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雌雄家蝇存活曲线图
哺乳动物姓娠期、成熟期、生长期与寿命的关系

  生命发展的后一阶段,主要指有机体性成熟后所发生的与时间有关的各种改变。在此阶段中形态结构出现衰退现象,伴随着功能的下降,有机体对环境的应激能力也相应减弱。因此,衰老引起的变化与由昼夜、季节或其他生物节律所引起的变化完全不同。也有人不同意这种看法,他们认为衰老是每个生物全部生命过程中所发生变化的总和,是发育的继续,因此很难截然划分何时发育终止而何时衰老开始。

目录

衰老的比较研究

  无脊椎动物由于寿命短,在用以研究衰老时,实验周期短,易于重复。无脊椎动物在外形上与脊椎动物差别虽很大,但在细胞水平上有许多共同点。有人比较了果蝇与小鼠细胞衰老的变化,发现各种细胞器的改变十分相似。例如核凹陷、线粒体膨大、核糖体减少等等。如进一步分析到分子水平,则无脊椎动物或脊椎动物细胞内的许多生化过程基本一致。因此,轮虫、线虫、果蝇、家蝇等常被用作研究衰老的材料。用无脊椎动物与脊椎动物做比较研究,发现许多因素如遗传、生殖、温度、食物等与衰老有密切关系。

遗传与衰老

  不同动物各有其特定的寿命极限。如蜉蝣成体只有一天寿命,而果蝇和家蝇成体可有30多天寿命。一种隐杆线虫(Caenor habditis briggae)能活28天,另一种寄生线虫可活17年。欧洲龙虾最高寿命可达30年。哺乳动物的寿命差异也很大。小鼠和大鼠约 3年,大象约70年,而人类可达110年。在人群调查中常见到长寿的家族有长寿的后代。单合子双生儿寿命很接近,而双合子双生儿的寿命可能相差较大。这些都证明遗传对寿限起主导作用。

  人类女性寿命常比男性长,以往常归因于社会因素即女性承受生活压力较少。实际上除了男性工作、劳动消耗大,损伤机会多的外界因素外,性别也对寿命有影响。性别由性染色体决定,女性为XX型而男性为XY型,许多遗传病的基因位于X染色体上。在女性由于另一X染色体的掩盖可不表现出病态, 但男性则不能掩盖而出现病态。遗传决定了男女性别,也造成了寿命的差别。

  在动物界也有雌性动物比雄性动物寿命长些的现象(见图)。雄蝇在17天时死亡率为50%,而雌蝇在32天死亡率才达50%;此外,一种黑蜘蛛雄性平均寿命为100天,而雌性为271天。一种大型水蚤雄性平均寿命为38天,而雌性平均寿命为44天。

生殖与衰老

  有机体借生殖以保持种群的延续。生殖的方式对机体的衰老有重要影响。一次生殖的有机体,生殖后很快即衰老,随之死亡。许多昆虫和极少数的脊椎动物如太平洋中的几种鲑鱼均属于一次生殖类型。多次生殖的有机体可以在生命过程中一再重复生殖,大多数的脊椎动物和寿命较长的昆虫均属多次生殖的类型。

  许多昆虫具有两种明显不同的适应性颜色,一种为保护色,另一种为警戒色。具有保护色的动物在生殖期结束后不久即死亡;而有警戒色的昆虫生殖后生存期较长。昆虫在生殖后如飞行多,大量消耗体内储存的能量,很快即死亡。而飞行少的昆虫可保存能量以维持较长的生命。一次生殖的昆虫实际上直到生命的终结前仍需保持全部的功能和活力,衰老仅发生在生殖过程完成后的一段很短的时间内。

  脊椎动物的鲑鱼也是一次生殖型动物,在产卵后旋即衰老死亡。有人曾用阉割方法阻止产卵,避免产卵后的退化变化,鱼的寿命即可延长数年,因此认为生殖器官的成熟即蕴藏着衰老的因素。产卵本身可引起内分泌的改变,但不是死亡的直接原因。

  哺乳动物属于多次生殖型。下表中示哺乳动物妊娠期、成熟期、生长期和寿命的一些资料。成熟期早,繁殖力强,一次产仔数多,每年产仔多次的动物寿命较短。小型啮齿动物如大鼠、小鼠、豚鼠等即属此例。而大型动物如牛、马、象以及人类,生长期长,妊娠期较长,产仔率低,寿命较长。

温度与衰老

  从比较老年学的角度看,许多冷血动物的代谢受外界温度的影响,在低温条件下能降低体温,寿命相对延长。如有些爬虫类和两栖类动物在热带生存的种类寿命比较短,而在温度较低地带的种类寿命比较长。有人用南美的一年生鱼类在15℃和26℃两种不同温度环境下饲养,结果温度低的一组生长快,体型大而且寿命较长。说明温度低时,冷血动物可变温适应环境,寿命也延长。 

  温血动物能保持体温恒定,代谢速度也比较平稳,环境温度改变时对体温改变不大,与寿命之间的关系也比较小。但在分类上接近,成体体重相似的物种,会降低体温适应外界不利环境的一些种比不会降温的寿命长。例如蝙蝠一天内可经常蛰伏不动,代谢慢,冬眠时体温下降,寿命能达15~17年;小鼠行动活跃、代谢快、外界温度降低时小鼠不能降低体温来适应环境,寿命只有3年。如将幼年鼠饲养在低温下,不但不能延长寿命,反而易染疾病,缩短寿命。

食物与寿命

  摄食量可以直接或间接影响动物的抗病能力从而影响寿命。有人用限量食物饲养断奶后的雄性大鼠可以使之比随意取食的大鼠寿命长。但另有试验说明如大鼠在120天以前取得足够的食物,其寿命比限食动物的寿命长。大鼠120天为成熟期,可见在生长期如给以足够的食物可增强体质延长其平均寿命。也有人认为食物与体重及寿命长短有一定关系。

  有人用家蝇、蟑螂、工蜂等做了一系列营养试验,认为食物影响昆虫的产卵时间,也间接影响到昆虫寿命

衰老期的变化

  机体衰老从宏观到微观都有一定的变化,并随年龄增加而渐趋明显。对低等动物的衰老变化虽然有人研究,但为数有限,且多是为了用来建立某种衰老模型,开展抗衰老实验,因此有关其衰老变化的资料比较零散缺乏系统性。对于人和哺乳动物的衰老变化则积累了较多的资料。

整体水平

  老年人身高下降,脊柱弯曲,皮肤失去弹性,颜面皱褶增多,局部皮肤,特别是脸、手等处,可见色素沉着,呈大小不等的褐色斑点,称作老年斑。汗腺、皮脂腺分泌减少使皮肤干燥,缺乏光泽。须发灰白,脱发甚至秃顶,眼睑下垂,角膜外周往往出现整环或半环白色狭带,叫做老年环(或老年弓),是脂质沉积所致。牙齿脱落,但时间迟早因人而异。在行为方面,老年人反应迟钝,步履缓慢,面部表情渐趋呆滞,记忆力减退,注意不集中,语言常喜重复。视力减退,趋于远视。听力也易退化。上述情况个体差异很大,如秃顶未必落齿,面皱者也可能精神焕发。

组织与器官水平

  整体所见的衰老变化有其组织与器官衰老变化的依据。

骨骼系统

  骨组织随年龄衰老而钙质渐减,骨质变脆,易骨折,创伤愈合也比年轻时缓慢。关节活动能力下降,易患关节炎,脊柱椎体间的纤维软骨垫由于软骨萎缩而变薄,致使脊柱变短,这是老年人变矮的一个原因。

皮肤

  老年人真皮乳头变低,使表皮与真皮界面变平,表皮变薄,真皮网状纤维减少,弹性纤维渐失弹性且易断裂,胶原纤维更新变慢,老纤维居多,胶原蛋白交联增加使胶原纤维网的弹性降低。皮肤松弛,不再紧附于皮下结构,细胞间质内透明质酸减少而硫酸软骨素相对增多,使真皮含水量降低,皮下脂肪减少,汗腺、皮脂腺萎缩,由于局部黑素细胞增生而出现老年斑。

肌肉

  老年人肌重与体重之比下降。肌细胞外的水分、钠与氯化物有增加倾向、细胞内的钾含量则有下降倾向,此外,肌纤维数量下降,直径减小,使整个肌肉显得萎缩。这种衰老变化因功能不同而异,在不同的快缩肌或混合肌中收缩时间倾向于延长,而在慢缩肌中收缩时间倾向于缩短,这会影响不同运动单位的相互作用,降低肌群协调共济的有效性,很可能这是老人肌力不足的一个原因。当然,运动单位的老年变化还不足以解释老年人的一切运动障碍,因为神经系统不同水平上的复杂机理对运动都会产生影响。

神经系统

  90岁时人脑重较20岁时减轻10~20%。造成减重的原因主要在于神经细胞的丧失。这种丧失有区域的特异性,例如大脑不同区域细胞减少程度不同。从出生到10岁神经细胞已增殖到最多,不再分裂,20岁以后细胞开始丧失。但全脑细胞基数很大,部分细胞死亡不致造成功能的严重障碍。况且人们对记忆机理了解得还不多,因此记忆减退未必是细胞丧失所致。

  从大体解剖上看,老年人后脑膜加厚,脑回缩小,沟、裂宽而深,脑室腔扩大。在显微结构上可见神经细胞尼氏体减少,脂褐质沉积。在功能上则见神经传导速度减慢,近期记忆比远期记忆减退得严重,生理睡眠时间缩短;感觉机能如温觉、触觉和振动感觉都下降,味觉阈升高,视听敏感度下降。反应能力普遍降低,特别是在要求通过选择做出决定的情况下反应更为迟缓。

心血管系统

  老年心脏体积增大,由于胶原纤维增加而使瓣膜与心内膜加厚,心肌纤维内有脂褐质沉积,这是由蛋白与脂类结合而成的不溶性色素颗粒,从20岁开始逐年增多,主要分布于胞核两端的胞质内,重量约占心肌总重的1/3,故又称老年色素。目前还没有证据表明脂褐质沉积对心肌功能有何不良影响。在心脏的传导系统可见起搏细胞的数量减少,窦房结与结间束内纤维组织增加。在动脉方面,内膜也有不同程度的加厚,可因此而致小动脉管腔狭窄。冠状动脉分支在30岁后就开始出现内膜的增厚,中膜日趋纤维化,有些平滑肌可能坏死,最突出的衰老变化为弹性纤维板层变薄、断裂而胶原纤维堆积,钙盐与脂肪沉积。在功能方面,老年心脏收缩力下降,收缩时间延长,舒张过程也减慢,心输出量从30岁到80岁平均减少30%。动脉血管变性,外周血管阻力增加以致动脉压升高。

呼吸系统

  在形态方面老年人肋软骨可能钙化,驼背情况有所增加导致胸腔前后径扩大成为“桶状胸”。显微镜下可见肺泡管与呼吸性细支气管扩大,使周围肺泡容积减小。肺泡壁变薄,肺泡间隔萎缩使肺泡融合。支持肺泡的弹性纤维网数量减少而纤维变粗,导致肺弹性下降,肺活量减少,而残气量相应增加,呼吸道粘膜在老年会发生萎缩,纤毛上皮脱落、减少,呼吸肌的肌力也降低,因而咳嗽无力,排痰困难,抵御感染的能力也下降。

消化系统

  一般说来消化系统形态上的衰老变化不显著,落齿与对牙齿的保护良否有关,未必为衰老特征。显微镜下可见胃的泌酸细胞随衰老而减少,肝组织单位体积的细胞数也下降,小肠淋巴集结在年轻时最明显,到老年则最小。在功能方面可见唾液淀粉酶、胃蛋白酸、盐酸等分泌下降,大肠肌张力及运动功能下降导致便秘机率上升。

排泄系统

  人与大鼠肾脏在老年时都失重达20~30%,肾小球数目减少,40岁时正常肾小球占95%,90岁时仅余63%,近曲小管长度与容积均下降,基底膜随年龄加厚,髓质内间质组织增多。在功能上肾小球过滤速度下降,用菊糖廓清率(C)计算可得下式:

    
C菊糖(毫升/分)=153.2-0.96×年龄

  肾血流速度由20~70岁下降53%,如以对氨基马尿酸最大排出量(TMPAH)计算,肾小管功能则随年龄下降情况如下式:

TMPAH(毫克/分)=120.6-0.865×年龄

  此外,65岁以上老人不同程度地出现夜尿、尿急、尿頻乃至失禁等现象。

内分泌系统

  性腺的萎缩是内分泌系统最明显的衰老变化。如女性45~50岁左右月经停止,雌激素分泌显著下降,男性从50~90岁雄激素逐渐减少,性机能减退。与此相应生殖及副性器官产生各种萎缩性变化,如卵巢变小、硬化,子宫缩小,阴道缩短变窄,外阴表皮变薄。睾丸体积变小,生精机能逐渐丧失,间质纤维化并可出现前列腺肥大等现象。此外,在甲状腺方面可见滤泡缩小,重量减轻,甲状腺功能减退,但甲状腺素在体液中的水平无明显下降,只是老年期不同组织对甲状腺素的利用下降,胰脏内分泌部分──胰岛,在足够的糖刺激下所分泌的胰岛素并不比年轻人少,但老年人糖耐量下降,反映了胰岛对血糖的敏感性下降。至于胰岛素靶器官受体的年龄差异目前仍缺乏定论。垂体的衰老表现在血管供应下降,结缔组织增加以及各类细胞的分布有改变,如嗜碱性细胞增加,嗜酸性细胞减少。前者是同促性腺激素在性腺分泌下降后的代偿性增加有关的。其他垂体激素如促甲状腺素、促肾上腺皮质素及生长激素等的分泌还没有明确的衰老变化。肾上腺尽管在组织学上可见色素堆积,结缔组织增生,特异的脂类减少,血管膨胀等老年变化,但在血浆中糖皮质素的基础水平似无年龄差异。此外,胸腺早在性成熟后即开始萎缩,且逐年退化,胸腺皮质淋巴细胞减少,小叶间结缔组织增生,脂肪细胞大量增加。老年胸腺可能失去刺激 T淋巴细胞形成的激素,这都导致免疫机能下降。

  由于各个器官本身的复杂性以及内分泌器官之间相互作用的复杂性,它们究竟有哪些原发的衰老变化仍待继续研究。

细胞水平

  可以从体内细胞和离体细胞两方面来阐述。

  在体内表现衰老的细胞主要为固定分裂后细胞,此类细胞出生后不久即停止分裂,死后也不能补充,如神经细胞、心肌细胞等。机体衰老时此类细胞在结构与组成上都有程度不同的改变,如细胞数量减少(源于局部细胞的死亡),线粒体嵴与基质减少、体积膨胀,甚至破坏消失。神经细胞粗面内质网失去典型构造,在光学显微镜下即见尼氏体减少。细胞核的衰老变化则表现为孚尔根氏染色阳性物质减弱,核膜内陷形成皱襞。比较突出的老年变化是脂褐质的堆积,在心肌细胞内的堆积情况已如前述。在神经细胞内堆积随年龄增加可占胞核外体积的一半以上。脂褐质呈褐色颗粒状,有自发荧光,在电子显微镜下可见有单层膜包围,内有电子致密物质,有时具透明区或板层结构。其随年龄增加的速度因不同细胞与不同动物而异,堆积对细胞的功能有何影响仍是个有争论的问题。

  离体细胞的衰老表现在随培养代龄增高而产生的胞内变化。自从1961年L.海弗利克等发现人胚肺二倍体成纤维细胞的培养寿限以来,对离体细胞的衰老已积累了相当资料。随着细胞增殖达到密布单层后即须分瓶传代,倘以1分为2计,则传代次数只有50±10次,是为细胞群体倍增的极限,也就是培养细胞的寿限。此数与供体年龄、种属有关。供体年老者其细胞培养的代数较来自年轻供体者少。种属寿限高的供体其细胞培养的代数也较来自短寿者多。培养到30~40代后细胞即出现荧光颗粒,核蛋白粒的RNA减少,缺嵴的线粒体增多。这都属衰老变化。在生化方面也已测知不少参数的变化。因此目前国内外已有不少研究者以此类细胞为衰老模型。除成纤维细胞外,诸如内皮组织、淋巴细胞、平滑肌细胞等都已建有细胞株,且有一定的培养寿限。

分子水平

  器官与细胞的衰老终归与分子水平的衰老有关,首先就细胞外的分子来说,充塞于全身的胞外结缔组织及上皮下方的基底膜均有特异的衰老变化。结缔组织富含胶原蛋白及弹性蛋白。随年龄增长胶原蛋白分子之间产生交联键。30~50岁为交联迅速增加的时期,随着交联的增多胶原纤维吸水性下降,失去韧性,趋于僵硬,不利于组织的活动。弹性蛋白为弹性纤维的主要成分,在衰老中也会进行交联。纤维断裂、脆化,外观黄色加深。至于基底膜只知其在衰老时加厚,其主要成分也是胶原蛋白,次为糖蛋白与碳水化合物。但这些分子如何改变导致膜的加厚还不清楚。此外,作为胞外物质当然还有血液、淋巴。这些物质经常处于运行状态,且不断更新,很难定出衰老的指标。

  其次就细胞内分子的衰老来说,有些不断更新的胞内分子,如代谢反应中的酶,其实质性的衰老变化还很少见。但其更新速度──合成与降解速度──可能在衰老时减慢。其生物活性是升是降则因不同酶而异。另有一些合成后不再更新的分子,如细胞分裂时的脱氧核糖核酸(DNA)在合成后即不降解。有人认为DNA分子随年龄增长而分子量下降,可能由于断裂增加所致,核小体上重复排列的DNA碱基对在老年比年轻时增多;DNA与组蛋白的结合增多,在染色质内组蛋白与非组蛋白的比值上升等等。至于衰老个体细胞内DNA损伤修复能力如何,人们尚不甚了解,但用离体细胞的研究大多认为DNA修复能力随培养代龄增加而下降,且与培养细胞的供体寿命似成正相关,即长寿动物的细胞在培养中有较高的修复能力。

  除DNA外,细胞内的大分子如眼球晶体纤维中的晶体蛋白,随年龄增长而含量增加。人在50岁以前晶体的可溶性蛋白占优势,50岁后可溶性蛋白下降而不溶性或难溶性蛋白及其分子量均随年老而增加,尤以晶体中心部为甚,表明早期合成的可溶性蛋白在增龄中进行聚合形成分子量大的聚合体。   人们对分子水平的衰老所知有限,研究结果也常互相矛盾,有待于在技术改进的基础上深入探讨。

衰老的学说

  自19世纪末应用实验方法研究衰老以来,先后提出的学说不下20余种,有些学说已被否定(如大肠中毒说),近年来的学说可归纳为五类。

程序衰老说

  认为动物种属最高寿限是由某种遗传程序规定的,机体衰老现象也是按这种程序先后表现出来的,即在同一种属内不同个体的寿限在一定程度上也由遗传程序决定,因此可通过育种建立有一定寿限的品系。前述培养细胞传代次数有限,且年轻供体的细胞培养代数多于来自年老供体者,这类事实支持了程序衰老说。此外,老幼不同代培养细胞以核或质互换后杂交细胞寿限与供核细胞的寿限一致,证明控制代龄极限的因素(可称之为“衰老钟”),位于胞核内,至于胞核如何控制衰老又有各种推测,例如密码子限制说、DNA修复缺陷说、错误灾难说等。

密码子限制说

  认为衰老时 DNA控制的蛋白质合成受到破坏,可能由于转移核糖核酸(tRNA)的功能受到干扰,使密码无法进行转译,干扰的来源在于tRNA合成酶的改变,或组蛋白对基因的抑制。

DNA修复缺陷说

  认为基因的损伤不能及时有效地修复,会导致衰老。根据实验得知哺乳类中长寿动物的DNA修复系统确实比短寿动物的DNA修复系统更为有效。这也反映了寿命的进化。

错误灾难说

  此说,首先是根据在经信使核糖核酸(mRNA)传递信息的过程中发现错误,认为对细胞衰老有重要意义,其后学说进一步发展,认为细胞内功能蛋白(如酶)的合成不只靠DNA密码信息的正确性,而且参与信息转录与转译过程的各个环节上都须正确。如参与上述过程的某种酶产生错误,虽然开始出现错误的影响不明显,但此错误的酶所催化的反应产物可能也是错误的,由此会导致错误的连锁出现,形成灾难,使细胞衰老或死亡。目前对此说的验证结果颇不一致,原因是错误的产物在未使错误影响扩大以前有可能已被降解。

自由基说

  正常代谢反应的中间产物每含自由基,对细胞会造成不可逆的损伤,如脂类的过氧化与大分子的交联,其后果是使胞内酶失活,以及象脂褐质一类的惰性物质在胞内沉积。此说虽然无直接证据,但以抗氧化剂或自由基净化剂饲喂小鼠可延长寿命,或抑制脂褐质的形成。此外,抗氧化剂还有加强机体免疫反应,抑制肿瘤及自体免疫疾病等作用,都从侧面为此说提供了间接的证据,然而也有一些反面的实验结果。

大分子交联说

  随年龄增长,对生命重要的大分子有交联增多倾向,或在同种分子间或在不同分子间都可能产生交联键从而改变了分子理化特性,使之不能正常发挥功能。细胞外的胶原蛋白进行交联已如前述,此说则设想胞内大分子如核酸、蛋白质也会进行交联,但迄今在体内还未见证实。把交联视为衰老的原发性因素也只是一种推测,然而这毕竟是研究衰老中值得探索的一个途径。

免疫机能退化说

  认为免疫机能退化是导致衰老的重要因素。如老年人T淋巴细胞数比年轻人少,B淋巴细胞制造抗体能力下降,胸腺激素分泌也减少,其综合效应便是使老年人对疾病的感染率上升,特别是自身抗体的产生引起各种自体免疫病,如类风湿关节炎,红斑狼疮等,表明免疫识别功能的紊乱,目前虽不能确知免疫与全身性衰老过程的内在联系,但有些事实,如以细胞移植使老年动物免疫能力加强,且延长寿命,表明免疫学在衰老研究中也是一个不容忽视的领域。

神经内分泌学说

  认为激发各种生理功能的信息在衰老中有重要作用。信息来源不外内分泌与神经,早在19世纪就有一种理论强调衰老源于性激素的缺乏,性腺移植成为风靡一时的复壮手术。其实衰老未必源于激素的缺乏,而可能是各种激素的平衡失调所致,维持激素平衡有赖于神经内分泌的反馈机理,衰老个体对反馈的敏感性下降,有人认为反馈的中心在下丘脑,这里接受反馈信息,然后转为激素反应,触发机体的生长、成熟和衰老。因此认为在下丘脑有所谓“衰老钟”,实验证明给老年性周期停止的雌鼠注射刺激下丘脑神经分泌的化学物质──左旋多巴则可恢复生殖周期,反映了老年下丘脑神经递质儿茶酚胺的缺陷。

  另一方面也有人认为不是激素本身而是靶细胞上的受体缺陷导致衰老,例如有些激素调控细胞对营养物的吸收与代谢,它们的受体在衰老时显著减少以致老年人对营养的利用能力下降。

  还有一种见解认为一种激素对另一种激素的功能可以通过未知方式进行阻断,例如有人从切除垂体使老年大鼠部分地复壮推测垂体有某种激素可干扰体细胞对甲状腺素的利用。复壮是源于这种干扰的解除。但迄今还不知垂体是否确有这类“死亡激素”。

  神经内分泌说涉及激素与神经递质作用的许多方面,现代的实验根据还是有限的。

  除上述学说外,还有一些正在酝酿的新学说,如根据生物膜在衰老中的作用以及从寿命进化的角度探索衰老的基因定位的学说。这些学说各自强调了衰老的一个方面,实际上都提出了一些推测。衰老机理十分复杂,可能不是靠单一的学说可以全面解释的。

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