癌癥和寒武紀大爆發(fā)有關(guān)？或是生物超能力的失控

癌癥學家有一個困惑：為什么會有癌細胞？動物干嘛要演化出“癌癥體質(zhì)”？

生物學家有一個謎題：為什么有寒武紀生物大爆發(fā)？多細胞動物為何突然出現(xiàn)？

一個新理論綁定了二者：癌癥或許是多細胞動物繁榮昌盛的副產(chǎn)品。

大約5.4億年前到5.3億年前的寒武紀地層中一下子出現(xiàn)了各種無脊椎動物化石，這被稱為寒武紀大爆發(fā)。關(guān)于寒武紀大爆發(fā)有各種解釋，它也成為了古生物學和地質(zhì)學上的一大懸案。

最近，瑞典隆德大學的跨學科團隊在最新一期《自然·生態(tài)學與演化》上提出了一個關(guān)于寒武紀大爆發(fā)的新假說。他們通過腫瘤研究提出，寒武紀大爆發(fā)緣于多細胞生物的一種特殊能力，而非含氧量增加等外部條件的變化。

氧氣增加導致寒武紀大爆發(fā)講不通

大約40億年前，生命誕生在地球上，但距今5億—6億年前，多細胞動物才出現(xiàn)，并迅速演變出各色門類。

關(guān)于寒武紀大爆發(fā)，一種假說認為，那是因為大氣中的氧氣濃度增加，可以支持更復雜的、體型更大的動物。但有證據(jù)顯示：寒武紀之前氧氣就劇烈增加了。還有研究者指出，簡單的動物需要的氧氣含量低到令人驚訝。

瑞典隆德大學的古生物學家埃瑪·哈馬倫德博士在電子郵件中告訴科技日報記者，按照傳統(tǒng)的“高氧導致大爆發(fā)”假說，“很難理解動物在氧氣濃度上升前是什么形態(tài)。它們是怎么準備和等待的呢？雖然小但是所有組織都在準備變厚？不，不大可能。而且沒有證據(jù)支持高氧假說。證據(jù)顯示寒武紀之前就有了足夠多的氧氣，寒武紀時氧氣沒變化。”

富氧一開始反而威脅了多細胞生命

哈馬倫德博士聯(lián)系了隆德大學的腫瘤生物學家史萬帕曼教授，后者研究了20年缺氧與腫瘤的關(guān)系；隆德大學的腫瘤生物學家史特定博士也加入進來。他們想要測試腫瘤的一種本事，是否與寒武紀大爆發(fā)有關(guān)？

“干細胞特性”對于所有多細胞生命至關(guān)重要。“干細胞”是能發(fā)育成多種功能細胞的“樹干”細胞。我們都是由從受精卵變成的胚胎干細胞一步步分裂出來的，我們的一生中都有干細胞變成功能細胞。例如，小腸壁細胞每2—4天就要更換一次，這就要靠干細胞分裂。

“缺氧被認為是對生命的一種威脅，但是我們忘記了，在精確時間和條件下，缺氧是多細胞生命的先決條件。我們的干細胞，也就是形成新組織的細胞，對氧氣極其敏感。”史萬帕曼解釋說。

而多細胞生命能操縱一種“愚弄”細胞的蛋白質(zhì)，讓細胞在高氧環(huán)境中以為自己是缺氧的，從而維持干細胞特性。這種機制規(guī)避了高氧給干細胞帶來的負面影響。而史萬帕曼牽頭的研究小組觀察到，癌細胞可以劫持這一機制，因此盡管腫瘤處于高氧環(huán)境，但仍可在“假缺氧”環(huán)境下維持干細胞特性。

“我們翻轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)的觀點：低氧對動物細胞一般沒有問題，高氧的環(huán)境則會對復雜的多細胞體系構(gòu)成根本性的挑戰(zhàn)，如果沒有額外的工具，氧化環(huán)境會使組織特異性干細胞成熟得太早。”史萬帕曼說。

癌癥或是寒武紀生物超能力的失控

哈馬倫德告訴科技日報記者，她開始關(guān)注腫瘤與寒武紀大爆發(fā)的關(guān)系，有3個契機：“第一，我有家人和同事得了癌癥，所以我開始聽癌癥科學的新聞，讀到了萊恩威弗和戴維斯的腫瘤體現(xiàn)演化的觀點；第二，我參加了一個地質(zhì)學家和生物學家的會議，感到我們被困在舊模式中，而沒有增進(對寒武紀大爆發(fā)的)理解；第三，有位微生物學家教會我：地質(zhì)學家無法重現(xiàn)的事，微生物學家可以在實驗室重現(xiàn)，所以我需要回到實驗室研究多細胞生物的崛起。”

哈馬倫德等人可以說是另辟蹊徑，他們的假說與地質(zhì)生物學觀測結(jié)果吻合：寒武紀之前很早的時候，地球上已存在足夠的氧氣。寒武紀動物成功的關(guān)鍵，就是癌細胞利用的這種機制這一視角下，癌癥是我們生活在高氧環(huán)境下的一個演化副產(chǎn)品。

哈馬倫德和史萬帕曼都感到驚訝：之前沒人想過含氧環(huán)境與更新組織的矛盾。“當然，很多人會直覺地不同意，但是一旦你重新考慮氧氣的角色，將它看作是影響干細胞特性、有礙組織更新的物質(zhì)，那么來自不同領域的令人困惑的觀察就融會貫通了。”史萬帕曼說。

“當我們想到，高氧而非低氧是一個挑戰(zhàn)。那確實是一個‘Eureka(我發(fā)現(xiàn)了)’的時刻。”哈馬倫德告訴記者，在新視角下，“癌癥是一種特別有用的能力的后果；當這種能力受控時，它幫助我們在富氧環(huán)境下活得更長，但失控就會導致腫瘤。”

(本文部分材料來自隆德大學新聞發(fā)布稿)

其他相關(guān)理論

有性繁殖促使物種爆發(fā)

該理論認為，從化石資料來看，真核藻類大約在9億年前出現(xiàn)了有性生殖，實際上有性生殖出現(xiàn)得更早。有性生殖的發(fā)生在整個生物界的進化過程中有著極其重大的作用，由于有性生殖提供了遺傳變異性，從而有可能進一步增加生物的多樣性，這是造成寒武紀大爆發(fā)的原因之一。

收割者的出現(xiàn)和進化是關(guān)鍵

美國生態(tài)學家斯坦利提出了一種解釋寒武紀大爆發(fā)的生態(tài)學理論，即收割原則。斯坦利認為，在前寒武紀的25億年的多數(shù)時間里，海洋是一個由原核藍藻這樣簡單的初級生產(chǎn)者所組成的生態(tài)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)內(nèi)的群落在生態(tài)學上屬于單一不變的群落，營養(yǎng)級也是簡單唯一的。由于物理空間被這種種類少但數(shù)量大的生物群落頑強占據(jù)著，所以這種群落的進化非常緩慢，從未有過豐富的多樣性。

寒武紀大爆發(fā)的關(guān)鍵是草食收割者的出現(xiàn)和進化，即食用原核細胞(藍藻)的原生動物的出現(xiàn)和進化。收割者為生產(chǎn)者有更大的多樣性制造了空間，而這種生產(chǎn)者多樣性的增加又導致了更特異的收割者的進化。營養(yǎng)級金字塔按兩個方向迅速發(fā)展：較底層次的生產(chǎn)者增加了許多新物種，豐富了物種多樣性，在頂端又增加了新的收割者，豐富了營養(yǎng)級的多樣性。從而使得整個生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性不斷豐富，最終導致了寒武紀大爆發(fā)的產(chǎn)生。

鈣大量涌現(xiàn)起了巨大作用

美國科學家發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明，海洋中鈣的大量涌現(xiàn)可能在寒武紀大爆發(fā)中發(fā)揮了巨大作用。

3位美國科學家對一些早寒武紀時期在海底形成的鹽晶體進行了檢測。發(fā)現(xiàn)早寒武紀的鈣含量比原生代的鈣含量至少高出3倍。研究人員指出，這些鈣應該是地中海海脊火山爆發(fā)時噴入熱海水中的鈣。

他們強調(diào)指出高水平的地殼活動、鈣的噴入使得早期生命演化出殼和骨骼以解決海水中鈣含量升高而造成的潛在毒性。

寒武紀大爆發(fā)是假象

該理論認為，進化是漸進的，所謂的“爆發(fā)”只是表明首次在生物化石記錄中發(fā)現(xiàn)了早在前寒武紀就已經(jīng)廣泛存在并發(fā)展的生物，其他的生物化石群則可能由于地質(zhì)記錄的不完全而“缺檔”，造成這種“缺檔”的原因是前寒武紀地層經(jīng)歷著熱與壓力，其中的化石被銷毀了。

但由于科學家發(fā)現(xiàn)前寒武紀化石沉積層中存在大量像細菌和藍藻這樣簡單的原核生物，因而這一解釋缺乏說服力。

本報記者 高 博