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博文

和文科生谈进化:衰老之桃花源与秦法政

已有 10510 次阅读 2017-5-18 09:28 |系统分类:科普集锦

小弟我转入衰老学领域已经近十年了。衰老学是个典型的包罗万象的跨学科领域。从微观的分子生物学,生物化学,到中间层的动物生理学,再到宏观的生态学和进化论,很多生物学的分支都可以在其中找到应用。有趣的东西太多,可以科普的东西太多,和老妪有关的东西也太多,但是能讲得老妪能解的东西却不多。好在这一系列是给文科生讲进化论,而衰老的进化理论又恰好是衰老学领域中最容易被外行理解的一部分。今天闲无事,我就在城楼亮一亮琴音吧。  

上次的那篇说兔子和疯子的博文强调了,要理解自然选择,一定要牢牢抓住一个中心----后代的数量。如果你没有后代,哪怕你勇猛无双好似关云之长,足智多谋犹如诸葛之亮,你的这些优质基因也流传不下去,实际上就是被淘汰了。后代(存活)数量多,自然选择就促进你,数量少,自然选择就淘汰你。终极民主数人头,这是个简单至极的道理。

要从进化的角度理解衰老,除了这一个中心之外,还有两个基本点。一个是环境致死率,一个是制衡。制衡是个大题目,从文王演周易一直到史湘云讲阴阳,中国人说了几千年了,这个大题目留到下次慢慢讲。今天只讲这个环境致死率。

两百多年前,人们就开始从进化的角度考虑衰老的问题。十九世纪末著名的进化生物学家魏斯曼(Weismann) 的意见是,老朽的动物不仅没有用,而且占用资源(好个法西斯分子),而资源是有限的,老的不死,人口越来越多,那年轻人怎么发展?所以,老魏认为,衰老是对整个种群有益的。其实现在有很多外行人也有这种想法。

随着越来越多的数据积累,魏斯曼的这个说法渐渐的被人摒弃。主要原因之一是,衰老会导致死亡,可是死亡不一定非得是衰老导致的。除了衰老之外,还有很多环境致死因素,比如毒蛇猛兽,天雷地火,瘟疫饥馑,城管雾霾,等等等等因素都可以调节人口,从而保证资源不被消耗干净。

也就是说,在真实的自然界,衰老并不是调节人口的因素。一个地区的兔子数量没有疯涨,主要原因不是兔子会衰老至死,而是因为有狼。

魏斯曼的假说还有一个致命之处。他是从群体考虑衰老问题的。而自然选择(大多数人都认为)是作用在每个人身上的。什么意思呢?意思就是,你不是说大家都衰老是为了集体吗?好,现在假设有一个基因突变使得某几只动物不衰老了,那么这种老而不死是为贼的家伙们就会繁殖出更多的后代。更多的后代就意味着有更多的动物带有这种不衰老的基因。谬种流传,几代以后,这种不衰老的基因就会大行其道,而衰老的基因的比例就越来越少,用术语说,就是被淘汰了”。这显然是错的。

所以真正的问题是:自然选择,这个看似万能的机制,为什么没有把衰老这个明显对生物有害的东西淘汰掉呢?

这个问题一直到1940年代,才由大名鼎鼎的进化生物学家霍尔丹(Haldane)首先做出一个合情合理的解答。这个霍大侠想到个什么道理呢?那就是,迷踪拳,“随心所欲,顺其自然。哦,不对,那个是万里长城永不倒的霍元甲霍大侠想出来的。这个英裔美国的霍尔丹霍大侠想出来的道理比迷踪拳更简单,别说陈真了,保证连粗人刘振声都能听懂。

霍大侠是从亨廷顿舞蹈症这里得到了启发。这个舞蹈症是个什么症,没有必要细说。大概意思就是,病发之后很可怕,控制不住四肢(像打迷踪拳一样,故名舞蹈症),智力减退,最后因呼吸吞咽困难而死亡。这个病是一个典型的遗传病,病根子就在基因上,而不是由于感染啊,辐射啊,等环境因素引起的。

老霍就想了:此病源于基因,又会致死,那么经过了千千万万代,有这种病的人都应该死绝了啊,为什么在社会上还有这么高的发病率,为什么这基因还会流传下来?用术语来说,就是为什么过了这么久,自然选择还没有把这种病的基因淘汰掉?

人家都说,提出个好问题,就是成功的开始(或一半儿什么的,记不清了)。霍大侠这个问题是典型的例子,因为答案实际上非常简单:这种病的发病年龄大多数都在30-40岁左右。30-40岁就是过了生育年龄了,正常的结婚生子都已经完成了。结婚的时候好好的,生孩子的时候也好好的,等发病死亡的时候,已经把这个基因传给下一代了。一代一代都大抵如此,所以这个病在人群中永远都会存在下去。

亨廷顿症是一个极端的例子。衰老的道理是一样的,只是没有那么极端。衰老,衰老,既然是衰老,就是指“老了以后才衰”,不是“未老先衰”。“老了以后是什麽意思呢?就是你已经有孩子了。那么假设有这么一个衰老基因让你老了以后才衰,那没等你开始,你已经把这个基因传给后代了。所以下一代还要衰老。人世永存,衰老永存,就这么简单。

用术语说就是,在生物年龄大了以后,自然选择的力量就非常弱了,有什么不好的基因表达出来,自然选择没有办法把它淘汰掉。个体会死亡,但是基因会流传下去。很多疾病都是因为这个原因才没有在进化中被淘汰掉。(希特勒搞的优生学正是逆天而行。)

        老霍的理论基本是对的。但是似乎只适用于人类等少数物种。人类有个生育年龄这么一说,过了这个年龄就不生了,而自然界有很多生物是活到老,繁殖到老,生命不息,繁殖不止。如果衰老杀死了这些生物,那么他们的后代数量相应就要减少,后代数量减少就意味着被淘汰。那么在这种“生生不息”的物种身上,自然选择的威力应该不会随着年龄增大而减弱啊?也就是说,既然在这些物种身上,衰老会减少后代数量,那么自然选择应该把“衰老“淘汰出去啊。

受到了霍尔丹的启发,两位生物学界的泰山北斗,梅德瓦(Medawar)和汉密尔顿(Hamilton),在1950-1960年代把这个理论又向前发展了一步,并指出环境致死率是理解衰老的关键基本点。虽然你活到老繁殖到老,但是由于环境致死率,到了后来能存活下来的人越来越少,他们对后代总数的贡献也越来越小,所以这些人衰老不衰老也就没有关系了。

做一点点数学来阐明这一点吧。给美国学生讲这个能把我累死,至少要半个小时,给中国的文科生,争取两段话搞掂吧。

假设有1000头动物,生长到3岁以后,每年每头都能生一个后代,活到20岁自然死亡。由于前面说的蛇虎雾霾,每年20%会死亡(环境致死率)。那么第二年就只有800头剩下,第三年可以生育了,但是只有640头剩下,这640头动物一共生了640头小崽。第四年只有640×0.8=512头剩下,这512生了512个小崽。到了19,不算第二代的小崽,刚开始那1000头动物,就只有14剩下,到了20,就只有11剩下。在这20年中,这开始的1000头,一共生育了3153头小崽子。这个3153就是这个种群的适应度。我在兔子和疯子那篇博文里强调了,所谓适者生存,“适应不适应就是看这个后代数量。

好,假设现在有这么一个衰老基因,由于衰老,这种动物的自然寿命从20年缩短到了,胡乱编一个吧,比如,18年,缩短了2年。但是,这个“衰老基因”真正杀死的就是第19年以后还残存的动物。如果没有衰老,19年和第20出生的小崽的数量是14+11=25。现在,由于衰老,少生了这25头。有什么了不起吗?没什么了不起。本来能生3153头,现在能生3153-25=3128头。也就是说,由于衰老,你的适应度减少了25/3153=0.8%

只有0.8%啊,确实没有什么大不了的。99.2%的第二代都带有这种衰老基因,所以这种衰老基因就没有被自然选择淘汰出去。(对不起,两段话没搞掂,用了三段话。)

说到这儿,我这个话篓子再跑一下题啊。上面讲的这个道理是极其简单的,任何一个经过高考的中国文科生都可以算得出来。我就奇怪为什么从魏斯曼到汉密尔顿这几十年中,居然没有人想到这一点。达尔文的数学很差,这个大家都知道了,他那名著《物种起源》里很多描述都可以翻译成简洁的数学语言,但是他话篓子罗哩叭嗦说了一堆,所以达尔文没有想到,我可以理解。但是,达尔文有个表弟高尔顿,那可是生物统计的开山祖师,为什么老高也没有想到?也许是我孤陋寡闻了。

这个理论有一个极其不得了天才的推论,充分体现出数学理论的重要性。简直和爱因斯坦那个太阳光由于引力会转弯的预测差不多了。人家说那个叽里咕噜探测队要千里跋涉的去爱尔兰还是北极才能测量到太阳光拐弯,而爱因斯坦是掐指一算,就什么什么之中,决测千里之外了。我说这个衰老的理论也有点这么个意思。

什么推论呢?推论就是,环境致死率越高,动物的衰老就越快。这可不是因为环境压力,工作压力,伍子胥过昭关一夜白了头什么的(很多动物研究证明轻微的压力对健康和抗衰老是有好处的)。这个推论的机制在于,环境致死率越高,自然选择就越不在乎你是不是衰老。

一点点数学就说明问题:在刚才的那个例子里,环境致死率是20%,现在假设希拉里赢了大选,恐怖分子更猖獗了,我们把环境致死率升高到40%。这样导致了个什么结果呢?初中生都能算得出来。到了第13年,本来的1000头动物就死的只剩1头了。也就是说,哪怕有个所谓的衰老基因把你的寿命从20年缩短到13年,作为一个群体,你所损失的后代数量也只不过是1头而已。那当然就没有什么关系了,你要衰老就衰老去。

反过来说,在和谐社会,环境致死率为01000头动物,一直到第20年,还都活着并且生育后代。那么如果有个衰老基因会缩短寿命,每缩短一年,就会损失1000个后代。那可是个巨大的损失。所以在和谐社会,比起衰老的快的基因,衰老的慢的就有占有很大的后代优势,而这些后代又都携带衰老的慢的基因。久而久之,衰老的快的基因比例越来越小,就被淘汰出去了。

我之前的一篇博文曾经谈到过,有一个大牛(Austad)曾做过一项很著名的研究证实了这个推论。他的研究对象是美洲负鼠,opossum。这是一种极为丑陋的,在美洲很常见的动物,是噩梦中的生物,邪恶的化身。它比大老鼠大个好几倍,有点像李连杰的《冒险王》里,那种被辐射的老鼠变异。我不幸在路上门口见过一只,至今想起来还发颤。

不怕老鼠的大牛作了个什么工作呢?他研究同一种负鼠的两个群落。一个群落世代生活在一个与大陆隔绝的岛上,4500年前率妻子邑人来此绝境,不复出焉。岛上没有天敌,只有良田美池,桑竹之属,端的是黄发垂髫,并怡然自乐。另一个群落则世代生活在大陆,百代都行秦法政,蛇行鹰扬,天敌众多,环境致死率也就大。

正如我们的理论所预测的,生活在桃花源的老鼠比生活在暴秦统治下的老鼠,衰老的更慢。各项生理指标,包括寿命,都证实了这一点。(当然这个现象也可以从能量分配的角度来讲,暂且按下不表。)

一不小心又写长了。说了这么半天,只谈了一个中心(生育)和一个基本点(环境致死率)。

梅德瓦和汉密尔顿的理论,认真说起来,还是有些问题:虽然衰老只导致或多或少0.8%的生育总量的损失,但是损失毕竟是损失。你每一代都损失0.8%,天长日久,这点儿损失积累下来也是不得了的。那么前面问魏斯曼的问题就又出来了:如果有个基因突变让你不衰老了,你岂非一点儿损失都没有?那么这种老而不死是为贼的基因岂非可以广为流传?

要回答这一点,就必须请出史湘云来讲阴阳了。正所谓,世情推物理,人生贵适意,想人间造物搬兴废。吉藏凶,凶藏吉。日盈昃,月满亏蚀。地下东南,天高西北,天地尚无完体。到头这一身,难逃那一日。百岁光阴,七十者稀。急急流年,滔滔逝水。

吉藏凶,凶藏吉。日盈昃,月满亏蚀。这就是进化衰老理论的第二个基本点制衡,也是小弟我十年浸淫此领域所花时间最多,感受也最多的地方。

不过,急急流年,滔滔逝水,行文至此,天色已晚,必须要吃饭去了。至于制约,只能且听下回分解了。



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