Death by Design? Ruimtelijke modellen laten zien dat natuurlijke selectie een genetisch beperkte levensduur bevordert als een lineair voordeel

Death by Design? Ruimtelijke modellen laten zien dat natuurlijke selectie een genetisch beperkte levensduur bevordert als een lineair voordeel

Anonim

door Stuart Mason Dambrot,

Phys. Lett. 114, 238103 (2015). ">

(Phys.org) —Standaard evolutionaire theorieën over veroudering en sterfte, gebaseerd op aannames van gemiddelde velden - die het gedrag van grote en complexe stochastische modellen analyseren door een eenvoudiger model te bestuderen - concluderen dat geprogrammeerde sterfte als gevolg van natuurlijke selectie onmogelijk is. Onlangs hebben wetenschappers van het New England Complex Systems Institute en het Wyss Institute for Biological Inspired Engineering aan de Harvard University, beide in Cambridge, Massachusetts, echter met ruimtelijke modellen met lokale in plaats van wereldwijd uniforme reproductie aangetoond dat geprogrammeerde sterfgevallen sterk resulteren in langetermijnvoordeel voor een organistische afstamming door het verminderen van de plaatselijke uitputting van natuurlijke hulpbronnen gedurende vele generaties. (In ruimtelijke modellen worden variabelen zodanig in de ruimte verdeeld dat acties de lokale omgeving kunnen beïnvloeden zonder de wereldwijde omgeving te beïnvloeden.) Bovendien ontdekten de onderzoekers dat deze resultaten de voorkeur bleven houden wanneer een groot aantal variaties verband hielden met verschillende real-world factoren werden toegepast op het ruimtelijke model, dat volgens hen hun benadering ondersteunt voor een breed scala van biologische systemen, en daarom kan die directe selectie voor een kortere levensduur vrij wijdverbreid van aard zijn.

Dr. Justin Werfel besprak de uitdagingen waarmee hij en zijn collega's werden geconfronteerd bij het uitvoeren van hun onderzoek gepubliceerd in Physical Review Letters - een daarvan was het gebruik van ruimtelijke modellen met lokale reproductie om op gemiddelde veldaannames gebaseerde standaard evolutionaire theorieën over veroudering en mortaliteit te onderzoeken dat geprogrammeerde sterfte onhoudbaar is omdat het zich verzet tegen directe individuele voordelen. "De kwestie van de ruimte is van cruciaal belang omdat standaard evolutietheorieën zijn gebaseerd op een impliciete veronderstelling dat alles effectief op dezelfde plaats gebeurt, in de zin dat elke plaats is zoals elke andere, " vertelt Werfel aan Phys.org . "Wanneer je die veronderstelling maakt, is het resultaat dat je krijgt dat kortetermijnreproductie het enige is wat telt - dat wil zeggen, wat je ook toelaat meer kopieën van jezelf of je genen te maken, en alles wat dat directe individuele voordeel vermindert, wordt tegen Hoewel deze benadering het wiskundig traceerbaar maakt om de uitkomst van het model te berekenen, loopt het feitelijk op en geeft u het verkeerde resultaat. "

In een ruimtelijk systeem kan een eigenschap die een grotere reproductie mogelijk maakt, gunstig zijn voor een multigenerationele tijdschaal - maar uiteindelijk, op veel langere tijdsschalen, draagt ​​het een straf in het beperken van het uiteindelijke aantal nakomelingen. "Het mechanisme, " legt Werfel uit, "is gebaseerd op milieufeedback op lange termijn: hulpbronnen op een niet-duurzame manier uitputten vertaalt zich in je nakomelingen die een verarmde omgeving erven, en daardoor minder succesvol zijn. Deze ruimtelijke systemen zijn niet herleidbaar tot wiskundig analyse op dezelfde manier als die welke de vereenvoudigde benadering van volledig mengen maken, dus we hebben simulaties nodig om ze op een meer empirische manier te bestuderen. "

Zulke simulaties, toegepast op de evolutie van de zelfbeperkte levensduur, toonden aan dat geprogrammeerde dood robuust resulteert in een langetermijnvoordeel voor een lijn door het verminderen van lokale uitputting van natuurlijke hulpbronnen. "Het lijkt intuïtief duidelijk dat een gen dat bijdraagt ​​aan de dood van zijn eigenaar moet worden geselecteerd. Dat idee is consistent met standaardtheorieën, die concluderen dat selectie onmogelijk is om direct voor een verkorte levensduur te kiezen - de enige manier waarop een levensduur - verkort gen zou de voorkeur kunnen krijgen als het ook de reproductie eerder in het leven verhoogt, zodat het een netto voordeel oplevert voor het individu. "Werfel vervolgt echter" wat we in ruimtelijke modellen zien is dat varianten met een langere levensduur hun omgeving meer uitputten, en als gevolg daarvan eindigen met minder kansen om te reproduceren, zodat de zelfbeperkte levensduur daadwerkelijk oploopt en een voordeel ver genoeg oplevert. "

Phys. Lett. 114, 238103 (2015). ">

De wetenschappers moesten ook twee extra factoren identificeren: de ruimtelijke patronen die de uitputting van het milieu kenmerken, evenals de feedback van meerdere generaties die door deze patronen wordt veroorzaakt. "Typisch", legt Werfel uit, "geeft een langere levensduur een direct voordeel op korte termijn - namelijk dat het verwachte aantal nakomelingen van een variant met een langere levensduur groter kan zijn dan voor een variant met een kortere levensduur gedurende vele generaties in de toekomst. effect dat uiteindelijk een beperkte levensduur gunstig maakt - wat is gebaseerd op de manier waarop de virtuele organismen in het model hun omgeving vormgeven door hun middelen in de loop van de tijd te gebruiken - kan erg lang duren voordat de kortere levensduur het voordeel heeft. Dit wordt niet vastgelegd volgens standaardtheorieën. "

Ten slotte werden de onderzoekers geconfronteerd met het bepalen van de geldigheid van de implicatie dat directe selectie voor een kortere levensduur vrij wijdverbreid van aard kan zijn. "Om te begrijpen welke aspecten van het model verantwoordelijk waren voor de resultaten die het toonde, en om ervoor te zorgen dat die resultaten niet gevoelig waren voor zaken als specifieke veronderstellingen of zorgvuldige afstemming van numerieke parameters, hebben we een breed scala aan wijzigingen in het model onderzocht, "Werfel vertelt Phys.org . Deze veranderingen - waaronder het wijzigen van parameterwaarden met meer dan een orde van grootte, waardoor organismen zich in hun lokale omgeving konden verplaatsen en seksuele en aseksuele reproductie gebruikten - toonden aan dat zelfbeperking in de levensduur in alle gevallen werd begunstigd, met twee uitzonderingen : toen het bewegingsbereik zo groot was in vergelijking met de grootte van de wereld dat het systeem effectief goed gemengd was, en waar middelen zo overvloedig waren dat ze feitelijk onuitputtelijk waren. (Een goed gemengd systeem legt geen ruimtelijke verdelingen van specifieke eigenschappen vast.) "In de echte wereld zijn beweging en middelen natuurlijk doorgaans beide beperkt; en het feit dat het model hetzelfde resultaat gaf - dat wil zeggen dat beperkte levensduur werd op de lange termijn begunstigd - voor alle andere soorten veranderingen die we hebben onderzocht, suggereert dat dat resultaat niet gevoelig is voor andere details van het systeem, en daarom zou het moeten gelden voor een dienovereenkomstig breed scala van echte systemen in de natuur. "

Werfel besprak vervolgens het artikel dat de robuustheid van de bevinding dat zelfbeperkte levensduur de voorkeur geniet bij modelvariaties, het bewijs levert voor de toepasbaarheid ervan op verschillende biologische systemen . "Het feit dat bijna alle wijzigingen die we in het model hebben aangebracht, hetzelfde resultaat bleven produceren - namelijk dat zelfbeperkte levensduur de voorkeur geniet - suggereert dat dit resultaat ook moet gelden voor biologische systemen in het algemeen zonder gevoeligheid voor systeemdetails, net zoals het is niet gevoelig voor modeldetails. Als zodanig biedt het mechanisme dat we hebben geïdentificeerd, waarmee selectie voor geprogrammeerde sterfte mogelijk is - volgens standaardtheorieën onmogelijk voor meercellige organismen - een aanvullende verklaring voor empirische waarnemingen, waaronder enkele die moeilijk te verwerken zijn de standaardtheorieën. Bijvoorbeeld, "Werfel illustreert", octopussen reproduceren slechts één keer, waarna ze stoppen met eten en dood sterven van de honger - maar als je een bepaalde klier operatief verwijdert, beginnen ze weer te eten. Dat lijkt tenminste sterk op een geprogrammeerde dood mechanisme." Een ander voorbeeld, voegt hij eraan toe, is een effect dat vaak wordt gerapporteerd als een belangrijke voorspelling van standaardtheorieën: dat hoge predatiepercentages voor een populatie moeten leiden tot de evolutie van een kortere levensduur - maar het tegenovergestelde is waargenomen bij guppy's, met populaties die evolueerden onder hogere predatie met langere intrinsieke levensduur. "Ons model voorspelt dat resultaat, omdat de toegenomen dood door externe oorzaken de plaats van dood door interne oorzaken inneemt. Anderzijds, " merkt Werfel op, "zijn er situaties waarin ons model zou voorspellen dat zelfbeperkte levensduur niet wordt begunstigd - bijvoorbeeld organismen met zo'n hoge predatie dat er geen verdere zelfbeperking nodig is, of die waarvoor hulpbronnen onbeperkt zijn. Echter, "voegt hij eraan toe", betekent dit niet dat we verwachten dat dergelijke organismen onsterfelijk zijn. andere factoren die bijdragen aan sterfte - in het bijzonder mechanismen die worden beschreven door standaard verouderingstheorieën. In een situatie met omstandigheden waarin het model voorspelt dat zelfbeperking van de levensduur niet wordt begunstigd, verwachten we dat waargenomen levensduurlimieten hieraan te wijten zijn andere mechanismen. "

In hun artikel stellen de wetenschappers dat hun bevindingen sterke implicaties hebben voor de menselijke geneeskunde, met voorbeelden van waarschijnlijke translationele toepassingen en protocollen met betrekking tot effectieve gezondheid en levensverlenging. "Het begrip van de uitbreiding van het leven en de gezondheid op basis van standaard evolutietheorieën wijst op twee benaderingen, die beide beperkt zijn", vertelt Werfel aan Phys.org . "Ten eerste, als veroudering te wijten is aan een verzameling individuele uitsplitsingen, waarvan de evolutie zo laat mogelijk is gestopt, dan moet elk van deze afzonderlijk worden aangepakt en behandeld. Ten tweede, als er effecten zijn die bijdragen aan het late leven storingen als een bijwerking van voordelen voor het vroege leven, en vervolgens ingrijpen in deze mechanismen brengt noodzakelijkerwijs afwegingen met zich mee en is misschien geen goed idee. Onze bevindingen suggereren echter dat evolutie mogelijk mechanismen heeft ingesteld om de levensduur af te stemmen en te controleren, die mogelijk kunnen worden aangepast een zeer breed scala - en als dat zo is, kunnen er interventies zijn die bij wijze van spreken aan die knop kunnen draaien en dus mogelijk zeer significante gezondheids- en levensverlengingen mogelijk maken zonder afwegingen voor de patiënt. We stellen daarom dat het de moeite waard is om meer te focussen medisch onderzoek in die richting, in plaats van de mogelijkheid a priori uit te sluiten op basis van een theoretisch inzicht dat volgens onze resultaten onvolledig is. "

Samenvattend benadrukt Werfel dat de standaard evolutietheorieën van veroudering en sterfte niet expliciet hun veronderstelling over ruimtelijke vermenging vermelden - en aangezien laboratoriumprotocollen doorgaans zijn ontworpen om goed gemengde benaderingen te gebruiken om ervoor te zorgen dat experimentele omstandigheden overal hetzelfde zijn, lijkt geen controversiële veronderstelling of praktijk. "Maar", merkt hij op, "ruimtelijke modellen laten zien hoe dingen fundamenteel veranderen wanneer rekening wordt gehouden met de ruimte. We hebben een dergelijk model gemaakt om naar de evolutie van de intrinsieke sterfte te kijken en waren verrast om het contra-intuïtieve resultaat te vinden dat zelfbeperking tijdens de levensduur is zelfs bij afwezigheid van andere omstandigheden die het intuïtief gunstig zouden kunnen maken - bijvoorbeeld als dieren moesten stoppen met reproduceren op een bepaalde leeftijd, of in een snel veranderende wereld waar je altijd nieuwe mutaties nodig had om mee te gaan met de veranderende omstandigheden, zou het logisch zijn om oude individuen op te ruimen en te vervangen door nieuwe. " De belangrijkste resultaten van de studie tonen aan dat zelfs zonder dergelijke beperkende omstandigheden - dat wil zeggen, als een organisme voor onbepaalde tijd zou kunnen leven en blijven reproduceren, en net zo aangepast aan de wereld was als zijn nakomelingen - het geslacht uiteindelijk beter zou doen als genen codeerden voor een mechanisme dat over de dood.

"Ruimtelijke modellen hebben de afgelopen jaren veel bijgedragen aan ons begrip van altruïstische en coöperatieve evolutionaire fenomenen, en er zijn veel gevallen waarin ze ons kunnen blijven helpen inzicht te krijgen", concludeert Werfel. "Ik denk dat het punt over het kwalitatieve gedrag van een systeem dat verandert wanneer het ruimtelijk versus goed gemengd is, echt kritisch is - maar dat is niet zo algemeen erkend in de biologie als het verdient."