Почему эволюция не делает нашу жизнь длиннее?

Почему мы стареем — классический вопрос эволюционной биологии. Есть несколько вещей, которые следует учитывать, когда мы думаем о том, как эволюционируют гены, вызывающие болезни, старение и смерть.

Одним из объяснений эволюции старения является накопление мутаций ( MA ) .гипотеза. Эта гипотеза П. Медавара утверждает, что мутации, вызывающие пагубные (повреждающие) эффекты в позднем возрасте, могут накапливаться в геноме в большей степени, чем болезни, вызывающие болезни в раннем возрасте. Это связано с тем, что отбор по поздно действующим мутациям слабее. Мутации, вызывающие заболевание в раннем возрасте, более серьезно снижают приспособленность его носителя, чем мутации, действующие на позднем этапе жизни. Например, если мы сказали у воображаемого вида, что все особи перестают размножаться в 40 лет и возникает мутация, вызывающая смертельную болезнь в 50 лет, то отбор не может удалить ее из популяции - у носителей будет столько детей, сколько тех, у кого нет ген. В соответствии с гипотезой накопления мутаций мутации могут дрейфовать в популяции.

Другой гипотезой, которая может способствовать старению, является гипотеза антагонистической плейотропии ( АП ) Г. К. Уильямса. Плейотропия - это когда гены имеют более одного эффекта, такие гены, как правило, вызывают корреляции между чертами, ростом и длиной рук, вероятно, имеют много одинаковых генов, влияющих на них, иначе не было бы корреляции между длиной рук и ростом (хотя окружающая среда и сцепление могут быть) . также вызывают эти паттерны)... Возвращаясь к АР как объяснению старения, если ген улучшает приспособленность в раннем возрасте, но вызывает заболевание в позднем возрасте, он может распространяться в популяции посредством отбора. Благоприятный ранний эффект хорошо распространяется благодаря отбору, и, как и в случае с МА, отбор не может «видеть» позднее проявляющееся заболевание.

Как при MA, так и при AP ключевой момент заключается в том, что отбор менее эффективен в удалении вредных мутаций позднего действия, и они могут распространяться быстрее благодаря полезным эффектам в начале жизни. Кроме того, если есть внешняя смертность (хищничество и т. д.), то влияние отбора также ослабляется на аллели, влияющие на позднюю жизнь. Такое же снижение эффективности отбора на поздних этапах жизни также замедляет скорость распространения аллелей, увеличивающих продолжительность жизни.

Третье соображение — модель одноразовой сомы ., описание Т. Кирквудом компромиссов в истории жизни, которые могут объяснить, почему старение и более ранняя смерть могут быть предпочтительными. Идея состоит в том, что у людей есть ограниченное количество доступных им ресурсов - возможно, из-за ограничений окружающей среды или способности приобретать/распределять ресурсы. Если затем мы предположим, что люди должны использовать свою энергию для двух целей: поддержания жизни за счет ремонта и поддержания (соматическое поддержание) и создания потомства (репродуктивное инвестирование), тогда любая энергия, направленная на одно, будет отнята у другого. Если человек несет ген, который заставляет его тратить всю свою энергию на соматическое поддержание, то его приспособленность будет очень низкой (вероятно, 0!), и этот ген не будет распространяться.

Чтобы пойти немного дальше, полы обычно стареют по-разному (это то, над чем я работаю), и одно из возможных объяснений состоит в том, что полы предпочитают разные балансы между соматическим поддержанием и репродуктивными инвестициями, это может привести к конфликту над эволюцией генов, влияющих на этот баланс, и замедляют скорость эволюции до оптимума, специфичного для пола. Эта статья дает хороший обзор области.

Подводя итог , можно сказать, что эволюции не удалось избавиться от смерти из-за генетических заболеваний и т. д. (внутренняя смертность), потому что эффект лишь слабо отобран против, и эти аллели могут обеспечить некоторую пользу в ранней жизни, а ограничение ресурсов может также уменьшить потенциал для увеличения продолжительность жизни из-за компромиссов с репродуктивными усилиями. Адаптивная эволюция заключается не в выживании наиболее приспособленных, а в размножении наиболее приспособленных — наиболее приспособленный аллель распространяется наиболее эффективно.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Спасибо Remi.b за то, что он также указал на некоторые другие соображения.

Другая мысль связана с альтруистическим старением — старением на благо населения (население, вероятно, состоит из родственных особей, вы в той или иной степени связаны со всеми другими людьми). В этой модели старение является адаптивным процессом (в отличие от МА, где оно является лишь следствием слабого отбора). Умирая, особь освобождает место для своего потомства/родственников, чтобы выжить (потому что тогда ресурсы с меньшей вероятностью ограничат популяцию). Это остановит чрезмерный рост популяции, который может привести к сокращению популяции, и поэтому, умирая раньше, особь повышает вероятность того, что ее потомство выживет. Аргументы в пользу альтруистического жертвоприношения часто трудно продвигать, но недавние работы показывают, что это более правдоподобная модель, чем считалось ранее .

Теории эволюции также предполагают, что старение является адаптивным процессом. Это предполагает, что популяции, состоящие из смеси молодых и старых, имеют предубеждения в отношении того, насколько хорошо адаптированы члены популяции, где более молодые особи адаптированы (поскольку они были произведены совсем недавно, вполне вероятно, что окружающая среда аналогична окружающей среде). среда, в которой им отдается предпочтение). Таким образом, удаляя из популяции менее приспособленных особей в процессе старения и высвобождая ресурсы для более молодых, лучше приспособленных особей, популяция быстрее эволюционирует к своему оптимальному состоянию.

Это очень хороший вопрос.

Существует большая область исследований под названием «эволюция старения/старения», которая занимается этим вопросом. Я не буду давать вам полный обзор различных гипотез, которые могли бы объяснить, почему мы стареем, но вот фундаментальная концепция, которую нужно знать.

Мы предположим, что существует какая-то внешняя смертность, смертность, от которой линия никогда не сможет убежать, и я думаю, что это предположение не так уж трудно удовлетворить. Таким образом, аллель, обладающий возрастным эффектом, например снижение плодовитости в возрасте 3 лет, будет подвергаться более высокому давлению отбора и будет быстрее элиминироваться из популяции, чем другой аллель, вызывающий такое же снижение плодовитости, но в возрасте 4 лет, потому что некоторые особи имели бы умер в возрасте от 3 до 4 лет. Другими словами, естественный отбор более эффективен в более раннем возрасте, чем в более старшем. Теперь представьте у людей аллель, повышающий репродуктивный успех индивидуума в возрасте 20 лет за счет снижения выживаемости в возрасте 78 лет. Этот аллель легко распространяется в популяции.эффект. И эмпирические исследования показали, что существуют аллели, у которых антагонист возрастной антагонист плейотропен.

Короче говоря, именно из-за некоторой внешней смертности естественный отбор действует с разной силой в разном возрасте, позволяя некоторым вредным аллелям в старости закрепляться в популяции, особенно если эти аллели обладают возрастным антагонистическим плейотропным эффектом. В этой книге вы найдете математическую формулировку и более полное обсуждение этого эффекта.

Существуют и другие гипотезы, основанные на наследственном отборе, групповом отборе или балансе мутаций и отбора.

Потому что эволюция касается не индивидуумов, а видов. Для естественного отбора важно не то, как долго вы живете, а то, сколько у вас внуков. Долгая продолжительность жизни может быть эволюционным преимуществом, но, как и любая черта, это преимущество только в той степени, в которой вы можете воспроизводить больше.

Казалось бы, более длительная продолжительность жизни в любом случае была бы выгодна, потому что это давало бы вам больше времени для размножения. Однако по причинам, которые мы еще не до конца понимаем, на практике это, похоже, не работает. Большинство организмов (при условии, что они живут достаточно долго) в конце концов достигают возраста, когда они перестают размножаться. Даже люди делают это, и хотя нам удалось немного увеличить среднюю продолжительность жизни в ходе письменной истории человечества (не говоря уже о предшествующих тысячелетиях), средний возраст, в котором люди перестают размножаться, по-видимому, не изменился. очень много.

Почему бы и нет? Что делает это эволюционным преимуществом перед большим количеством репродуктивных лет? Это одна из тех вещей, которые мы еще не поняли. Существует ряд конкурирующих теорий, и другие ответы здесь относятся к некоторым из них. Но самый прямой способ ответить на ваш вопрос довольно прост: более длительная продолжительность жизни (и/или репродуктивные годы) не дала ни нам, ни нашим детям большего успеха в размножении. Таким образом, нет никакого давления на виды, чтобы они жили дольше, и поэтому этого не происходит.

На самом деле, генетически у животных нет причин продолжать существовать после того, как они произвели потомство.

Если вы посмотрите на лосося, то увидите, что он умирает сразу после размножения, что, вероятно, является наиболее эффективным способом передать лучшие гены следующему поколению.

В случае с млекопитающими им необходимо научить свое потомство, где найти пищу, где найти воду и как избежать опасностей.

В случае людей это происходит в третьем поколении, поэтому большинство людей знают своих родителей, бабушек и дедушек, и даже живут с ними в некоторых культурах, поскольку их опыт и идеи считаются очень важными.

Так что, может быть, вопрос должен быть противоположным, почему мы живем, чтобы видеть, как растут наши внуки?

Если перевести ваш же вопрос на противоположный: почему люди умирают? Почему они не живут вечно, а размножаются? Я могу думать о различных причинах этого. Представьте себе расу, которая живет вечно, и другую расу, у которой много детей в раннем возрасте, а затем они умирают. Теперь представьте заразную болезнь, которая распространяется среди обеих групп населения. Какая раса имеет наибольшую вероятность выживания?

Конечно, раса, которая быстро размножается, имеет больше шансов.

Кроме того, эволюция творит чудеса с расой, которая быстро размножается, а не с расой, живущей вечно. Это означает, что количество лет жизни вида было тщательно «рассчитано» эволюцией.

Эволюция не работала бы, если бы она не стабилизировалась вокруг лучших генов. И это именно то, что происходит с людьми. Большинство людей имеют одинаковые черты: живут примерно одинаковое количество лет и имеют более или менее одинаковые способности, большинство различий почти не имеют значения.

Если взять линию «Эгоистичный ген — Ричард Докинз». Эволюция не заботится об индивидуумах, она заботится о генах. Таким образом, пока гены надежно передаются в будущее, эволюция может делать это с 4 поколениями за 100 лет или со 100 поколениями за 100 лет.

Не существует механизма отбора, который благоприятствовал бы старости.

К тому времени, когда становится очевидным, может ли человек достичь преклонного возраста здоровым, он прекращает всякую репродуктивную деятельность.

И наоборот, люди, заболевшие раком в 45 лет, скорее всего, уже размножались.

В какой-то степени это так; в том, что мы живем дольше, чем наши мышиные предки. Таким образом, возникает вопрос: почему бы не продолжать расширять его до бессмертия.

Суть в том, что эволюция заботится только о выживании ваших генов; поэтому, если вы живете 1000 лет или если 10 поколений вашей семьи имеют 1 индивидуальную ценность ваших генов в каждом поколении (каждое живет в течение 100 лет), это эквивалентно успешно.

Но это предполагает либо, либо то, что организм может размножаться или жить долго, не может ли он делать и то, и другое? В принципе это возможно, но ресурсы конкретной ниши ограничены, поэтому, чтобы избежать массового голода, репродуктивная способность должна снижаться по мере увеличения среднего возраста особей .

Таким образом, это говорит о том, что очень долгоживущие особи не лучше, чем короткоживущие, но, по крайней мере, равны? К сожалению, если рождается меньше новых особей, то скорость эволюции этого вида снижается. Очень долгоживущие виды менее способны реагировать на изменения окружающей среды. Таким образом, в эволюционной шкале времени чрезвычайно долгоживущее животное, вероятно, уступит место более короткоживущим видам.

Конечно, существует естественная точка безубыточности; Превращение человека из младенческого возраста в репродуктивного взрослого требует значительных затрат, поэтому, как только он там появится, имеет смысл оставить его на какое-то время, но не на неопределенный срок.

Я предполагаю, что под более продолжительной жизнью вы подразумеваете более медленное старение, потому что эволюция мало что может сделать, если на человека обрушится гора!

Итак, почему организмы не стареют медленнее или даже лучше, но с нулевой скоростью?

Теория, которую я описываю, основана на теории истории жизни . Теория истории жизни предполагает, что:

1. Ресурсы, доступные любому организму, ограничены,
2. Жизненные процессы, такие как «воспроизведение» и «ремонт и поддержание тела», являются дорогостоящими с точки зрения потребления ресурсов, и ресурсы, направляемые на один жизненный процесс, должны быть направлены в сторону от другого. Следовательно, должен существовать механизм компромисса между различными жизненными процессами.

Основываясь на этих данных, можно сделать вывод, что для данного вида с заданным коэффициентом смертности от внешних причин (причин, помимо старения, например, если вас съели), можно с помощью небольшой математики найти среднюю продолжительность жизни организма, если организм не стареет. Простой…?

Теперь, учитывая, что средняя продолжительность жизни нестареющего вида ограничена, вы действительно думаете, что оптимальной жизненной стратегией вида было бы нулевое старение? Помните, что для того, чтобы не стареть, нужно тратить энергию, и что вся энергия, затраченная на поддержание здоровья, обязательно будет растрачена в виде трупов после смерти организма.

Следовательно, учитывая механизм, посредством которого возможен обмен ресурсами между жизненными процессами, организмы должны инвестировать немного больше в воспроизводство и немного меньше в ремонт и техническое обслуживание? Почему? Только для того, чтобы уменьшить потери ресурсов в виде трупов и увеличить репродуктивный успех, что в конечном итоге и считается!

Так что, действительно, нулевая скорость старения имеет свои недостатки! Было бы более выгодно, если бы организмы старели с фиксированной для вида скоростью.

Теперь пришло время прояснить несколько моментов:

1. Эта теория предполагает, что теория истории жизни верна. Я не говорю: «Привет, это правильная причина старения!» Я говорю: «Это правильная теория старения, если верна теория истории жизни!» Итак, если вы не верите в теорию истории жизни, то займитесь попытками доказать ее ошибочность. Теория, которую я обсуждал, стоит на плече гиганта. С другой стороны, если вы считаете, что теория, которую я обсуждаю, не следует из теории истории жизни, то давайте выслушаем ваш аргумент.
2. Эта теория также предполагает, что старение происходит из-за отсутствия ремонта и обслуживания постоянно возникающих повреждений тела. Особенность этой теории в том, что она предлагает неальтруистический механизм, благодаря которому старение может принести пользу организму. Следовательно, эта теория облегчает нам объяснение того, почему естественный отбор привел к старению, потому что у него есть свои преимущества!

Я нашел эту теорию по этому вопросу SE, где вопрос теперь отложен по сомнительным причинам. Кроме того, в ОП упоминается эта книга « Современная биологическая теория и эксперименты по целибату », что, я думаю, было одной из причин, по которой вопрос был отложен!