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以下是即將出版的書籍《追逐美國隊長:科學、工程和生物技術的進步將如何造就超人》的改編摘錄。
更快、更高、更強。現代奧林匹克格言由皮埃爾·德·顧拜旦在 1894 年國際奧林匹克委員會成立時提出。它旨在捕捉體育競賽的精髓,但也向許多人發出訊號,他們試圖透過使用“興奮劑”形式的外部增強手段來超越人類的生物學極限。體育運動中使用興奮劑的一個非常著名的例子是使用雄激素類固醇。然而,力量訓練圈子之外的人們不一定知道的是,像類固醇這樣的物質在運動員停止使用後仍可能產生影響。
即使不使用類固醇,一個經過大量訓練然後停止訓練的人,也會比一個從未訓練過的人更快地恢復肌肉質量和力量。人們認為這歸因於神經系統的快速變化,影響了肌肉的協調和啟用,這可能反過來與科學家所謂的表觀遺傳學有關。”
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十年前人類基因組首次測序時,人們感到非常興奮,但最近的熱門話題——以及對興奮劑、停賽和可能重返賽場具有重大影響的話題——是表觀基因組。表觀基因組決定了哪些基因實際被哪種細胞啟用和表達,以及何時啟用和表達。如果說基因組包含著你遺傳潛力的本質,那麼表觀遺傳學就是你更快、更高、更強的潛力被提出並利用的方式。基因組就像一本充滿單詞的詞典,其中大多數單詞不會一次性全部使用——有些單詞甚至永遠不會使用。表觀遺傳學是將這些單詞提取出來,並在你需要進行的對話中將它們有效地應用到句子中的過程。表觀遺傳學本質上彌合了先天和後天之間的差距。
更具體地說,它描述了基因表達是如何被調節的,以及在一個生物體中哪些基因被表達。這不會改變基因中實際的核苷酸序列——構成基因的基石。你在生活中發生的表觀遺傳變化會影響你產生的下一代細胞。
雖然你身體的每個細胞都攜帶著你的基因組,但你的表觀基因組有許多型別,具體取決於細胞和組織型別。表觀遺傳學的關鍵之處在於它會影響基因表達,在發育過程中發生變化(當幹細胞分化成它們將要變成的細胞時),以及在疾病狀態下發生變化。
在所有疾病中,癌症與表觀遺傳變化的聯絡最為明確。例如,一個當被啟用時會產生肺癌的基因可能只在存在環境線索(如香菸煙霧)時才會被表達和啟用。但生物學通常沒有那麼簡單:將疾病直接與 DNA 變化聯絡起來很困難。這主要是因為導致疾病的變化通常發生在 DNA 中編碼蛋白質且我們更瞭解的部分之外。
挪威的生物學家 Ingrid Egner 和她的同事們就是在這個時候進入這個故事的。他們對訓練對肌肉生長的影響感興趣。與大多數其他細胞型別不同,肌肉纖維具有多個細胞核。在力量訓練期間,肌肉質量增加,每個細胞中的細胞核數量也會增加。該團隊想知道這種“細胞記憶機制”是否會受到類固醇的影響。他們給小鼠服用了一種睪酮衍生物 14 天,這導致細胞核增加了約 66%,肌肉纖維的尺寸增加了 77%。停止服用睪酮三週後,肌肉纖維的尺寸恢復到從未訓練或服用過藥物的動物的水平。
實驗的這一部分是為了引起肌肉纖維細胞核內的“記憶”發生變化。雖然纖維的尺寸會波動,但細胞核的數量在停止服用睪酮後三個月內仍然保持升高。這是否意味著肌肉纖維會對訓練做出不同的反應?也就是說,由於細胞核數量較多,它們會像“正常”肌肉還是增強肌肉一樣做出反應?
在實驗的下一部分中,兩組動物(之前接觸過睪酮衍生物的動物和沒有接觸過的“對照”動物)進行了六天的力量訓練。對照組小鼠在這段時間後肌肉纖維尺寸沒有明顯增加,而相比之下,接觸過睪酮的小鼠肌肉纖維尺寸增加了 31%。
之前未經訓練的肌肉纖維會在增大之前從啟用的衛星(幹)細胞中募集細胞核。細胞核是驅動肌肉細胞產生更多蛋白質以使其更大更強的指揮中心,而且似乎這種更多的細胞核數量會被保留和保護下來。當給予像力量訓練這樣的運動壓力時,具有更多細胞核的肌肉纖維會生長得更快。這種先前力量的“記憶”顯然可以穩定長達 15 年,並且可能是永久性的。
在體育運動中使用興奮劑的相關性是,即使是短暫的合成代謝類固醇使用也可能導致持久的效能增強,這種增強在停止使用後多年仍然持續。這幾乎就像“用進廢退”的格言已經改為“取決於你使用的東西,你可能永遠不會真正失去它”。我們不確定這與其他的增強體能的藥物有何關係。但是,如果一名運動員服用某種東西來快速增強她的能力,然後停止服用,她可能永遠擁有快速重新訓練的增強能力。
在沒有競爭規則的現實生活中,這是生理可塑性的一個很好的例子。在體育運動中,這是一個很好的例子,說明如何以規避比賽規則的方式來實現更快、更高、更強的目標。