为什么进化没有解决老龄化的低效率问题？

: By 乔丹·彭内尔斯

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为什么进化不能解决衰老的低效问题？ HelgiHalldórsson/ Flickr

生命使生物学的秩序和复杂性与物理学的不断混乱相对立。热力学第二定律，或时间的热力学箭头，指出任何自然系统总是倾向于增加无序。生物老化也不例外，使死亡不可避免。然而，老化问题最少解决的问题之一是进化的优化驱动与身体不可避免的恶化之间的明显矛盾。考虑到我们从单细胞生物进化而来的3.5十亿年，为什么生命不能抵消衰老的低效率？或者更确切地说，在达尔文的进化框架内，老化如何持续存在？

要使进化发生，必须首先进行 遗传变异，由于遗传和环境因素引起的可测量特征（表型），群体内个体之间的差异; 继承权 这些遗传因素从父母到他们的后代; 和 差异繁殖成功，使某些遗传因素表现为个体生存和繁殖的能力（即适应性）。

考虑在这个演化框架中老化。受遗传因素影响，全世界不同个体的寿命存在明显差异，但也受到国家国内生产总值等外部因素的强烈影响。

寿命也是一种遗传性状，由遗传因素引起的个体寿命差异约为23至26％，否则已知作为遗传。此外，有意义的是，延长寿命，或改善生活健康，延长寿命，使您对其他性别更具吸引力，并增加您繁殖成功的可能性。因此，如果这三个进化标准已经满足了长寿的特点，为什么我们不能生活多年？

在1952中，英国生物学家彼得·梅达瓦（Peter Medawar）正式确定了第一个衰老的进化论，称其为衰老论 突变累积模型。该理论依赖于个体获得的突变可以是早期发作或迟发的事实。早期行为突变在个体具有生殖活性的时期表现出来，因此突变所产生的任何影响都将通过自然选择来起作用。然而，自然选择对晚发性突变是“盲目的”。如果再现已经发生，则不能追溯选择在生命后期显现的突变，并传递给下一代。因此，选择的力量随着年龄和生殖衰退而减少。这种现象是已知作为选择阴影。

为什么进化不能解决衰老的低效问题？选择阴影是选择随着年龄和生殖衰退而减少的力量。 资料来源：Fabian和Flatt，2011

这个理论有助于为什么人工饲养动物要比在野外自然体验的动物繁殖要困难。当他们的环境发生变化并且解除生存风险时，例如在人工饲养中，动物可以活到可以表现出累积的迟发性突变的年龄。由于这些小群体中的近亲繁殖导致突变浓度，这种效应被夸大了。保护主义者很难处理这些与年龄相关的疾病的高水平，而这些疾病在野外并未以这种速度出现。类似的现象一直存在观察随着人类神经退行性疾病的兴起，与我们过去一个世纪的寿命急剧增加同时发生。

美国进化生物学家George C Williams在1957中对突变 - 累积模型进行了改进详尽进一步研究早期发作和迟发性突变之间的关系。突变可以具有多种效应，这些效应在不同的组织类型或不同的生命阶段（称为遗传现象）中呈现不同 多效性。当突变对不同生命阶段的适应性具有相反的影响时，例如在早期和晚期，它被称为 拮抗多效性。威廉姆斯假设，如果突变对早年生存和繁殖具有有益作用，但在晚年生活中与衰老相关的负面影响，则选择将作用于早期益处并在群体中丰富这种突变。这种拮抗 - 多效性模型将衰老作为青年时期生存和繁殖选择的适应不良副产品。

因此，确定一些改善生存和繁殖的早期生活特征与年龄相关的疾病进行了渐进的权衡。然而，在1977中，英国生物学家托马斯柯克伍德提出了这个概念 一次性体细胞模型，这建议生存与繁殖之间的进化权衡。柯克伍德认为，在资源有限的环境中，每个人都必须为生存或繁殖预算资源。想一想购买新车时的选择。您可以购买一辆华丽的新款跑车，它在0秒内从100-2.7km / h开始，享受刺激，也许捕捉在这个过程中一些潜在合作伙伴的眼睛。但这辆车价格昂贵，而且汽车的加速度和速度可能不安全。

在整个自然界中观察到相同的生殖成本和风险概念。这些是物种在努力寻找合适的配偶时必须权衡和应对的因素：

搜寻成本：在繁殖荒野中寻找配偶会花费时间和金钱 - 或者，在本质上，它会耗费代谢能量和捕食的风险;
携带/饲养成本：孕育和饲养后代是非常昂贵的，并且增加了父母对捕食的脆弱性;
疾病风险：与配偶的互动可能导致接触驱动的疾病;
交配风险：女性人类遭受家庭暴力的风险高于人类男性，但这些角色可以在性质上发生逆转，某些物种的女性消费了毫无疑问的男性交配后（例如，女性）螳螂在交配后蚕食她的伴侣）。

虽然复制可能代价高昂，但如果你成功，最终证明手段是合理的。但是，当谈到个人采用哪种策略时，环境可能具有重要意义。在一个实验从2004开始，雄性蟋蟀在圈养下饲养，并作为其饮食的一部分喂养低水平至高水平的蛋白质。为了吸引潜在的伴侣，雄性蟋蟀将他们的后腿揉在腹部以产生我们在晚上听到的呼叫。这不仅代谢成本高昂，而且可以提醒他们存在于捕食者身上。饲喂能量丰富的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，再生产是进化行动的焦点。人类进化允许在这种再生窗口之后出现的对健康的迟发性影响，特别是如果它在早期生活中对个体有益。在环境限制的背景下，个人必须有效地分配资源，在繁殖，安全和长期健康之间进行权衡。在努力治愈衰老的过程中，进化医学有可能进一步了解人类疾病产生的原因，并阐明颠覆这种内在生物过程的意外成本。