举例说明细胞的整体性和全能性,龙门阵中的生命秘密 5

海云青飞 点评:生物,可以看成是特殊的单细胞生物,如此就不难理解生物的细胞具有整体性和全能性


2010-07-19 22:32:57

标签: 科普连载 当代生物学 科普 龙门阵 文化 分类: 科坛杂记

龙门阵中的生命秘密:现代生物技术学前沿/孙二虎(连载5)

细胞工程学苑里的奇葩

就地球上大多数生命体而言,细胞可以说是一切生命体的基本构成单位。但正如前面我们已说过的那样,这里所说的“生命体”并不包括DNA, RNA, 蛋白质这样的生命形态,也不包括“亚细胞”形态的生命——病毒。

单细胞生命如细菌等只有一个细胞,多细胞生物如我们常见的植物、动物根据其复杂的程度细胞的数量从几百个到数以亿计的细胞组成。也有些生物仅有4个、8个或几十个未分化的相同细胞组成。还有一些生命体,后面我们还将谈到,至今我们还不能准确的判定它们是单细胞生物,还是多细胞生物,例如类别众多的所谓“黏菌”类生物,我们甚至不知道它们属于微生物,动物,还是植物。

因此,从进化的的角度看,生命经历了从大分子形态(如DNA)、亚细胞形态(如病毒)、单细胞形态、单-多细胞“二相形态”(如某些菌物类和低等动物),以及多细胞形态的进化阶段

细胞的二个特点

  1. 细胞的独立性

    我们不难看出,“细胞”在生命的进化中占有极重要的地位:只有在出现细胞(哪怕是“亚细胞”的病毒)之后,才使生命的活性得到独立的表现;同时,即使在生命存在的最高最复杂的人类形态阶段,细胞仍然没有失去其独立生命存在的地位:高等动植物的有性生殖过程,仍然是一个单细胞过程。

  2. 细胞的另一个本性特征,是它们的“社会化”倾向

    正是这种特性引导生命向联合共存的方向前进,最终导致多细胞生物的繁荣。细胞的这种倾向甚至在甲烷菌这样的古细菌那里都有明显的表现:科学家已经找到甲烷八叠球菌总是以八个相互粘连的细胞生存的基因根据;美国科学工作者的另一项研究表明,一些生活在自来水管道的细菌,都会以细胞“结膜”的形式附着在水管结节处生存。

由以上认识可以加深我们对十九世纪“细胞发现”重要意义的理解。也正是细胞在生命系统中的地位,促进了现代细胞生物学的飞速发展,并使在生物工艺学中占有重要地位的细胞工程的研究新花争艳斗奇。

细胞全能性证明的疑难

无论是植物的体细胞,还是动物的体细胞,都具有潜在的发育成新整体的能力, 这种能力叫做细胞的遗传全能性。

  1. 细胞全能性假说的证明

    植物体细胞的全能性,已于本世纪初被哈勃莱特(G.Haberlandt)提出。1958年,斯图尔德等利用胡萝卜根的韧皮部组织培养出了完整的新植株。这个植株当时被称为“胡萝卜夏娃”。

    但严格说来,“胡萝卜夏娃”还不能证明“细胞的全能性”,因为培养物是多细胞的“组织”。后来,有人用单个烟草细胞培养出了可育的完整植株;1969年,另一位科学工作者将烟草的单个单倍体孢子培养成了完整的单倍体植株。1970年,斯图尔德又用悬浮培养的胡萝卜单个细胞也培养成了可育的植株。

    大量的研究表明,几乎植物体上所有各部分的组织细胞,包括根、茎、叶,花药、子房及幼胚等,均可通过诱导出来的培养细胞再生出新植

    由此可见,所谓植物细胞的全能性应包含两层意思:

    1. 高度分化的植物体细胞,仍然具有完整的遗传信息;
    2. 在二倍体的同源染色体中只要有一个基因组,就含有该物种的全部基因,简单说,植物的性细胞花粉和未受精子房也有全能性。

    对于动物来说,虽然在低等动物中也存在类似“插柳成荫”的现象,但一个动物非生殖单细胞的全能性不像植物那样容易证明。可以说,对于动物,特别是哺乳动物来说,至今生物工程学家还没有为“细胞的全能性”假说提供完整的证据。现在让我们做一些必要的回顾。

    1952年,美国科学家波里格斯和T·金进行的蛙核移植实验为动物细胞的全能性证明提供了开创性的实验方向:用金属针取出蛙卵的核,然后用特制的细玻璃管将一个早期胚(囊胚)的细胞核移植到去核的蛙卵细胞中进行培养。结果有80%的移植细胞发育成正常的胚,并在一次实验中获得一只蛙。

    以后许多实验室都进行了类似的实验,但真正可称为突破性实验由英国科学家D·盖尔顿在1962年完成:他用蛙的肠细胞核培养出了能够繁殖后代的成熟蛙

    盖尔顿的实验证明,卵细胞质具有一种特殊的功能:策动其它体细胞的基因“丢开”自己的“专门职务”,“回忆”并“执行”导致整体生命重新发生任务的功能。这个实验较之1952年美国人实验的最重要差别在于,美国人的供体核是分化早期的囊胚,这种细胞还处于未来“工作”是“做心”还是“做眼”尚未肯定的阶段,因而重新回到起点么容易得多;但盖尔顿的实验却是,要强迫已“分配”(分化)干“肠细胞”工作很久的“大学生”细胞重新回到胚“幼儿园”中“从头学起”,这显然要难的多。盖尔顿的无性蛙,是对脊椎动物细胞全能性的真正有说服力的证明。然而动物细胞全能性证明还没有完成。但人们的合乎逻辑的疑问是:两栖动物没问题了,哺乳动物行么?

  2. 哺乳动物的细胞全能性疑难

    1977年美国人霍普和瑞士人伊尔门西在缅因州杰克逊实验室“创造”了7只“单亲雌鼠”值得一提。他们把刚受精不久的鼠卵中的雌核或者雄核去除掉,然后用细胞松弛素B处理这些被手术过的卵;由于细胞松弛素B能阻止受精卵细胞膜分裂,但不妨碍卵核的复制,这样手术卵可以加倍形成二倍体核,经过培养,在适当的时候植入母鼠子宫培养至出生。据报告,根据遗传标记,所生7只雌鼠中有5只由雌核发育而成,2只来于雄核。由于这个实验的材料是单亲的性细胞,而不是体细胞,似在向我们证明,哺乳动物的单性细胞也有全能性,与植物“在二倍体的同源染色体中只要有一个基因组,就含有该物种的全部基因”相同。问题在于,这7只雌鼠来于单亲的遗传证据不足,科学界未予承认。

    1981年,霍普和伊尔门西又发表了它们1978年的实验,把胚胎的细胞核移入受精卵内,同时去除受精卵的原核,最后得到3只小鼠。这个实验不同于美国人1952年实验的地方是用了哺乳动物,这是一个大的进步,但用的仍是胚胎细胞,而不是已经充分分化的体细胞。以后的十几年世界又有了各种相关的不少报道,但常常有不同的结论,也有许多不同看法。其中中国科学家1986年用非洲白化爪蟾(一种人工培育的实验动物)获得由单雄性细胞发育的雌性后代的实验,也为动物细胞的全能性提供补充证据。但以上哺乳类实验的最大不足,实验都经过“受精”这一环节,从而削弱了试验结果的说服力。就是说,哺乳动物的细胞全能性还需要更充分的实验加以论证。

    哺乳动物细胞全能性的第一层含义,由1997年诞生的英国克隆羊“多莉”加以证明:因为多莉是一头真正由成体母羊的乳腺细胞发育而成正常个体,并且在1998年4月13日生下一只雌性后代“邦妮”,1999年又生下3个“羊宝宝”。

    然而,对于哺乳类单配子细胞全能性的证明,虽然在2004年由于多莉之后的动物明星雌黑鼠“辉夜姬”的诞生见到新的希望,但希望仍然渺茫。关于“多莉”和“辉夜姬”诞生的重要意义,将在后面说及。这里只简单地说,雌黑鼠“辉夜姬”的确是一只没有父亲的哺乳动物,但她却有两个母亲,其中一个母亲的性细胞发生了极少见的突变,起到了类似父亲精细胞作用,从而使这个“从竹子中诞生的公主” (“辉夜姬——日本民间传说中从竹子里生出来的公主)得到出生的机会。不管“辉夜姬”在生物技术学史上有多么重大的意义,但并没有为哺乳动物细胞全能性证明提供新的证据。

(待续)

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海云青飞,生命进化规律破解者
宗教已经过时了,死了以后再活,这是要多低的智商才会相信这种鬼话
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海云青飞 主要作品:《直立人归来》 - 《从零开始发明修行》 - 《悟道进化生物学》 - 《悟道相对论》