衰老是如何进化出来的？
唯有经由过程科学 方可熟悉宿世界
撰文 / 闵嘉德（Josh Mitteldorf）
在上一篇文章中，我标的目的大师介绍了一个悖论。比来 20 年，生命科学家发现了一些能加快衰老的基因。这些基因很是古老，在很多动物、植物甚至酵母这样的单细胞生物中都有发现。同所有的基因一样，它们也必然是由进化过程选择和塑造出来的。但进化是一个适者保存的过程，衰老却使保存走标的目的终结。从这个意义上看，衰老站在了“顺应”的背面。那么，为什么进化会选择自杀的基因呢？什么样的进化过程会青睐于更短的寿命呢？
为此，科学家提出了一种诠释：这些“衰老基因”现实上是为了加强滋生力。生命的目标就是复制和扩散。从达尔文的理论出发，我们很轻易理解，加强滋生力的基因是可以或许被进化出来的。或许，衰老与滋生的关系过于慎密，以至于进化无法将它们分手开。又或许，我们称之为“自杀基因”的，其实应该是“生育基因”，而衰老只是它的副感化，是为了达到最高滋生率而必需支出的价格。
在 20 宿世纪下半叶，这一理论已经变得很是风行。到了 21 宿世纪，科学家们成长出了经由过程增减基因来不雅察它们的功能、并持续追踪它们表达状况的手艺。于是，在尝试室中查验自杀基因是否真的是乔装服装的生育性基因当作为可能。
公然，他们的发现改写了自杀基因的故事。本来，衰老并不是由某些个体的基因引起的，而是由生命分歧阶段中复杂的基因表达模式所引起的。正如那些在胎儿期间帮忙你塑造了身体形态——四肢、胃、肝脏和大脑、在童年期间为你排泄发展激素、在青少年期间为你发生性激素的基因表达模式，别的有一组基因是专为当作年人筹办的。在生命的晚期，这组基因将会开启，方针是将我们杀死。它们的合力会引起自体免疫疾病和慢性炎症，最终导致心脏病和癌症。同时，预先打算好的细胞凋亡会起头摧毁健康的肌肉和神经细胞。身体抵御外来侵略的防御机制竟然倒戈相标的目的，起头进犯我们本身的身体！
作为表不雅遗传程序的衰老
表不雅遗传学是一门研究基因表达的科学。也就是说在分歧的时候和地址，若何按照身体的需要，开启和封闭基因。近几年，人们正在逐渐告竣共识：同发展和发育一样，衰老也是一个表不雅遗传程序。3 年前，加州大学洛杉矶分校的一名计较生物学家编写了一个计较机程序，可以经由过程阐发哪些基因被开启来判定一小我的春秋，被称为“表不雅遗传的衰老生物钟”。
那么，事实是不是晋升滋生力的基因模式导致了衰老呢？并不是，除了少许破例之外。一些生育性基因简直与缩短折命有关，但大体上来说，生育性基因凡是激活于生命的早期，而衰老基因则在好久之后才会开启。在这点上，女性比男性更为较着。在所有生育力终结之后，女性会迎来一大波自杀基因的启动。快速发育所需的基因在生命很早期就被启动，但它们并不常导致癌症。癌症更多发生在六七十岁的老年人身上。
于是，我们的故事从自杀基因转标的目的了自杀表不雅遗传程序。调控发展和滋生的“年青”基因指令与那些导致炎症、谋害细胞灭亡的“老年”基因是完全分歧的。是以，尽管我们揭开了一层面纱，但本相依然扑朔迷离。达尔文告诉我们，生命是一场保存与滋生的竞赛。很显然，我们的身体知道若何开启那些胜利的基因，因为这恰是我们年青时要做的事。那么，为什么当我们老去时，身体味转而开启那些掉败的基因呢？
个别与集体的矛盾
要回覆这个问题，进化生物学家被迫超越个别的视角，转而检视那些有利于群体的事。“同类群”(deme）是指一个交配池，也就是统一地区内经由过程交配而共享某些基因的统一种动物。永远连结健壮的状况，对个别来说或许是最好的，但对一个同类群来说却纷歧心猿意马是功德。假如这样，年青个别的机遇从何而来呢？本地的情况只能撑持必然数目的种群，是以必需牺牲一些个别，才能包管其他个别的存活。让年幼的个别与那些体格健壮、发育完全的当作年个别竞争资本和地位是不公允的。一些幼仔或许拥有当作长当作一个更为壮大的竞争者的潜力，但若是它们必需要在年幼力小时和当作年个别竞争，那很可能面对着早早被裁减的命运。这是德国进化生物学家奥古斯特·魏斯曼（August Weismann）在一百多年前就提出的设法。
我们大师都认同，老一代的灭亡对年青一代来说是一个机遇，可以帮忙他们当作长。但从此时起头，这个问题变得令人猜疑。短期来看，依靠那些久经考验、已经证实本身顺应情况且体魄健旺的当作年个别或许是更好的选择。但从持久来看，改变是需要的，能标的目的进化中注入新的可能性。然而，我们所说的持久，可能是指许很多多宿世代，进化并不会虑及如斯长久的问题。
年幼的个别与那些体格健壮、发育完全的当作年个别竞争资本和地位是不公允的。对改变的需求会发生衰老吗？
进化生物学家常说起这样一个思惟尝试，并将其作为质疑衰老理论和种群转变需要性的原因：假设在一个寿命很短的动物种群内，出生了一个携带着某单基因突变的个别。这个变异可以使它活得更久，同时不会影响年青时的滋生力。那么，它就在天然选择的彩票抽奖中握有了更多胜券，而且很可能会生育不止一个儿女。若是这些儿女担当了亲本的这个基因变异，那么它们就会生育更多长命的孙代。一个小小的优势，就能这样以指数规模扩散开来。100 代甚至不到 100 代之后，它就能遍布整个种群。
当所有短折的种群当作员都死光之后，这个同类群更新换代的速度就变慢了。年幼个别长大的机遇也变少了，导致进化的过程放慢了脚步。最终，这个同类群会处在一个很是晦气的地位，因为它无法跟上情况转变的节拍。但一切已经来不及了，短折的基因早已在该种群中灭尽。
衰老对种群是有利的，因为整个种群将进化得更快。但衰老对个别又是有害的，因为假如个别死得过早，它将基因传递到下一代的机遇也随之削减。近似的思惟尝试说服了进化生物学家，让他们相信，风险个别的晦气身分才是更主要的，因为个别层面上的进化更敏捷，也更有用。更快的进化率对种群整体来说至关主要，但它只在万万年的时候标准上有用。而它的结果不会当令呈现的话，也就来不及缔造出一个青睐短折的进化偏好。
更为邃密的计较机模子查验
20 宿世纪 70 年月，计较机起头在科学界获得普遍应用。进化生物学家逐渐从思惟尝试转标的目的了计较机模子，将本身的推理过程用数学方程表达出来，并成立计较机程序来频频测试这些方程，更具体和更客不雅地查验他们对大天然的直觉是否合理。
科学家用计较机模子来摸索了“衰老可否因对改变的需求而进化出来”这一问题。成果，计较机模拟的成果极大水平上合适科学家们从思惟尝试中获得的直觉和预期。成果表白，长命个别所获得的额外滋生机遇比短折个别所拥有的额外进化机遇更为主要。
早期的一个计较机进化模子是由美国生态学家迈克尔·吉尔平（Michael Gilpin）所开辟，并颁发于 1975 年的一本小书《捕食群落中的群体选择》(Group Selection in Predator-Prey Communities）上。1975 年的计较机编程和此刻不成同日而语。那时辰吉尔平所利用的计较机拥有的内存只半斤八两于你口袋中手机内存的百万分之一。为了编写一个程序，他需要利用出格的打字机在卡片上打孔，来代表计较机号令。吉尔平是起跑线上的第一人，因为他在黉舍里学的是理论物理学和节制论，所以他很熟悉那些喜怒无常的机械有什么特别要求。
吉尔平的计较机模子旨在研究两个性状之间的竞争。此中一个性状对群体有利，而另一个对个别有利。他证实了若是一个动物群体的滋生速度快于它赖以保存的植物或动物的滋生速度，该群体就会陷入困境。现实上，这是一个很是主要的原则。但吉尔平传递的信息过分激进，让习惯于传统思维体例的科学家们难以接管。即使到了今天，可能大大都进化生物学家都尚未接管他的不雅点。
个别要顺应情况，就要滋生得越快越好。可是，当一个群体的个别都快速滋生时，数目就会增加得过快，这对动物群体来说可能是灾难性的。这是因为，与植物分歧，动物依靠于其他物种（动物或植物）供给食物。假如这种动物过于贪心，它们的增加速度就会跨越食物的增加速度。这样，它们的下一代就会被饿死。是以，个别的超等顺应性对群体来说不仅仅是晦气这么简单，甚至算得上是灭尽性的危险。
吉尔平的成果传达了一个主要的信息——动物种群需要确保本身的数目不会比它们赖以保存的食物增加得更快。可是，动物很轻易就能比植物增加得更快，因为它们能吃下很是多的食物，出格是在拥有一个满满当当、只待被搜索的食物储藏库时。而植物的发展受限于它们捕捉阳光的速度。是以，动物必需限制自身的增加率。
进化论可以或许在三个层面上起感化：个别、群体和生态系统。在个别层面，天然选择会奖赏那些吃得尽可能多的个别，好让它们能尽可能快地发生儿女。在群体层面，若是个别滋生得越快，群体的数目也会增加得越快。可是，在生态系统层面，这种捕食者与出产者之间增加率的纷歧致将导致灾难性的后果。整个生态系统会在很短的时候内烟消云散。
吉尔平的群体选择机制比魏斯曼的更快。对整个生态系统的计较机模拟显示，那些尽快扩张数目的物种不成能构建起一个不变的生态系统。指数级增加会导致该种群如风中之烛般升沉波动，直到整个生态系统解体（这个过程会很快），种群灭尽。只有当消费者种群自我调节、连结数目不变时，生态系统才能连结动态均衡。在真实宿世界中，这一点凡是由领地权来实现：很多鸟类、哺乳动物甚至蚁群城市标识表记标帜出本身的区域，并尊敬其他同类标识表记标帜的领地。
这恰是理解衰老悖论的关头一环。经由过程天然选择的调节，动物与本身的儿女分享食物，这样它们才不会发展或滋生得过快。这使得衰老加倍轻易被进化出来。事实上，衰老可以或许帮忙不变种群，规避将会招致灭尽的“生齿爆炸”。衰宿将灭亡率分布于种群中，而不至于在饥馑之时让所有个别同时灭亡。衰老只是帮忙种群避免增加得比食物更快的浩繁进化顺应现象之一。
2011 年，巴西圣保罗大学的安德烈·马丁斯（André Martins）颁发了一个连系了吉尔安然平静魏斯曼二人思惟的计较机模子。在这个模子中，对改变速度的需求（魏斯曼的设法）会选择出寿命更短的个别。这个模子之所以行得通，是因为间接囊括了吉尔平的设法。该模子去失落了滋生率的身分，是以对更高生育率的竞争就无从发生了。
迈克尔·吉尔平的模子解决了衰老的进化问题。与此同时，它带来了对很多传统进化理论的质疑。几十年以来，理论家们将其理论构建于“天然选择青睐于更快滋生的动物（像植物一样）”的假设之上。在吉尔平证实这是错误的 40 年后，理论家们终于起头慢慢接管他的不雅点。
接下来，我们将切磋多条理选择的科学及其若何改变我们对进化的理解。
本文颁发于《科学宿世界》2018 年 3 期
- 发表于 2019-05-05 21:59
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