生命中不斷重復(fù)的出生和死亡循環(huán)是自然界最基本的原則之一。有機體開始時是一個生長和分裂的單個細(xì)胞，發(fā)育成胚胎，成熟并到達成年期，但隨后老化，惡化，最終屈服于死亡。

但為什么生命必須是循環(huán)的，為什么它必須以衰老和死亡結(jié)束?

畢竟，像珊瑚和海綿一樣的動物可以活幾千年，幾乎可以無限再生和細(xì)胞修復(fù)。即使在更復(fù)雜的動物中，后代也不會繼承父母的年齡：每一代新生代都是從處于原始狀態(tài)的細(xì)胞開始，沒有任何衰老跡象。如果在生殖細(xì)胞中以某種方式抑制衰老，為什么生物體組織的其余部分最終會惡化和死亡?

不朽的種系 - 一次性身體

19世紀(jì)末，德國生物學(xué)家August Weismann意識到復(fù)雜生物由兩種細(xì)胞類型組成：“永生”種系 - 永生細(xì)胞，產(chǎn)生精子和卵子 - 以及“一次性”體細(xì)胞形成身體的其余部分。

種系細(xì)胞形成從受精卵開始到生殖新生殖細(xì)胞的譜系，保留遺傳信息并將其轉(zhuǎn)移到后代。另一方面，Soma沒有貢獻遺傳物質(zhì)，只是形成了一個在繁殖后被丟棄的保護殼。

Weismann設(shè)想了一種簡單的生物模型，它具有種系和體細(xì)胞之間的嚴(yán)格分離 - 所謂的Weismann屏障 - 其中沒有由體細(xì)胞獲得的與年齡相關(guān)的惡化可以通過種系傳遞給下一代，其總是天生的。

最近，托馬斯柯克伍德在他的“一次性軀體”衰老理論中對魏斯曼的想法進行了徹底改革。受到Medawar和Williams思想的啟發(fā)，Kirkwood認(rèn)為自然選擇的力量隨著年齡的增長而下降，因為自然環(huán)境中的大多數(shù)生物由于捕食者，寄生蟲和饑餓等外部危害而死亡。

同時，生物體必須將資源投入生殖努力以及維持和修復(fù)其體細(xì)胞。但由于外部威脅幸存的可能性隨著時間的推移而下降，因此最佳策略是隨著時間的推移將越來越少的資源分配到體細(xì)胞維護中。在生命周期的后期缺乏細(xì)胞修復(fù)導(dǎo)致功能的逐漸喪失和逐漸衰老衰老。

至關(guān)重要的是，柯克伍德意識到他的“一次性體細(xì)胞”理論只有在種系和體細(xì)胞之間存在嚴(yán)格的區(qū)別時才有效。Weismann屏障受到侵害的生物 - 如果體細(xì)胞也用于繁殖，例如 - 不應(yīng)該老化。

事實上，現(xiàn)實世界的畫面比Weismann的模型預(yù)測的要復(fù)雜得多。

在哺乳動物，鳥類和昆蟲等復(fù)雜動物中，Weismann對剛性種系 - 體細(xì)胞區(qū)分的假設(shè)是正確的：成年人中只有相對較小的一組細(xì)胞保留了生殖潛能，而其余細(xì)胞則不可逆轉(zhuǎn)地分化為體細(xì)胞組織細(xì)胞 - 肝臟，皮膚，肌肉 - 不能產(chǎn)生新的有機體。

但是，在這個王國最古老的成員中，情況并非如此，例如水,,珊瑚和海綿。即使在它們的成體形式中，這些生物也維持著大量的通用干細(xì)胞，它們可以產(chǎn)生體細(xì)胞和生殖細(xì)胞，即種系和體細(xì)胞從未真正分離。缺乏種系隔離使珊瑚及其親屬具有再生和植物性植物繁殖的力量。

同樣令人印象深刻的是動物壽命的變化和衰老的速度。

大約70多年的典型人類預(yù)期壽命遠遠長于家鼠的2年壽命特征，但人類與生活數(shù)千年而沒有衰老跡象的珊瑚群落不相稱。沒有年齡的生物體存在于按時間順序排列的老年人和年輕人基本相同的狀態(tài)，通用干細(xì)胞群不斷更新其體細(xì)胞和生殖組織。

Weismann屏障似乎是復(fù)雜生物的一種相對較新的創(chuàng)新，與體細(xì)胞老化和死亡一起發(fā)展，而不是對所有動物具有普遍性。驅(qū)動種系和體細(xì)胞分離的進化的原因尚不清楚，但答案也將闡明復(fù)雜動物死亡的起因。

衰老演變背后的細(xì)胞能量學(xué)

有跡象表明，種系和凡人體細(xì)胞的進化與細(xì)胞能量學(xué)有關(guān)。

動物細(xì)胞通過其線粒體中的呼吸產(chǎn)生能量 - 細(xì)菌來源的細(xì)胞器保留了它們自己的微小基因組，與細(xì)胞核內(nèi)的染色體不同。每個細(xì)胞含有數(shù)十和數(shù)百個線粒體，每個線粒體都有幾個DNA分子。這種微小的基因組調(diào)節(jié)線粒體功能;其完整性對細(xì)胞呼吸至關(guān)重要，因為有缺陷的線粒體基因常導(dǎo)致衰弱性疾病，神經(jīng)肌肉退化和早逝。

線粒體基因缺陷的很大一部分來自不精確DNA復(fù)制中的隨機復(fù)制錯誤。隨著發(fā)育中生物細(xì)胞的分裂，它們的線粒體也會復(fù)制，每次都會引入新的DNA突變。

在我們最近的PLOS生物學(xué)文章中，我們發(fā)現(xiàn)在具有快速線粒體缺陷積累的生物體中，自然選擇有利于分離具有較少數(shù)量的細(xì)胞復(fù)制周期的種系的分離，因為它最小化對可能產(chǎn)生能量的細(xì)胞器的損害。傳遞給下一代。然而，如果誤差累積的速度很慢，那么嚴(yán)格的種系 - 體細(xì)胞屏障就不應(yīng)該發(fā)展。

因此，我們的模型表明，導(dǎo)致衰老和死亡的“一次性”體細(xì)胞已經(jīng)發(fā)展成為維持具有多種組織和高能量需求的復(fù)雜生物體中線粒體質(zhì)量的策略，其中線粒體缺陷相對快速地積累。

DNA復(fù)制錯誤產(chǎn)生的頻率(突變率)在動物群體中不同，但這種變化與新假設(shè)的預(yù)測非常一致。

高等動物如哺乳動物，爬行動物和鳥類的突變率非常高，是細(xì)胞核基因典型錯誤累積率的10-50倍。另一方面，極其緩慢的線粒體突變率是最古老的動物群和植物的特征，其能夠克隆繁殖，再生和看似無限的壽命，并且嚴(yán)格地說，種系和體細(xì)胞之間沒有嚴(yán)格的區(qū)別。

我們相信，最早進化的動物的發(fā)育和繁殖很像現(xiàn)代珊瑚和海綿一樣：它們是固著的濾食動物，大量的未分化干細(xì)胞不斷產(chǎn)生體細(xì)胞和生殖細(xì)胞，它們可以再生它們的身體部位和例如，通過將細(xì)胞群與其體細(xì)胞組織(例如植物和水蛭)分開來克隆繁殖。

由于線粒體突變率低，它們沒有真正的體細(xì)胞，幾乎是不朽的。

但是，大約5.5億年前埃迪卡拉和寒武紀(jì)時期邊界的大氣氧含量上升，增加了一些原始動物譜系的代謝和體力活動，并誘導(dǎo)了從無柄濾食到高活力和捕食的轉(zhuǎn)變。這必然增加了線粒體基因組中缺陷積累的風(fēng)險，并推動了隱蔽和受保護的種系細(xì)胞的進化。

種系和體細(xì)胞的分離使得高等動物的復(fù)雜性變得復(fù)雜，但也標(biāo)志著衰老和死亡的起源。

不再需要保持永生，體細(xì)胞獲得了幾乎不受限制的分化成高度特化的組織(如腸，腦或皮膚)的能力。

順便提一下，埃迪卡拉末端大氣氧含量的增加與化石記錄中突然出現(xiàn)的各種復(fù)雜的動物身體計劃相吻合 - 即所謂的寒武紀(jì)爆發(fā)，據(jù)信這引起了大多數(shù)現(xiàn)代復(fù)雜的動物類。

線粒體突變率增加的結(jié)果是，種系和體細(xì)胞的嚴(yán)格韋斯曼分離使得高等動物的復(fù)雜性變得復(fù)雜，但也標(biāo)志著衰老和死亡的起源。

只有在復(fù)雜的動物中，我們才能看到具有高能量需求的一次性組織，這些組織會積累高水平的線粒體缺陷但不再更新或再生。例如，人類大腦中的神經(jīng)細(xì)胞通常是第一個受線粒體疾病影響的細(xì)胞，但通常不會被替換，因為這會改變最終導(dǎo)致我們記憶，個性和智力的突觸連接網(wǎng)絡(luò)。

動物的復(fù)雜性，強烈的體細(xì)胞分化成許多類型的特殊組織和器官，甚至意識都是通過嚴(yán)格的種系 - 體細(xì)胞二分法實現(xiàn)的，因此與死亡率有著內(nèi)在的聯(lián)系。

長壽一直是人類的追求，盡管我們的預(yù)期壽命目前正在上升，但可能存在的限制 - 永生可能與具有高能量生活方式的動物的生物復(fù)雜性根本不相容。