是拥有超级再生能力的生物,尾巴切断后,用不了多长时间就能完整地长回来。但是涡虫与蝾螈不同的是,即使把涡虫的头部砍掉,也照样活得好好的;就是把它切成200多个小块,在短短几星期内,每一个小块都能再生成一个健康的整体。看来,涡虫具有把自己切成“肉馅”来开演唱会的能力。
2010年,科学家勒文和奥维耶多切掉涡虫的头和尾巴,然后用药物影响正常的生物电状态。奇怪的事情发生了,涡虫长成了“双头涡虫”。第一次说明了生物电能够决定再生的部位是头还是尾巴。更神奇还在后面呢,将这些双头涡虫再切断后,即使不用药物处理,它们再生后,依然是双头涡虫。这意味着,生物电信号的短时间改变,能够永久性地改变细胞的发育方向。因此,改变再生的方向,就改变了遗传机能。这种改变仅仅是化学药物的作用,而不是对基因组进行改变。相当于是仅仅是调节生物电,就能重新编写器官的形成程序和再生程序。美国加利福尼亚的赵敏教授也发现,生物电在伤口愈合的过程中发挥着重要的作用。他的实验证明生物电能够动员伤口周围的细胞,并引导它们去修补伤口。
如果将实验室创造的双头涡虫放归自然,未来的生物学家可能会认为它们是一个新的物种,却会奇怪地发现这个“物种”与一个头的涡虫具有相同的基因组。
勒文认为,进化可能并不是仅仅局限于基因组的突变,这种观点突破了当前的主流遗传密码理论。既然环境刺激能够在实验室里催生双头涡虫,那么在自然条件下也是可以的。这是一种潜在地改变物种进化的方法。

生物电带来的医学革命
未来,对生物电的操作和应用可能会对人类健康发挥重要的作用。如果我们知道了生物体如何创造自己的形状,就可以在人类自己身上应用这一机制。
生物电密码或许能帮助我们逆转癌症。近年来,勒文和同事正在利用光遗传学的优势。这种技术能够通过激光来开关离子通道,从而达到改变生物电的目的。在蝌蚪上的实验发现,该技术能够降低癌症的发生率。虽然目前还不能使已经形成的肿瘤缩小,但是能够将凶恶的肿瘤细胞改造成温和的健康细胞。相比现在利用化疗和放疗杀死肿瘤细胞,这种通过生物电来使癌症正常化的治疗手段更有优势。
修复肿瘤细胞引人注目,再生肢体和器官让人惊讶!然而,这就是生物电控制生物体形状的应用前景。
人类的再生能力很低,仅仅能够在婴儿期间修复断掉的手指。这种再生依靠的是骨形成蛋白,但是身体产生的为数不多的骨形成蛋白优先用于制造支撑体重的骨骼,如胫骨,像下巴骨这类的骨骼是很难愈合的。
如何才能够再生人类的四肢,或者按照需求来改变器官的形成呢?2013年,勒文和同事通过引导青蛙腿细胞内钠离子的流动,增加了细胞与细胞之间的交流,使青蛙腿实现了再生。
生物体的形状具有可塑性,而且这种可塑性是动态变化的。蝾螈和涡虫在一生中都保留了它们的再生能力,而蝌蚪发育成青蛙后却部分地丢失了这种超能力,人类更是在发育过程中将其丢失殆尽。人类的受精卵在开始发育几天后,将其分成两部分,每一部分都有能力发育成一个个体;然而在发育几星期后,就不再具备这个能力了。
其实人类也是有再生能力的,只是不知道什么原因,这种能力被封印了,找到封印的原因,就能解锁封印。研究能够再生的动物的生物电模式,然后应用这种模式,就有可能解锁被封印的再生能力。
然而,仅仅从细胞水平上探索生物电的秘密是不够的,只有完全地破解生物电密码,我们才能够人工构建器官甚至身体。生物电信息类似于电脑或人脑的记忆信息,计算神经科学方面的研究方法和人工智能将会帮助我们揭秘生物电。一旦生物电得到破解,我们就能自己来谱写缺失的生物电程序,重生自己的身体。

(本文作者赵海平为中国农业科学院特产研究所博士)
生物电
生物电是生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位和极性变化。它是生命活动过程中的一类物理、物理-化学变化,是正常生理活动的表现,也是生物活组织的一个基本特征。
早在300多年前,意大利的一名内科医生路易吉·伽伐尼发现,将死亡青蛙的腿连接到电源上时,青蛙的腿能够像活的时候那样做踢腿的动作。20世纪30年代,哈罗德·萨克斯顿伯尔认为,生物电是保持活体组织不发生紊乱的“原力”。尽管当时人们已经知道在大脑中存在生物电,并且知道生物电起着重要的作用,但是萨克斯顿伯尔的观点还是没有引起重视,直到最近,研究人员才重新认识到生物电的重要性。
当前,我们已经很清楚,生物电指导着思维火花在神经元中传递。事实上,大脑内的电路是由细胞与细胞之间简单、缓慢的生物电流动形成的。每一个细胞的细胞膜内表面和外表面都存在着不同的带电离子,由于这些离子分布不均匀,使细胞膜内外形成一个电压。这个电压的大小携带着细胞与细胞之间交谈的生物信息。

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