生命把生物学的有序和复杂与物理学的无休止的混乱对立起来。
热力学第二定律,颇有哲学意味地指出任何自然系统都趋向于增加无序。生物学上的衰老也不例外,死亡在所难免。
既然进化是选择最优的生存基因,那么为什么身体还会随着时间变化而衰老呢?
因为我们从单细胞生物体进化而来已经有35亿年了,那为什么生命没有决绝衰老的低效呢?
或者更准确地说,在达尔文进化论的框架下,衰老是如何持续的?
如何发生进化
要发生进化,首先必须有遗传变异,即种群内个体之间的差异,因为遗传和环境因素会产生可测量的特征(表现型)。
以及不同的繁殖成功率,例如某些遗传因素表现在个体的生存和繁殖能力上(即适应性)。
因为这些遗传因素往往对生存(或繁殖)有更大的帮助,因此更容易被保留下来,从父母传给后代。
在这个进化框架中再考虑衰老
世界各地不同个体的寿命存在明显差异,受遗传因素影响,但也受国内生产总值(GDP)等外部因素的强烈影响。
寿命也是一种遗传特性,个体之间的寿命差异约有23%至26%是由遗传因素造成的,也称为遗传能力。
此外,寿命的延长,或者你生命中健康状况的改善会使你的寿命延长,这会使你对异性更有吸引力,并增加你繁殖成功的可能性。
长寿的特征完全满足进化标准(表现型、适应性、遗传),那为什么我们不能活的更久呢?
选择阴影:为什么圈养的动物繁殖期比较晚
1952年,英国生物学家彼得·梅达瓦尔(Peter Medawar)正式提出了第一个衰老进化理论,将其称为变异积累模型。
这一理论基于这样一个事实,即个体获得的突变可能是早发的,也可能是迟发的。
早发性突变在个体繁殖活跃的时期表现出来,因此无论突变有什么影响,都会受到自然选择的影响。
然而,自然选择对迟发性突变是盲目的。如果繁殖已经发生,并且遗传给下一代,那么在以后的生活中暴露自己的突变是不能被追溯选择的。
因此,自然选择的力量随着年龄的增长和繁殖能力的下降而减弱。这种现象被称为选择阴影。
选择阴影是选择随着年龄和生殖衰退而减少的力量
这一理论解释了为什么圈养动物的繁殖期要比野生动物自然生长的时间晚很多。
当他们的环境发生变化并且解除生存风险时,例如在圈养环境中,动物可以活到积累的迟发性突变可以自我显现的年龄。
在这些小种群中(如大熊猫),由于近亲繁殖而引起的突变集中夸大了这种效应。自然资源保护主义者很难处理这些与年龄有关的疾病的高水平,这在野生环境中并不常见。
随着人类神经退行性疾病(随着时间的推移而恶化)的增加,也观察到了类似的现象(晚育),这与我们在过去一个世纪里的寿命急剧增长同时发生。
拮抗多效性:选择将作用于早期利益
1957年,美国进化生物学家乔治·C·威廉姆斯(George C . Williams)对变异积累模型进行了改进,进一步阐述了早发性突变和迟发性突变之间的关系。
突变可以有多种影响,在不同的组织类型或生命的不同阶段表现出不同的效果,这是一种多效性的遗传现象。
当突变在不同的生命阶段,例如在早期和晚期,对适应度有相反的影响时(不适合生存),它被称为拮抗多效性。
威廉斯假设,如果一个突变对早期生命的生存和繁殖有有益的影响,但对后期生命的衰老有负面影响,那么选择将作用于早期利益,丰富种群中的这种突变。
这种拮抗性多效性模型将衰老视为青年生存和生殖选择的不良副产品。
因此,科研人员认为,一些提高生存和生殖能力的早期生命特征与年龄相关疾病之间存在着进化上的权衡。
生存和繁殖之间的进化平衡
然而,1977年,英国生物学家托马斯·柯克伍德(Thomas Kirkwood)提出了“一次性索玛模型”(disposable soma model),提出了生存和繁殖之间的进化平衡。
达到繁殖目的后被吃的螳螂
柯克伍德认为,在资源有限的环境中,每个个体都必须为生存或繁殖预算资源。
就像你买新车时的选择一样。你可能会买一辆崭新的跑车,时速从0到100公里只要2.7秒,享受刺激,或许还能在这个过程中吸引一些潜在伴侣的目光。
但是这辆车很贵,而且它的加速和速度可能不安全。
在整个自然界中也观察到了同样的生殖成本和风险概念。物种在寻找合适的配偶时必须权衡和应对的因素:
1、寻找伴侣的成本:在繁衍生息的荒野中寻找伴侣可能要花费时间和金钱,在自然界中,这将消耗新陈代谢的能量和被捕食的风险;
2、携带/养育成本:妊娠和养育后代的能量消耗很高,同时也增加了父母受到捕食的脆弱性;
3、疾病风险:与伴侣的互动可能导致接触性疾病;
4、交配风险:女性比男性更容易遭受家庭暴力,但这种角色在自然界中是可以逆转的,某些物种的雌性会在交配后吃掉毫无戒心的雄性(例如,雌性螳螂会在交配后吃掉她的伴侣)。
繁殖高于生存
虽然繁殖是昂贵的,但如果你成功了,最终证明了方法是正确的。但是,当谈到个人采用哪种策略时,环境可能是非常重要的。
在2004年的一项实验中,雄性蟋蟀被圈养,并作为其饮食的一部分喂养低水平到高水平的蛋白质。
为了吸引潜在的伴侣,雄性蟋蟀用后腿摩擦腹部发出我们晚上听到的叫声。
这不仅在新陈代谢上代价高昂,而且还向捕食者暴露了自己的位置。
饲喂能量丰富高蛋白饮食的雄性将这些资源分配给夜间呼叫而不利于细胞维持。即使在没有掠食者的情况下,这也会导致寿命缩短。
最终,繁殖是进化活动的焦点。人类进化允许在生育之后对健康产生迟发性影响,特别是如果它有益于个体在其早期生命的开发。
在环境限制的范围内,个人必须有效地分配资源,在生殖、安全和长期健康之间作出权衡。
在寻求永生的过程中,进化医学有可能进一步加深我们对人类疾病产生原因的理解,并阐明颠覆这种内在生物过程的意外成本。