Войти
Исследование эволюции старения стремится объяснить, почему может развиваться такой пагубный процесс, как старение, и почему продолжительность жизни живых организмов так сильно варьируется. Классические теории эволюции (накопление мутаций, антагонистическая плейотропия и одноразовая сома) предполагают, что факторы окружающей среды, такие как хищничество, несчастные случаи, болезни, голод и т. Д., Гарантируют, что большинство организмов, живущих в естественных условиях, не доживут до старости, и поэтому будет очень мало давления, чтобы сохранить генетические изменения, которые увеличивают продолжительность жизни. Вместо этого естественный отбор будет сильно отдавать предпочтение генам, которые обеспечивают раннее созревание и быстрое размножение, а отбор по генетическим признакам, которые способствуют молекулярному и клеточному самоподдержанию, будет снижаться с возрастом для большинства организмов.
Август Вейсманн отвечал за интерпретацию и формализацию механизмов дарвиновской эволюции в современных теоретических рамках. k. В 1889 году он предположил, что старение является частью жизненной программы, позволяющей освободить место для следующего поколения, чтобы поддерживать жизнеспособность, необходимую для эволюции. Идея о том, что характеристика старения была выбрана (адаптация) из-за ее вредного воздействия, в значительной степени игнорировалась на протяжении большей части 20-го века, но теоретическая модель предполагает, что альтруистическое старение может развиваться, если будет небольшая миграция между популяциями. Позже Вейсманн отказался от своей теории, а затем продолжил свою теорию «запрограммированной смерти».
Естественный отбор - это процесс, который позволяет организмам лучше адаптироваться к окружающей среде, это выживание наиболее приспособленных, которые, по прогнозам, производят больше потомства. Естественный отбор воздействует на жизненные черты, чтобы оптимизировать репродуктивный успех и жизнеспособность. Пригодность в этом контексте означает, насколько вероятно, что организм выживет и будет воспроизводиться. Он основан на окружающей среде, а также относительно других людей в популяции. Примеры жизненных черт включают; возраст и размер при первом размножении, размер и количество произведенных потомков, а также период репродуктивной жизни. Организмы вкладывают энергию в рост, воспроизводство и поддержание, следуя определенной схеме, которая меняется на протяжении всей их жизни из-за компромиссов, которые существуют между различными распределениями энергии. Например, инвестиции в воспроизводство в настоящее время по сравнению с будущим производятся за счет другого. Однако естественный отбор не так эффективен для организмов с возрастом. Накопление мутаций (MA) и антагонистическая плейотропия (AP) - два фактора, которые способствуют старению. И MA, и AP способствуют возрастному ухудшению физической формы. Накопление случайных мутированных аллелей зародышевой линии, связанных с возрастом, известно как накопление мутаций. Обратите внимание, что соматические мутации не передаются по наследству, они являются лишь источником вариаций в развитии. Исследования, проведенные на Drosophila melanogaster, показали, что накопление мутаций приводит в действие комбинацию аллелей, которые обладают «возрастными аддитивными эффектами», которые вызывают снижение стрессовой реакции и, в конечном итоге, ухудшение физической формы с возрастом. Число делений зародышевых клеток на поколение варьируется среди клонов и относительно размера генома; для человека; На одно поколение у мужчин происходит 401 деление половых клеток, а у женщин - 31.
Первая современная теория старения млекопитающих была сформулирована Питером Медаваром в 1952 году. Эта теория сформировалась в предыдущее десятилетие с помощью Дж. Б. С. Холдейн и его концепция отборной тени. Развитие человеческой цивилизации сместило избирательную тень, поскольку условия, в которых сейчас живут люди, включают улучшение качества продуктов питания, условий жизни и здравоохранения. Это улучшенное здравоохранение включает современную медицину, такую как антибиотики и новые медицинские технологии. Несколько исследований на Drosophila показали, что возраст проявления новых вредных мутаций определяет их влияние на смертность. Однако в целом; хотя их частота увеличивается, их влияние и вариабельность с возрастом уменьшается.
Не существует теории, объясняющей, как эти вредные мутации влияют на приспособленность в разном возрасте и на эволюцию старения. Их идея заключалась в том, что старение - это вопрос пренебрежения, поскольку природа - место высокой конкуренции. Почти все животные умирают в дикой природе от хищников, болезней или несчастных случаев, что снижает средний возраст смерти. Следовательно, нет особых причин, по которым тело должно оставаться в форме в течение длительного времени, потому что давление отбора является низким для признаков, которые сохраняли бы жизнеспособность после того времени, когда большинство животных все равно бы умерло. Болезни обмена веществ возникают из-за низкого спроса на физическую активность в современной цивилизации по сравнению с тем временем, когда людям приходилось добывать корм в дикой природе для выживания. Теперь, когда избирательная тень сместилась, люди должны иметь дело с этим новым давлением отбора.
Старение считается побочным продуктом физиологии, потому что метаболизм наших клеток создает токсичные продукты, мы получаем мутации с возрастом и у нас недостаточно стволовых клеток, которые регенерируют. Почему отбор не обнаружил и не одобрил мутации, которые позволяют нам, например, регенерировать наши клетки или не производить токсический метаболизм? Почему наступила менопауза? Потому что отбор более эффективен в отношении признаков, которые проявляются в раннем возрасте. Мутации, которые проявляются в раннем возрасте, улучшают приспособленность гораздо больше, чем мутации, проявляющиеся поздно. Большинство людей уже размножаются до того, как проявятся какие-либо болезни; это означает, что родители передадут свои аллели своим потомкам до того, как у них появятся какие-либо проблемы с приспособленностью, и поэтому «слишком поздно» для отбора.
Две теории; неадаптивные и адаптивные, используются для объяснения эволюции старения, то есть снижения воспроизводства с возрастом. Неадаптивная теория предполагает, что эволюционное ухудшение возраста человека происходит в результате накопления вредных мутаций в зародышевой линии. Эти вредные мутации начинают проявляться в конце жизни, к тому времени, когда мы становимся слабыми / шатающимися и уже воспроизводимся, это означает, что Естественный отбор не может воздействовать на них, потому что размножение закончилось. Исследования, проведенные на одной Drosophila melanogaster, показали обратную зависимость между средним оптимальным возрастом зрелости и частотой мутаций на ген. Накопление мутаций влияет на распределение энергии и времени, которые направляются на рост и размножение на протяжении всей жизни организма, особенно в период репродуктивной жизни из-за того, что накопление мутаций ускоряет старение, это означает, что организмы должны достичь оптимального возраста. зрелости в более молодом возрасте, поскольку их репродуктивная продолжительность жизни сокращается из-за накопленных мутаций.
Мутации случаются, и они полностью случайны в зависимости от потребностей в окружающей среде и приспособленности. Мутации могут быть полезными, когда они увеличивают приспособленность организма, нейтральными, когда они не влияют на приспособленность организма, или вредными, когда они отрицательно влияют на приспособленность организма. Ранее проведенные эксперименты показали, что большинство скоплений мутаций вредны, и лишь некоторые из них полезны. Мутации генов, которые взаимодействуют друг с другом в процессе развития, создают биологическое и, следовательно, фенотипическое разнообразие. Мутации - это генетическая информация, которая выражается среди организмов через экспрессию гена, которая представляет собой перевод генетической информации в фенотипический признак. Эволюция - это изменение наследуемого признака в популяции из поколения в поколение, поскольку мутации порождают вариации наследуемых признаков; они считаются сырьем для эволюции. Следовательно, накопление полезных мутаций во время процессов развития может вызвать больше фенотипических вариаций, что увеличивает частоту их генов и влияет на способность фенотипической эволюции.
Теория Медавара подверглась критике и позже получила дальнейшее развитие. Автор Джордж К. Уильямс в 1957 году. Уильямс отметил, что старение может быть причиной многих смертей, даже если животные не «умирают от старости». Он начал свою гипотезу с идеи, что старение может вызвать более раннее старение из-за конкурентного характера жизни. Даже небольшое старение может быть фатальным; следовательно, естественный отбор действительно заботится, и старение не является бесплатным.
В конце концов Уильямс предложил свою собственную гипотезу, названную антагонистической плейотропией. Сама по себе плейотропия означает одну мутацию, которая оказывает множественное влияние на фенотип. С другой стороны, антагонистическая плейотропия имеет дело с одним геном, который создает две черты, одна из которых полезна, а другая - вредна. По сути, это относится к генам, которые приносят пользу в начале жизни, но накапливают стоимость позже. Другими словами, антагонистическая плейотропия - это когда результирующая связь между двумя чертами отрицательна. Это когда один фенотипический признак положительно влияет на текущее воспроизводство за счет ускоренного старения, роста и последующего поддержания. Антагонистическая плейотропия является перманентной, если не происходит мутация, которая изменяет эффекты первичного локуса.
Хотя антагонистическая плейотропия является преобладающей теорией сегодня, это в основном по умолчанию и не было хорошо проверено. Исследования показали, что это верно не для всех генов и может рассматриваться как частичное подтверждение теории, но это противоречит основной посылке: генетические компромиссы являются основной причиной старения.
В экспериментах по селекции Майкл Р. Роуз выбрал плодовых мушек с большой продолжительностью жизни. Основываясь на антагонистической плейотропии, Роуз ожидала, что это обязательно снизит их фертильность. Его команда обнаружила, что они могут разводить мух, которые живут более чем в два раза дольше, чем те, с которыми они начали, но, к их удивлению, долгоживущие инбредные мухи на самом деле откладывают больше яиц, чем недолговечные. Это было еще одной неудачей для теории плейотропии, хотя Роуз утверждает, что это может быть экспериментальный артефакт.
Третья основная теория старения, «» теория одноразовой сомы, предложенный в 1977 г. Томасом Кирквудом, предполагает, что орган должен составлять бюджет имеющихся ресурсов. Организм использует ресурсы, полученные из окружающей среды, для обмена веществ, воспроизводства, ремонта и поддержания, и тело должно идти на компромисс, когда есть ограниченный запас ресурсов. Теория утверждает, что этот компромисс заставляет организм перераспределять энергию для функции восстановления, что приводит к постепенному ухудшению состояния организма с возрастом.
Предостережение этой теории предполагает, что это перераспределение энергии основано на времени, а не на ограничении Ресурсы. Эта концепция фокусируется на эволюционном давлении для воспроизводства в установленный, оптимальный период времени, который продиктован возрастом и экологической нишей. Путь к успеху заключается в распределении времени и энергии на восстановление повреждений на клеточном уровне, что приводит к накоплению повреждений и сокращению продолжительности жизни по сравнению с организмами с более длительным сроком беременности . Эта концепция проистекает из сравнительного анализа стабильности генома в клетках млекопитающих.
Один противоположный аргумент основан на эффекте ограничения калорий (CR), который продемонстрировал увеличение продолжительности жизни. Но не было доказано, что диетические ограничения увеличивают репродуктивный успех (приспособленность) в течение всей жизни, потому что, когда доступность пищи ниже, репродуктивная способность также снижается. Более того, калории - не единственный ресурс, возможно ограниченное снабжение организма, которое может повлиять на многие аспекты физической подготовки.
Так же, как мутации и экспрессия ДНК оказывают фенотипическое воздействие на организмы, повреждение ДНК и накопление мутаций также имеют фенотипические последствия для пожилых людей. Повреждение макромолекул, таких как ДНК, РНК и белки, наряду с ухудшением состояния тканей и органов, являются основой старения. Темпы старения, характерные для конкретных видов, связаны с пагубными изменениями, которые проявляются после репродуктивной фазы. «Митохондриальная ДНК (мтДНК) регулирует клеточный метаболизм, апоптоз и контроль окислительного стресса ». Следовательно, повреждение мтДНК является еще одним фактором, способствующим фенотипам, связанным с старением. Нейродегенерация и рак - два фактора, которые проявляются повреждением ДНК; поэтому нам необходимо понимать изменение связи между повреждением ДНК и репарацией ДНК по мере старения, чтобы знать о возрастных заболеваниях и развивать образ жизни, который, возможно, может способствовать продлению здоровой жизни.
Теория старения с повреждением ДНК постулирует, что повреждение ДНК повсеместно в биологическом мире и является основной причиной старения. Теория основана на идее, что старение происходит с течением времени из-за повреждения ДНК. Например, исследования мозга и мышц млекопитающих показали, что способность к восстановлению ДНК относительно высока на раннем этапе развития, когда клетки делятся митотически, но существенно снижается, когда клетки переходят в постмитотическое состояние.
Эффект снижения проявлением способности к репарации ДНК является увеличение накопления повреждений ДНК. Это нарушает транскрипцию гена и вызывает прогрессирующую потерю клеточных и тканевых функций, определяющих старение. В ответ на повреждение ДНК одним из ответов, запускаемых окислительным стрессом, является активация p53. Белок p53 связывается с ДНК, а затем стимулирует выработку p21, который также известен как ингибитор циклинзависимой киназы 1. Это гарантирует, что клетка не сможет перейти на следующую стадию деления клетки, если только не произойдет повреждение ДНК. отремонтирован. Однако клетки p21 могут запускать апоптоз. Апоптоз или запрограммированная гибель клеток связаны с постепенной деградацией иммунной системы, скелетной мускулатуры и связанными со старением неисправностями.
Крыса-крот. Фотография сделана: Ltshears - Trisha M. Shears. Теория старения теломер Теломеры - это повторяющиеся нуклеотидные последовательности, которые защищают концы нашей хромосомы; они чувствительны к окислительному стрессу и разрушаются во время репликации хромосом. Теломераза - это рибонуклеотидный белок, который помогает восстанавливать и заменять деградированные теломеры. Однако с возрастом теломераза подводит нас; он теряет способность восстанавливать теломеры, и все наше тело начинает разваливаться. Это означает, что наши клетки больше не могут делиться или делиться с ошибками, и это является основой старения. Новое исследование также показало, что существует связь между укорочением теломер и митохондриальной дисфункцией. Тем не менее чрезмерная экспрессия теломеразы увеличивает вероятность рака. Если теломеры продолжают восстанавливаться, у них больше шансов на долголетие, но также больше делений клеток и больше шансов мутации, которая может привести к раку. Следовательно, клетка-долгожитель - это просто бомба замедленного действия. Следовательно, повышение активности теломеразы не является решением проблемы; это только позволяет клеткам жить дольше. Однако голый землекоп обладают высокой теломеразной активностью; они живут долго и никогда не болеют раком; поэтому они являются исключением из этой гипотезы.
Теории, такие как теория «запрограммированной смерти» Вейсмана, предполагают, что ухудшение состояния и смерть из-за старения являются целенаправленным результатом эволюционирующий дизайн организма, и их называют теориями запрограммированного старения или адаптивного старения.
Теория запрограммированного обслуживания, основанная на эволюционируемости, предполагает, что механизмы восстановления контролируются общим механизмом управления, способным определять условия, такие как ограничение калорий, и могут быть ответственны за продолжительность жизни у определенных видов.. В этой теории методы выживания основаны на механизмах управления, а не на индивидуальном механизме поддержания, который вы видите в непрограммируемой теории старения млекопитающих.
Непрограммируемая теория старения млекопитающих утверждает, что разные виды обладают разными способностями к обслуживанию и ремонту. У долгоживущих видов есть множество механизмов компенсации повреждений, вызванных такими причинами, как окисление, укорочение теломер и другие процессы разрушения. Короткоживущие виды, имеющие более ранний возраст половой зрелости, меньше нуждаются в долголетии и, таким образом, не развивают и не сохраняют более эффективные механизмы восстановления. Таким образом, повреждения накапливаются быстрее, что приводит к более ранним проявлениям и более короткой продолжительности жизни. Поскольку существует множество проявлений старения, которые, по-видимому, имеют самые разные причины, вполне вероятно, что существует множество различных функций обслуживания и ремонта.
Избирательная тень - одна из эволюционных теорий старения, основанная на предположении, что отбор индивидуума обычно уменьшается, когда он по существу проходит фазу полового созревания. В результате это образует тень без учета сексуальной пригодности, которая больше не считается индивидуальным возрастом. Это подтверждает идею о том, что сила естественного отбора уменьшается в зависимости от возраста, которую впервые представили Питер Б. Медевар и Дж. Б. С. Холдейн.
«Ключевой концептуальный вывод, позволивший Медавару, Уильямсу и другим разработать эволюционную теорию старения, основан на представлении о том, что сила естественного отбора - мера того, насколько эффективно отбор влияет на выживаемость или выживаемость. плодовитость как функция возраста снижается с возрастом ».
Медевар разработал модель, которая подчеркивает это, показывая снижение выживаемости популяции с возрастом индивидуума, однако скорость воспроизводства остается постоянной. Вероятность воспроизводства обычно достигает пика во время половой зрелости и уменьшается с возрастом индивидуума, в то время как остальная часть населения уменьшается с возрастом, когда они входят в тень отбора. Модель также поддерживает теорию Медеварса о том, что из-за опасных и непредсказуемых условий окружающей среды, таких как болезни, изменения климата и хищники, многие люди умирают вскоре после полового созревания. Следовательно, вероятность того, что человек выживет и пострадает от возрастных эффектов, относительно низка.
Таким же образом отбираются многие полезные мутации, если они оказывают положительное влияние на человека в более позднем возрасте. Например, если полезная или вредная мутация происходит только после репродуктивной фазы индивидуума, то она не повлияет на приспособленность, поэтому ее нельзя отбирать. Впоследствии эти более поздние мутации и эффекты считаются находящимися в «теневой области» отбора ».
Групповой отбор основан на идее что все члены данной группы либо добьются успеха, либо проиграют вместе в зависимости от обстоятельств. С помощью этого механизма генетический дрейф происходит коллективно для всех в группе и отличает их от других групп своего собственного вида. Это отличается от индивидуального отбора, поскольку он фокусируется на группе, а не на отдельном человеке.
Часто также пострепродуктивные особи переходят из поколения в поколение: афалины и киты-лоцманы охраняют своих внуков; существует совместное разведение у некоторых млекопитающих много насекомых и около 200 видов птиц; половые различия в выживаемости антропоидных приматов, как правило, коррелируют с заботой о потомстве; или Efe младенец часто посещают более 10 человек. Ли разработал формальную теорию интеграции s выбор из-за переноса (во всех возрастах) с отбором из-за фертильности.
Эволюционируемость основана на идее, что организм генетически адаптируется к своей нынешней среде.
Скулачев (1997) предположил, что запрограммированное старение помогает процессу эволюции, создавая постепенно увеличивающуюся проблему или препятствие на пути к выживанию и воспроизводству и, следовательно, улучшая выбор полезных характеристик.
Голдсмит (2008) предположил, что, хотя увеличение скорости генерации и скорости эволюции полезно для вида, важно также ограничить продолжительность жизни, чтобы пожилые люди не преобладали в генофонде .
Ян ( 2013) также основана на идее о том, что старение ускоряет накопление новых адаптивных генов в местных популяциях. Однако Ян изменил терминологию «эволюционируемость» на «генетическую креативность» на протяжении всей своей статьи, чтобы облегчить понимание того, как старение может иметь более краткосрочные преимущества, чем подразумевает слово «эволюционируемость».
Ленарт и Вашку (2016) также ссылались на эволюционируемость как на главный механизм, движущий эволюцию старения. Однако они предположили, что даже если фактическая скорость старения может быть адаптацией, само старение неизбежно. Другими словами, эволюция может изменить скорость старения, но какое-то старение, независимо от того, насколько медленно, всегда будет происходить.
Постоянная частота отказов во времени Смертность - это количество смертей в определенной группе за определенный период времени. Существует два типа смертности: внутренняя и внешняя смертность. Считается, что внутренняя смертность является результатом старения, вызванного внутренними факторами, тогда как внешняя смертность является прямым результатом факторов окружающей среды. Примером может служить то, что у летучих мышей меньше хищников, и поэтому у них низкая внешняя смертность. Птицы теплокровны и похожи по размеру на многих мелких млекопитающих, но часто живут в 5–10 раз дольше. У них меньше хищников, чем у наземных млекопитающих, и у них более низкая внешняя смертность.
При изучении зависимости размера тела от продолжительности жизни можно также заметить, что хищные млекопитающие, как правило, живут дольше, чем хищные, в контролируемой среде, такой как зоопарк или заповедник. Объяснение большой продолжительности жизни приматов (таких как люди, обезьяны и обезьяны) по сравнению с размером тела заключается в том, что их интеллект и их собственная смертность будут ниже.
Прогероидные синдромы - это генетические заболевания, связанные с преждевременным старением. Прогероидные синдромы характеризуются признаками, которые напоминают признаки физиологического старения, такие как выпадение волос и сердечно-сосудистые заболевания.
Прогерия - генетическое заболевание с одним геном, вызывающее ускорение многих или большинства симптомов старения в детстве. Это поражает примерно 1 из 4-8 миллионов рождений. Люди, страдающие этим заболеванием, известны неспособностью нормально развиваться и имеют ряд симптомов, вызывающих аномалии в суставах, волосах, коже, глазах и лице. Большинство из них доживают до 13 лет. Хотя термин прогерия применяется, строго говоря, ко всем заболеваниям, характеризующимся симптомами преждевременного старения, и часто используется как таковой, он часто применяется конкретно в отношении синдрома прогерии Хатчинсона-Гилфорда (HGPS).). У детей, у которых диагностирован синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда, появляются заметные черты лица, такие как маленькое лицо, тонкие губы, маленький подбородок и выступающие уши. Хотя прогерия может вызвать физические отклонения у ребенка, она не влияет на его моторику или интеллектуальное развитие. Те, у кого HGPS, склонны к неврологическим и сердечно-сосудистым расстройствам.
Синдром Вернера, также известный как «прогерия у взрослых», является еще одним генетическим заболеванием с одним геном. это вызвано мутацией в гене wrn. Он поражает примерно 1 человека из 200 000 в США. Этот синдром начинает поражать людей в подростковом возрасте, не позволяя подросткам расти в период полового созревания. Существует четыре общих признака синдрома Вернера: катаракта обоих глаз, изменения кожи, подобные склеродермии, низкий рост, а также раннее поседение и выпадение волос. Когда человек достигает двадцати лет, обычно меняется цвет волос, кожа и голос. Средняя продолжительность жизни человека с этим заболеванием составляет около 46 лет. Это состояние также может повлиять на распределение веса между руками, ногами и туловищем. Люди с синдромом Вернера подвержены повышенному риску катаракты, диабета 2 типа, различных типов рака и атеросклероза.
синдрома Блума редко аутосомно-рецессивное заболевание, которое характеризуется низким ростом, хромосомной нестабильностью, предрасположенностью к раку и чувствительностью к солнцу. Люди с синдромом Блума также могут иметь проблемы с обучением и иметь повышенный риск развития хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) и других заболеваний.
Синдром Кокейна - гомозиготная или гетерозиготная мутация, которая приводит к низкому росту и отклонениям в размере головы. и медленный рост и развитие.
Синдром Ротмунда-Томсона - редкое аутосомно-рецессивное заболевание, поражающее кожу. Для него характерны редкие волосы, ювенильная катаракта, аномалии скелета и задержка роста.
Теории старения влияют на попытки понять и найти методы лечения возрастных состояний:
