斑点之间的距离就是图像的周期，取决于具体的反应扩散分子的性质和它们扩散的速度。如果能够改变其中一些参数，周期就可以被增长或者缩短。如果分子A的浓度又可以决定细胞的命运，像前面谈到的成型素分子那样，那么在A浓度不同的地方就会形成不同类型的细胞，例如皮肤上的毛囊。斑马身上的条纹距离很近，而大熊猫黑白区域的分隔很大，就是因为形成这些图案时的周期大小不同的缘故。

斑点之间的距离就是图像的周期，取决于具体的反应扩散分子的性质和它们扩散的速度。如果能够改变其中一些参数，周期就可以被增长或者缩短。如果分子A的浓度又可以决定细胞的命运，像前面谈到的成型素分子那样，那么在A浓度不同的地方就会形成不同类型的细胞，例如皮肤上的毛囊。斑马身上的条纹距离很近，而大熊猫黑白区域的分隔很大，就是因为形成这些图案时的周期大小不同的缘故。


图灵学说

生物的一些结构常常使人感到神奇，例如斑马和斑马鱼身上的条纹、豹子身上的斑点、皮肤表面的毛发等等，都显现出一定的周期性，如斑马条纹明暗相间，皮肤上长毛发和不长毛发的地方交替出现等等。就是人的手指和脚趾也有周期性，在要形成手和脚的胚芽中出现周期性的成骨-不成骨的间隔分布，后来不成骨的区域消失，才形了手指和脚趾。这样周期性结构的形成机制是什么？要靠基因来直接控制是不行的，例如人的头发有十几万根，要靠区区两万多个基因来“规定”每根头发的位置，是根本不可能的事，应该有其他的机制来“自发”形成这样的周期性结构。但是在长时期中，这样的机制一直没有人知道。直到1952年，英国科学家阿兰·图灵（Alan Mathison Turing, 1912 – 1954)发表了他开创性的“结构形成的化学基础”（The chemical basis of morphogenesis）文章后，才给生物斑纹的形成提供了一个理论解释。

     图灵是一个传奇性人物，在其短短的一生中做出了好几项重大贡献。他创造的“图灵机”被认为是计算机的鼻祖。在第二次世界大战期间，他协助军方破译德国的密码系统Enigma，为战争的提前结束做出了不可磨灭的贡献。他也对生物学感兴趣，在他生命的最后几年中，他致力于研究生物斑纹的形成机制，并且天才地提出了他的“反应-扩散学说”（reaction-diffusion equations）来解释扩散性的分子如何导致周期性结构的形成，并且预期了化学震荡反应的存在。
     按照Turning的发音，在中文中应该译成“图宁”才对。但是由于他的学说天才性地解释了生物斑纹形成的化学机制，也就是他的理论在说明“图像”形成时是很“灵”的，于是人们更愿意用“图灵”这个译法，我们在本文中也采用这个译法。图灵学说的核心是“反应-扩散”，即两种扩散分子如果能够相互作用，它们又以不同的速度在介质中扩散，就可以自发形成周期性的结构。
     图灵学说依据的也是扩散性分子，因此和前面谈到Spemann组织中心和Wolpert的法国国旗理论是相通的，只是这些扩散性分子的作用机制有些不同。图灵描述的是一个非平衡系统，牵涉到分子扩散。其实Spemann组织中心和Wolpert的法国国旗理论都需要成型素的浓度梯度，因此也是非平衡系统。只不过图灵是从数学的角度来描述斑纹图像的形成机制，用到比较复杂的数学公式，许多读者不是那么容易理解，因此我们在这里只给出一个非数学的形象描述。
     例如分子A可以促使自身的表达，即A分子可以增加自己基因的转录，这就是一个正反馈回路。如果只有A分子存在，那么最后在所有的区域内都有高浓度的A分子表达。但是如果A分子可以促使B分子的形成，而B分子可以对A分子产生抑制作用，而且扩散的速度比A分子快，就会在周边区域逐渐减少A分子的表达。许多这样的中心——周边区域组合在一起，就是豹子皮肤上斑点的图案，即A在自我强化中心的高浓度和周围被B分子抑制导致的A的低浓度周期性地彼此相间。
     一个形象的比喻就是干燥草原上的蝗虫。如果干草在太阳底下温度越来越高，达到燃烧温度，就会出现许多起火点。燃烧的火会使更多的干草起火，形成正反馈，使火的范围越来越大，相当于只有分子A的正反馈。如果没有一个抑制火的机制，整个草原都会着火。如果在着火的地方有蝗虫，这些蝗虫就会跳开以免被火烧着，如果这些跳开的蝗虫又能够出汗或撒尿（当然这只是一个比喻），把干草弄湿，这些地方的草就不会着火。由于蝗虫跳开的速度比火蔓延的速度快，每个火点周围就会有一圈不会着火的地方。蝗虫的“汗”或“尿”就相当于抑制A分子的B分子。这样，草原上起火的地方就不是连成一片的，而是彼此分开成点状的。这些着火的区域，就相当于豹子身上的斑点。
     在这里，斑点之间的距离就是图像的周期，取决于具体的反应扩散分子的性质和它们扩散的速度。如果能够改变其中一些参数，周期就可以被增长或者缩短。如果分子A的浓度又可以决定细胞的命运，像前面谈到的成型素分子那样，那么在A浓度不同的地方就会形成不同类型的细胞，例如皮肤上的毛囊。斑马身上的条纹距离很近，而大熊猫黑白区域的分隔很大，就是因为形成这些图案时的周期大小不同的缘故。
     图灵学说首先被化学家所证实。2014年，美国科学家Seth Fraden和Irv Epstein 用他们构建的化学反应系统，成功地产生了环状的结构，而且图像就如图灵当初预期的那样。图灵对化学震荡的预期也被化学家所证实，例如著名的“别洛乌索夫-扎博京斯基反应”（Belousov– Zhabotinsky reaction）。在这个反应中，四价的铈（Cerium）与溴酸钾、柠檬酸、硫酸、水混合在一起。按照一般的预期，四价的铈被还原成为三价的铈时，四价铈离子的黄色应该消失，但是别洛乌索夫和扎博京斯基观察到的，却是溶液在黄色和无色的状态之间反复震荡，证实了图灵的预期。
     在生物体系中，图灵学说的计算机模拟很好地再现了动物体表的各种斑纹图案，说明在理论上，这样的机制是可以在生物系统中“自发”形成各种斑纹和结构的。但是找到具体操作的分子却不容易。这是因为胚胎的发育是动态的，许多成型素基因的突变又是致命的。这个情形在2014年改变了。西班牙的科学家成功在小鼠五趾的形成过程中证实了图灵理论的正确性，找到了相当于分子A和B的正反馈-负反馈扩散性分子。这些分子也正好是我们前面介绍过的骨形态发生蛋白BMP和Wnt蛋白。下面我们将详细地叙述这个过程

研究称生活压力致DNA质量下降 早亡风险增大

近日据外媒报道，美国一项最新研究发现，艰苦的成长环境会对穷人产生影响。生活压力会在他们的基因中留下长久、有害的印记，以致穷人的DNA质量下降，早死的可能性也就越大。

美国斯坦福大学进行的一项研究调查恶劣人类生活对其DNA的影响，发现如果生活因贫穷而面临较大压力的话，人体主宰寿命长短的染色体端粒便会较容易因受压而缩短，而端粒越短，人早死的可能性就越高。

端粒：细胞寿命的“有丝分裂钟”

端粒，是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构，作用是保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期。

端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。端粒DNA是由简单的DNA高度重复序列组成，端粒酶可用于给端粒DNA加尾，DNA分子每次分裂复制，端粒就缩短一点，一旦端粒消耗殆尽，细胞将会立即激活凋亡机制，即细胞走向凋亡。所以端粒长度反映细胞复制史及复制潜能，被称作细胞寿命的“ 有丝分裂钟”，其作用是保护染色体的完整性和控制细胞分裂周期。年轻人的端粒长度相当于8000至1万个核苷酸。端粒随着细胞分裂而变短，并受压力影响。早前研究显示，通过测试细胞中端粒的长度可准确预测一个人的寿命长短。

第二军医大学医师孙学军在接受《中国科学报》记者采访时表示，外界长期的压力对DNA造成影响在理论上是有可能的，在国际学术界，DNA端粒研究的最重要成果是其与人类寿命的关系。“端粒的每一次复制都会缩短，缩短到一定程度之后，细胞就会死亡。端粒是保护DNA一个很重要的像帽子一样的结构。”孙学军说道。

端粒与寿命

早在2009年，凭借“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”这一成果，揭开了人类衰老和罹患癌症等严重疾病的奥秘的三位美国科学家伊丽莎白·布莱克本（Elizabeth Blackburn）、卡罗尔·格雷德和杰克·绍斯塔克就共同获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。

2012年，来自东英吉利大学的科研人员发现，通过测量个体的DNA可以预测生物体的年龄和寿命。他们以孤岛上320只个体强壮的塞舌尔莺野生种群为实验材料，研究了他们的染色体帽长度即端粒。这个历经20年的研究项目是首次横跨野生种群整个生命周期测定端粒。

该项研究结果表明，不同的个体端粒随着年龄缩短的速度存在极大差异。此外，任何年龄段，端粒越短，死亡的风险随之增加。与实际年龄相比，端粒长度可以说是预期寿命更好的指标，极有可能成为生理年龄的指标。

“随着时间的推移，这些端粒降解并变短，当端粒长度到达一个临界值时，它们会引起所在细胞功能停止运作，这种机制进而阻止细胞无限制复制，最终变成癌细胞。但另一面是，器官中存有这种细胞会导致其退化，最终引起器官退化、衰老并最终导致死亡。”首席研究员大卫S·理查森博士这样解释道。

氧化剂攻击端粒，如吸烟、不好的食物、身体经历极端环境、身体上或精神上的压力等等都会引起端粒缩短。

2014年的一项研究也发现，因为社会地位低下而生活遭受长期压力的儿童比他们具有优势的同伴的端粒更短。社会地位低下等原因带来的长期压力的个体的端粒加速缩短，可能与不良健康结果有联系。

此外，这项研究发现，环境对端粒长度的作用受到了参与多巴胺和5-羟色胺功能的基因的调控。通过对这些神经递质路径的遗传敏感度高的男孩的研究发现，来自社会地位低下环境的男孩表现出了最短的端粒，而来自优势环境中的男孩表现出了最长的端粒。

作用机制尚待研究

在开篇提到的研究中，研究人员以密歇根底特律为研究对象，搜集市内贫穷及中下阶层的非洲裔，白人及墨西哥裔的基因进行分析。

结果显示，底特律市内的居民无论任何种族，生活条件较差的一群，其端粒比生活在较好环境中的同龄人的端粒更短。

该研究还发现，底特律的低收入居民，不分种族，其端粒长度低于国民平均水平。研究人员表示，居住在极度贫困或种族隔离的社区确实会对人造成影响。

孙学军向《中国科学报》记者解释道，该研究只是描述了穷人的DNA端粒更短的现象，并没有对其作用机制进行解释。

“穷人生活环境的影响因素是复杂的，饮食、工作压力、心理因素等等应该都是变量，研究却简单地将其归纳为艰苦的成长环境。”孙学军说道。

而长久印记中的“长久”如何被定义也有待进一步研究。“人体每个细胞中都有DNA，如果是永久性的伤害，这种伤害影响到的细胞应该就比较多了。如果是对生殖细胞的改变，将会影响到下一代，而对体细胞的改变更多影响的是个体本身。比如福岛和切尔诺贝利的核泄漏对DNA的影响肯定是长久性的，这与剂量，暴露在有害环境中的时间等等都有关系，这个问题比较复杂，不能简单地一概而论。”中国科学院昆明动物研究所博士生导师孔庆鹏告诉《中国科学报》记者。

孙学军对此表示赞同，“生殖细胞的DNA端粒是会复原的，每次生育时，精细胞和卵细胞的端粒会遵循补偿机制。否则的话，在年龄较大时生育孩子的生殖细胞的端粒一定比年龄小时生育孩子的生殖细胞的端粒短，可事实并非如此。”孙学军说道。