干细胞是从哪里来的?

现在“干细胞”已经成为一个热门词汇。“干细胞研究”,“干细胞治病”这样的说法经常可以听到。由于干细胞研究的时间还不长,有人会觉得干细胞是什么新东西。其实干细胞在地球上的多细胞生物形成时,就同时出现了,并且干细胞还是多细胞生物出现的必要条件。为什么这么说呢?这就和单细胞生物进化到多细胞生物的过程有关。

地球上的生命大约是在35亿年前出现的。最初的生物都是“单细胞生物”,也就是每个生物体只由一个细胞构成。现在还有许多生物以单细胞生物的形式存在,例如细菌和酵母菌。但是我们的眼睛能够看见的,基本上都是“多细胞生物”。“多细胞生物”,顾名思义,就是生物体由多个细胞组成,而且绝大多数多细胞生物是由不同类型的细胞组成的,这些细胞分别执行不同的任务。我们在这里谈的多细胞生物,也是指细胞之间有分工的生物。最初的多细胞生物产生时,一个优越性就是“个头”比原来的单细胞生物大。个头一大,被别的生物吃掉的可能性就降低了。所以多细胞生物的出现是进化过程的必然。现在地球上最古老的多细胞生物的样品,是在加拿大北极地区发现的一种有12亿年历史的红藻化石。它的细胞连成枝状,有基盘供植物附着在岩石上。它能形成孢子和配子,所以能同时进行有性生殖和无性生殖。这说明多细胞生物至少已经有12亿年的历史了。

单细胞生物是怎样变成多细胞生物的呢?理论上有两种方式。一种方式是不同类型的细胞聚合在一起,彼此依赖,就像现在生物之间的共生关系,不过这是在细胞水平上的,而且不像菌膜那样没有固定的组成和结构,而是有特定结构的。另一种方式是同类细胞聚合到一起,形成最初的多细胞生物,然后这些细胞再进行分化,有的负责营养,有的负责生殖等。这两种途径从表面上看都行得通,但是如果从遗传物质的传递给下一代的方式来看,还是后一种途径比较合理。

每种生物都有自己的遗传物质(脱氧核糖核酸,英文缩写为DNA),即生物的“设计手册”。它规定每种生物的身体如何建造,而且可以把这种信息传给下一代。单细胞生物的繁殖方式比较简单,就是“一分为二”,一个细胞分裂为两个。在细胞分裂前,“设计手册”先进行复制。细胞分裂时,每个“子”细胞各得到一本“设计手册”,繁殖任务就完成了。而多细胞生物含有不同类型的细胞,这样的生物如何把遗传信息传给下一代呢?

如果多细胞生物是由不同类型的细胞聚集在一起形成的,每种细胞都有自己特有的遗传物质,这样的多细胞生物繁殖时,就必须每种细胞各自繁殖,因为每种细胞都不能替其它种类的细胞把遗传物质传下去。这样繁殖出来的不同类型的细胞再“组装”在一起,形成多细胞生物。也许在多细胞生物形成的早期,生物曾经有过这样的尝试。但是这样做需要细胞的重新组合。身体越复杂,重新“组装”成有比较固定结构的生物体越困难,而且势必还有身体“不成形”的阶段,易受别的生物的攻击。所以这条途径是不切实际的,现在地球上也没有这样繁殖的多细胞生物。

另一个办法是多细胞生物体内所有类型的细胞都具有相同的“设计手册”。由于“设计手册”只有一种,多细胞生物就可以把自己的全部遗传信息通过单个细胞传给后代,再由这个细胞“变”成不同类型的细胞。现在地球上所有的多细胞生物都是这样做的。无论是无性生殖中使用的生殖细胞(例如“孢子”),还是有性生殖中精子和卵子结合成的受精卵,都只是一个细胞,由它们发育成含有多种细胞的生物体。

现在地球上最简单的,具有细胞分工的多细胞生物的例子就是团藻。它由几百到几千个同样类型的细胞包围成的球形囊泡,里面装有粘液。这些细胞有鞭毛,可以用来游泳。它们含有叶绿体,可以进行光合作用以制造营养,所以是“营养细胞”。这些营养细胞还含有“眼点”,可以感知光线,使得团藻可以向光线强的地方游泳。位于营养细胞内面的是16个和营养细胞摸样不同的细胞。它们的个头比营养细胞大得多,但是没有鞭毛,没有叶绿体,也没有眼点。它们的唯一任务就是繁殖。生殖细胞进行分裂,生成新的团藻。这些新生的团藻位于原来团藻的内部,也有营养细胞和生殖细胞。新生的团藻形成后,原来的团藻破裂,释放出新生的团藻,原来的营养细胞都死亡,团藻就完成一次繁殖任务了。因此,团藻是有细胞分工的多细胞生物,而且一个生殖细胞就可以繁殖出一个新的团藻。

团藻的营养细胞非常像单细胞生物“衣藻”。衣藻的大小和团藻的营养细胞差不多,也具有鞭毛、叶绿体和眼点。从这个相似性,人们自然会猜想团藻最初也许是独立生活的衣藻聚集在一起形成的。但是在实际观察团藻的繁殖过程时,发现生殖细胞在分裂时,先分化成生殖类型的细胞和营养类型的细胞。在形成营养细胞时,细胞多次分裂,但是分裂形成的细胞并不像单细胞生物繁殖时那样彼此分开,成为独立的个体,而是仍然聚集在一起,成为群体。细胞膜也没有完全分开,细胞之间还通过细胞质的细管相连。科学家认为,这也许是多细胞生物最初形成的方式,即细胞分裂,但是“子”细胞并不分开。因为这只需要细胞分裂的最后一步进行不完全就可以了,是最简单的方式。

多细胞生物形成的机制解决了,但是还有一个难题。就是一个细胞如何变成两种不同类型的细胞。由于团藻的营养细胞和生殖细胞含有同样的DNA,也就是有同样的“设计手册”,接收到这本“设计手册”的生殖细胞就必须用同一本“设计手册”建造出两种不同的细胞来。这就像工厂里要用同样一本设计手册造出不同的产品来。这个难题到底有多难,我们可以从生物解决它所用的时间看出一些端倪。地球上的生命是在约35亿年出现的,而最古老的多细胞生物化石只有12亿年的历史。这说明生物为了解决这个难题,花了大约23亿年的时间!这个问题的最终解决,其意义不亚于当初生命在地球上形成,因为它使得多细胞生物的出现成为可能,也才有现在的人类。

看到这里,你一定已经急着想知道,生物是怎样解决这个难题的了。其实解决这个问题的原理并不复杂。就是单细胞生物,在其一生当中也会处于不同的状态的。它们用大部分时间来获得营养,这个时候用于繁殖的基因就暂时被“关闭”。等到细胞长到一定大小了,可以分裂了,获得营养的过程就减慢或停止,用于繁殖的基因就活跃起来了。这就是说,单细胞生物的基因不是在任何时候都是全部“打开”的。这就像在不同的生活阶段“阅读”“设计手册”的不同页面。如果生殖细胞分裂时,有一种机制让形成的“子”细胞阅读“设计手册”的不同部分,不是就可以形成不同类型的细胞了吗?团藻正是这样做的。团藻的生殖细胞分裂时,一个叫做glsA的基因让生殖细胞分裂成一大一小两个细胞。在小的子细胞中,一个叫做regA的基因让获取营养的基因被打开,同时关闭与繁殖有关的基因,所以小的细胞就繁殖成营养细胞。在大的子细胞中,一个叫lag的基因让与繁殖有关的基因被打开,同时关闭与获得营养有关的基因。这样,同一份DNA就可以指导不同类型细胞的形成。这就像现在的手机既能够打电话,又能够照相,所以手机的“设计手册”中电话和相机的“设计”(相当于基因)都有。如果我们用这本“设计手册”来生产两种“简化”产品,一种只打电话,另一种只照相,不是就可以用同一种手册生产不同的产品了吗?

在对“设计手册”中的基因选择性地打开和关闭的基础上,“设计手册”就可“变出”越来越多类型的细胞。例如简单的多细胞生物水螅就已经具有神经细胞,生殖细胞也可以分化为卵子和精子,所以水螅也可以进行有性繁殖。这样,多细胞生物体内的细胞种类就会越来越多,功能越来越复杂,最后形成像人这样的智慧生物。人体是高度复杂的有机体,有200多种不同类型的细胞,但也是由一个细胞(受精卵)“变”来的。受精卵一边分裂,一边分化,最后形成我们身体里面各种细胞。这个过程很像一棵树的成长:先是有主干,然后从主干分支,枝干又再分支,最后在细枝上长出树叶。分支的过程就类似于细胞的分裂和分化。科学家借助这个比喻,把能够分化成多种细胞的细胞称为“树干细胞”,简称“干细胞”。无性繁殖的生物的孢子和有性繁殖的生物的受精卵,就是最初的干细胞。现在研究的“胚胎干细胞”和“成体干细胞”,都是由受精卵衍生而来的。

所以干细胞并不新奇,是所有的多细胞生物与生俱来的东西。只要有多细胞生物,就必须有干细胞。由于干细胞能够分化成身体里面的各种细胞,所以有希望被用来替代我们身体里面生病或者已经死亡的细胞、组织、器官,治疗疾病、克隆动物。现在,科学家还可以用“细胞核转移”和“诱导”等手段,人工培养出干细胞。对于干细胞的研究已经成为当前生命科学的重要任务之一。