Эволюционное развитие старения — предмет множества исследований и ряда научных теорий, направленных в том числе на объяснение большой разницы продолжительности жизни разных организмов. Из теорий, посвящённых теме, можно выделить теории накопления мутаций (скоростей изменчивости, напрямую зависящих от собственной скорости, э/м волны), антагонистической плейотропии и одноразовой сомыMedawar P.B. (1952). An Unsolved Problem of Biology. Published for the college by H. K. Lewis, London. Они предполагают, что генетические изменения, способствующие долголетию, почти не поддерживаются естественным отбором, потому что в естественных условиях почти не могут проявиться: организмы обычно не доживают до старости из-за факторов окружающей среды (хищники, несчастные случаи, болезни, голод). Вместо этого отбор отдаёт предпочтение генам, обеспечивающим раннее взросление и размножение. Отбор генетических признаков, которые способствуют поддержанию молекул и клеток в работоспособном состоянии, у большинства видов слабеет с возрастом.

Теории и гипотезы

Начало Август Вейсман был ответственен за интерпретацию и формализацию механизмов в рамках теории эволюции Ч. Дарвина. В 1889 году Август выдвинул гипотезу о том, что старение является частью жизненной программы, позволяющей освободить место для следующего поколения с целью поддержания изменчивости необходимой для эволюции. Идея о том, что характеристика старения была адаптирована в связи с её пагубным воздействием, в значительной степени игнорировалась в течение большей части 20-го века, однако его теоретическая модель полагает, что альтруистическое старение может возникнуть, в случае, если между популяциями будет сохраняться небольшая миграция. Чуть позже Вейсман всё же отказался от своей теории и через некоторое время основал новую теорию «запрограммированной смерти».

Естественный отбор — это процесс, позволяющий видам адаптироваться к окружающей среде. Более приспособленные особи оставляют в среднем больше потомков. Естественный отбор на различные признаки организмов приводит к увеличению их репродуктивного успеха и приспособленности. Приспособленность в этом контексте означает вероятность выживания организма и его воспроизводимости. Она различна у разных особей в популяции, а для каждой особи различна в разной окружающей среде. Примеры признаков, на которые может влиять отбор, — возраст и размер при первом размножении, размер и количество произведённых потомков, а также период репродуктивной жизни. Соотношение энергии, которая тратится организмами на рост, размножение и поддержание своих функций, меняется на протяжении их жизни. Размножение может требовать значительных ресурсов, а откладывание размножения сохраняет их. По мере снижения с возрастом репродуктивной активности снижается и эффективность естественного отбора. Накопление мутаций (НМ) и антагонистическая плейотропия (АП) — два фактора, способствующих старению. И НМ, и АП способствуют возрастному снижению приспособленности и пригодности. Накопление случайных, связанных с возрастом мутировавших аллелей зародышевой линии 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 к комбинации аллелей, которые имеют «возрастные аддитивные эффекты», вызывающие снижение реакции на стресс и, в конечном счете, возрастное снижение приспособленности. Число делений зародышевых клеток на поколение варьируется среди клонов и зависит от размера генома; у человека на одно поколение у мужчин происходит 401 деление половых клеток, а у женщин — всего 31.

Накопление мутаций

Линия зародыша Первую современную теорию старения млекопитающих сформулировал Питер Медавар в 1952 году. Данная теория формировалась в предыдущее десятилетие вместе с Дж. Б. С. Холдейном и его концепцией тени отбора. В результате развития человеческой цивилизации люди избавились от тени отбора, поскольку условия, в которых они сейчас живут, включают улучшенное качество продуктов питания, условий жизни и здравоохранения. В частности, улучшенное здравоохранение включает современную медицину, использующую антибиотики и новые медицинские технологии. Несколько исследований на дрозофилах показали, что возраст экспрессии новых вредных мутаций определяет их влияние на смертность. В целом, однако, хотя их частота увеличивается, их эффекты и вариабельность уменьшаются с возрастом.

Не существует теории, объясняющей, как эти вредные мутации могут влиять на приспособленность в разном возрасте и на эволюцию старения. Их идея заключалась в том, что старение — это скорее вопрос пренебрежения, поскольку природа всегда являлась местом крайне высокой конкуренции. Почти все животные умирают в дикой природе от хищников, болезней или несчастных случаев, что может способствовать снижению средней продолжительности жизни. Следовательно, не существует особых причин, по которым тело должно оставаться в форме в течение длительного времени, потому что давление отбора низкое для признаков, которые сохраняли бы жизнеспособность после того времени, когда большинство животных все равно бы умерло. Метаболические заболевания возникают из-за низкой потребности в физической активности в условиях современной цивилизации по сравнению с теми временами, когда людям приходилось добывать пищу в дикой природе для выживания. Теперь, когда селективная тень сместилась, люди должны справляться с новыми селективными проблемами и вызовами

Старение считается побочным продуктом физиологии, поскольку метаболизм наших клеток создает токсичные продукты, мы получаем мутации с возрастом и у нас не хватает регенеративных стволовых клеток. Почему же отбор не нашел мутации, позволяющие нам, например, регенерировать клетки или не производить токсичный метаболизм? Почему развилась менопауза? Потому что отбор более эффективен в отношении признаков, проявляющихся на ранних этапах жизни. Мутации, которые оказывают влияние на ранних стадиях жизни, повышают приспособленность гораздо больше, чем мутации, проявляющиеся поздно. Большинство людей уже размножились до того, как проявилась какая-либо болезнь. Это означает, что родители передадут свои аллели потомству до того, как у них появятся проблемы с приспособленностью, и, следовательно, для отбора будет «слишком поздно».

Две теории: неадаптивные и адаптивные, используются для объяснения эволюции старения, то есть снижения репродуктивной способности с возрастом. Неадаптивная теория предполагает то, что эволюционное ухудшение возраста человека происходит в результате накопления вредных мутаций ещё в зародышевой линии. Данные мутации начинают проявляться ближе к концу жизни, в то время, когда мы уже породили потомство и стали слабее. Это означает, что естественный отбор не может воздействовать на данные особи, поскольку их размножение уже закончилось. Исследования, проведенные на Drosophila melanogaster, показали обратную зависимость между средним оптимальным возрастом зрелости и частотой мутаций на один ген. Накопление мутаций влияет на распределение времени и энергии, направляющихся на рост и размножение в течение всей жизни организма, особенно в период репродуктивной продолжительности, поскольку накопление мутаций может способствовать росту старения. Это означает лишь то, что организмы должны достичь наиболее оптимального возраста зрелости в молодом возрасте, поскольку продолжительность их репродуктивной жизни сокращается в связи с возможным накоплением мутаций.

Мутации происходят совершенно случайно по отношению к потребности в окружающей среде и приспособленности. Они могут быть либо полезными, когда они повышают приспособленность организма, либо нейтральными, когда не влияют на приспособленность организма, либо вредными, когда негативно влияют на приспособленность организма. Ранее проведенные эксперименты показали, что большинство мутаций вредны, и лишь некоторые — полезны. Мутации генов, взаимодействующих друг с другом в процессе развития, создают биологическое и, следовательно, фенотипическое разнообразие. Мутации — это генетическая информация, выражаемая среди организмов посредством экспрессии генов, что представляет собой перевод генетической информации в фенотипический характер. Эволюция — это изменение наследуемого признака в популяции в ряду поколений, поскольку мутации порождают вариации наследуемых признаков, они считаются сырьем для эволюции. Поэтому накопление полезных мутаций в процессе развития может порождать больше фенотипических вариаций, что увеличивает частоту этих генов и влияет на способность фенотипической эволюции.

Соматические клетки Популярной идеей, не получившей значительной экспериментальной поддержки, является представление о том, что мутации в соматических клетках, являются основной причиной старения. У мышей, дефектных по гомологу mutL Pms2, частота мутаций во всех тканях повышена примерно в 100 раз, но старение не происходит быстрее. Эти мыши демонстрируют в основном нормальное развитие и жизнь, за исключением раннего начала канцерогенеза и мужского бесплодия. Хотя зародышевые мутации и могут влиять на течение процесса старения в течение многих поколений (как обсуждалось выше), соматические мутации, происходящие в течение жизни организма, по-видимому, оказывают незначительное влияние на процесс старения, если вообще оказывают.

Антагонистическая плейотропия Теория Медавара была подвергнута критике и позже развита Джорджем К. Уильямсом 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 о том, что старение может привести к более ранней гибели из-за конкурентной природы биоты. Даже небольшая степень старения может быть фатальной, следовательно, естественный отбор действительно влияет на это, и за старение придётся расплачиваться.

В конце концов Уильямс предложил свою собственную гипотезу, назвав её антагонистической плейотропией. Сама по себе плейотропия означает одну мутацию, оказывающую 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, приносящим пользу ещё в раннем возрасте, но накапливающим вредные черты чуть позже. Другими словами, антагонистическая плейотропия — это отрицательность резюмирующей взаимосвязи между двумя чертами, а также условия, в которых один фенотипический признак положительно влияет на текущее воспроизводство за счёт ускоренного старения, роста и последующего поддержания. Антагонистическая плейотропия постоянна, в случае, если не происходит мутация, изменяющая эффекты первичного локуса.

Хоть антагонистическая плейотропия сегодня и является преобладающей теорией, она принимается на веру, и не подвергалась особым проверкам на свою истинность. Исследования показали, что это верно не для всех генов и может рассматриваться как частичное подтверждение теории, но это противоречит основному посылу: генетические компромиссы являются главной причиной старения.

В экспериментах по разведению Майкл Р. Роуз отбирал плодовых мух с долгой продолжительностью жизни. Основываясь на антагонистической плейотропии, Роуз ожидал, что это обязательно снизит их плодовитость. В результате исследования команда выяснила, что они способны разводить мух, которые живут более чем в два раза дольше, чем исходные мухи. Тем не менее, к их удивлению, долгоживущие мухи действительно откладывают больше яиц, чем недолговечные мухи. Это стало ещё одной неудачей для теории плейотропии, хотя Роуз также утверждает, что это может быть лишь особенностью поставленного им эксперимента.

Теория одноразовой сомы