衰老是如何進化出來的？
唯有經由過程科學 方可熟悉宿世界
撰文 / 閔嘉德（Josh Mitteldorf）
在上一篇文章中，我標的目的大師介紹了一個悖論。比來 20 年，生命科學家發現了一些能加快衰老的基因。這些基因很是古老，在很多動物、植物甚至酵母這樣的單細胞生物中都有發現。同所有的基因一樣，它們也必然是由進化過程選擇和塑造出來的。但進化是一個適者保存的過程，衰老卻使保存走標的目的終結。從這個意義上看，衰老站在了“順應”的背面。那么，為什么進化會選擇自殺的基因呢？什么樣的進化過程會青睞于更短的壽命呢？
為此，科學家提出了一種詮釋：這些“衰老基因”現實上是為了加強滋生力。生命的目標就是復制和擴散。從達爾文的理論出發，我們很輕易理解，加強滋生力的基因是可以或許被進化出來的。或許，衰老與滋生的關系過于慎密，以至于進化無法將它們分手開。又或許，我們稱之為“自殺基因”的，其實應該是“生育基因”，而衰老只是它的副感化，是為了達到最高滋生率而必需支出的價格。
在 20 宿世紀下半葉，這一理論已經變得很是風行。到了 21 宿世紀，科學家們成長出了經由過程增減基因來不雅察它們的功能、并持續追蹤它們表達狀況的手藝。于是，在嘗試室中查驗自殺基因是否真的是喬裝服裝的生育性基因當作為可能。
公然，他們的發現改寫了自殺基因的故事。本來，衰老并不是由某些個體的基因引起的，而是由生命分歧階段中復雜的基因表達模式所引起的。正如那些在胎兒期間幫忙你塑造了身體形態——四肢、胃、肝臟和大腦、在童年期間為你排泄發展激素、在青少年期間為你發生性激素的基因表達模式，別的有一組基因是專為當作年人籌辦的。在生命的晚期，這組基因將會開啟，方針是將我們殺死。它們的合力會引起自體免疫疾病和慢性炎癥，最終導致心臟病和癌癥。同時，預先打算好的細胞凋亡會起頭摧毀健康的肌肉和神經細胞。身體抵御外來侵略的防御機制竟然倒戈相標的目的，起頭進犯我們本身的身體！
作為表不雅遺傳程序的衰老
表不雅遺傳學是一門研究基因表達的科學。也就是說在分歧的時候和地址，若何按照身體的需要，開啟和封閉基因。近幾年，人們正在逐漸告竣共識：同發展和發育一樣，衰老也是一個表不雅遺傳程序。3 年前，加州大學洛杉磯分校的一名計較生物學家編寫了一個計較機程序，可以經由過程闡發哪些基因被開啟來判定一小我的春秋，被稱為“表不雅遺傳的衰老生物鐘”。
那么，事實是不是晉升滋生力的基因模式導致了衰老呢？并不是，除了少許破例之外。一些生育性基因簡直與縮短折命有關，但大體上來說，生育性基因凡是激活于生命的早期，而衰老基因則在好久之后才會開啟。在這點上，女性比男性更為較著。在所有生育力終結之后，女性會迎來一大波自殺基因的啟動。快速發育所需的基因在生命很早期就被啟動，但它們并不常導致癌癥。癌癥更多發生在六七十歲的老年人身上。
于是，我們的故事從自殺基因轉標的目的了自殺表不雅遺傳程序。調控發展和滋生的“年青”基因指令與那些導致炎癥、謀害細胞滅亡的“老年”基因是完全分歧的。是以，盡管我們揭開了一層面紗，但本相依然撲朔迷離。達爾文告訴我們，生命是一場保存與滋生的競賽。很顯然，我們的身體知道若何開啟那些勝利的基因，因為這恰是我們年青時要做的事。那么，為什么當我們老去時，身體味轉而開啟那些掉敗的基因呢？
個別與集體的矛盾
要回覆這個問題，進化生物學家被迫超越個別的視角，轉而檢視那些有利于群體的事。“同類群”(deme）是指一個交配池，也就是統一地區內經由過程交配而共享某些基因的統一種動物。永遠連結健壯的狀況，對個別來說或許是最好的，但對一個同類群來說卻紛歧心猿意馬是功德。假如這樣，年青個別的機遇從何而來呢？本地的情況只能撐持必然數目的種群，是以必需犧牲一些個別，才能包管其他個別的存活。讓年幼的個別與那些體格健壯、發育完全的當作年個別競爭資本和地位是不公允的。一些幼仔或許擁有當作長當作一個更為壯大的競爭者的潛力，但若是它們必需要在年幼力小時和當作年個別競爭，那很可能面對著早早被裁減的命運。這是德國進化生物學家奧古斯特·魏斯曼（August Weismann）在一百多年前就提出的設法。
我們大師都認同，老一代的滅亡對年青一代來說是一個機遇，可以幫忙他們當作長。但從此時起頭，這個問題變得令人猜疑。短期來看，依靠那些久經考驗、已經證實本身順應情況且體魄健旺的當作年個別或許是更好的選擇。但從持久來看，改變是需要的，能標的目的進化中注入新的可能性。然而，我們所說的持久，可能是指許很多多宿世代，進化并不會慮及如斯長久的問題。
年幼的個別與那些體格健壯、發育完全的當作年個別競爭資本和地位是不公允的。對改變的需求會發生衰老嗎？
進化生物學家常說起這樣一個思惟嘗試，并將其作為質疑衰老理論和種群轉變需要性的原因：假設在一個壽命很短的動物種群內，出生了一個攜帶著某單基因突變的個別。這個變異可以使它活得更久，同時不會影響年青時的滋生力。那么，它就在天然選擇的彩票抽獎中握有了更多勝券，而且很可能會生育不止一個兒女。若是這些兒女擔當了親本的這個基因變異，那么它們就會生育更多長命的孫代。一個小小的優勢，就能這樣以指數規模擴散開來。100 代甚至不到 100 代之后，它就能遍布整個種群。
當所有短折的種群當作員都死光之后，這個同類群更新換代的速度就變慢了。年幼個別長大的機遇也變少了，導致進化的過程放慢了腳步。最終，這個同類群會處在一個很是晦氣的地位，因為它無法跟上情況轉變的節拍。但一切已經來不及了，短折的基因早已在該種群中滅盡。
衰老對種群是有利的，因為整個種群將進化得更快。但衰老對個別又是有害的，因為假如個別死得過早，它將基因傳遞到下一代的機遇也隨之削減。近似的思惟嘗試說服了進化生物學家，讓他們相信，風險個別的晦氣身分才是更主要的，因為個別層面上的進化更敏捷，也更有用。更快的進化率對種群整體來說至關主要，但它只在萬萬年的時候標準上有用。而它的結果不會當令呈現的話，也就來不及締造出一個青睞短折的進化偏好。
更為邃密的計較機模子查驗
20 宿世紀 70 年月，計較機起頭在科學界獲得普遍應用。進化生物學家逐漸從思惟嘗試轉標的目的了計較機模子，將本身的推理過程用數學方程表達出來，并成立計較機程序來頻頻測試這些方程，更具體和更客不雅地查驗他們對大天然的直覺是否合理。
科學家用計較機模子來摸索了“衰老可否因對改變的需求而進化出來”這一問題。成果，計較機模擬的成果極大水平上合適科學家們從思惟嘗試中獲得的直覺和預期。成果表白，長命個別所獲得的額外滋生機遇比短折個別所擁有的額外進化機遇更為主要。
早期的一個計較機進化模子是由美國生態學家邁克爾·吉爾平（Michael Gilpin）所開辟，并頒發于 1975 年的一本小書《捕食群落中的群體選擇》(Group Selection in Predator-Prey Communities）上。1975 年的計較機編程和此刻不成同日而語。那時辰吉爾平所利用的計較機擁有的內存只半斤八兩于你口袋中手機內存的百萬分之一。為了編寫一個程序，他需要利用出格的打字機在卡片上打孔，來代表計較機號令。吉爾平是起跑線上的第一人，因為他在黌舍里學的是理論物理學和節制論，所以他很熟悉那些喜怒無常的機械有什么特別要求。
吉爾平的計較機模子旨在研究兩個性狀之間的競爭。此中一個性狀對群體有利，而另一個對個別有利。他證實了若是一個動物群體的滋生速度快于它賴以保存的植物或動物的滋生速度，該群體就會陷入困境。現實上，這是一個很是主要的原則。但吉爾平傳遞的信息過分激進，讓習慣于傳統思維體例的科學家們難以接管。即使到了今天，可能大大都進化生物學家都尚未接管他的不雅點。
個別要順應情況，就要滋生得越快越好。可是，當一個群體的個別都快速滋生時，數目就會增加得過快，這對動物群體來說可能是災難性的。這是因為，與植物分歧，動物依靠于其他物種（動物或植物）供給食物。假如這種動物過于貪心，它們的增加速度就會跨越食物的增加速度。這樣，它們的下一代就會被餓死。是以，個別的超等順應性對群體來說不僅僅是晦氣這么簡單，甚至算得上是滅盡性的危險。
吉爾平的成果傳達了一個主要的信息——動物種群需要確保本身的數目不會比它們賴以保存的食物增加得更快。可是，動物很輕易就能比植物增加得更快，因為它們能吃下很是多的食物，出格是在擁有一個滿滿當當、只待被搜索的食物儲藏庫時。而植物的發展受限于它們捕捉陽光的速度。是以，動物必需限制自身的增加率。
進化論可以或許在三個層面上起感化：個別、群體和生態系統。在個別層面，天然選擇會獎賞那些吃得盡可能多的個別，好讓它們能盡可能快地發生兒女。在群體層面，若是個別滋生得越快，群體的數目也會增加得越快。可是，在生態系統層面，這種捕食者與出產者之間增加率的紛歧致將導致災難性的后果。整個生態系統會在很短的時候內煙消云散。
吉爾平的群體選擇機制比魏斯曼的更快。對整個生態系統的計較機模擬顯示，那些盡快擴張數目的物種不成能構建起一個不變的生態系統。指數級增加會導致該種群如風中之燭般升沉波動，直到整個生態系統解體（這個過程會很快），種群滅盡。只有當消費者種群自我調節、連結數目不變時，生態系統才能連結動態均衡。在真實宿世界中，這一點凡是由領地權來實現：很多鳥類、哺乳動物甚至蟻群城市標識表記標幟出本身的區域，并尊敬其他同類標識表記標幟的領地。
這恰是理解衰老悖論的關頭一環。經由過程天然選擇的調節，動物與本身的兒女分享食物，這樣它們才不會發展或滋生得過快。這使得衰老加倍輕易被進化出來。事實上，衰老可以或許幫忙不變種群，規避將會招致滅盡的“生齒爆炸”。衰宿將滅亡率分布于種群中，而不至于在饑饉之時讓所有個別同時滅亡。衰老只是幫忙種群避免增加得比食物更快的浩繁進化順應現象之一。
2011 年，巴西圣保羅大學的安德烈·馬丁斯（André Martins）頒發了一個連系了吉爾安然平靜魏斯曼二人思惟的計較機模子。在這個模子中，對改變速度的需求（魏斯曼的設法）會選擇出壽命更短的個別。這個模子之所以行得通，是因為間接囊括了吉爾平的設法。該模子去失落了滋生率的身分，是以對更高生育率的競爭就無從發生了。
邁克爾·吉爾平的模子解決了衰老的進化問題。與此同時，它帶來了對很多傳統進化理論的質疑。幾十年以來，理論家們將其理論構建于“天然選擇青睞于更快滋生的動物（像植物一樣）”的假設之上。在吉爾平證實這是錯誤的 40 年后，理論家們終于起頭慢慢接管他的不雅點。
接下來，我們將切磋多條理選擇的科學及其若何改變我們對進化的理解。
本文頒發于《科學宿世界》2018 年 3 期
- 發表于 2019-05-05 21:59
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