高中生物学“Hayflick界限”知识拓展

    黄思思

    

    

    

    [摘???要]正常细胞在完成生命历程后的归宿是衰老凋亡，而“Hayflick界限”为“正常细胞的增殖不是无限的”提供了有力的实验证据。文章在回顾实验背景的基础上，简要介绍了Hayflick等人的实验发现，并据此对高中生物学知识进行拓展，同时提供了经典的生物学探究试题予以佐证。

    [关键词]Hayflick界限;细胞衰老;探究性试题

    [中图分类号]????G633.91????????[文献标识码]????A????????[文章编号]????1674-6058（2019）35-0078-02

    现行人教版生物必修1第六章《细胞的生命历程》第三节《细胞的衰老和凋亡》第121页提到：“有人做过这样的实验，体外培养的人体某种细胞，最多分裂50次左右就停止分裂了，并且丧失了正常的功能。这说明细胞会随着分裂次数的增多而衰老。”可见，细胞衰老是细胞正常新陈代谢的自然现象。生物学作为一门实验性学科，那么，得出这个结论的实验依据是什么？该实验是由谁来完成的？培养的是何种细胞？这个实验又是怎样设计的呢？

    一、背景回顾

    任何个体都有生老病死的规律，细胞也不例外。然而，在一百年前，盛行的观点“细胞不死”却与我们现在的认知截然相反。人们在观察原生动物时发现，其无性系是可以一直保持高速分裂状态的，因此魏斯曼在此基础上提出了种质不死而体质会衰老并死亡的假说。原来原生生物新细胞的成分含有原细胞的老化结构，而并非“全新”，是细胞的不均等分裂所致。后来，Carrel和Ebeling以鸡心脏细胞为材料进行实验，观察发现鸡心脏细胞是可以无限生长和分裂的。实际上，这可能是他们向培养基中添加提取物时混入了新鲜细胞的缘故。其间，虽然?L系小鼠细胞和Hela细胞系的建立，表面上看貌似细胞可以无限增殖，事实上这样的异常细胞并非在我们探讨的正常细胞之列。Hayflick等人在20世纪60年代初的关键性工作，最终从根本上动摇了“细胞不死”的观点，这就是细胞生物学史上著名的“Hayflick界限”。

    二、“Hayflick界限”简介

    （一）定义

    经过培养的正常细胞并非不死，而是具有一定的寿命，细胞的增殖是具有一定的界限的，这就是“Hayflick界限”。

    （二）相关实验

    1.否定细胞“不死性”的学说

    实验1：人的正常体细胞表现出明显的衰老和死亡的现象。

    Hayflick等人将一个瓶中的细胞分到两个瓶中，让细胞数以1∶2的比率连续进行传代增殖培养。实验结果表明，细胞平均只能增殖50次左右，细胞最终逐渐解体并衰老、死亡。

    实验2：发现细胞的增殖能力与供体年龄有关。

    Hayflick等人还发现了胎儿肺和成人肺的成纤维细胞的培养差异（如图1和图2），即前者可在体外条件下传代50次，后者只能传代20次左右就开始死亡。可见，细胞的增殖能力与供体的年龄有关。

    实验3：发现物种寿命与培养细胞寿命之间存在著正相关的关系。

    Hayflick等人发现，体外培养的患有Werner综合征的儿童身上分离的成纤维细胞，只能传代2～10次。但加拉帕戈斯象龟的平均寿命越高，其细胞培养传代的次数也相应增加，甚至可达110次左右;小鼠平均寿命在3.5年左右，对其细胞进行传代培养，增殖代数相应减少，仅为20次左右。（如图3）

    2.确定影响细胞衰老的因素

    对正常人体细胞进行体外培养，其衰老是由细胞内部因素决定的，还是由外部环境的改变引起的呢？Hayflick等人设计了巧妙的实验予以验证：

    实验1：说明细胞衰老是由内部因素引起的，并非外部环境所致。

    实验中单独或混合培养老年男性个体的细胞和年轻女性个体的细胞，并统计不同培养条件下的细胞增殖代数。实验表明，在培养条件相同的情况下，一段时间后，年轻女性个体的细胞仍增殖旺盛，老年男性个体的细胞却已经停止生长。

    实验2：说明细胞衰老的因素取决于细胞核，而并非细胞质。

    Hayflick和Wright用药剂处理细胞后，通过离心等技术手段除去细胞核，将保留下来的年老的细胞胞质体与年轻的完整细胞相融合，观察新的杂种细胞的衰老情况。实验结果显示，新的杂种细胞不再增殖;反之，将年轻的细胞核与年老的细胞胞质相结合形成的杂种细胞仍然继续增殖。这说明，细胞的增殖能力主要取决于细胞核。

    三、与“Hayflick界限”相关的探究性试题

    【例题】根据材料回答以下四个问题。

    材料：有一种巴氏小体结构十分特殊，它存在于雌性哺乳动物的细胞内。由于巴氏小体能够在细胞分裂间期进行凝缩，因而在对雌性细胞特征研究的实验中可将其作为标记结构。表1是某科学家所做的实验，他将年轻女性细胞用巴氏小体标记，记录为A;没有标记的是老年男性细胞，记录为B。

    问题如下：

    （1）该实验是为了探究细胞的哪些性质？

    （2）实验1中为什么要将A细胞和B细胞分别单独培养和混合培养，其目的是什么？

    （3）实验2中的操作目的是什么？实验是否实现了预期目标？

    （4）实验1和实验2综合能否说明细胞能够无限增殖？

    问题解答：

    （1）该实验是为了探究细胞衰老的原因。

    （2）分别培养和混合培养的目的是对比年轻女性细胞和老年男性细胞的增殖情况，使实验结果更能说明A、B两种细胞的增殖情况。

    （3）实验2的操作目的是探究细胞衰老取决于细胞质还是细胞核。实验并不能实现预期目标，因为用到细胞核的同时也用到了同一个细胞的细胞质，并不能确定衰老的物质在哪里。

    （4）不能。尽管杂交细胞增殖旺盛，但毕竟也会衰老，增殖有限。

    从上述探究性试题不难看出，试题命制离不开对经典实验的研判和分析，这是真实情境下信息题、材料题设置的基本原则，应该引起我们足够的重视。

    （责任编辑????黄春香）