1921年，科学家亚历克西斯·卡雷尔(Alexis Carrel)在培养皿中的鸡心脏细胞不断添加培养液(鸡血清滤除液)，结果发现鸡的心脏细胞可以源源不断地增加。
于是，当时的业界认为，细胞可以一直无限制的复制下去，即细胞是永生的。
卡雷尔后来一直细心重复着他上述的试验，直到其1946年去世。
卡雷尔培养皿中的鸡心细胞
直到1961年，伦纳德·海弗里克（Leonard Hayflick）等人对该项研究的结果提出了质疑：
“卡雷尔的试验过程提供的培养液中并没有完全去除血清中的活细胞，所谓源源不断复制的细胞实际来源于每次添加培养液带入的新细胞..."
海弗里克等人对卡雷尔的试验过程进行了更加严格的设计，尽可能减少额外带入的新细胞。
伦纳德·海弗里克
结果发现，细胞的复制次数是有限的。
细胞在经过40-60次的分裂之后，就会逐渐失去活性而最终无法再分裂。
海弗里克等人的研究结果推翻了“细胞永生”的错误观点，业界也渐渐认为细胞分裂存在理论上的“海弗里克极限”。
可是，为什么细胞会有分裂次数的极限呢？
1975年以后，以伊丽莎白·布莱克本（Elizabeth Blackburn）为代表的科学家，发现了端粒及端粒酶在这一机制的重要作用。
伊丽莎白·布莱克本
为此，他们获得了2009年的诺贝尔生理或医学奖。
要想更好的理解细胞的分裂极限，这需要我们从DNA的复制说起。
DNA的复制DNA是生命信息的核心部分。DNA由脱氧核苷酸组成，自然界中脱氧核苷酸一共有4种不同类型。
它们根据碱基——脱氧核苷酸的某一结构——的不同，分别叫做腺嘌呤（A）脱氧核苷酸、鸟嘌呤（G）脱氧核苷酸、胸腺嘧啶（T）脱氧核苷酸和胞嘧啶（C）脱氧核苷酸。
ATCG四种不同的核苷酸密密麻麻、按照顺序依次排列，不同核苷酸的结合可以指导RNA等为细胞翻译表达不同的氨基酸和蛋白质。
简言之，DNA是细胞的司令部，它指挥着细胞的新陈代谢的各个过程。
DNA是双螺旋双链结构，它如果要从一个细胞到另一个新的子代细胞里，它必须要打开双链结构，随后对自身进行复制，如此才能按照“碱基互补原则”一点点复制新链。
但是，这种复制必须要有条件限制：
1. 必须按照一定方向进行；
2.必须要有引物引导；
人们根据DNA解旋后末端的分子结构，将其两端分别命名为5'端和3'端。
而DNA复制的进行就是按照从5'端到3'端的顺序进行的。
当然这一系列活动背后的基础是一系列酶来完成的。
DNA解旋酶首先识别DNA上的特定位置，将磷酸二酯键剪断，随后一种由DNA或RNA小片段组成的引物会附着在其上，最后按照5'端到3'端的顺序进行复制。
但是，根据碱基互补配对的原则，即DNA的两条链的核苷酸排列顺序恰好是相反的。
这也意味着，一条链的方向是5'端到3'端，而另一条链的方向为3'端到5'端。
这种顺序的不同，导致DNA双链的复制方式拥有着明显不同。
人们根据DNA双链的这种差异，将顺序为5'端到3'端的一条链叫做先导链，而另一条链称为后随链。
先导链可以顺畅地、连续地，按照5'端到3'端的顺序进行依次复制。
但是，后随链则只能从其上的不同部位进行“逆链方向”多段复制，最后由引物将各个小片段连起来，形成一整条链。
后随链的这种不连续进行复制的机制，也被称为不连续复制。
而那些一小段一小段的DNA合成片段，则以发现它的科学家冈崎的名字命名，称为“冈崎片段”。
端粒的作用通过上述的描述，我们知道后随链上的结构是由“引物-冈崎片段-引物-冈崎片段..."这样一种方式形成的复制链。
而如果要和母链保持一致，就必须把引物从上面切除掉。
可是当酶将引物从上切除后，不可避免地会在后随链上形成“缺失部分”。
而此时，却又没有可以特异性识别这些空缺部分的特定碱基序列，所以引物被切除后就会遗留下无法填补的空缺部分。
换言之，后随链的这种不连续复制过程，不可避免地导致DNA复制后的两条链长度不一致，每次复制后，后随链都会丢失掉一小段序列。
而通过连接酶拼凑“缝上之后”，就会发现，在后随链会丢失掉末端的一部分片段。
如果细胞没有对此进行修复机制，则DNA会随着复制过程进行，不断有末端部分丢失。
所以为此，生命DNA链的末端存在一种叫做端粒的结构。
端粒实质上是染色体末端非编码DNA重复序列以及一系列相关蛋白组成的DNA-蛋白复合体。
其特征是高度保守、重复且不携带遗传信息。
比如，人端粒的DNA序列是5'-TTAGGG-3'重复序列，长约 15～20 kb。
这些不具有遗传信息的DNA片段，实际上就是用来缓冲DNA复制后丢失的那些末端DNA序列片段。
举例来讲，就好比，生命是一种传递纸条的游戏。
现在有一张写有特定内容的纸条需要安全可靠地不断传下去。
但是，每传递一次，就要对纸条的末端用剪刀剪除。
所以，为了不至于伤及到纸条上的内容，在传递纸条之前，事先在纸条的末端留有大片大片的空白。
如此，不至于每次剪除之后，伤及内容部分。
电镜下的染色体：亮点部分为端粒
在科学家还没有彻底了解端粒的重要性之前，人们一直将这种不编译蛋白质、重复而单调的序列部分，称为“垃圾DNA”。
可是，正是这些“垃圾DNA”起着保护遗传信息安全传递的重担。
从上述的机制中，人们也就能很好理解，为何细胞复制会有极限限制了。
因为端粒可以缓冲复制带来的DNA序列丢失，但是，端粒也不是无限长的。
随着端粒不断被磨损，基因的遗传信息最终还是不可避免会受到损害，这也就是细胞衰老的原因。
端粒的修复自从人们知道端粒在抗细胞衰老的重要作用，人们就在想：
“如果能够使得端粒不会因为复制而受到磨损，或者延缓磨损，如此生命不就可以长盛不衰了？”
后来的研究发现，端粒的这种修复机制确实是存在的。
比如，在肿瘤细胞中，它的端粒就不会因为复制而变短，所以，肿瘤细胞理论上是可以永生的。
而在正常的细胞中，也存在修复端粒的机制。
这是一种叫做端粒酶的特殊短链RNA分子的蛋白复合物。
它具有逆转录酶活性，能够以端粒为引物，以自身为模版，不断复制出被磨损的DNA序列。
比如，人类端粒酶的RNA成分已被成功克隆，它包括与端粒重复序列互补的11个核苷酸：5′-CUAACCCUAAC-3′。
可是虽然端粒酶修复端粒的机制理论上可以无限制的进行下去，但是实际上，连接在端粒双链上的蛋白质作为端粒酶活性的弱抑制剂，小心地调节着端粒的长度。
当端粒很短时，这些蛋白与端粒结合变少，端粒酶活性会被激活；当端粒变长时，这些蛋白质会积累并抑制端粒酶，使其不能无限延长端粒。
而现在市面上号称自己的产品可以提升端粒酶活性，以延缓衰老的保健产品，全都是糊弄人的骗人把戏。
因为现在的人类以现有条件根本无法做到如此细微程度上的直接干预，而且即便我们貌似了解的不少，而实际上关于DNA和生命的密码，我们还是知之甚少！
参考资料
[1]Carrel, A. & Ebeling, A. H. Age and multiplication of fibroblasts. J. Exp. Med. 34, 599–606 (1921).
[2]Hayflick, L. & Moorhead, P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp. Cell Res. 25, 585–621 (1961).
[3]Telomere.Wikipedia,2020.
[4]Blackburn EH, Gall JG (March 1978). "A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal ribosomal RNA genes in Tetrahymena". Journal of Molecular Biology. 120 (1): 33–53.
[5]Evans SK, Lundblad V (October 2000). "Positive and negative regulation of telomerase access to the telomere". Journal of Cell Science. 113 Pt 19: 3357–64.
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