Death by Design? Rumlige modeller viser, at naturlig selektion favoriserer genetisk begrænset levetid som en lineær fordel

Abstrakt

Udviklingen af ​​aldring er et grundlæggende spørgsmål i biologi. Mens mange teorier er blevet foreslået, er der stadig ingen konsensus om den ultimative årsag til aldring. En fremtrædende teori er, at aldring er et resultat af naturlig selektion, der favoriserer genetisk begrænset levetid som en lineær fordel. Denne teori hævder, at individer, der lever længere end deres reproduktive bedste alder, oplever et fald i fitness på grund af ophobning af skadelige mutationer, og at dette fald i fitness opvejer eventuelle fordele ved fortsat overlevelse.

For at teste denne teori udviklede vi en rumlig model for naturlig udvælgelse, der eksplicit inkorporerer virkningerne af aldring. Vores model viser, at naturlig selektion under en lang række forhold favoriserer genetisk begrænset levetid som en lineær fordel. Dette resultat er robust over for ændringer i mutationshastigheden, hastigheden af ​​miljøændringer og intensiteten af ​​konkurrence.

Vores resultater giver stærk støtte til teorien om, at aldring er et resultat af naturlig selektion, der favoriserer genetisk begrænset levetid som en lineær fordel. Denne teori har vigtige implikationer for vores forståelse af aldringsbiologien og for udviklingen af ​​interventioner til at forlænge en sund levetid.

Introduktion

Aldring er et universelt fænomen, der påvirker alle levende organismer. Selvom aldringsprocessen er kompleks og ikke fuldt ud forstået, er det klart, at aldring er forbundet med et fald i fysisk og mental funktion og en øget risiko for død.

Udviklingen af ​​aldring er et grundlæggende spørgsmål i biologi. Hvorfor ældes vi? Og hvorfor ældes nogle arter hurtigere end andre? Mange teorier er blevet foreslået for at forklare udviklingen af ​​aldring, men der er stadig ingen konsensus om den ultimative årsag til aldring.

En fremtrædende teori er, at aldring er et resultat af naturlig selektion, der favoriserer genetisk begrænset levetid som en lineær fordel. Denne teori hævder, at individer, der lever længere end deres reproduktive bedste alder, oplever et fald i fitness på grund af ophobning af skadelige mutationer, og at dette fald i fitness opvejer eventuelle fordele ved fortsat overlevelse.

Der er nogle beviser, der understøtter denne teori. For eksempel har undersøgelser vist, at mutationshastigheden stiger med alderen i en række forskellige organismer. Derudover har undersøgelser vist, at personer, der lever længere end deres reproduktive bedste alder, ofte oplever et fald i fertilitet og en øget risiko for sygdom.

Der er dog også nogle udfordringer ved denne teori. For eksempel er det ikke klart, hvorfor naturlig selektion ville favorisere genetisk begrænset levetid hos nogle arter, men ikke hos andre. Derudover er det ikke klart, hvordan genetisk begrænset levetid kunne udvikle sig i lyset af stærk udvælgelse til lang levetid.

For at løse disse udfordringer udviklede vi en rumlig model for naturlig udvælgelse, der eksplicit inkorporerer virkningerne af aldring. Vores model viser, at naturlig selektion under en lang række forhold favoriserer genetisk begrænset levetid som en lineær fordel. Dette resultat er robust over for ændringer i mutationshastigheden, hastigheden af ​​miljøændringer og intensiteten af ​​konkurrence.

Model

Vores model er en rumlig model for naturlig selektion, der er baseret på Moran-processen. I Moran-processen er individer placeret på et gitter og formerer sig ved at føde et enkelt afkom, der erstatter et tilfældigt udvalgt individ. Sandsynligheden for, at et individ formerer sig, er proportional med dets egnethed.

Vi modificerede Moran-processen for at inkorporere virkningerne af aldring. I vores model har individer en genetisk bestemt levetid, der er trukket fra en Weibull-fordeling. Weibull distributionen er en fleksibel distribution, der kan bruges til at modellere en lang række levetider.

Vi inkorporerede også virkningerne af mutation i vores model. Mutationer forekommer med en konstant hastighed og kan ændre et individs levetid. Mutationer, der forlænger levetiden, er gavnlige, mens mutationer, der reducerer levetiden, er skadelige.

Endelig har vi indarbejdet virkningerne af miljøændringer i vores model. Miljøændringer sker med en konstant hastighed og kan ændre individers kondition. Fordelagtige miljøændringer øger konditionen for alle individer, mens skadelige miljøændringer nedsætter konditionen for alle individer.

Resultater

Vi kørte vores model under en lang række forhold. Vi varierede mutationshastigheden, hastigheden af ​​miljøændringer og intensiteten af ​​konkurrence. I alle tilfælde fandt vi, at naturlig selektion favoriserede genetisk begrænset levetid som en lineær fordel.

Nedenstående figur viser resultaterne af en af ​​vores simuleringer. Figuren viser befolkningens gennemsnitlige levetid over tid. Som du kan se, stiger befolkningens gennemsnitlige levetid i første omgang, efterhånden som befolkningen udvikler sig. Men den gennemsnitlige levetid når til sidst et plateau og begynder derefter at falde. Dette fald i middellevetid skyldes ophobning af skadelige mutationer.

[Billede af figuren, der viser befolkningens gennemsnitlige levetid over tid.]

Diskussion

Vores resultater giver stærk støtte til teorien om, at aldring er et resultat af naturlig selektion, der favoriserer genetisk begrænset levetid som en lineær fordel. Denne teori har vigtige implikationer for vores forståelse af aldringsbiologien og for udviklingen af ​​interventioner til at forlænge en sund levetid.

Vores resultater tyder på, at aldring ikke er en uundgåelig konsekvens af livet. Tværtimod er aldring et produkt af naturlig udvælgelse. Det betyder, at det er muligt at udvikle interventioner, der kan bremse eller endda