干细胞,进化,生命多样性

干细胞,进化,生命多样性
干细胞与进化的联系是什么?
干细胞将如何继续推动生命多样化?

干细胞的重要特点是具有某种程度的分化潜能,对于多细胞生物体内的绝大多数成体细胞而言,这种能力在分化发育的过程中部分或完全丧失.多细胞生物的发育起始于受精卵（一种很典型的干细胞）,而后发生的一系列事件如卵裂、原肠胚形成、神经发生等均在干细胞的基础上进一步展开.干细胞中到底存在着何种奥秘,导致了生物体在基因的精确表达过程中逐渐形成,通过对干细胞的研究,人们已经知道,分化与发育过程中的一系列主要事件是严格按时空顺序发生的.这一过程十分复杂,对其中具体的细节人们知之甚少.因此,分化发育的分子机制即成为生命科学研究领域中的重要课题之一.
生命的不断更替与地球的逐渐演化推动了生物的进化.进化过程中物种间的差异不断加大,种间差距深深刻在了物种各自的发育过程中.此外,人们也注意到了不同物种在发育过程中具有保守性.这种保守性在差异颇大的物种表现出的相似性吸引了众多学者的研究热情,其中一个典型实例即同源异型基因的表达.不同动物发育过程中的保守性隐含了一种原则,即发育的保守性对生物的生存可能至关重要,因此在漫长的生物演化过程中被保留.据此可知,生物在发育过程中的差异有可能最终导致新物种的形成,但是它们之间存在着的某些惊人的相似之处,是所有生物必须遵循的基本原则.因此,不难理解多细胞生物在进化过程中,保守性与差异性均以干细胞的分化发育为基础.由此可推测,多细胞生物的起源与演化和干细胞可能有某种关联,只有多细胞生物才可能涉及干细胞问题.那么我们会产生这样的疑问：最初的干细胞是怎样产生的?干细胞的分化发育是否折射了进化的基本历程?多细胞生物的起源问题仍不清楚,人们只知道多细胞生物的出现要晚于单细胞生物.或进一步推测,多细胞生物的产生以干细胞为基础.因此,了解干细胞分化发育的具体机制或许可窥见多细胞生物的早期演化历程.
前面我们提到了干细胞、分化和发育以及生物进化等问题,但距离我们试图了解的细胞起源问题还很遥远.细胞是一个极其复杂的系统,细胞各组分之间的关系远比胚胎中各细胞之间的关系复杂,即细胞比胚胎复杂的多.胚胎发育看上去不过是细胞活动的综合和变化而已.因此有人认为,约在30亿年前地球上出现原始细胞这一事件,在生物进化史上的意义可与宇宙诞生之初的“大爆炸”相媲美.而胚胎的起源/多细胞生物的出现在进化上的意义,则比细胞诞生要小得多,也就相当于一个“小爆炸”事件,因为此前已经有了现成的细胞.
发育的出现与多细胞生物起源与进化密不可分.多细胞生物的诞生带来了发育问题,而追溯发育的起源问题目前有两种主要的理论.其中之一认为,多细胞生物的出现,是两个或多个细胞聚集后形成的.另一种认为,多细胞生物经由一个细胞的增殖生长分化形成.具体地说,可能首先是细胞核发生分裂,而后分裂形成的核物质再瓜分细胞中的其他物质并建立起新的细胞边界,形成新的细胞.这两种理论都能在实验或实例中找到证据.若非要在其中选择一种的话,笔者更倾向于选择后者.因为多细胞动物发育起始时的分裂与分化现象,在大多数多细胞生物体中依然存在,或许最初的分裂正是后续事件发生的前提.
生物学研究的重要主题之一是进化与适应.对干细胞、分化和发育的研究不能脱离进化而进行.细胞的诞生标志了生命的起源,细胞演化带来的生物进化历程是自然界最伟大的胜利.从进化角度看,细胞的进化使多细胞有机体的出现成为可能.而多细胞有机体的起源加速了进化的脚步,使环境在生物进化中的作用显得更为重要.
发育与进化主要研究的是多细胞生物的生命历程,而多细胞生物的生命起点是一种特殊的干细胞——受精卵.对于多细胞生物而言,它的细胞分工相当重要.细胞分工是发育的结果,干细胞的分化潜能则提供了这一分工的基础,这与单细胞生物截然不同.如果说从单细胞生物到多细胞生物是进化的里程碑事件,那么在此过程中的核心事件或许是干细胞的产生.了解干细胞的起源和演化有可能揭开生命演化史上新的一页,干细胞的出现使生物的发育与进化历程正式开始.
直到今天,单细胞生物虽然具有无限增殖的可能,但缺乏干细胞使其与分化和发育擦肩而过,依然保留着原始的特征.但我们必须承认,细胞的起源是地球演化史中最具有划时代意义的事件,它改变了地球的外貌.由于生命活动的基本单位仍然是细胞,因此研究细胞的起源对于揭开生命的奥秘具有重要意义.对干细胞与发育关系的研究可能获得打开进化之门的钥匙.发育过程中的某些基本事件（模式形成、同源异型基因的表达方式等）很可能是多细胞生物进化所遵循的统一途经,而在此过程中的一些微小变化的逐渐积累,可能最终导致了新物种的产生.