高中生物學(xué)“Hayflick界限”知識拓展

黃思思

[摘???要]正常細(xì)胞在完成生命歷程后的歸宿是衰老凋亡，而“Hayflick界限”為“正常細(xì)胞的增殖不是無限的”提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。文章在回顧實(shí)驗(yàn)背景的基礎(chǔ)上，簡要介紹了Hayflick等人的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，并據(jù)此對高中生物學(xué)知識進(jìn)行拓展，同時(shí)提供了經(jīng)典的生物學(xué)探究試題予以佐證。

[關(guān)鍵詞]Hayflick界限;細(xì)胞衰老;探究性試題

[中圖分類號]????G633.91????????[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]????A????????[文章編號]????1674-6058（2019）35-0078-02

現(xiàn)行人教版生物必修1第六章《細(xì)胞的生命歷程》第三節(jié)《細(xì)胞的衰老和凋亡》第121頁提到：“有人做過這樣的實(shí)驗(yàn)，體外培養(yǎng)的人體某種細(xì)胞，最多分裂50次左右就停止分裂了，并且喪失了正常的功能。這說明細(xì)胞會(huì)隨著分裂次數(shù)的增多而衰老。”可見，細(xì)胞衰老是細(xì)胞正常新陳代謝的自然現(xiàn)象。生物學(xué)作為一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，那么，得出這個(gè)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)依據(jù)是什么？該實(shí)驗(yàn)是由誰來完成的？培養(yǎng)的是何種細(xì)胞？這個(gè)實(shí)驗(yàn)又是怎樣設(shè)計(jì)的呢？

一、背景回顧

任何個(gè)體都有生老病死的規(guī)律，細(xì)胞也不例外。然而，在一百年前，盛行的觀點(diǎn)“細(xì)胞不死”卻與我們現(xiàn)在的認(rèn)知截然相反。人們在觀察原生動(dòng)物時(shí)發(fā)現(xiàn)，其無性系是可以一直保持高速分裂狀態(tài)的，因此魏斯曼在此基礎(chǔ)上提出了種質(zhì)不死而體質(zhì)會(huì)衰老并死亡的假說。原來原生生物新細(xì)胞的成分含有原細(xì)胞的老化結(jié)構(gòu)，而并非“全新”，是細(xì)胞的不均等分裂所致。后來，Carrel和Ebeling以雞心臟細(xì)胞為材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察發(fā)現(xiàn)雞心臟細(xì)胞是可以無限生長和分裂的。實(shí)際上，這可能是他們向培養(yǎng)基中添加提取物時(shí)混入了新鮮細(xì)胞的緣故。其間，雖然?L系小鼠細(xì)胞和Hela細(xì)胞系的建立，表面上看貌似細(xì)胞可以無限增殖，事實(shí)上這樣的異常細(xì)胞并非在我們探討的正常細(xì)胞之列。Hayflick等人在20世紀(jì)60年代初的關(guān)鍵性工作，最終從根本上動(dòng)搖了“細(xì)胞不死”的觀點(diǎn)，這就是細(xì)胞生物學(xué)史上著名的“Hayflick界限”。

二、“Hayflick界限”簡介

（一）定義

經(jīng)過培養(yǎng)的正常細(xì)胞并非不死，而是具有一定的壽命，細(xì)胞的增殖是具有一定的界限的，這就是“Hayflick界限”。

（二）相關(guān)實(shí)驗(yàn)

1.否定細(xì)胞“不死性”的學(xué)說

實(shí)驗(yàn)1：人的正常體細(xì)胞表現(xiàn)出明顯的衰老和死亡的現(xiàn)象。

Hayflick等人將一個(gè)瓶中的細(xì)胞分到兩個(gè)瓶中，讓細(xì)胞數(shù)以1∶2的比率連續(xù)進(jìn)行傳代增殖培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，細(xì)胞平均只能增殖50次左右，細(xì)胞最終逐漸解體并衰老、死亡。

實(shí)驗(yàn)2：發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的增殖能力與供體年齡有關(guān)。

Hayflick等人還發(fā)現(xiàn)了胎兒肺和成人肺的成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)差異（如圖1和圖2），即前者可在體外條件下傳代50次，后者只能傳代20次左右就開始死亡?？梢?，細(xì)胞的增殖能力與供體的年齡有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)3：發(fā)現(xiàn)物種壽命與培養(yǎng)細(xì)胞壽命之間存在著正相關(guān)的關(guān)系。

Hayflick等人發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的患有Werner綜合征的兒童身上分離的成纖維細(xì)胞，只能傳代2～10次。但加拉帕戈斯象龜?shù)钠骄鶋勖礁撸浼?xì)胞培養(yǎng)傳代的次數(shù)也相應(yīng)增加，甚至可達(dá)110次左右;小鼠平均壽命在3.5年左右，對其細(xì)胞進(jìn)行傳代培養(yǎng)，增殖代數(shù)相應(yīng)減少，僅為20次左右。（如圖3）

2.確定影響細(xì)胞衰老的因素

對正常人體細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，其衰老是由細(xì)胞內(nèi)部因素決定的，還是由外部環(huán)境的改變引起的呢？Hayflick等人設(shè)計(jì)了巧妙的實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證：

實(shí)驗(yàn)1：說明細(xì)胞衰老是由內(nèi)部因素引起的，并非外部環(huán)境所致。

實(shí)驗(yàn)中單獨(dú)或混合培養(yǎng)老年男性個(gè)體的細(xì)胞和年輕女性個(gè)體的細(xì)胞，并統(tǒng)計(jì)不同培養(yǎng)條件下的細(xì)胞增殖代數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，在培養(yǎng)條件相同的情況下，一段時(shí)間后，年輕女性個(gè)體的細(xì)胞仍增殖旺盛，老年男性個(gè)體的細(xì)胞卻已經(jīng)停止生長。

實(shí)驗(yàn)2：說明細(xì)胞衰老的因素取決于細(xì)胞核，而并非細(xì)胞質(zhì)。

Hayflick和Wright用藥劑處理細(xì)胞后，通過離心等技術(shù)手段除去細(xì)胞核，將保留下來的年老的細(xì)胞胞質(zhì)體與年輕的完整細(xì)胞相融合，觀察新的雜種細(xì)胞的衰老情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，新的雜種細(xì)胞不再增殖;反之，將年輕的細(xì)胞核與年老的細(xì)胞胞質(zhì)相結(jié)合形成的雜種細(xì)胞仍然繼續(xù)增殖。這說明，細(xì)胞的增殖能力主要取決于細(xì)胞核。

三、與“Hayflick界限”相關(guān)的探究性試題

【例題】根據(jù)材料回答以下四個(gè)問題。

材料：有一種巴氏小體結(jié)構(gòu)十分特殊，它存在于雌性哺乳動(dòng)物的細(xì)胞內(nèi)。由于巴氏小體能夠在細(xì)胞分裂間期進(jìn)行凝縮，因而在對雌性細(xì)胞特征研究的實(shí)驗(yàn)中可將其作為標(biāo)記結(jié)構(gòu)。表1是某科學(xué)家所做的實(shí)驗(yàn)，他將年輕女性細(xì)胞用巴氏小體標(biāo)記，記錄為A;沒有標(biāo)記的是老年男性細(xì)胞，記錄為B。

問題如下：

（1）該實(shí)驗(yàn)是為了探究細(xì)胞的哪些性質(zhì)？

（2）實(shí)驗(yàn)1中為什么要將A細(xì)胞和B細(xì)胞分別單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)，其目的是什么？

（3）實(shí)驗(yàn)2中的操作目的是什么？實(shí)驗(yàn)是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)？

（4）實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2綜合能否說明細(xì)胞能夠無限增殖？

問題解答：

（1）該實(shí)驗(yàn)是為了探究細(xì)胞衰老的原因。

（2）分別培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的目的是對比年輕女性細(xì)胞和老年男性細(xì)胞的增殖情況，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能說明A、B兩種細(xì)胞的增殖情況。

（3）實(shí)驗(yàn)2的操作目的是探究細(xì)胞衰老取決于細(xì)胞質(zhì)還是細(xì)胞核。實(shí)驗(yàn)并不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，因?yàn)橛玫郊?xì)胞核的同時(shí)也用到了同一個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，并不能確定衰老的物質(zhì)在哪里。

（4）不能。盡管雜交細(xì)胞增殖旺盛，但畢竟也會(huì)衰老，增殖有限。

從上述探究性試題不難看出，試題命制離不開對經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的研判和分析，這是真實(shí)情境下信息題、材料題設(shè)置的基本原則，應(yīng)該引起我們足夠的重視。

（責(zé)任編輯????黃春香）