Теория накопления мутаций
Теория старения, связанная с накоплением мутаций, была впервые предложена Питером Медаваром в 1952 году как эволюционное объяснение биологического старения и связанного с ним снижения приспособленности, которое сопровождает его. [ 1 ] Медавар использовал термин « старение » для обозначения этого процесса. Теория объясняет, что в случае, когда вредные мутации проявляются только в более позднем возрасте, когда размножение прекратилось и будущее выживание становится все более маловероятным, эти мутации, скорее всего, будут неосознанно переданы будущим поколениям. [ 2 ] В этой ситуации сила естественного отбора будет слабой и недостаточной для последовательного устранения этих мутаций. Медавар предположил, что со временем эти мутации будут накапливаться из-за генетического дрейфа и приведут к эволюции того, что сейчас называют старением.
Предыстория и история
[ редактировать ]Несмотря на завершение Чарльзом Дарвином своей теории биологической эволюции в XIX веке, современная логическая основа эволюционных теорий старения появилась лишь почти столетие спустя. Хотя Август Вейсман действительно предложил свою теорию запрограммированной смерти, она была встречена критикой и так и не привлекла внимания широкой публики. [ 3 ] Лишь в 1930 году Рональд Фишер впервые заметил концептуальное понимание, которое побудило развитие современных теорий старения. Эта концепция, а именно, что сила естественного отбора на индивидуума уменьшается с возрастом, была дополнительно проанализирована Дж. Б. С. Холдейном , который предложил ее как объяснение относительно высокой распространенности болезни Хантингтона, несмотря на аутосомно-доминантный характер мутации. В частности, поскольку болезнь Хантингтона проявляется только после 30 лет, сила естественного отбора против нее была бы относительно низкой в досовременных обществах. [ 2 ] Именно на основе идей Фишера и Холдейна Питер Медавар смог разработать первую полную модель, объясняющую, почему происходит старение, которую он представил в лекции в 1951 году, а затем опубликовал в 1952 году. [ 1 ]
Механизм действия
[ редактировать ]
Почти во всех популяциях вероятность того, что человек будет воспроизводить потомство, напрямую связана с его возрастом. [ 1 ] Начиная с 0 при рождении, вероятность увеличивается до максимума в молодом возрасте после достижения половой зрелости, а затем постепенно снижается с возрастом. Это снижение вызвано растущей вероятностью смерти из-за внешнего давления, такого как хищничество или болезнь, а также внутреннего давления, свойственного организмам, испытывающим старение. В таких случаях вредные мутации, которые проявляются на ранних стадиях, подвергаются строгому отбору из-за их значительного влияния на количество потомков, производимых этим индивидуумом. [ 3 ] Мутации, которые появляются позже в жизни, напротив, относительно не подвержены воздействию давления отбора, поскольку их носители уже передали свои гены, предполагая, что они выживут достаточно долго, чтобы мутация вообще могла проявиться. Результатом, как предсказывал Медавар, является то, что вредные мутации в позднем возрасте будут накапливаться и приводить к эволюции старения, как ее называют в просторечии. [ 2 ] Эта концепция графически изображается Медаваром через концепцию « тени выбора ». Заштрихованная область представляет собой «тень» времени, в течение которого селективное давление не оказывает никакого эффекта. [ 4 ] Мутации, выраженные в пределах этой тени отбора, будут сохраняться до тех пор, пока репродуктивная вероятность в этом возрастном диапазоне остается низкой.
Доказательства, подтверждающие теорию накопления мутаций
[ редактировать ]Хищничество и замедленное старение
[ редактировать ]В популяциях, где внешняя смертность низка, снижение репродуктивной вероятности после половозрелости менее серьезное, чем в других случаях. Таким образом, теория накопления мутаций предсказывает, что в таких популяциях будет развиваться замедленное старение. [ 5 ] Один из таких примеров этого сценария можно увидеть при сравнении птиц с организмами эквивалентного размера. Было высказано предположение, что их способность летать и, следовательно, более низкий относительный риск нападения хищников является причиной их более продолжительной, чем ожидалось, продолжительности жизни. [ 6 ] Вывод о том, что полет и, следовательно, снижение хищничества, увеличивает продолжительность жизни, подтверждается еще и тем фактом, что летучие мыши живут в среднем в 3 раза дольше, чем млекопитающие такого же размера с сопоставимой скоростью метаболизма. [ 7 ] Если предоставить дополнительные доказательства, то известно, что популяции насекомых испытывают очень высокий уровень внешней смертности, и поэтому ожидается, что они будут испытывать быстрое старение и короткую продолжительность жизни. Однако исключением из этого правила является долголетие эусоциальных маток насекомых. Как и ожидалось при применении теории накопления мутаций, укоренившиеся королевы почти не подвергаются риску нападения хищников или других форм внешней смертности и, следовательно, стареют гораздо медленнее, чем другие представители их вида. [ 8 ]
Возрастной репродуктивный успех Drosophila Melanogaster
[ редактировать ]В интересах поиска конкретных доказательств теории накопления мутаций, отличных от тех, которые также поддерживают аналогичную гипотезу антагонистической плейотропии, был проведен эксперимент, включающий разведение последовательных поколений Drosophila Melanogaster . Генетические модели предсказывают, что в случае накопления мутаций элементы приспособленности, такие как репродуктивный успех и выживаемость, будут демонстрировать связанное с возрастом увеличение доминирования , гомозиготной генетической вариативности и аддитивной вариативности. Инбредная депрессия также будет усиливаться с возрастом. Это связано с тем, что эти переменные пропорциональны равновесным частотам вредных аллелей, которые, как ожидается, будут увеличиваться с возрастом при накоплении мутаций, но не в соответствии с гипотезой антагонистической плейотропии. Это было проверено экспериментально путем измерения репродуктивного успеха в зависимости от возраста у 100 различных генотипов Drosophila Melanogaster, и результаты в конечном итоге подтвердили теорию старения, основанную на накоплении мутаций. [ 9 ]
Критика теории накопления мутаций
[ редактировать ]Согласно большинству предположений, теория накопления мутаций предсказывает, что уровень смертности достигнет почти 100% вскоре после достижения пострепродуктивного возраста. [ 10 ] Однако экспериментальные популяции Drosophila Melanogaster и других организмов демонстрируют возрастные показатели смертности, которые стабилизируются задолго до достижения 100%, что делает накопление мутаций само по себе недостаточным объяснением. Вместо этого предполагается, что накопление мутаций является лишь одним из многих факторов, которые вместе образуют причину старения. В частности, считается, что теория накопления мутаций, гипотеза антагонистической плейотропии и теория старения одноразовой сомы каким-то образом способствуют старению. [ 11 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Медавар, Питер Брайан (1952). Нерешенная проблема биологии . Лондон: HK Lewis & Co. Ltd.
- ^ Перейти обратно: а б с Фабиан, Дэниел (2011). «Эволюция старения». Знания о природном образовании . 3 : 1–10.
- ^ Перейти обратно: а б Гаврилов Леонид А.; Гаврилова, Наталья С. (2002). «Эволюционные теории старения и долголетия» . Научный мировой журнал . 2 : 339–356. дои : 10.1100/tsw.2002.96 . ISSN 1537-744X . ПМК 6009642 . ПМИД 12806021 .
- ^ Флэтт, Томас; Шмидт, Пол С. (2009). «Интеграция эволюционной и молекулярной генетики старения» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . 1790 (10): 951–962. дои : 10.1016/j.bbagen.2009.07.010 . ISSN 0304-4165 . ПМЦ 2972575 . ПМИД 19619612 .
- ^ Хьюз, Кимберли А.; Рейнольдс, Роуз М. (2005). «Эволюционные и механистические теории старения». Ежегодный обзор энтомологии . 50 (1): 421–445. дои : 10.1146/annurev.ento.50.071803.130409 . ISSN 0066-4170 . ПМИД 15355246 .
- ^ ХОЛМС, ДОННА Дж.; ОСТАД, СТИВЕН Н. (1995). «Эволюция закономерностей старения птиц: значение для понимания процессов первичного старения» . Американский зоолог . 35 (4): 307–317. дои : 10.1093/icb/35.4.307 . ISSN 0003-1569 .
- ^ Остад, СН; Фишер, К.Э. (1 марта 1991 г.). «Старение, обмен веществ и экология млекопитающих: данные о летучих мышах и сумчатых». Журнал геронтологии . 46 (2): Б47–Б53. дои : 10.1093/geronj/46.2.b47 . ISSN 0022-1422 . ПМИД 1997563 .
- ^ Келлер, Лоран; Жену, Мишель (октябрь 1997 г.). «Необычайная продолжительность жизни муравьев: проверка эволюционных теорий старения» . Природа . 389 (6654): 958–960. Бибкод : 1997Natur.389..958K . дои : 10.1038/40130 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4423161 .
- ^ Хьюз, К.А., Алипас, Дж.А., Дрневич, Дж.М., и Рейнольдс, РМ (2002). Проверка эволюционных теорий старения. Труды Национальной академии наук , 99 (22), 14286-14291.
- ^ Плетчер, Скотт Д.; Куртсингер, Джеймс В. (апрель 1998 г.). «Плато смертности и эволюция старения: почему уровень смертности в старости такой низкий?». Эволюция . 52 (2): 454–464. дои : 10.2307/2411081 . ISSN 0014-3820 . JSTOR 2411081 . ПМИД 28568338 .
- ^ Ле Бур, Эрик (8 февраля 2001 г.). «Мини-обзор эволюционных теорий старения» . Демографические исследования . 4 : 1–28. дои : 10.4054/demres.2001.4.1 . ISSN 1435-9871 .
