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癌症竟然和寒武纪大爆发有关?

编辑时间:2018-02-12   作者:   来源:科技日报   阅读次数: 240

 

  癌症学家有一个困惑:为什么会有癌细胞?动物干嘛要演化出“癌症体质”?

  生物学家有一个谜题:为什么有寒武纪生物大爆发?多细胞动物为何突然出现?

  一个新理论绑定了二者:癌症或许是多细胞动物繁荣昌盛的副产品。

  大约5.4亿年前到5.3亿年前的寒武纪地层中一下子出现了各种无脊椎动物化石,这被称为寒武纪大爆发。关于寒武纪大爆发有各种解释,它也成为了古生物学和地质学上的一大悬案。

  最近,瑞典隆德大学的跨学科团队在最新一期《自然·生态学与演化》上提出了一个关于寒武纪大爆发的新假说。他们通过肿瘤研究提出,寒武纪大爆发缘于多细胞生物的一种特殊能力,而非含氧量增加等外部条件的变化。

  氧气增加导致寒武纪大爆发讲不通

  大约40亿年前,生命诞生在地球上,但距今5亿—6亿年前,多细胞动物才出现,并迅速演变出各色门类。

  关于寒武纪大爆发,一种假说认为,那是因为大气中的氧气浓度增加,可以支持更复杂的、体型更大的动物。但有证据显示:寒武纪之前氧气就剧烈增加了。还有研究者指出,简单的动物需要的氧气含量低到令人惊讶。

  瑞典隆德大学的古生物学家埃玛·哈马伦德博士在电子邮件中告诉科技日报记者,按照传统的“高氧导致大爆发”假说,“很难理解动物在氧气浓度上升前是什么形态。它们是怎么准备和等待的呢?虽然小但是所有组织都在准备变厚?不,不大可能。而且没有证据支持高氧假说。证据显示寒武纪之前就有了足够多的氧气,寒武纪时氧气没变化。”

  富氧一开始反而威胁了多细胞生命

  哈马伦德博士联系了隆德大学的肿瘤生物学家史万帕曼教授,后者研究了20年缺氧与肿瘤的关系;隆德大学的肿瘤生物学家史特定博士也加入进来。他们想要测试肿瘤的一种本事,是否与寒武纪大爆发有关?

  “干细胞特性”对于所有多细胞生命至关重要。“干细胞”是能发育成多种功能细胞的“树干”细胞。我们都是由从受精卵变成的胚胎干细胞一步步分裂出来的,我们的一生中都有干细胞变成功能细胞。例如,小肠壁细胞每2—4天就要更换一次,这就要靠干细胞分裂。

  “缺氧被认为是对生命的一种威胁,但是我们忘记了,在精确时间和条件下,缺氧是多细胞生命的先决条件。我们的干细胞,也就是形成新组织的细胞,对氧气极其敏感。”史万帕曼解释说。

  而多细胞生命能操纵一种“愚弄”细胞的蛋白质,让细胞在高氧环境中以为自己是缺氧的,从而维持干细胞特性。这种机制规避了高氧给干细胞带来的负面影响。而史万帕曼牵头的研究小组观察到,癌细胞可以劫持这一机制,因此尽管肿瘤处于高氧环境,但仍可在“假缺氧”环境下维持干细胞特性。

  “我们翻转了传统的观点:低氧对动物细胞一般没有问题,高氧的环境则会对复杂的多细胞体系构成根本性的挑战,如果没有额外的工具,氧化环境会使组织特异性干细胞成熟得太早。”史万帕曼说。

  癌症或是寒武纪生物超能力的失控

  哈马伦德告诉科技日报记者,她开始关注肿瘤与寒武纪大爆发的关系,有3个契机:“第一,我有家人和同事得了癌症,所以我开始听癌症科学的新闻,读到了莱恩威弗和戴维斯的肿瘤体现演化的观点;第二,我参加了一个地质学家和生物学家的会议,感到我们被困在旧模式中,而没有增进(对寒武纪大爆发的)理解;第三,有位微生物学家教会我:地质学家无法重现的事,微生物学家可以在实验室重现,所以我需要回到实验室研究多细胞生物的崛起。”

  哈马伦德等人可以说是另辟蹊径,他们的假说与地质生物学观测结果吻合:寒武纪之前很早的时候,地球上已存在足够的氧气。寒武纪动物成功的关键,就是癌细胞利用的这种机制这一视角下,癌症是我们生活在高氧环境下的一个演化副产品。

  哈马伦德和史万帕曼都感到惊讶:之前没人想过含氧环境与更新组织的矛盾。“当然,很多人会直觉地不同意,但是一旦你重新考虑氧气的角色,将它看作是影响干细胞特性、有碍组织更新的物质,那么来自不同领域的令人困惑的观察就融会贯通了。”史万帕曼说。

  “当我们想到,高氧而非低氧是一个挑战。那确实是一个‘Eureka(我发现了)’的时刻。”哈马伦德告诉记者,在新视角下,“癌症是一种特别有用的能力的后果;当这种能力受控时,它帮助我们在富氧环境下活得更长,但失控就会导致肿瘤。”

  (本文部分材料来自隆德大学新闻发布稿)

  其他相关理论

  有性繁殖促使物种爆发

  该理论认为,从化石资料来看,真核藻类大约在9亿年前出现了有性生殖,实际上有性生殖出现得更早。有性生殖的发生在整个生物界的进化过程中有着极其重大的作用,由于有性生殖提供了遗传变异性,从而有可能进一步增加生物的多样性,这是造成寒武纪大爆发的原因之一。

  收割者的出现和进化是关键

  美国生态学家斯坦利提出了一种解释寒武纪大爆发的生态学理论,即收割原则。斯坦利认为,在前寒武纪的25亿年的多数时间里,海洋是一个由原核蓝藻这样简单的初级生产者所组成的生态系统。这一系统内的群落在生态学上属于单一不变的群落,营养级也是简单唯一的。由于物理空间被这种种类少但数量大的生物群落顽强占据着,所以这种群落的进化非常缓慢,从未有过丰富的多样性。

  寒武纪大爆发的关键是草食收割者的出现和进化,即食用原核细胞(蓝藻)的原生动物的出现和进化。收割者为生产者有更大的多样性制造了空间,而这种生产者多样性的增加又导致了更特异的收割者的进化。营养级金字塔按两个方向迅速发展:较底层次的生产者增加了许多新物种,丰富了物种多样性,在顶端又增加了新的收割者,丰富了营养级的多样性。从而使得整个生态系统的生物多样性不断丰富,最终导致了寒武纪大爆发的产生。

  钙大量涌现起了巨大作用

  美国科学家发现的证据表明,海洋中钙的大量涌现可能在寒武纪大爆发中发挥了巨大作用。

  3位美国科学家对一些早寒武纪时期在海底形成的盐晶体进行了检测。发现早寒武纪的钙含量比原生代的钙含量至少高出3倍。研究人员指出,这些钙应该是地中海海脊火山爆发时喷入热海水中的钙。

  他们强调指出高水平的地壳活动、钙的喷入使得早期生命演化出壳和骨骼以解决海水中钙含量升高而造成的潜在毒性。

  寒武纪大爆发是假象

  该理论认为,进化是渐进的,所谓的“爆发”只是表明首次在生物化石记录中发现了早在前寒武纪就已经广泛存在并发展的生物,其他的生物化石群则可能由于地质记录的不完全而“缺档”,造成这种“缺档”的原因是前寒武纪地层经历着热与压力,其中的化石被销毁了。

  但由于科学家发现前寒武纪化石沉积层中存在大量像细菌和蓝藻这样简单的原核生物,因而这一解释缺乏说服力。

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