一个遗传突变除非产生了可见的表型， 否则它不会被自然选择注意到。一个降低青壮年期身体机能的突变可能会导致一个个体被适者生存法则所淘汰， 但一个在老年期导致生物学衰老的突变实际上对自然选择而言是不可见的。 自然选择的效果在生物的一生中逐渐下降： 如果一个突变基因在个体繁殖前就降低了它的生物机能， 突变就不会被传递下去； 但如果一个突变导致个体在繁殖后出现生物学衰老，这就已经太晚了——基因已经被遗传。 因此， 导致生物学衰老的因素可以在演化过程中逐渐积累， 这就是衰老的“突变积累”理论。
身体组织可分为生殖细胞和体细胞。 生殖细胞将基因传递给下一代， 体细胞则在生物死亡后被抛弃。 这成为了汤姆 • 柯克伍德在 1977年提出的“可抛弃体细胞”理论的基础。 这个理论将衰老视为演化适合度的两个方面的一个权衡， 即在生存（生长、 维护和修复体细胞） 与繁殖（产生诸如精子和卵子这样的生殖细胞） 之间的权衡。 柯克伍德的理论认为， 由于像食物这样的生态资源是有限的， 所以代谢产生的能量也是有限的。 因此，生物需要做出经济决策， 在生理过程之间合理分配资源： 在时世艰难时优先考虑生存， 在有额外资源时才考虑奢侈的繁殖。
被编程的寿限
生命的指令都被编码在基因中， 那么死亡也是DNA 编程的吗？ 初看上去， 情况似乎是这样的。 1961 年， 解剖学家莱昂纳德 • 海弗利克发现， 培养在培养皿中的细胞在分裂约 50 次后便会停止， 这在后来被称为“海弗利克极限”。 20 世纪 80 年代， 分子生学家伊丽莎白 • 布莱克本发现端粒（保护染色体末端的 DNA 序列） 在细胞分裂过程中缩短了， 这意味着端粒缩短是细胞“退休”的倒计时器。 动物研究还发现与长寿相关的基因。 比如在 1993 年， 生物老年学家辛西娅 • 凯尼恩确定了一种突变， 它能使线虫的寿限延长一倍。
但就像许多由基因决定的表型一样，生物学衰老也受环境的影响。雌蜂到底会发育成蜂后还是工蜂取决于它在幼虫期所获得的食物， 但蜂后的平均期望寿命为两年， 工蜂则仅为数月， 尽管它们的 DNA 没有区别。 在人类中， 先天和后天的相对贡献可通过比较双胞胎加以度量。 双胞胎拥有几乎等同的基因组， 但很少在同一年离世： 2004 年一项针对超过 2700 对双胞胎的调查发现， 遗传因素仅能解释与年龄相关的病损中的 20%， 剩下 80% 都来源于环境影响。
分子机制
身体的衰老是由细胞“磨损”（比如线粒体 DNA 因应激和突变而导致蛋白质折叠错误） 的不断积累导致的。 比如， 呼吸作用产生的“自由基”（具有很强反应性的氧） 会从突变的线粒体中泄漏出来， 与细胞质中的分子发生反应。 尽管维护和修复系统能够帮助阻止细胞的生物学衰老， 但随着时间推移，它们的性能会下降。 1992 年， 亚历山大 • 比尔克勒测量了 13 种不同哺乳动物细胞中的一种 DNA 修复酶（PARP1） 的活性， 结果发现酶的活性与一个物种的最高寿限之间的关系： 在极端情况下， 人类的 PARP1 活性是只能活三四年的大鼠的五倍。
所以我们为什么会变老？ 维护和修复细胞需要消耗能量， 因而根据“可抛弃体细胞”理论，生物学衰老是在繁殖与生存之间分配资源的一种权衡结果。 这帮助解释了为什么限食（食物提供的总热量在实际需要量以下， 而蛋白质等必需营养素供给充足） 能够延长寿限， 因为当食物缺乏时， 生存就成为优先事项。 这也契合了老年学家琳达 • 帕特里奇的研究结果， 她发现通过胰岛素和“胰岛素样生长因子”传递的信号能够感知营养物质， 并调节诸如生长和代谢这样的过程。 生物不需要使身体始终保持完美状态， 只需要保持足够良好能够生存到生育期即可， 而后者决定了它们的生命史： 在野外， 超过 90% 的小鼠会在出生后一年内死亡， 所以三年的寿限已经超出了它们繁殖所需的时间。现如今，现代医学和技术能够保护人类对抗诸如疾病和捕食者等外因，所以我们大多死于内因。而人类忧虑衰老，单纯是因为我们活得足够长久能够体验到它。
本文出品“科学大院”公众号（kexuedayuan），转载请注明公众号出处。
“科学大院”是中国科学院官方科普平台，致力于前沿、权威、有趣、有料。由中国科学院科学传播局联合主办、中国科普博览运营。更多合作与科学大院工作组cas@cnic.cn联系。返回搜狐，查看更多