AI時(shí)代人的價(jià)值不是因?yàn)槟阒朗裁矗且驗(yàn)槟悴恢朗裁矗何覀儾恢来鸢傅?25個(gè)科學(xué)問題，讓你瞬間到達(dá)AI未知的邊界：

63. 是什么使細(xì)胞成分能在不依賴于DNA的條件下進(jìn)行自我復(fù)制?

What enables cellular components to copy themselves independent of DNA?

題記：中心體(幫助分離成對(duì)的染色體)和個(gè)別細(xì)胞器在沒有DNA指導(dǎo)的情況下可以按照自己的節(jié)奏進(jìn)行自我復(fù)制。這種獨(dú)立性的自我復(fù)制目前仍然難以解釋。

1. 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞周期

細(xì)胞是所有生物體的基本組成單元。人體由數(shù)萬億個(gè)細(xì)胞組成，它們?yōu)樯眢w提供穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，從食物中吸收養(yǎng)分，將這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量，并利用能量來完成維持生命功能的各種生化過程。生物體的每一個(gè)細(xì)胞都包含控制細(xì)胞生化過程的遺傳物質(zhì)DNA，細(xì)胞在DNA的指揮下能夠完全地復(fù)制自己，這就是細(xì)胞的增殖或分裂。

細(xì)胞的增殖分裂是生物成長(zhǎng)繁衍、組織修復(fù)和更新代謝的必然要求，而細(xì)胞的一個(gè)分裂過程就稱為一個(gè)細(xì)胞周期，細(xì)胞周期完全是在DNA的指導(dǎo)下完成的。細(xì)胞周期(cell cycle)是指細(xì)胞從一次分裂完成開始到下一次分裂結(jié)束所經(jīng)歷的全過程(見圖1所示)，主要分為間期(interphase)和分裂期(mitosis)兩個(gè)階段，間期又細(xì)分為三個(gè)階段：DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）與DNA合成后期（G2期）；細(xì)胞的有絲分裂期也可分為前、中、后和末期四個(gè)階段，但它是一個(gè)連續(xù)變化的過程，完成由一個(gè)母細(xì)胞分裂成兩個(gè)子細(xì)胞的過程，一般只需1-2個(gè)小時(shí)。所以細(xì)胞的大部分時(shí)間都是在間期中度過，一個(gè)細(xì)胞周期的完成顯然都是以DNA復(fù)制為核心，也就是細(xì)胞在一個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)在DNA的指揮下完成了復(fù)制自己的全過程。

圖1 細(xì)胞的周期（侵刪）

細(xì)胞能夠成功復(fù)制自己預(yù)示著細(xì)胞能將自己內(nèi)部的任何部分通過DNA協(xié)調(diào)而完美地復(fù)制出來。然而新的問題來了，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)部某些成分的復(fù)制過程并非由DNA控制，細(xì)胞內(nèi)某些細(xì)胞器可以獨(dú)立于DNA的復(fù)制過程而完成自我復(fù)制，到底是什么機(jī)制導(dǎo)致了這種行為？為了說清楚這個(gè)問題，我們先從細(xì)胞的內(nèi)部構(gòu)造說起。

細(xì)胞體由多個(gè)部分構(gòu)成，每個(gè)部分具有不同的功能，其中一些可以完整區(qū)分的部分可稱為細(xì)胞器，它們是細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行某些任務(wù)的特殊結(jié)構(gòu)。人體細(xì)胞主要包含以下部分：（1）細(xì)胞膜，細(xì)胞由外膜包裹，它將細(xì)胞和環(huán)境分開，是一種有蛋白質(zhì)嵌入的雙層磷脂分子，允許物質(zhì)進(jìn)入和離開細(xì)胞；（2）細(xì)胞質(zhì)，細(xì)胞內(nèi)充滿細(xì)胞質(zhì)，它由一種果凍狀的液體（稱為細(xì)胞液）和細(xì)胞核周圍的其他結(jié)構(gòu)組成；（3）細(xì)胞骨架，它是構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)框架的長(zhǎng)纖維網(wǎng)絡(luò)，可以確定細(xì)胞形狀、參與細(xì)胞分裂和支持細(xì)胞移動(dòng)，也為細(xì)胞提供了一個(gè)類似軌道的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，指導(dǎo)細(xì)胞器和其他物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)；（4）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，處理細(xì)胞產(chǎn)生的分子，將這些分子運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外的特定目的地；（5）高爾基體，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處理的分子包裝起來，以便轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞；（6）溶酶體和過氧化物酶體，它們是細(xì)胞的回收中心，負(fù)責(zé)消化侵入細(xì)胞的外來細(xì)菌，清除細(xì)胞中的有毒物質(zhì)，并回收老化了的細(xì)胞成分；（7）線粒體，將食物中的能量轉(zhuǎn)化為細(xì)胞可以使用的形式。它們有自己的遺傳物質(zhì)，與細(xì)胞核中的DNA復(fù)制過程分開，可以自由復(fù)制自己；（8）細(xì)胞核，是細(xì)胞的指揮中心，向細(xì)胞發(fā)出生長(zhǎng)、成熟、分裂或死亡的指令，其內(nèi)存放重要的遺傳物質(zhì)DNA(脫氧核糖核酸)，它被一層核膜包圍，以便保護(hù)DNA并將細(xì)胞核與細(xì)胞的其他部分分開；（9）核糖體，處理細(xì)胞遺傳指令并用于合成蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，它可以在細(xì)胞質(zhì)中自由漂浮或附著連接到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上；（10）中心體，幫助細(xì)胞分離成對(duì)產(chǎn)生的染色體，將核DNA復(fù)制后的染色體分開推向細(xì)胞的兩側(cè)，大部分細(xì)胞只有1個(gè)中心體。中心體可以在沒有DNA指導(dǎo)的情況下進(jìn)行自我復(fù)制。

圖2 細(xì)胞的構(gòu)成部分和細(xì)胞器示意圖（網(wǎng)絡(luò)侵刪）

在細(xì)胞的分裂過程中，細(xì)胞必須確保其遺傳物質(zhì)在兩個(gè)新產(chǎn)生的細(xì)胞中均勻分布，這個(gè)可由DNA的精準(zhǔn)復(fù)制來保證，但細(xì)胞除了染色體的復(fù)制和分配外，還需要復(fù)制和分配像高爾基體、線粒體和中心體這樣的細(xì)胞成分。在以上介紹的細(xì)胞成分中（見圖2），除了線粒體和中心體，其他細(xì)胞器的復(fù)制都是建立在DNA指導(dǎo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制合成的。而線粒體和中心體似乎都可以脫離核DNA的指導(dǎo)而進(jìn)行自我復(fù)制，但線粒體中存有DNA，其中的DNA可以認(rèn)為是細(xì)胞核DNA保存在線粒體中的副本，所以線粒體的復(fù)制本質(zhì)上還是受DNA控制的。然而中心體卻極為不同，它似乎完全可以獨(dú)立于核DNA的指揮進(jìn)行自我復(fù)制，而這種獨(dú)立性至今讓人無法理解？所以以中心體為代表的某些細(xì)胞器可以在沒有DNA指導(dǎo)的情況下進(jìn)行獨(dú)立復(fù)制，對(duì)于細(xì)胞而言是非常危險(xiǎn)的，這意味著細(xì)胞存在不受核DNA控制的成分復(fù)制過程，所以這種獨(dú)立性至今仍然沒有完全獲得解釋：細(xì)胞為什么會(huì)出現(xiàn)這種獨(dú)立于DNA復(fù)制過程的成分合成？

對(duì)于細(xì)胞而言，DNA是人類和幾乎所有其他生物總的遺傳物質(zhì)，生物體制造的所有蛋白質(zhì)、酶、核糖體等物質(zhì)成分的指令編碼都來源于DNA，它是生物細(xì)胞體保持穩(wěn)定性的重要來源。人體內(nèi)幾乎每個(gè)細(xì)胞都具有相同的DNA，大多數(shù)DNA位于細(xì)胞核中(稱為核DNA)，而少量DNA位于線粒體中(稱為線粒體DNA或mtDNA)，所以細(xì)胞復(fù)制所需要合成的蛋白質(zhì)、糖類和脂類都是在核DNA的監(jiān)控下完成的。線粒體因?yàn)槭羌?xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所，所以細(xì)胞中線粒體的數(shù)量可以不受限制， 一個(gè)細(xì)胞內(nèi)線粒體的數(shù)目可以從十幾個(gè)到數(shù)百個(gè)不等，越活躍的細(xì)胞含有的線粒體數(shù)目就越多，如心臟細(xì)胞和大腦細(xì)胞內(nèi)含有線粒體的數(shù)目最大，而皮膚細(xì)胞含有線粒體的數(shù)目比較少。所以細(xì)胞讓線粒體保持相對(duì)獨(dú)立的復(fù)制能力是可以理解的，但無論如何它也是受線粒體中DNA所控制的。而對(duì)于中心體而言情況卻極為不同，中心體的復(fù)制幾乎獨(dú)立于DNA的控制，但它在細(xì)胞中卻始終能保持精準(zhǔn)的數(shù)目，這就意味著中心體在細(xì)胞的一個(gè)分裂周期里也只能嚴(yán)格地分裂一次。

2. 中心體及自我獨(dú)立復(fù)制

中心體自我復(fù)制的獨(dú)特性讓人們對(duì)中心體進(jìn)行了更詳細(xì)的研究。中心體一般存在于動(dòng)物及低等植物的細(xì)胞中，它是一種無膜的細(xì)胞器，由兩個(gè)相互連接的中心粒、中心粒外周物質(zhì)(pericentriolar materials, PCM)和一些附加結(jié)構(gòu)組成。中心體位于細(xì)胞核附近的細(xì)胞質(zhì)中，由于接近細(xì)胞中心，因此叫中心體。電子顯微鏡下中心體顯示主要由兩個(gè)相互垂直的圓柱形中心粒組成，中心粒是一個(gè)直徑約200 nm，長(zhǎng)度約500 nm的圓柱形結(jié)構(gòu)，由9個(gè)微管三聯(lián)體組成（見圖3所示）。 中心體是動(dòng)物細(xì)胞的微管組織中心，中心粒也是一些細(xì)胞的初級(jí)纖毛、活動(dòng)纖毛和鞭毛的起源。

圖3 中心體和中心粒圖像

DNA是遺傳信息的載體，它定義和調(diào)節(jié)著細(xì)胞生長(zhǎng)的周期性進(jìn)程。細(xì)胞周期本質(zhì)上是一個(gè)核周期，或一個(gè)DNA周期，因?yàn)榧?xì)胞各個(gè)階段都是基于DNA復(fù)制表達(dá)而發(fā)生的過程。然而，中心體的復(fù)制和分離卻是獨(dú)立于DNA復(fù)制和表達(dá)過程的另一個(gè)重要周期性事件：中心體周期。細(xì)胞以一個(gè)中心體的復(fù)制開始細(xì)胞周期，并且中心粒的復(fù)制受到精準(zhǔn)限制，因此每個(gè)中心體周期僅在細(xì)胞中的特定位點(diǎn)發(fā)生一次。由于這種復(fù)制機(jī)制，兩個(gè)中心粒的年齡和成熟度不同，就具有不同的功能，兩個(gè)中心粒中較舊的中心粒可以啟動(dòng)睫狀軸突的形成。

由于中心體具有獨(dú)立于DNA復(fù)制的自我周期，而且它似乎也是控制著細(xì)胞分裂的細(xì)胞周期，長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是細(xì)胞的中心，但后來發(fā)現(xiàn)它只是細(xì)胞中微管的主要成核中心，在細(xì)胞有絲分裂中只是通過微管絲分離復(fù)制的染色體。而中心體的復(fù)制周期雖然表面獨(dú)立于DNA控制，但并不是失控的，除了少數(shù)例外，間期細(xì)胞中只有一個(gè)中心體，在細(xì)胞分裂之前中心體必須復(fù)制PCM，以便形成兩個(gè)新細(xì)胞繼承的單個(gè)中心體。中心體的中心粒只在大多數(shù)微管相關(guān)過程中發(fā)揮著重要作用，包括細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞分裂和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)。為了協(xié)調(diào)這些不同的細(xì)胞過程，中心粒數(shù)量會(huì)被嚴(yán)格控制。在每個(gè)細(xì)胞周期中（見圖4所示），一個(gè)新的中心粒在每個(gè)先前存在的中心粒旁邊形成，中心體復(fù)制過程的改變將導(dǎo)致癌癥和神經(jīng)發(fā)育障礙等疾病。然而雖然中心體早在150年前就被發(fā)現(xiàn)，但中心體復(fù)制的機(jī)制及其在細(xì)胞周期進(jìn)程中的調(diào)控仍未完全了解，目前對(duì)控制中心粒復(fù)制發(fā)生的分子機(jī)制以及它是不是真的獨(dú)立于DNA復(fù)制過程還沒有得到更好的理解。

圖4 中心體的自我復(fù)制周期（侵刪）

后記：你不知道的正是你無法掌控的，這里125個(gè)科學(xué)問題會(huì)讓你掌控自己更多。