L'unità di invecchiamento ed evoluzione: perché la durata della vita varia così tanto tra le specie?

Possiamo comprendere l'invecchiamento da una prospettiva evolutiva per spiegare la seguente domanda: se l'evoluzione è la sopravvivenza del più adatto, allora a cosa si adatta esattamente il processo di degenerazione graduale dell'invecchiamento e quali benefici ha? Perché c'è così tanta diversità nell'invecchiamento? Attualmente esistono diverse teorie che possono spiegarne le ragioni, come la teoria dell'accumulo di mutazioni e la teoria della pleiotropia antagonista, ma non esiste un'ipotesi universale nella biologia reale. L'invecchiamento è più simile a una svista evolutiva, con meccanismi diversi alla base.

Scritto da Drew Steele

Traduzioni | Zhang Wentao e Wang Xi

L'invecchiamento ci affligge fin dall'inizio della storia umana. L'invecchiamento lo troviamo (quasi) ovunque. Dai mammiferi come noi agli insetti, alle piante e persino agli organismi unicellulari come il lievito, tutti invecchiano. L'invecchiamento sembra essere un processo degenerativo universale negli organismi viventi. Ciò non sorprende: al di fuori della biologia, con il tempo le macchine si usurano e gli edifici si rompono. Perché la vita può esserne immune?

La domanda è: come possiamo conciliare invecchiamento ed evoluzione?

Se l'evoluzione significa sopravvivenza del più adatto, allora a cosa si adatta esattamente il graduale processo degenerativo dell'invecchiamento e quali benefici apporta? Un'altra grande domanda è perché ci sia così tanta diversità nell'invecchiamento. L'insetto adulto dalla vita più breve conosciuto è l'effimera, le cui femmine emergono, si accoppiano, depongono le uova e muoiono entro cinque minuti; mentre il vertebrato più longevo (animali dotati di spina dorsale come noi) è lo squalo della Groenlandia: si stima che la femmina più anziana conosciuta abbia 400 anni. Perché i topi vivono solo pochi mesi, gli scimpanzé possono vivere decenni e alcune balene possono vivere centinaia di anni? Se l'invecchiamento è un processo di perdita della vita, perché i tempi di invecchiamento variano così tanto tra i diversi animali?

L'“evoluzione dell'invecchiamento” sembra un paradosso, ma fortunatamente possiamo ancora comprendere l'invecchiamento da una prospettiva evolutiva. Comprendere questo concetto è più di un semplice esercizio in un corso di evoluzione (anche se questa è un'idea interessante) o un tentativo di conciliare due leggi della biologia apparentemente divergenti (anche se questo è molto importante). Ma, cosa ancora più importante, ci dà un'idea di cosa sia l'invecchiamento, cosa non sia e come possiamo affrontarlo.

Definizione statistica dell'invecchiamento

Per prima cosa dobbiamo ridefinire cosa intendiamo per invecchiamento. Invece di presentare una definizione biologica dell'invecchiamento, cercheremo di definirlo statisticamente: l'invecchiamento è un rischio crescente di morte nel tempo. Che si tratti di animali, piante o altre forme di vita, il rischio di morte aumenta con l'età, un processo chiamato invecchiamento; Tuttavia, alcune creature particolari, come la tartaruga gigante delle Galapagos, non invecchiano perché il loro rischio di morte rimane invariato. Vediamo chiaramente che il rischio di morte raddoppia ogni otto anni di età, il che statisticamente definisce la velocità con cui invecchiamo. Possiamo utilizzare questa definizione statistica per comprendere l'invecchiamento a livello evolutivo. Che si tratti di rughe sul viso o di un aumentato rischio di malattie cardiache, tutto è una manifestazione o una forma di ciò che ne consegue.

Alcune persone preferiscono spiegare l'invecchiamento utilizzando la fisica sottostante piuttosto che i processi biologici. "Questa è la seconda legge della termodinamica: l'entropia tende sempre ad aumentare." In altre parole, tutto in questo mondo diventerà caotico e alla fine crollerà nel tempo. Tuttavia, questa argomentazione è errata perché ignora una premessa fondamentale della seconda legge della termodinamica: essa si applica solo ai sistemi chiusi. Se sei isolato dall'ambiente e non c'è scambio di materia ed energia, allora tutto ciò che puoi fare è posticipare, ma non cambiare, il tuo destino. Alla fine la polvere tornerà polvere. Ma se non sei isolato, puoi assorbire l'energia dall'ambiente circostante e usarla per iniettare nuove fonti di energia nella tua vita. Questo può sembrare esoterico, ma in realtà è molto semplice: poiché gli animali possono ottenere energia mangiando e le piante possono convertire la luce solare in cibo, sono liberi di utilizzare quell'energia per una varietà di processi biologici e biochimici, riciclando, rimuovendo o sostituendo i componenti chiave che vengono degradati.

Lungi dall'essere vincolati alle semplicissime leggi della termodinamica, gli animali hanno sviluppato incredibili capacità di autoriparazione. Alcuni animali, come le salamandre, sono in grado di rigenerare completamente un arto dopo averlo perso. Sembra un trucco da festa, ma su scala microscopica accade costantemente in tutti gli organismi viventi, compreso te, anche se potrebbe non sembrare poi così impressionante. Quando le cellule, gli organelli in esse contenuti e le molecole che le compongono vengono danneggiati o scomposti, il nostro corpo elimina rapidamente le strutture danneggiate e crea nuovi componenti per sostituirle. Innumerevoli macchine molecolari lavorano senza sosta per mantenere le strutture complesse a tutti i livelli degli organismi viventi, eliminare le cellule danneggiate che sono diventate "spazzatura" e quindi preservare l'integrità del corpo. Nel corpo umano questo processo continua giorno dopo giorno per decenni senza fermarsi. Finché l'assunzione di energia è garantita, in teoria l'efficacia di questo comportamento di riparazione non diminuirà nel tempo.

Allora perché l'evoluzione non può continuare a migliorare l'efficienza di questa autoriparazione affinché il corpo sia sempre perfetto?

Cosa determina l'invecchiamento?

Alfred Russell Wallace fu probabilmente il primo a proporre una teoria evolutiva dell'invecchiamento. Tra il 1865 e il 1870, scrisse nei suoi quaderni che gli animali anziani "consumano sostanze nutritive... dannose per la loro prole" e, in un ambiente in cui il cibo è limitato, troppi animali anziani che si aggirano e consumano risorse limitate renderebbero più difficile la sopravvivenza della loro prole. “Quindi”, concluse Wallace, “la selezione naturale elimina gli animali vecchi”. È più opportuno che gli animali abbiano un limite di vita, in modo da garantire alla prole lo spazio per crescere e riprodursi. Un biologo di nome August Weismann propose indipendentemente una teoria simile, secondo cui la durata della vita di un organismo è limitata dalle "esigenze della specie nel suo insieme".

Ogni teoria basata sulla superiorità del bene del gruppo sul bene dell'individuo, compresa questa, ha un difetto fatale. Questa teoria è chiamata "selezione di gruppo", in base alla quale gli animali si comportano nel migliore interesse del loro gruppo (solitamente la specie nel suo insieme) piuttosto che nel proprio. Ma questa argomentazione è in realtà molto problematica perché la selezione di gruppo richiede una "tregua" instabile. Se ogni animale capisse e accettasse che l'invecchiamento è nel migliore interesse della specie nel suo complesso, la situazione sarebbe vantaggiosa per tutti. Tuttavia, se anche un solo individuo nascesse con geni che gli permettessero di vivere leggermente più a lungo, questo delicato equilibrio verrebbe interrotto. L'animale "egoista" con il gene per una durata di vita leggermente più lunga supererebbe quello altruista: quando la maggior parte degli animali del gruppo muore, liberando risorse per la sopravvivenza del resto del gruppo, l'animale "egoista" consumerebbe quelle risorse e vivrebbe più a lungo, forse abbastanza a lungo da dare alla luce un altro cucciolo prima di morire. Questa prole in più farà sì che il gene della longevità si diffonda nella popolazione e alla fine gli animali con questo gene "egoistico" della longevità domineranno il gruppo. Con il passare del tempo, questa situazione continuerà per diverse generazioni e emergeranno individui ancora più "egoisti", con aspettative di vita più lunghe e una maggiore competitività. A questo punto, l'invecchiamento non rappresenta più un vantaggio evolutivo. Sebbene una maggiore durata della vita dei singoli animali sia dannosa per la popolazione nel suo complesso, l'evoluzione seleziona attivamente strategie che combattano l'invecchiamento.

L'idea della selezione di gruppo è caduta in disuso nella moderna biologia evolutiva perché si verifica inevitabilmente, indipendentemente dalla caratteristica selezionata. I geni egoisti creano quasi sempre creature egoiste, che faranno affidamento sui propri geni egoisti per sconfiggere le controparti altruiste e alla fine occupare una posizione dominante nel gruppo.

Quindi oggi pensiamo che invecchiare non sia un atto nobile, frutto di un calcolo utilitaristico a beneficio dell'intera specie. Non è lo scopo della selezione naturale, ma il risultato dell'essere ignorati dalla selezione naturale. Questa regolazione dell'evoluzione si realizza attraverso il rischio di morte causato da fattori esterni, come malattie infettive, predatori o cadute da dirupi (che possono essere collettivamente definiti mortalità esogena). Al contrario, la morte endogena è il risultato di un problema all'organismo dell'animale, come ad esempio il cancro. A metà del XX secolo, i biologi evoluzionisti riconobbero l'importanza della morte estrinseca, gettando le basi per la nostra attuale comprensione dell'evoluzione dell'invecchiamento.

Prendiamo l'esempio degli animali che vivono su un'isola. La vita su un'isola è rischiosa. Supponendo che i predatori e le malattie infettive causino il 10% di mortalità esogena ogni anno, ovvero che il 10% degli animali muoia ogni anno, allora il 90% di questi animali ha la possibilità di raggiungere il primo compleanno e l'81% ha la possibilità di un secondo compleanno... ma solo il 35% vivrà fino all'età di 10 anni e meno dell'1% vivrà fino all'età di 50 anni. Sebbene sia improbabile trovare un animale più anziano, in questo caso non si verifica ancora un vero invecchiamento. Questo perché la nostra definizione di invecchiamento è che il rischio di morte aumenta con il tempo, mentre in questo caso il rischio di morte è costantemente del 10%. Indipendentemente dall'età degli animali, il loro tasso di mortalità endogena è pari a zero.

Ci riferiamo sempre all'evoluzione come alla "sopravvivenza del più adatto", ma l'evoluzione riguarda molto più della semplice sopravvivenza; la riproduzione è ancora più importante. Da una prospettiva evolutiva, nella lista della vita di un essere vivente c'è una sola cosa: avere figli. Gli animali che presentano mutazioni che migliorano la loro capacità riproduttiva avranno più figli, e anche questa prole sarà portatrice della mutazione che migliora la loro capacità riproduttiva. Nel corso di diverse generazioni, avrebbero avuto più prole rispetto agli animali senza la mutazione e avrebbero gradualmente finito per dominare la popolazione.

Torniamo al nostro esempio dell'isola pericolosa, questa volta considerando il problema della riproduzione animale. Sebbene questi animali siano in grado di riprodursi per tutta la vita, la riproduzione avviene prevalentemente quando gli animali sono giovani, perché la maggior parte muore prima di raggiungere la vera vecchiaia fisiologica. Poiché la riproduzione avviene principalmente quando gli animali sono giovani, i fattori che influenzano la riproduzione in età avanzata non hanno molta importanza. Raddoppiare la capacità riproduttiva di un animale all'età di 50 anni non gli conferirebbe alcun vantaggio evolutivo, poiché potrebbe non vivere abbastanza a lungo per raddoppiare il numero di discendenti. Al contrario, un animale che acquisisce un vantaggio riproduttivo all'età di 3 anni ha maggiori probabilità di sopravvivere e riprodursi in gran numero per i successivi 3 anni. Questo vantaggio significa che avrà più prole, il che rappresenta un enorme vantaggio evolutivo.

L'aumento della capacità riproduttiva potrebbe assumere diverse forme, come ad esempio avere teoricamente più cuccioli per cucciolata, intervalli più brevi tra le cucciolate, avere un becco più grande per procurarsi più cibo e allevare più prole, oppure avere una maggiore capacità di sopravvivere e avere più figli. In ogni caso, l'impatto del conferimento di un vantaggio evolutivo agli animali giovani è enorme, perché è probabile che sopravvivano e trasmettano quei geni vantaggiosi alla generazione successiva. Al contrario, l'evoluzione ha maggiori difficoltà a influenzare gli animali più anziani, perché la loro aspettativa di vita è troppo breve ed è improbabile che abbiano una prole che trasmetta i loro geni. Questa è la vera causa profonda dell'invecchiamento: l'evoluzione non riesce a mantenere gli animali anziani resistenti all'ambiente perché hanno meno probabilità di avere figli. Tenete presente che tutto quanto detto sopra non ha nulla a che fare con l'invecchiamento in sé, ma semplicemente con i fattori esogeni di mortalità che riducono il numero di animali anziani. Quindi è un po' controintuitivo che il fattore chiave che determina l'evoluzione dell'invecchiamento sia che gli animali muoiano per rischi diversi dall'invecchiamento, ma è esattamente ciò che accade.

teoria dell'accumulo di mutazioni

La domanda successiva è come si ottiene questa regolazione evolutiva negativa. La prima cosa da menzionare è un meccanismo chiamato "teoria dell'accumulo di mutazioni". Sappiamo tutti che il DNA è il codice genetico degli organismi viventi e che l'avvio e il mantenimento delle attività vitali dipendono dalle informazioni genetiche contenute nel DNA. Una mutazione è una modifica alla sequenza del DNA. Da una prospettiva evolutiva, siamo tutti mutanti. Sebbene metà del nostro DNA derivi da nostro padre e metà da nostra madre, ognuno di noi in genere porta con sé dalle 50 alle 100 mutazioni nella sequenza del nostro DNA, che è diversa sia dal DNA di nostra madre che da quello di nostro padre. La maggior parte di queste mutazioni non ha effetto; risiedono in profondità nel nostro DNA genomico e non hanno alcun impatto reale sulle nostre possibilità di sopravvivenza. Sono inoltre pochissime le mutazioni che hanno effetti positivi o negativi sugli organismi viventi: le mutazioni che producono effetti positivi aumenteranno la probabilità di sopravvivenza o la capacità riproduttiva, aumentando così le possibilità di essere trasmesse alla generazione successiva; mentre le mutazioni che producono effetti negativi sono esattamente l'opposto e saranno eliminate dall'evoluzione nel tempo.

Se una mutazione casuale provoca la morte spontanea di un animale all'età di 50 anni, questo potrebbe sembrare uno svantaggio molto grave, ma in realtà l'impatto non è poi così grande, perché oltre il 99% degli animali portatori di questa mutazione morirà per altri fattori prima che la mutazione abbia effetto. È probabile che questo tipo di mutazione rimanga nella prole della popolazione, non perché sia ​​una buona mutazione, ma perché le forze della selezione naturale in età avanzata non sono abbastanza forti da eliminare la mutazione. Al contrario, se una mutazione provoca la morte di un animale all'età di due anni, un periodo di elevata sopravvivenza e capacità riproduttiva, l'evoluzione eliminerà la mutazione molto rapidamente. Poiché il potere della selezione naturale è molto forte durante l'età riproduttiva e prima, gli animali con tali mutazioni verranno rapidamente eliminati dai "fortunati" che non presentano mutazioni.

Pertanto, anche se alcune mutazioni hanno effetti negativi sulla vita, possono accumularsi nella popolazione, a patto che producano effetto solo dopo che gli animali hanno raggiunto l'età sufficiente e hanno completato la riproduzione. Secondo questa teoria, l'invecchiamento non è un adattamento di una popolazione animale al suo ambiente, ma piuttosto il risultato dell'incapacità dell'evoluzione di rispondere a tali mutazioni. Un esempio perfetto di questa teoria è la malattia di Huntington, che ha ispirato il matematico e biologo JBS Haldane a proporre una spiegazione secondo cui la "forza" della selezione naturale diminuisce con l'avanzare dell'età degli individui.

La malattia di Huntington è una malattia neurologica causata da una singola mutazione genetica. I pazienti solitamente sviluppano i sintomi tra i 30 e i 50 anni e muoiono circa 15-20 anni dopo la diagnosi. Come accennato in precedenza, l'aspettativa di vita degli esseri umani preistorici era di soli 30-35 anni. Da una prospettiva evolutiva, la malattia di Huntington, che si manifesta con sintomi solo a partire dai 40 anni e comporta un rischio di morte dopo i 55 anni, non ha avuto un impatto significativo sull'aspettativa di vita umana a quel tempo. In quel periodo, molto lontano dalla civiltà moderna, una persona di 30-35 anni poteva aver già avuto diversi figli e la sua vita riproduttiva non era lunga. Anche nella società moderna, è probabile che le persone affette dalla malattia di Huntington abbiano figli prima di soccombere alla malattia. Pertanto, nonostante la malattia di Huntington sia una malattia neurologica mortale, ancora oggi viene ereditata in numeri molto piccoli nella popolazione umana.

La malattia di Huntington è un esempio di una singola mutazione genetica che provoca effetti avversi molto gravi negli anni successivi alla riproduzione di un individuo ed è un buon esempio di come mutazioni con effetti letali possano accumularsi inaspettatamente in una popolazione umana. Ma mentre l'esempio del singolo gene è più facile da illustrare, ciò che è più probabile che accada durante il normale invecchiamento è l'effetto cumulativo di più geni diversi, che possono agire da soli o in combinazione per indebolire le nostre possibilità di sopravvivenza dopo la riproduzione. Alcune mutazioni letali si verificano casualmente nel pool genetico, semplicemente consentendoci di riprodurci prima di svolgere un ruolo che pone fine alla vita, sfuggendo così alla selezione naturale evolutiva. Presi insieme, questi geni imperfetti, trascurati dall'evoluzione, sono i veri fattori determinanti dietro alcuni dei processi che ci fanno invecchiare.

Tuttavia, l'invecchiamento non è un evento casuale. Oltre a essere indifferente alla tua salute una volta completata la riproduzione, l'evoluzione farà qualcosa di ancora più crudele: baratterà la tua salute futura con una maggiore capacità riproduttiva. L'evoluzione può barattare la capacità di correre, l'altezza, il colore dei capelli e tutto il resto in cambio di una maggiore prole. All'evoluzione non importa se sei più veloce o più lento, più alto o più basso, più grigio o più colorato, o se vivi più a lungo o meno. Finché aumenterà il successo riproduttivo complessivo, l'evoluzione lo accetterà.

L'equilibrio tra la vita e la morte

Quindi, come riesce l'evoluzione a conciliare il compromesso tra il declino della capacità di sopravvivenza degli animali, o addirittura la loro morte, e la loro capacità di riprodursi? La risposta è che i geni stessi hanno spesso molteplici proprietà. La genetica moderna ha scoperto che i geni non esistono in una sorta di "splendido isolamento" e non codificano solo una caratteristica di un organismo vivente. Spesso svolgono funzioni diverse in diverse fasi dello sviluppo e in diverse parti del corpo e interagiscono tra loro formando reti complesse. Quando senti qualcuno parlare del fatto che un singolo gene produce molteplici tratti complessi, potresti essere scettico. Anche una caratteristica semplice come il colore degli occhi è in realtà controllata da molti geni diversi. Questi geni hanno anche molte altre funzioni, come ad esempio influenzare il colore dei capelli e della pelle, e potrebbero persino svolgere un ruolo in altre attività della vita in modi di cui non siamo consapevoli. In biologia, la multifunzionalità di un singolo gene è chiamata "pleiotropia".

Un'altra teoria sull'evoluzione e l'invecchiamento è quella chiamata "pleiotropia antagonista". I geni svolgono molteplici funzioni: aiutano la riproduzione nelle prime fasi della vita, ma innescano effetti negativi man mano che l'animale invecchia. Supponiamo che un animale che vive su un'isola sviluppi una mutazione che aumenta il rischio di morire all'età di 30 anni o più, ma gli fa raggiungere la maturità riproduttiva un anno prima del previsto. Quindi, il numero di portatori di questa mutazione aumenterà rapidamente rispetto agli animali che non presentano questa mutazione. Rispetto alla maggiore capacità riproduttiva, l'aumento del rischio di sopravvivenza dopo i 30 anni non è degno di nota. Questo vantaggio riproduttivo si sarebbe accumulato a favore degli animali più giovani, dando alla maggior parte di loro un anno in più per riprodursi mentre erano ancora in vita. Le mutazioni che si verificano per caso possono avere effetti negativi in ​​seguito nella vita e, secondo la teoria dell'accumulo delle mutazioni, esse si accumulano geneticamente in una popolazione, ma c'è molto di più. Se questa mutazione può promuovere la riproduzione dell'intera popolazione, sarà selezionata attivamente dall'evoluzione. Quanti anni di vita in vecchiaia vorresti scambiare con la vitalità della giovinezza? All'evoluzione non importa dell'ingenuità dei giovani o della saggezza degli anziani; La sua risposta è ottimizzare nel corso delle generazioni di vita per massimizzare il tasso di successo della riproduzione di gruppo.

Il comportamento dei geni "pleiotropici antagonisti" è un po' astratto. Per quale motivo il raggiungimento più rapido della maturità riproduttiva porterebbe un organismo a morire prima? Per contestualizzare tutto ciò, introduciamo la nostra terza e ultima teoria dell’invecchiamento rilevante dal punto di vista evolutivo, la cosiddetta “teoria del soma usa e getta”. Nasce da un principio universale, presente sia in natura che nella vita di tutti i giorni: non esiste un pasto gratis al mondo. Ricordiamo come abbiamo confutato la spiegazione termodinamica dell'invecchiamento: gli animali e le piante possono ricavare dall'ambiente l'energia necessaria per riparare e mantenere il loro corpo. Da una prospettiva puramente fisica, non abbiamo affatto bisogno di invecchiare, finché siamo disposti a sacrificare parte dell'energia che guadagniamo (ad esempio, attraverso lunghi periodi di caccia e raccolta) per combattere il consumo di tempo e di entropia.

Che si tratti di "immortalità" in biologia o nella mitologia, c'è sempre un prezzo da pagare. In biologia, l'immortalità non richiede sacrifici insensati agli dei, ma piuttosto una manutenzione costante del corpo. Prendersi cura del proprio corpo richiede energia, ma lo stesso vale per lo sviluppo muscolare per sfuggire ai predatori, per rafforzare il sistema immunitario per combattere le malattie o per raggiungere più velocemente la maturità sessuale per riprodursi prima di morire.

L'idea alla base della "teoria delle cellule usa e getta" è che l'energia è limitata e deve essere distribuita tra diverse attività, tra cui la riproduzione e la lotta all'invecchiamento. Cellule somatiche è il termine generico utilizzato dai biologi per indicare le cellule del corpo diverse dalle cellule riproduttive, come ovuli e spermatozoi. Da una prospettiva evolutiva, l'idea che il nostro corpo sia solo un contenitore per cellule riproduttive o prole, come lo sperma, può essere frustrante, ma il tema in questione è questo: il successo riproduttivo equivale al successo evolutivo. Le cellule del tuo corpo possono essere consumate perché la tua prole è la più importante.

Ciò significa che la cura delle cellule riproduttive è di massima priorità, per cui tutti gli organismi viventi attribuiscono loro un'elevata priorità nel consumo energetico. Non è chiaro quanta energia venga spesa per mantenere le cellule del corpo. Come nelle teorie precedenti, ciò che interessa davvero all'evoluzione è se siamo in grado di persistere abbastanza a lungo da trasmettere i nostri geni alle generazioni future.

Se l'energia che un organismo vivente può consumare è limitata, l'evoluzione preferirebbe impiegare tale energia per mantenere le condizioni fisiche dell'organismo o per riprodurre rapidamente la prole? L'evoluzione calcolerà il rischio estrinseco di morte per l'intera popolazione. Se quel numero è sufficientemente alto, l'evoluzione tenderà a selezionare quest'ultima opzione, assicurando che i tuoi figli vivano più di te mentre il tuo corpo inutile si decomporrà nel tempo (supponendo che tu viva abbastanza per vedere quel giorno). Quindi un modo in cui funziona la pleiotropia antagonista è quello di declassare la gerarchia del mantenimento delle cellule somatiche attraverso le mutazioni, consentendoti di crescere più velocemente quando sei giovane, ma man mano che il tuo corpo imperfetto invecchia, i problemi nel mantenimento delle cellule somatiche iniziano a presentarsi uno dopo l'altro.

Confrontando le diverse durate della vita e le strategie riproduttive di diversi animali possiamo comprendere meglio il funzionamento di queste teorie. Data la stretta relazione tra invecchiamento evolutivamente rilevante e rischio di mortalità estrinseco, ci si potrebbe aspettare che gli animali che vivono in ambienti più pericolosi si riproducano più velocemente e in modo più efficiente e che, una volta terminata la riproduzione, invecchino più rapidamente.

Il confronto tra topi (che in natura non vivono più di due anni) e balene (tra i mammiferi più longevi) rivela anche una delle scoperte più note nella biologia dell'invecchiamento: più un animale è grande, più a lungo tende a vivere. Perché i “grandi” vivono più a lungo? Abbiamo trovato molte spiegazioni diverse (o forse abbiamo invertito causa ed effetto, dal momento che ci vuole più tempo per crescere), ma un fattore semplice ma importante è che gli animali più grandi sono più difficili da uccidere o mangiare.

Infatti, studiare specie che non seguono questa correlazione tra dimensioni e durata della vita potrebbe aiutare a chiarire la relazione tra invecchiamento e rischio di mortalità estrinseco. Per mantenere i dati il ​​più equi possibile, abbiamo selezionato mammiferi di dimensioni simili: il topo domestico, che pesa circa 20 grammi, e il pipistrello dalle orecchie di topo, che pesa quasi 30 grammi da adulto. I topi in cattività possono vivere dai 3 ai 4 anni, mentre la durata di vita più lunga mai registrata per un pipistrello dalle orecchie di topo è di 37 anni. Qual è il segreto dietro l’enorme differenza nell’aspettativa di vita? Una differenza evidente è che i pipistrelli possono volare, mentre i topi no. Non è la gioia di volare a far vivere più a lungo i pipistrelli, ma il fatto di volare sollevati da terra li tiene lontani dai predatori. Nell'aria, le minacce all'ambiente in cui vivono sono molto minori e il rischio esterno di morte per i pipistrelli è naturalmente molto più basso di quello per i topi. Ciò significa che durante il processo evolutivo è meno probabile che le mutazioni si accumulino, i geni pleiotropici antagonisti vengono eliminati dal potere della selezione naturale e i vantaggi dello spreco di cellule somatiche usa e getta vanno gradualmente persi.

I biologi possono quindi tirare un sospiro di sollievo: l'invecchiamento evoluzionisticamente rilevante non è poi così complicato. **Sembra ironico che gli animali che vivono in condizioni di pericolo sfuggano alla selezione naturale dei geni che ottimizzano la seconda metà della vita e favoriscano invece l'invecchiamento. **C'è solo un piccolo problema che resta irrisolto: la semplice comprensione delle teorie di cui sopra ci fa pensare che tutte le specie dovrebbero invecchiare. Come spieghiamo allora animali come la tartaruga gigante delle Galapagos, che sembrano insensibili all'invecchiamento? Abbiamo finalmente completato un ragionamento a ciclo chiuso: evoluzione e invecchiamento sono compatibili, quindi come possono esistere animali che non invecchiano?

Perché alcune specie invecchiano a malapena?

Diverse strategie evolutive tra le specie possono portare a traiettorie di invecchiamento inaspettate. Con l'età, le femmine dei pesci diventano più grandi, più forti e più capaci di riprodursi. I pesci di grandi dimensioni hanno maggiori probabilità di sfuggire ai predatori rispetto a quelli più piccoli, il che significa che il rischio esterno di mortalità per i pesci non è costante, ma diminuisce con l'età. Allo stesso tempo, i pesci più vecchi riescono a produrre uova più numerose e di migliore qualità. In alcuni casi estremi, il numero di uova prodotte dai pesci più anziani può essere decine di volte superiore a quello dei pesci più giovani. Questi pesci femmina sottomarini sono chiamati BOFFFF: pesci femmina grandi, vecchi, grassi e fertili. I BOFFFF sono essenziali in molti tipi di popolazioni ittiche perché la riproduzione di una popolazione spesso non è mantenuta dalle poche uova deposte da un giovane pesce, ma da un piccolo numero di BOFFFF che depongono rapidamente un gran numero di uova.

Questa strategia riproduttiva ribalta la premessa del nostro esperimento mentale secondo cui l'evoluzione tramite selezione naturale produce l'invecchiamento. Contemporaneamente migliorano il tasso di sopravvivenza e la fertilità dei pesci più anziani, conferendo a questo tipo di BOFFFF un grande vantaggio nella trasmissione dei propri geni. La loro sopravvivenza sarebbe quindi importante dal punto di vista evolutivo, consentendo all'influenza della selezione naturale di durare più a lungo e raggiungere i pesci adulti. Forse l'evoluzione ha calcolato con calma che mantenere le cellule somatiche del pesce è un buon affare, e il danno al BOFFFF causato dall'accumulo di mutazioni o "pleiotropia antagonista" non è così facile da accettare. Pertanto, è possibile che i pesci si siano evoluti in modo tale che il loro rischio complessivo di morire non aumenti con l'età: in altre parole, la senescenza è trascurabile. Ma suggerisce anche che la pesca eccessiva è particolarmente dannosa per il BOFFFF, provocando una grave selezione innaturale. Una riduzione delle femmine anziane e riproduttive in una popolazione stimolerebbe una riproduzione più precoce nei pesci più giovani, il che potrebbe portare a mutazioni genetiche che causerebbero l'invecchiamento della specie.

Le tartarughe e i pesci possono resistere all'invecchiamento in modi simili: le tartarughe femmine più anziane sono protette da molte minacce esterne (grazie al loro guscio duro) e sono molto fertili. La selezione naturale ha buone ragioni per mantenerli in vita e, di conseguenza, non sembrano invecchiare.

In realtà, l'invecchiamento è più simile a una svista evolutiva, con meccanismi diversi alla base: l'accumulo di mutazioni che sfuggono alla selezione naturale provoca il deterioramento della salute degli organismi quando invecchiano; i geni pleiotropici antagonisti si preoccupano solo di massimizzare il tasso di successo riproduttivo in gioventù e non si preoccupano delle possibili disgrazie successive alla riproduzione; il nostro organismo fa della riproduzione la sua priorità assoluta, piuttosto che preservare la salute delle cellule somatiche. Pertanto non possiamo aspettarci che dietro l'invecchiamento ci sia necessariamente un'unica causa. In realtà dovremmo considerare l'invecchiamento come un insieme complesso di processi che avvengono in modo sincrono, ma sono solo parzialmente collegati.

Informazioni sull'autore/traduttore

Informazioni sull'autore:

Andrew Steele è un biologo computazionale, dottore di ricerca in fisica e ricercatore presso il Francis Crick Institute di Londra. Passò dagli studi di fisica a quelli di biologia perché si rese conto che la sofferenza più grande degli esseri umani deriva dall'invecchiamento e voleva cambiare tutto questo.

Informazioni sul traduttore:

Zhang Wentao, dottore di ricerca in microbiologia, è un ingegnere senior presso il Computer Network Information Center dell'Accademia cinese delle scienze. È un dirigente senior della micropiattaforma ufficiale di divulgazione scientifica dell'Accademia cinese delle scienze "Science Academy" e un redattore senior della piattaforma cloud di divulgazione scientifica dell'Accademia cinese delle scienze "China Science Expo". È da tempo impegnato nella pianificazione e creazione di contenuti di divulgazione scientifica e nella gestione di piattaforme di divulgazione scientifica.

Wang Xi, dottore di ricerca in biochimica e biologia molecolare, è ricercatore associato presso l'Istituto di biofisica dell'Accademia cinese delle scienze. È membro della Youth Innovation Promotion Association dell'Accademia cinese delle scienze. Svolge ricerche nel campo dell'omeostasi proteica e della salute umana. Ha vinto la medaglia d'argento al sesto premio della China Science Writers Association's Outstanding Science Works Award (categoria Youth Short Science Works).

È autorizzata la selezione di questo articolo dal capitolo 2 "The Origin of Aging Problems" di "The Science of Ageing" (CITIC Press·Nautilus, aprile 2023), con alcune cancellazioni e sottotitoli aggiunti dall'editore.

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