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        高中生物學“Hayflick界限”知識拓展

        2019-01-07 01:36:28黃思思
        中學教學參考·理科版 2019年12期

        黃思思

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

        [關(guān)鍵詞]Hayflick界限;細胞衰老;探究性試題

        [中圖分類號]????G633.91????????[文獻標識碼]????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《細胞的生命歷程》第三節(jié)《細胞的衰老和凋亡》第121頁提到:“有人做過這樣的實驗,體外培養(yǎng)的人體某種細胞,最多分裂50次左右就停止分裂了,并且喪失了正常的功能。這說明細胞會隨著分裂次數(shù)的增多而衰老。”可見,細胞衰老是細胞正常新陳代謝的自然現(xiàn)象。生物學作為一門實驗性學科,那么,得出這個結(jié)論的實驗依據(jù)是什么?該實驗是由誰來完成的?培養(yǎng)的是何種細胞?這個實驗又是怎樣設(shè)計的呢?

        一、背景回顧

        任何個體都有生老病死的規(guī)律,細胞也不例外。然而,在一百年前,盛行的觀點“細胞不死”卻與我們現(xiàn)在的認知截然相反。人們在觀察原生動物時發(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)會衰老并死亡的假說。原來原生生物新細胞的成分含有原細胞的老化結(jié)構(gòu),而并非“全新”,是細胞的不均等分裂所致。后來,Carrel和Ebeling以雞心臟細胞為材料進行實驗,觀察發(fā)現(xiàn)雞心臟細胞是可以無限生長和分裂的。實際上,這可能是他們向培養(yǎng)基中添加提取物時混入了新鮮細胞的緣故。其間,雖然?L系小鼠細胞和Hela細胞系的建立,表面上看貌似細胞可以無限增殖,事實上這樣的異常細胞并非在我們探討的正常細胞之列。Hayflick等人在20世紀60年代初的關(guān)鍵性工作,最終從根本上動搖了“細胞不死”的觀點,這就是細胞生物學史上著名的“Hayflick界限”。

        二、“Hayflick界限”簡介

        (一)定義

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

        (二)相關(guān)實驗

        1.否定細胞“不死性”的學說

        實驗1:人的正常體細胞表現(xiàn)出明顯的衰老和死亡的現(xiàn)象。

        Hayflick等人將一個瓶中的細胞分到兩個瓶中,讓細胞數(shù)以1∶2的比率連續(xù)進行傳代增殖培養(yǎng)。實驗結(jié)果表明,細胞平均只能增殖50次左右,細胞最終逐漸解體并衰老、死亡。

        實驗2:發(fā)現(xiàn)細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。可見,細胞的增殖能力與供體的年齡有關(guān)。

        實驗3:發(fā)現(xiàn)物種壽命與培養(yǎng)細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胞,只能傳代2~10次。但加拉帕戈斯象龜?shù)钠骄鶋勖礁撸浼毎囵B(yǎng)傳代的次數(shù)也相應增加,甚至可達110次左右;小鼠平均壽命在3.5年左右,對其細胞進行傳代培養(yǎng),增殖代數(shù)相應減少,僅為20次左右。(如圖3)

        2.確定影響細胞衰老的因素

        對正常人體細胞進行體外培養(yǎng),其衰老是由細胞內(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)計了巧妙的實驗予以驗證:

        實驗1:說明細胞衰老是由內(nèi)部因素引起的,并非外部環(huán)境所致。

        實驗中單獨或混合培養(yǎng)老年男性個體的細胞和年輕女性個體的細胞,并統(tǒng)計不同培養(yǎng)條件下的細胞增殖代數(shù)。實驗表明,在培養(yǎng)條件相同的情況下,一段時間后,年輕女性個體的細胞仍增殖旺盛,老年男性個體的細胞卻已經(jīng)停止生長。

        實驗2:說明細胞衰老的因素取決于細胞核,而并非細胞質(zhì)。

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

        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物的細胞內(nèi)。由于巴氏小體能夠在細胞分裂間期進行凝縮,因而在對雌性細胞特征研究的實驗中可將其作為標記結(jié)構(gòu)。表1是某科學家所做的實驗,他將年輕女性細胞用巴氏小體標記,記錄為A;沒有標記的是老年男性細胞,記錄為B。

        問題如下:

        (1)該實驗是為了探究細胞的哪些性質(zhì)?

        (2)實驗1中為什么要將A細胞和B細胞分別單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng),其目的是什么?

        (3)實驗2中的操作目的是什么?實驗是否實現(xiàn)了預期目標?

        (4)實驗1和實驗2綜合能否說明細胞能夠無限增殖?

        問題解答:

        (1)該實驗是為了探究細胞衰老的原因。

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

        (3)實驗2的操作目的是探究細胞衰老取決于細胞質(zhì)還是細胞核。實驗并不能實現(xiàn)預期目標,因為用到細胞核的同時也用到了同一個細胞的細胞質(zhì),并不能確定衰老的物質(zhì)在哪里。

        (4)不能。盡管雜交細胞增殖旺盛,但畢竟也會衰老,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)典實驗的研判和分析,這是真實情境下信息題、材料題設(shè)置的基本原則,應該引起我們足夠的重視。

        (責任編輯????黃春香)

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