衰老与进化的统一:为什么不同物种的寿命差异如此之大?
撰文 | 德鲁·斯蒂尔
翻译 | 张文韬、王曦
问题是,我们如何将衰老与进化统一起来?如果进化就是适者生存,那么衰老这种渐进性的退化过程究竟适应了什么,有什么好处呢?另一个大问题是,为什么衰老这个问题存在着多样性。目前已知寿命最短的成年昆虫是一种蜉蝣,它的雌虫会在5分钟内完成出现、交配、产卵和死亡的一生;而寿命最长的脊椎动物(像我们人类一样有脊椎的动物)是格陵兰鲨,已知年龄最大的雌性估计有 400 岁。为什么老鼠的寿命只有几个月,黑猩猩可以活几十年, 而一些鲸类却可以活几百年?如果衰老是一个生命损耗的过程,为什么不同动物的衰老进程的时间尺度差异如此之大?
衰老的统计学定义
我们首先需要重新定义,究竟什么是我们所说的衰老。我们不会先介绍衰老的生物学定义,而是会尝试从统计学角度来定义衰老:衰老是一种随着时间推移而增加的死亡风险。不管是动物、植物还是其他生命形式,随着年龄增长,它们的死亡风险不断增加,这个过程就是衰老;而某些死亡风险保持不变的特殊生物,如加拉帕戈斯巨龟,则不会衰老。我们清楚地看到,人类年龄每增长 8 岁,死亡风险会增加一倍,这从统计学角度定义了我们的衰老速度。我们可以用这个统计学定义从进化层面来理解衰老。不管是爬上脸庞的皱纹还是增加的心脏病风险,都是随之而来的表象或形式。
有些人习惯用最底层的物理学原理而非生物学过程来解释衰老。“这就是热力学第二定律,熵总是倾向于增加”,换言之,这个世界上的东西都会随着时间推移而变得混乱,最终崩解。然而,这个论点是有缺陷的,因为它忽略了热力学第二定律的一个关键前提:仅适用于封闭系统。如果你与环境隔离,没有物质和能量的交换,那么你能做的努力只有推迟而无法改变自己的命运,最后尘归尘,土归土。但如果你不是孤立的,你就可以从周围环境摄入能量,并利用能量为生命注入新的动力源泉。这听起来可能很深奥,但实际上很简单——因为动物可以通过进食获得能量,植物可以将阳光转化为食物,它们就可以自由使用这种能量进行各种生物和生化过程,回收利用、移除或取代正在退化的关键成分。动物并没有受到过度简化的热力学定律的束缚,反倒是进化出了不可思议的自我修复能力。有些动物,如蝾螈,在失去部分肢体后能够完整地再生。这听起来像聚会上的魔术一样不可思议,但如果我们从微观尺度上看,包括你在内的所有生物体内都时刻发生着这样的现象,只是可能看起来没那么引人注目。当细胞、细胞里的细胞器以及组成它们的分子损坏或分解的时候,我们的身体会及时清除掉这些被破坏的结构,并制造出全新的元件来取代它们。无数的分子机器一刻不停地工作,维持生命体里的各级复杂结构,消除已成为“垃圾”的破损细胞,从而维持机体的完整性。在人体内,这样的过程几十年如一日地持续,永不停息。只要有摄入能量的保障,理论上这种修复行为的效率并不会随着时间的推移而下降。那么,为什么进化不能继续提高这种自我修复的效率,让机体永远完美无缺呢?什么驱动了衰老?
所以,我们现在认为衰老并不是为了整个物种的利益而进行功利主义计算后的高尚举动,它并不是自然选择的目的,而是被自然选择忽略的结果。这种对进化的调控是通过传染病、捕食者或从悬崖上坠落等外在因素引起的死亡风险(可以被统一称为外源性死亡)实现的。与之相对,内源性死亡是动物自身身体出错的结果,比如癌症。20 世纪中叶的进化生物学家意识到了外源性死亡的重要性,这也奠定了我们现在对老龄化如何演变的理解的基础。
让我们拿生活在一个岛上的动物举例。岛上的生活是有风险的,假设每年捕食者和传染病会造成 10% 的外源性死亡率,即每年会有 10% 的动物死亡,那么,这些动物中的 90% 有机会过一岁生日,而 81% 的动物有过第二次生日的机会……但只有35%会活到 10 岁,只有不到 1% 能活到 50 岁。尽管你不太可能找到年纪更老的动物,但在这种情况下仍然没有出现真正意义上的衰老。这是因为我们对衰老的定义是死亡风险随着时间推移而增加,而这里的死亡风险是恒定的 10%。这里的动物不管出生了多久,它们的内源性死亡率都是零。我们总是把进化称为“适者生存”,但进化关注的远不止生存,繁衍更为重要。从进化的角度看,一个生命体的人生清单里只有一件事情:生孩子。动物拥有增强繁衍能力的突变,意味着它们会有更多的孩子,而这些后代也携带着增强繁殖能力的突变。这样经过几代的繁衍,它们会比那些没有突变的动物生更多的孩子,从而逐渐在种群中占据主导地位。让我们再回到前面危险岛屿的例子上,这次我们将考虑动物的繁衍问题。哪怕这些动物终生具有繁殖能力,但到目前为止,大多数繁殖都会在动物年轻的时候进行,因为大多数动物在到达真正生理意义上的衰老之前就已经死亡了。由于繁殖大多在动物年轻时进行,影响动物在老年时期繁殖的因素就没有太大意义了。在动物50岁时将其繁殖能力提高一倍并不会让其获得任何进化优势,因为它可能活不到将其后代数量翻倍的时间。反过来,一个3岁时就获得生殖优势的动物可能在未来 3 年里仍然生存并大量繁殖。这种优势意味着它将拥有更多的后代,这是一种在进化上的巨大优势。生殖能力的提高可能有许多不同的表现形式,比如理论上每胎生出的崽更多、生每一胎的间隔时间更短,有更大的喙去获取更多食物、抚育更多后代,或者拥有更强的生存能力从而生出更多的孩子。不管是哪种形式,在幼年动物身上赋予进化优势带来的影响都是巨大的,因为它们很有可能存活下去,并将这些优势基因传给下一代。相比之下,进化很难影响年长的动物,因为它们预计的存活时间太短,不太可能生育后代传递基因。这才是衰老真正的根本原因——进化无法保持年老动物对环境的适应力,因为它们不太可能生孩子。请记住,上述这一切其实与机体衰老本身是无关的,单纯只是因为外源性死亡因素使得老年动物的数量更少。因此,驱动衰老进化的关键因素竟然是动物因衰老以外的其他风险而死亡,这有点儿违背我们的直觉,但事实恰是如此。
突变积累理论
亨廷顿病是一种由单基因突变引起的神经系统疾病,患者通常在 30~50 岁间出现症状,大概在确诊 15~20 年后死亡。正如前述,史前人类的预期寿命也就在 30~35 岁间。从进化的角度来看,40岁才出现症状、55岁后引发死亡风险的亨廷顿病,对那时的人类寿命并没有太大的影响。在那样一个远离现代文明的时期,30~35岁的人可能早已有了几个孩子,他具有的生殖寿命也已经不长了。即便是在现代社会,亨廷顿病患者在死于这种疾病前也很可能已经生下了自己的孩子。因此,就算亨廷顿病是一种致命的神经疾病,它至今仍然在人类群体以很少的数量遗传下去。
亨廷顿病是单基因突变导致个体在生殖以后的年岁里遭遇非常糟糕的不良效应的例子,可以很好地说明具有致死效应的突变如何在人类群体里意外累积。不过,虽然单基因的例子比较容易说明问题,但在正常衰老进程中,更可能发生的是多个不同基因的累积效应,这些基因可能是单独发挥作用,也可能是打组合拳,在我们完成生殖以后削弱我们的生存概率。一些致命突变在基因库中随机发生,只是让我们先完成繁殖后再发挥终结生命的作用,从而逃脱了进化的自然选择。综合起来,这些被进化忽视的不完美基因,正是让我们衰老的部分过程背后真正的决定性因素。
但是,衰老也不是偶然的随机事件。进化除了对你完成生殖繁衍以后的健康漠不关心外,还会去做一些更残酷的事情:用你未来的健康换取更强的生殖能力。进化可以用奔跑能力、身高、毛发颜色等一切去交换更多的后代。无论是行动更快还是更慢、身高更高还是更矮、外观更灰暗还是更艳丽、寿命更长还是更短,进化都无所谓,只要能提高整体生殖的成功率,进化就会欣然接受。生存与死亡的平衡
无论是生物学里还是神话里的“不死之身”,总是要付出代价的。在生物学中,要长生不老不需要愚昧地对神做出牺牲,而是需要一直维护身体。维护身体需要能量,而增长肌肉以从掠食者口中逃脱,建立免疫系统来对抗疾病,或者更快地性成熟以在死亡前繁衍后代同样需要能量。
“一次性体细胞理论”的观点是能量是有限的,需要在包括生殖和对抗衰老在内的不同任务之间分配。体细胞是生物学家对除卵子和精子等生殖细胞以外的身体细胞的总称。从进化的角度来看,你的身体只是精子这类生殖细胞或后代的容器,这种视角可能会令人沮丧,但目前的主题是:繁殖上的成功等同于进化上的成功。你的体细胞是可以被消耗的,因为你的后代才是最重要的。这意味着,对生殖细胞的关照是头等重要的大事,所以所有生命体都将它们置于能量消耗的最优先层级。目前还不清楚有多少能量被消耗在维护体细胞上。和之前的理论一样,进化真正关心的是你能否坚持到足以把你的基因传递给后代的时候。对比不同动物截然不同的寿命和繁殖策略,能让我们更好地理解上述这些理论如何发挥作用。考虑到进化相关的衰老和外在死亡风险间的密切关系,可以预期那些生活在更危险环境中的动物能够更快、更高效地繁殖,一旦完成繁殖,它们就会快速地步入衰老。
因此,与进化相关的衰老没有那么复杂,生物学家可以松一口气了。生活在危境下的动物逃脱了自然选择对优化后半生的基因的筛选,反而进化出了衰老,这听起来有些讽刺。这里只有一个小问题没有解决:简单地了解上述这些理论让我们感觉,所有物种都应该变老。那么,像加拉帕戈斯巨龟这种对衰老好像不敏感的动物如何解释呢?我们好不容易完成了一个闭环的推理:进化和衰老是可以相容的,那怎么会有不衰老的动物呢?
为什么有些物种几乎不会衰老?
作者/译者简介
作者简介:
安德鲁·斯蒂尔(Andrew Steele),计算机生物学家,物理学博士,伦敦弗朗西斯·克里克研究所研究员。从物理学的研究转向生物学,因为他意识到,人类的终极痛苦来自于衰老,而他想改变这一切。
译者简介:
张文韬,微生物学博士,中国科学院计算机网络信息中心高级工程师。中国科学院官方科普微平台“科学大院”高级主管,中国科学院科普云平台“中国科普博览”资深编辑,长期从事科普内容策划创作、科普平台运营等工作。
王曦,生物化学与分子生物学博士,中国科学院生物物理研究所副研究员。中国科学院青年创新促进会会员,在蛋白质稳态与人类健康领域开展研究工作,曾获第六届中国科普作家协会优秀科普作品奖(青年短篇科普佳作类)银奖。
本文经授权选自《老而不衰的科学》(中信出版社·鹦鹉螺,2023年4月)第二章《衰老问题的由来》,有删节,小标题为编者所加。
本文经授权转载自返朴(ID:fanpu2019),如需二次转载请联系原作者。欢迎转发到朋友圈。
关键词
基因
雌性
后代
物种
能量
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