Εξελικτικές θεωρίες της γήρανσης

 

 

Το σημαντικότερο ίσως ερώ­τημα που προκύπτει είναι γιατί υπάρχει η γήρανση.  Δίνει μήπως πλεονεκτήματα στους οργανι­σμούς;  Ή είναι μια φθίνουσα αναγκαστι­κή πορεία που η εξέλιξη δεν ήταν σε θέση να ξεπε­ράσει;

Στόχος των εξελικτικών θεωριών της γήρανσης είναι η κατανόηση της εμ­φά­νισης της, ώστε οι απαντήσεις που θα δοθούν να καθοδηγήσουν την έρευνα και να εξη­γηθούν οι μηχανισμοί που περιλαμ­βά­νο­νται σε αυτήν. Οι εξελικτικές θεω­ρίες της γήρανσης και της μακροζωίας προ­σπαθούν να εξηγήσουν τις διαφορές στους ρυθ­μούς γή­ραν­­σης που παρατηρού­νται μέσα στα είδη, αλλά και μεταξύ των ειδών (π.χ. γιατί τα ποντίκια να έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής από τους ανθρώπους) μέσω των μεταλλάξεων και της φυσικής επιλογής.

Υπάρχει μια ιδιαίτερη γοητεία στο να κατανοηθεί η βιολογικής εξέλιξη της γήρανσης και της διάρκειας ζωής, ιδιαίτερα για κάποια είδη μου μας εντυπωσιάζουν οι ιδιαιτερότητές τους.    Για παράδειγμα, ένα φυτό μπαμπού αναπαράγεται, μη σεξουαλικά, για περίπου 100 έτη, σχηματίζοντας ένα πυκνό δάσος από φυτά. Κατόπιν σε μια εποχή που όλα τα φυτά ανθίζουν ταυτόχρονα, αναπαράγεται σεξουαλι­κά και πεθαί­νουν.    Περί­που 100 έτη αργότερα (ανάλογα με το συγκεκριμένο είδος  μπαμπού) η διαδικασία επανα­λαμβάνεται.

Αυτό το αξιο­πε­ρίεργο φαινόμενο καθώς επίσης και άλλα παρόμοια των «αυτοκαταστροφικών»  κύκλων ζωής των ειδών, όπως π.χ. του σολο­μού του Ειρηνικού ωκεανού, έχει οδηγήσει τους ερευνητές στη σκέψη  ότι η σεξουαλική αναπα­ραγωγή μπορεί να έχει κάποιο κόστος για τη διάρκεια ζωής των ειδών.  Κατά συνέπεια, εκτός από τις μεταλλάξεις και τη φυσική επιλογή, μπορεί επίσης να συμβάλει και το αναπαραγωγικό κόστος  στην εξέλιξη της γήρανσης και της μακρο­ζωίας των ειδών.

Με τις εξελικτικές θεωρίες της γήρανσης γίνεται προσπάθεια να εξηγηθούν και άλλα φαινόμενα όπως η εμμηνόπαυση στις γυναίκες.   Οι γυναίκες, σχεδόν μοναδικά όντα μεταξύ των θηλαστικών μαζί με τις φάλαινες (όπως μέχρι τώρα γνωρίζουμε), παρουσιάζουν εμμη­νόπαυση η οποία προφανώς σχετίζεται με τη γήρανση και την αναπαραγωγική διαδικασία. Η εμμηνόπαυση φαίνεται ότι είναι ένα παράδοξο φαινόμενο που εκ πρώτης όψεως φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με τις Δαρ­βι­νικές αρχές αφού αποκλείει την αναπαρα­γωγική ικανότητα πολύ πριν από τη γήρανση των άλλων σωματικών λειτουργιών.

Η θεωρία του προγραμματισμένου θανάτου

Ο August Weismann (1834–1914), γερμανός θεωρητικός και πειρα­ματικός βιολόγος του 19^ου αιώνα, ήταν από τους πρώτους που χρησιμο­ποίησε εξελικτικά επιχειρήματα για να εξηγήσει τη γήρανση.

 Η αρχική του ιδέα ήταν ότι υπάρχει ένας συγκεκριμένος μηχανισμός θανάτου σχεδιασμένος από τη φυσική επιλογή για αποβολή των παλαιών και, επομένως, καταπονημένων  μελών  ενός πληθυσμού. Ο σκο­πός του μηχανισμού αυτού είναι να ξεκαθαριστεί ο ζωτικός χώρος και να ελευθερωθούν πόροι για τις νεώτερες γενιές. Ο Weismann κατέληξε πιθανώς σε αυτή την θεωρία διαβάζοντας τις σημειώσεις του Alfred Russel Wallace (που ανακά­λυ­ψε τη φυσική επιλογή ταυτόχρονα με τον Darwin/ Δαρβί­νο), τις οποίες ανέφερε αργότερα στο δοκίμιό του «Η διάρκεια της ζωής». Σύμφωνα με τις απόψεις αυτές όταν ένα ή περισσότερα άτομα έχουν δώσει έναν ικανο­ποιητικό αριθμό απογόνων τα ίδια, δεδομένου ότι καταναλώνουν τροφή, είναι επιζήμια για τους απογόνους. Η φυσική επιλογή επομένως τα πετάει έξω και ευνοεί, σε πολλές περιπτώσεις, τα είδη που πεθαίνουν σχεδόν αμέσως μετά την τεκνοποίηση.

Ο Weismann υιοθέτησε με ενθουσιασμό αυτήν την ιδέα, την οποία ανέπτυξε περαιτέρω.  Ήταν εξάλλου σύμφωνη με την πρακτική των γερμανικών πανεπιστη­μίων εκείνης της εποχής:  Οι νεώτεροι υποψήφιοι για μια πανεπιστημιακή θέση έπρεπε να περιμένουν το θάνατο ενός παλαιού καθηγητή.

 

 Η εξελικτική θεωρία του Weismann και το όριο των κυτταρικών διαιρέσεων

Προτείνοντας τη θεωρία του προγραμματισμένου θανάτου, ο Weismann έπρεπε να προτείνει και τους ακριβείς βιολογικούς μηχανισμούς που υπάρχουν για να ισχύει αυτή η θεωρία.  Διετύπωσε λοιπόν την άποψη ότι υπάρχει ένας περιορισμός στον αριθμό διαιρέ­σεων που μπορούν να υποβληθούν τα σωματικά κύτταρα. Συγκεκριμένα, πρότεινε ότι η διάρκεια ζωής συνδέεται με τον αριθμό των γενεών των σωματικών κυττάρων που ακολουθούν η μια την άλλη και ότι ο αριθμός αυτός, όπως και η διάρκεια ζωής των μεμονωμένων γενεών των κυττάρων, καθορίζεται από το εμβρυικό κύτταρο. Ο Weismann εξήγησε τη διαφορετική διάρκεια ζωής που υπάρχει μεταξύ των διαφόρων ειδών με το να τις εξαρτήσει από τον αριθμό των γενεών των κυττάρων κάθε διαφορετικού είδους.

Αλλά αυτή η καθαρώς θεωρητική υπόθεσή του για την ύπαρξη ενός ορίου κυτ­τα­ρικών διαιρέσεων έλαβε μια δραματική εξέλιξη.  Η θεωρία ότι υπάρχει ένα όριο στις κυτταρικές διαιρέσεις αμφι­σβητήθηκε αρχικά από τον Alexis Carrel και τον Albert Ebeling, οι οποίοι δη­μο­σίευσαν αποτελέσματα για κύτταρα από κοτό­πουλο, που μπορούν να καλλιερ­γηθούν σε κυτταροκαλλιέργειες,  κατά τρόπο αόριστο τουλάχι­στον για 34 έτη.  Μια εργασία με το όνομα του διάσημου τότε νομπελίστα Α. Carrel δεν ήταν εύκολο να αμφισβητηθεί, μολονότι για πολλά χρόνια πολλοί ερευνητές δεν είχαν καταφέρει να αναπαραγάγουν στο εργαστήριο τα αποτελέσματα της εργασίας τους. Τελικά, μετά από μισό αιώνα έγινε γνωστό ότι υπάρχει ένα όριο κυτταρικών διαιρέσεων, το οποίο είναι γνωστό ως όριο Hayflick, από τον ομώνυμο ερευ­νητή ο οποίος προσέφερε πολλά σε αυτόν το τομέα.

    Leonard Hayflick

Ο θρίαμβος της ιδέας του Weismann για την ύπαρξη ενός ορίου  κυτταρικών  διαιρέ­σεων δε βοήθησε ωστόσο στο να δικαιολογηθεί η θεωρία του προγραμματισμέ­νου θανάτου. Τα κύτταρα σταματούν να διαιρούνται, αλλά κανένας προγραμματισμέ­νος θάνατος δεν συμβαίνει.  Επιπλέον, διατυπώθηκε η άποψη ότι η διακοπή της κυττα­ρικής αύξησης είναι στην πραγματικότητα ευεργετική για την επιβίωση των οργανι­σμών επειδή τους προστατεύει από τον καρκίνο.

Ας σημειωθεί ότι οι επιστημονικές απόψεις του Weismann για τη γήρανση δια­φο­ροποιήθηκαν  σημαντικά κατά τη διάρκεια της ζωής του.  Όταν έφθασε σε ώριμη ηλικία άλλαξε τις απόψεις του και εξέταζε τους παλαιούς οργανι­σμούς όχι ως επιβλα­βείς αλλά απλά ως ουδέτερους για τα βιολογικά είδη.

 

 Έλεγχος της θεωρίας του προγραμματισμένου θανάτου

Οι μελέτες που ακολούθησαν επιβεβαίωσαν ότι η απόφαση του Weismann να εγκαταλείψει την αρχική ιδέα περί προγραμματισμένου θανάτου, ήταν σοφή. Πολλοί επιστημονικοί έλεγχοι έγιναν από τότε που ο Weismann πρότεινε τη θεωρία του προγραμματισμένου θανάτου.

Ένας τρόπος ελέγχου της υπόθεσης του προγραμματισμένου θανάτου βασίζεται στη σύγκριση της ζωής για  άτομα ενός είδους τόσο στο φυσικό όσο και σε προστα­τευ­μένο εργαστηριακό περιβάλλον.  Για να προκύψει ένα πρόγραμμα αυτοκατα­στρο­φής και να έχει διατηρηθεί κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, πρέπει να είχε την ευ­καιρία  να εκφραστεί σε φυσικές συνθήκες.  Εάν η υπόθεση ήταν σωστή, τότε δεν θα έπρεπε να υπήρχαν μεγάλες διαφορές στη διάρκεια ζωής των οργανισμών σε διαφορετικά περιβάλλοντα όπως είναι το φυσικό περιβάλλον και το προστατευμένο περιβάλλον ενός εργαστηρίου ή ενός ζωολογικού κήπου.  Επίσης, η ηλικία κατά την οποία ένα τέτοιο πρόγραμμα θα άρχιζε να λειτουργούσε δεν μπορεί να ήταν πάρα πολύ μεγάλη. Διαφορε­τικά, λόγω της υψηλής θνησιμότητας στο φυσικό περιβάλλον, π.χ.  από τα αρπακτικά ζώα, την πείνα, τις μολύνσεις και τις δύσκολες φυ­σικές συνθήκες, κανένας οργανι­σμός δεν θα ζούσε ως τη μοιραία ηλικία και ο μηχανι­σμός αυτοκαταστροφής δεν θα μπορούσε να εκφραστεί.

Η ανάλυση ωστόσο των πραγματικών στοιχείων αποκαλύπτει μια εικόνα εντε­λώς διαφορετική από αυτή που θα αναμενόταν από την θεωρία του προγραμματισμένου θανά­του: η διάρκεια ζωής των οργανισμών σε προστατευμένο περιβάλλον υπερβαί­νει κατά πολύ τη διάρκεια ζωής σε φυσικές συνθήκες π.χ. ο σπίνος (Fringilla coelebs) μπορεί να ζήσει για 29 έτη στην αιχμαλωσία.  Όμως στο φυσικό περιβάλλον αυτό είναι σχεδόν αδύνατο, δεδομένου ότι περίπου τα μισά από τα πουλιά χάνονται κατά τη διάρκεια ενός έτους από την πείνα, το κρύο, τις ασθένειες και τις επιθέσεις διαφόρων αρπακτι­κών,  με αποτέλεσμα η μέση διάρκεια ζωής να είναι μόνο 1,4 έως 1,5 έτη. Ως αποτέλεσμα αυτής της υψηλής θνησιμότητας, μόνο το 0,1% του αρχικού αριθμού των σπίνων επιβιώνουν ως την ηλικία των 11 ετών.

Παρόμοιες παρατηρήσεις έχουν γίνει σε αρουραίους (Micro­tus arvalis). Στις προστατευμένες εργαστηριακές συνθήκες, η μέση διάρκεια ζωής των αρουραίων του είδους που μελετήθηκε, είναι περίπου 7 έως 8 μήνες, ενώ κάποιοι από αυτούς επιβιώνουν μέχρι 25 μήνες. Σε φυσικές συνθήκες όμως, η μέση διάρκεια ζωής τους είναι μόνο 1,2 μήνες ενώ μόνο το 0,1% του αρχικού αριθμού επιβιώνει μέχρι 10 μήνες.

Το ίδιο ισχύει και στα πρωτεύοντα όπως τους  χιμπατζήδες (Pan troglodytes).

Παρατηρήσεις όπως αυτές είναι κοινές για πολλά βιολογικά είδη. Κατά συνέπεια, εάν προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε την ηλικία του προγραμματισμένου θανάτου βάσει της διάρκειας ζωής σε συνθήκες εργαστηρίου, γίνεται σαφές ότι κανένα πρόγραμμα θανάτου δεν θα μπορούσε να προκύψει ή να διατηρηθεί στην εξέλιξη και αυτό γιατί δεν θα μπορούσε να τεθεί σε λειτουργία στις φυσικές συνθήκες όπου σχεδόν κανένα άτομο δεν θα ζούσε στην ηλικία αυτή.

Το ίδιο συμπέρασμα προκύπτει από μια ανάλυση στοιχείων που αφορά την αν­θρώ­πινη διάρκεια ζωής. Αυτή τη στιγμή, η μέση υπολογιζόμενη διάρκεια ζωής στις ανεπτυγμένες χώρες είναι περίπου 70 – 80 έτη ενώ το μέγιστο τεκμηριωμένο όριο για τη διάρκεια ζωής του ανθρώπου είναι 122 έτη.  Εάν με αυτά τα στοιχεία υπολογί­σουμε περίπου την ηλικία κατά την οποία το πρόγραμμα θανάτου είναι σε εξέλιξη, αναγκαζόμαστε να αναγνωρίσουμε ότι ένα τέτοιο πρόγραμμα δεν θα μπορούσε να έχει προκύψει κατά την ανθρώπινη εξέλιξη δεδομένου ότι, ουσιαστικά κανένα άτομο δεν θα επιβίωνε σε μια τέτοια ηλικία. π.χ. μόνο από τους μισούς από εκείνους που γεννήθη­καν στην ύστερη παλαιολιθική περίοδο (30.000 έως 10.000 π.Χ.) έφθασαν στην ηλικία των 8 έως 9 ετών και μόνο οι μισοί από εκείνους που γεννήθηκαν  στη νεολιθική περίοδο (6.000 έως 2.000 π.Χ.) έφθασαν τα 26 χρόνια ζωής. Εξ άλλου, ακόμη και κατά τον Μεσαίωνα, η μέση διάρκεια ζωής δεν ήταν μεγαλύτερη από 27 με 29 έτη. Οι έρευνες για τους σκελετούς Ινδιάνων της Αμερικής έχουν δείξει ότι μόνο το 4 % του πληθυσμού επέζησε μέχρι την ηλικία των 50 ακόμα και στον 18ο αιώνα.  Να σημειωθεί για σύγκριση, ότι η πιθανότητα της επιβίωσης σε αυτήν την ηλικία στις ανεπτυγμένες χώρες είναι 94-96%.  Εάν συγκριθούν αυτά τα στοιχεία, είναι δύσκο­λο να αποφύγουμε το παρακάτω ερώτημα: Μπορεί ο θάνατος ατόμων μεγάλης ηλικίας, που πιθανόν να επιζούσαν αλλά ήταν καταδικασμένοι από άλλες συν­θήκες, να αποτελούν μια  επαρκή εξελικτική βάση για το σχηματισμό και τη συντήρηση ενός ειδικού προγράμματος αυτοκαταστροφής στο ανθρώπινο γονιδίωμα;  Αντιμετω­πίζοντας την υπόθεση του προγραμ­ματισμέ­νου θανάτου κάτω από αυτό το πρίσμα γίνεται σαφής η ασυνέπεια της υπόθεσης.

Ο δεύτερος τρόπος για να ελεγχθεί η υπόθεση προγραμματισμένου θανάτου είναι να μελετηθεί η εξάρτηση των ποσοστών θανάτου με την ηλικία ενός ζώου. Εάν αυτή η θεωρία είναι σωστή, τότε η εξάρτηση από την ηλικία των ποσοστών θανάτου πρέπει να αλλάζει εντυπωσιακά μετά από κάποια κρίσιμη ηλικία όταν μπαίνει το υποτιθέμενο πρόγραμμα θανάτου σε δράση.  Αυτή η πρόβλεψη εξετάστηκε προσεκτικά για δεκάδες διαφορετικά είδη, συμπεριλαμβανομέ­νου και του ανθρώπου.  Διαπιστώθηκε όμως ότι οι καμπύλες θνησιμότητας είναι πολύ ομαλές και μονότονες χωρίς σημάδι κάποιας κρίσιμης ηλικίας που αντιστοιχεί σε μια αναμενόμενη έκρηξη θνησιμότητας.

Αν και υπάρχουν σημαντικά επιχειρήματα ενάντια στην θεωρία του προγραμμα­τισμένου θανάτου (αποκαλούμενη για ιστορικούς λόγους θεωρία Weis­mann) και υπάρχει ήδη η αποτυχία ενός αιώνα έρευνας για την αποκάλυψη οποιουδήποτε μηχανισμού θανάτου, όμως φαντάσματα της θεωρίας αυτής βρίσκονται ακόμα παντού και πολλές φορές εμφανίζεται με διαφορετική μορφή.  Γίνονται προσπάθειες για αναβίωση της θεωρίας του προγραμ­μα­τισμένου θανάτου του Weismann με την υποβολή προτάσεων για την ύπαρξη ενός ειδικού προγράμμα­τος αυτοκτονίας για ολόκληρους οργανισμούς (αποκαλούμενου phenoptosis), το οποίο εκτελεί  «πολύ σημαντικές λειτουργίες, καθαρίζοντας… τις κοινότητες των οργανι­σμών από τα ανεπιθύμητα άτομα». Σύμφωνα με την υπόθεση αυτή και ο προγραμμα­τισμένος θάνατος υποτίθεται ότι αποτρέπει την εμφάνιση τεράτων ικανών να κατα­στρέ­ψουν την οικογένεια, τη κοινωνία ακόμα και ολόκληρους πληθυσμούς. Κατά συνέπεια, η εξελικτική θεωρία του Weismann παραμένει ακόμα υπό συζήτηση.

Όσον αφορά τον ίδιο τον Weismann, οφείλουμε να του αναγνωρίσουμε διορατικότητα καθώς προέβλεψε τη κυτταρική διαίρεση χωρίς εργαστηριακά στοιχεία, διατύπωσε το αξίωμα «της φθαρτής και τρωτής φύσης του σώματος» και το διαχωρισμό κυττάρων σε δύο τύπους, τα γαμετικά, τα μόνα κύτταρα που διαβιβάζουν τις κληρονομικές πληροφορίες στον απόγονο και τα  σωματικά.

 

Σύγχρονες εξελικτικές θεωρίες

 Σήμερα επικρατούν δύο σημαντικές εξελικτικές θεωρίες, η θεωρία της συσσώρευσης μεταλ­λάξεων  και η θεωρία της ανταγωνιστικής πλειοτρο­πίας που εξη­γούν γιατί η εξέλιξη επιτρέπει να υπάρχει η γήρανση και γιατί υπάρχει συγκε­κριμένη διάρκεια ζωής στα βιολογικά είδη.  Υπάρχει και μια τρίτη εξελικτική θεωρία αυτή του φθαρτού του σώματος η οποία όμως θεωρείται ως υποπερίπτωση της θεωρίας της ανταγωνι­στικής πλειοτροπίας.

Ας σημειωθεί ότι οι παραπάνω εξελικτικές θεωρίες της γήρανσης δεν αποκλείουν η μία την άλλη, αλλά μπορεί και οι δύο εξελικτικοί μηχανισμοί να λειτουργούν ταυτόχρονα. Η κύρια διαφορά ανάμεσα στις δύο πρώτες είναι ότι στη θεωρία της συσσώρευσης μεταλλάξεων, τα γονίδια με τα αρνητικά αποτελέσματα συσσωρεύονται παθητικά από την μία γενεά στην επόμενη ενώ στην ανταγωνιστική θεωρία πλειοτροπίας, αυτά τα γονίδια κρα­τιούνται ενεργά στο σύνολο των γονιδίων από την φυσική επιλογή.

 Η γήρανση ως αποτέλεσμα της συσσώρευσης μεταλλάξεων

Η ενσάρκωση της ιδέας για μια σύγχρονη εξελικτική θεωρία της γήρανσης μας γυρίζει στα 1941 και στο γενετι­στή J.B.S. Haldane, ο οποίος ενδια­φερόταν για τις ασθένειες που προκαλούνται από μεταλλαγμένα γονίδια.

   J.B.S. Haldane

Η ασθένεια του Huntington, προβλημάτι­σε τον Haldane. Η χορεία του Hunting­ton είναι μια νευρολογική εκφυλιστική ασθένεια, που επιδρά στο νευρικό σύστημα προκαλώντας ανεξέλεγκτους σπασμούς (χορεία), παρα­φρο­σύνη και θάνατο. Είναι ασυνήθιστη από δύο απόψεις: πρώτον, γιατί δεν εκδηλώνεται παρά σε ώριμη ηλικία, ο μέσος όρος ηλικίας των ανθρώπων που εκδηλώνεται είναι περίπου τα τριάντα πέντε χρόνων. Δεύτερον, γιατί η με­τάλ­λαξη της ασθένειας του Huntington δεν είναι υπολει­πό­μενη αλλά κυρίαρχη αυτοσωμική. Αυτό σημαίνει ότι οι άνθρωποι  θα εκδηλώσουν την ασθένεια ακόμη και με ένα μόνο αντίγραφο της μετάλλαξης.

Γενικά κάποιος θα περίμενε ότι οι κυρίαρχες μεταλλάξεις που προκαλούν θανα­τη­φόρες ασθένειες θα εξαφανίζονταν γρήγορα από έναν πληθυσμό. Αλλά όπως παρατήρησε ο Hal­dane, το φοβερό με την ασθένεια του Huntington είναι ότι κατά τον χρόνο εκδήλωσης της  οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν παιδιά, στα οποία με πιθανό­τητα 50%  έχει ήδη περάσει στον κάθε απόγονο το γονίδιο. Επίσης, τόνισε ότι για ένα μεγάλο μέρος της εξελικτικής ιστορίας της ανθρωπότητας η πλειοψηφία των ανθρώπων, πιθανώς, δεν έφθασε στην ηλικία αυτή. Με άλλα λόγια, η εκλεκτική πίεση να αφαιρεθεί η μετάλλαξη του Huntington από τους πληθυσμούς είναι σχετικά αδύναμη.  Ας φανταστούμε μια παραλλαγή της χορείας του Huntington – μια άλλη κυρίαρχη μετάλλαξη – που να άρχιζε στην ηλικία των 10 ετών  του ανθρώπου: μια τέτοια μετάλλαξη πολύ γρήγορα θα εξαφανιζόταν από τον πληθυσμό, δεδομένου ότι εκείνοι που θα την κατείχαν δεν θα είχαν παιδιά.  Όμως τα συμπτώματα της ασθένειας Huntington εμφανίζονται μόνο στην ηλικία που οι άνθρωποι ήδη έχουν τεκνοποιήσει. Κατά συνέπεια, οι κυρίαρχες, θανατηφόρες μεταλλάξεις μπορούν να διατηρηθούν σε έναν πληθυσμό με υψηλή συχνότητα, εφόσον τα αποτελέσματά τους δεν εμφανίζονται μέχρι την αναπαραγωγική ηλικία.

Ο Haldane συνέχισε κάνοντας μια άλλη εξαιρετική παρατήρηση.  Εάν η φυσική επιλογή είναι ανίκανη να εκκαθαρίσει τη μετάλ­λαξη της χορείας του Huntington από το γενικό πληθυσμό, τι γίνεται με τις μεταλλά­ξεις που δεν εκδηλώνονται παρά μόνο σε μεγάλη ηλικία; Θα μπορούσε η γήρανση να είναι το αποτέλεσμα των μεταλλάξεων που εκδηλώνονται πολύ αργά στη ζωή, σε μια ηλικία που δεν υφίσταται η φυσική επιλογή.  Εάν αυτό είναι αλήθεια, τότε αυτό που θεωρείται ως διαδικασία γήρανσης δεν είναι παρά μια μορφή εκδήλωσης σε μεγάλη ηλικία, μιας μοιραίας γενετικής ασθένειας που προκαλείται από γενετικές μεταλλάξεις και τις οποίες η φυσική επιλογή ήταν ανίκανη να αποβάλει από τον πληθυσμό. Αυτή η ιδέα αποτελεί την καρδιά της εξελικτικής θεωρίας της γήρανσης. Η ουσία της μπορεί να συνοψιστεί σε μια απλή φράση: η δύναμη της φυσικής επιλογής μειώνεται μετά από την έναρξη της αναπαραγωγικής ηλικίας καθώς η ηλικία του ατόμου αυξάνεται.

Αυτή η ιδέα αναπτύχθηκε περαιτέρω από τον Peter Medawar. «Η δύναμη της φυσικής επιλογής αποδυναμώνεται καθώς αυξάνεται η ηλικία – ακόμη και σε έναν θεωρητικά αθάνατο πληθυσμό, υπό τον όρο ότι εκτίθεται στους πραγματικούς κινδύνους της θνησιμότητας. Εάν μια γενετική βλάβη παρουσιαστεί αρκετά αργά στη ζωή του ατόμου, οι συνέπειές της μπορούν να είναι απολύτως ασήμαντες».  Δηλαδή δεν υπάρχει η επιλογή αφαίρεσης των επιβλαβών μεταλλάξεων που παρουσιάζονται σε μια ηλικία που τα περισσότερα άτομα ήδη έχουν πεθάνει από μη γενετικές αιτίες – δηλ. λόγω ασιτίας, αρπαγής από εχθρούς, ασθένειες κλπ.

Ο Peter Medawar (1915-1987,  βραβείο  Nobel το 1960, για την εργασία του σε θέματα ανοσολογίας και μεταμό­σχευσης ιστών), θεωρεί τη γήρανση ως υποπροϊόν της φυσικής επιλογής. Σύμφωνα με τη θεωρία του η γήρανση είναι ένα γνώρισμα με μη προσαρμοστικά χαρακτηριστικά. Αυτή η εξήγηση της γήρανσης είναι παρόμοια με την εξελικτική εξήγηση της ελάττωσης της όρασης και την ύστατη τύφλωση των ζώων των σπηλαίων: εάν κάποια λειτουργία δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει αναπαραγωγικό πλεονέκτημα, δεν θα υποστη­ριχθεί από την φυσική επιλογή ώστε να διατηρηθεί στις μελλοντικές γενεές.

       Peter Medawar (1915 – 1987)

Η πιθανότητα της αναπαραγωγής εξαρτάται από την ηλικία. Είναι μηδέν στη γέννηση και φθάνει στο μέγιστο στους νέους ενηλίκους. Αργότερα μειώνεται λόγω της αυξανόμενης πιθανότητας  θανάτου που συνδέεται με τις διάφορες εξωτε­ρικές αιτίες (αρπακτικά ζώα, ασθένειες, ατυχήματα) και εσωτερικές αιτίες (γήρανση). Κάτω από αυτές τις συνθήκες οι επιβλαβείς μεταλλάξεις που εμφανίζονται σε μικρή ηλικία δεν επι­λέγονται γιατί έχουν υψηλό αρνητικό αντίκτυπο στην ικανότητα αναπα­ραγωγής (παρα­γόμενος αριθμός απογόνων).  Από την άλλη πλευρά, οι επιβλαβείς μεταλλάξεις που παρουσιάζονται αργότερα στη ζωή, όταν έχει ήδη επιτευχθεί η αναπαραγωγική διαδικασία, είναι σχετικά ουδέτερες στην επιλογή επειδή οι φορείς τους έχουν διαβιβάσει ήδη τα γονίδιά τους στην επόμενη γενεά.  Ας σημειωθεί ότι οι μεταλλάξεις μπορεί να έχουν επιπτώσεις στην ικανότητα είτε άμεσα είτε έμμεσα π.χ. μια μετάλλαξη που αυξάνει τον κίνδυνο σπασίματος  ποδιών, λόγω χαμηλής δέσμευ­σης του ασβεστίου, μπορεί να είναι, έμμεσα, τόσο επιβλαβής όσο μια μετάλλαξη που εξασθενίζει άμεσα τα ωάρια.

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, τα άτομα που επιφορτίζονται με μια επιβλαβή μετάλλαξη έχουν λιγότερες πιθανότητες να αναπαραχθούν, εάν η επιβλαβής επίδραση αυτής της μετάλλαξης εκφράζεται νωρίς στη ζωή π.χ. οι ασθενείς με προγηρία (μια γενετική ασθένεια με συμπτώματα  πρόωρης γήρανσης) ζουν περίπου 12 έτη και επομένως δεν μπορούν να περάσουν τα μεταλλαγμένα γονίδια τους στις επόμενες γενεές. Υπό τους όρους αυτούς η προγηρία προέρχεται μόνο από τις νέες μεταλλάξεις και όχι από τα γονίδια των γονέων.  Αντίθετα, οι άνθρωποι που εκφράζουν μια μετάλλαξη στα γηρατειά μπορούν να αναπαραχθούν προτού να εμφανιστεί η ασθένεια, όπως η περίπτωση με την οικογενειακή νόσο Alzheimer.  Ως εκ τούτου, η προγηρία είναι λιγότερο συχνή από τις ασθένειες που εμφανίζονται σε μεγάλη ηλικία όπως η νόσος Alzheimer επειδή τα μεταλλαγμένα γονίδια που είναι υπεύθυνα για τη νόσο  δεν αφαιρούνται από τη δεξαμενή γονιδίων τόσο εύκολα όσο τα γονίδια της προγηρίας, και μπορούν έτσι να συσσω­ρευ­τούν σε αλλεπάλληλες γενεές. Με άλλα λόγια, η θεωρία συσσώρευσης  των μεταλλάξεων προβλέπει το γεγονός ότι η συχνότητα των γενετικών ασθενειών αυξάνεται στα γηρατειά.

Σύμφωνα λοιπόν με αυτή τη θεωρία, η γήρανση είναι μια συσσώρευση επιβλαβών μεταλλάξεων, οι οποίες δρουν σε μεγάλη ηλικία. Κατά κάποιο τρόπο, η γήρανση είναι μια γενετική ασθένεια και μπορεί να εξηγηθεί η διαφορά της αρχής της γήρανσης στα διαφορετικά ζωικά είδη.  Σε κάποια είδη είναι δυνατόν να αρχίζει γρηγορότερα από άλλα λόγω εξωγενούς θνησιμότητας, δηλαδή αρπαγή από άλλα ζώα, πείνα κλπ.  Επομένως μπορούμε να κατανοήσουμε γιατί για παράδειγμα οι νυχτερίδες ζουν γενικά πολύ περισσότερο από τα επίγεια θηλαστικά παρόμοιου μεγέθους. Σε μια σειρά από διάφορα είδη νυχτερίδων, ο μέσος όρος ζωής τους είναι 21 έτη – ενώ του παρόμοιου μεγέθους επίγειων θηλαστικών, όπως τα τρωκτικά, είναι 9 έτη.  Οι νυχτερίδες,  πιθανώς, έχουν εξελίξει στο βέλτιστο τη διάρκεια της ζωής τους χάρη στη δυνατότητά τους να αποφεύγουν τα αρπακτικά.  Ή γιατί ένα παράσιτο των εντέ­ρων μπορεί να ζήσει 15 έτη – επειδή ζει σε ένα εντελώς προστατευμένο περιβάλλον –  ενώ το C.elegans που ζει στο χώμα, και εκτίθεται σε διαφόρους κινδύνους, έχει μέγιστη διάρκεια ζωής μόνο 3 εβδομάδες.   Ένα άλλο παράδειγμα είναι ότι η μέγιστη διάρκεια ζωής του ανθρώπου είναι διπλάσια από αυτή του πιο στενού συγγενή μας του χιμπατζή – πιθανώς επειδή η νοημοσύνη επέτρεψε στους προγόνους μας να μειώσουν την εξωγενή θνησιμό­τητα.

Αξίζει να σημειωθεί ότι η διάρκεια ζωής των βασιλισσών των μυρμηγκιών ποικίλλει ανάλογα με την οργάνωση της κοινωνίας τους. Τα είδη που είναι καλύτερα οργανωμένα δηλαδή με σταθερές φωλιές, όπου η βασίλισσα προ­στατεύεται, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Σε μερικά είδη οι βασίλισσες μπορούν να ζήσουν μέχρι και 28 χρόνια.

 Θεωρία της ανταγωνιστικής  πλειοτροπίας 

Η θεωρία της ανταγωνιστικής πλειοτροπίας βασίζεται σε δύο υποθέσεις. Πρώ­τον ότι ένα ιδιαίτερο γονίδιο μπορεί να επιδράσει όχι μόνο σε ένα αλλά σε διάφορα γνωρίσματα ενός οργανισμού (πλειοτροπία). Δεύτερον ότι τα πλειοτροπικά αυτά απο­τελέσματα μπορούν να επηρεάσουν  την  ικανότητα του ατόμου με ανταγω­νιστι­κούς τρόπους. Αυτή η θεωρία ανταγω­νιστικής πλειοτροπίας προτάθηκε από τον George Williams, σύμφωνα με τον οποίο μπορεί να ειπωθεί ότι «η φυσική επιλογή έχει προ­κατάληψη υπέρ της νεότητας έναντι των γηρατειών όταν προκύπτει μια σύγκρου­ση συμφερόντων».

Κατά  τον Williams, αυτή η σύγκρουση προκύπτει από τα πλειοτροπικά γο­νίδια που έχουν ανταγωνιστικά αποτελέσματα στον οργανισμό σε διαφο­ρετικές ηλικίες.  Η επι­λογή ενός γονιδίου που παρέχει ένα πλεονέκτημα σε μια ηλικία και ένα μειονέκτη­μα σε άλλη θα εξαρτηθεί όχι μόνο από τα μεγέθη των  αποτελεσμάτων τους, αλλά και από το χρόνο των αποτελεσμάτων.  Ένα πλεονέκτημα, κατά τη διάρκεια της μέγιστης αναπαραγωγικής πιθανότητας θα αύξανε την αναπαραγω­γική πιθανότητα περισσότερο από ότι ένα αναλογικά παρόμοιο μειονέκτημα που αργότερα θα την μείωνε. Έτσι η φυσική επιλογή θα μεγιστοποιήσει το σφρίγος στη νεότητα σε βάρος της μεγαλύτερης ηλικίας, και με αυτόν τον τρόπο θα παράγει ένα μειωμένο σφρίγος δηλαδή γήρανση,  κατά τη διάρκεια της ώριμης ζωής. Αυτά τα αρχικά επιχειρήματα του Williams αποδείχθηκαν αργότερα με μαθηματική σκέψη.

Με άλλα λόγια, ο Williams υπέθεσε την ύπαρξη των αποκαλούμενων πλειοτρο­πι­κών γονιδίων που εκδηλώνονται ευνοϊκά στις νεώτερες ηλικίες  και επιβλαβώς στις μεγαλύτερες. Τέτοια γονίδια θα διατηρηθούν στον πληθυσμό λόγω της θετικής επίδρασής τους στην αναπαραγωγή παρά τα αρνητικά τους αποτελέσματά στη μετα-αναπαραγωγική περίοδο.

Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα γονίδιο που αυξάνει τη σταθεροποίηση του ασβεστίου στα οστά.  Ένα τέτοιο γονίδιο μπορεί να έχει θετικά αποτελέσματα σε νεαρές ηλικίες επειδή ο κίνδυνος του σπασίματος των οστών και επομένως του θανάτου μειώνεται, αλλά το ίδιο γονίδιο μπορεί να έχει αρνητικά αποτελέσματα σε μεγαλύτερες ηλικίας λόγω του αυξανόμενου κινδύνου οστεο­αρθρίτιδας λόγω της υπερβολικής απόθεσης ασβεστίου²⁸. Στις συνθήκες του φυσικού περιβάλλοντος, ένα τέτοιο γονίδιο δεν έχει πραγματικά αρνητική επίπτωση επειδή τα περισσότερα ζώα πεθαίνουν πολύ πριν να εκδηλωθούν τα αρνητικά αποτελέσματα του γονιδίου.  Υπάρ­χει ένας συγκερασμός μεταξύ μιας  θετι­κής επίδρασης σε μια μικρή ηλικία και μιας πιθανής αρνητικής επίδρασης στα γεράματα.  Η τελευταία θα φανεί μόνο εάν τα ζώα ζουν σε προ­στα­τευμένο περιβάλλον, όπως οι ζωολογικοί κήποι ή τα εργαστή­ρια.

Κατά τη θεωρία της ανταγωνιστικής πλειοτροπίας η αναπαραγωγή μπορεί να έχει κόστος για τη μακροζωία των ειδών προκαλώντας ακόμη και το θάνα­το όπως αναφέραμε στην ιστορία με τα μπαμπού και τους «αυτοκαταστροφι­κούς κύκλους των σολομών».  Μεταλλάξεις που ευνο­ούν την εντατικότερη αναπαραγωγή (περισσότεροι απόγονοι) θα διαδο­θούν στις μελλοντικές γενεές ακόμα κι αν αυτές έχουν επι­βλα­βή αποτελέσματα στη μεταγενέστερη ζωή. Για παράδειγμα, οι μεταλλάξεις που προ­καλούν την υπερπαραγωγή των φυλετικών ορμονών μπορούν να αυξήσουν την σεξουαλική δραστηριότητα, τις αναπαραγω­γικές προσπάθειες και την επιτυ­χία και επομένως μπορούν να ευνοηθούν από την επιλογή παρά την πρόκληση του καρ­κίνου του προστάτη (στα αρσενικά) και του καρκίνου των ωοθηκών (στα θηλυκά) σε μεγάλη ηλικία. Κατά συνέπεια, η θεωρία της ανταγωνιστικής πλειοτροπίας προκύπτει άμεσα από την ιδέα του αναπαραγωγι­κού κόστους, ή γενικότερα του αντισταθμίσματος μεταξύ διαφορετικών γνωρισμάτων του οργανισμού.

Οι αντισταθμίσεις μεταξύ της αναπαραγωγής και της μακροζωίας σχετίζονται σύμφωνα με τη θεωρία της ανταγωνι­στικής πλειοτροπίας με τον εξής τρόπο. Η αναπα­ραγωγική ωρίμανση είναι το ορόσημο στον κύκλο της ζωής για την εξέλιξη της γήραν­σης.  Η γήρανση μπορεί θεω­ρητικά να αρχίσει αμέσως μετά από αυτό το στάδιο της ανάπτυξης. Έτσι όσο συντο­μότερα επιτυγχάνεται αυτό το σημείο τόσο πιο σύντομα θα αρχίσει η γήρανση και οι επιπτώσεις της. Όσο η αναπαραγωγική διαδικασία αργεί, τό­σο οδηγούμαστε στην επιμήκυνση  της διάρκειας ζωής.

Η τελευταία πρόβλεψη εξετάστηκε σε πειράματα χρησιμοποιώ­ντας τη D. mela­no­­gaster.  Αναβάλλοντας την αναπαραγωγή για μεγαλύτερες ηλικίες, αύξησε τη διάρ­κεια ζωής των επιλεγμένων πληθυσμών όπως προέβλεψε ο Williams.   Επίσης, η αύξηση της μακρο­ζωίας  συνοδεύθηκε από μείωση της γονιμότητας στην πρώιμη  ενήλικη ζωή, κάτι που επιβεβαιώνει την πρόβλεψη της ανταγωνιστικής θεωρίας πλειο­τρο­πίας.   Σε άλλο πείραμα με διαφορετικά επίπεδα εξωγενούς θνησιμότητας, οι απόγονοι των πληθυ­σμών με χαμηλή εξω­γενή θνησιμότητα παρουσίασαν αυξανόμενη μακροζωία, μακρύς­ χρόνους ανάπτυξης και μείωση της πρόωρης γονιμό­τητας.

Η θεωρία της ανταγωνιστικής πλειοτροπίας είναι επίσης γνωστή ως θεωρία της «πληρωμής αργότερα» (pay later).

Θεωρία μιας χρήσης του σώματος ή θεωρία του Kirkwood

Μια «διαφορετική» εξελικτική θεωρία είναι αυτή που προτάθηκε από τον  Tom Kirkwood η θεωρία μιας χρήσεως του σώματος (dispo­sable soma theory) [κάποιοι στα ελληνικά τη λένε και θεωρία του αναλώσιμου σώματος και άλλοι θεωρία της φθοράς του σώματος].  Κάποιοι την θεωρούν ως μια εντελώς διαφορετική εξελικτική θεωρία και κάποιοι άλλοι ως ένα διαφο­ρετικό τρόπο αντιμετώπισης της θεωρίας της ανταγωνιστικής πλειο­τροπίας.   Η θεωρία αυτή προϋποθέτει μια ειδική κατηγορία μεταλλα­γμένων γονιδίων με τις ακόλουθες ανταγωνιστικές πλειοτροπικές επιπτώσεις: οι υποθετικές αυτές μεταλλάξεις εξοικονομούν ενέργεια για την αναπαρα­γωγή (θετική επίπτω­ση) με το να αχρηστεύουν μερικώς την ακρίβεια στους επιδιορθωτικούς και άλλους μηχα­νι­σμούς στα σωματικά κύτταρα (αρνητική επίπτωση). Ο Kirkwood υποστή­ριξε ότι μπορεί να είναι συμφέρον για τους ανώτερους οργανισμούς να υιοθετούν μια στρατηγική εξοι­κονόμησης ενέργειας με μειωμένη ακρίβεια στα σωματικά κύτταρα για να επιταχύ­νουν την ανάπτυξη και την αναπαρα­γωγή, αλλά η συνέ­πεια θα είναι ενδεχομένως η φθορά και ο θάνατος.   Με άλλα λόγια οποιοσδήποτε οργανισμός έχει γενικά περιορισμέ­νους πόρους ενέργειας επι­λέγοντας τη διάθεση της ενέργειας του στην ανα­παραγωγή – στη γαμετική σειρά – παρά στη διατήρηση ενός υγιούς, μακρόβιου σώματος, δηλαδή του σωματικού ιστού, ή του σώματος.   Ο Kirkwood υποστηρίζει ότι η εξέλιξη είναι ικανή να παραγάγει έναν οργα­νισμό που να μη γηράσκει, αλλά λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες στις οποίες εξελίσσονται οι περισσότεροι οργανισμοί, είναι σπάταλο να γίνεται αυτό: η ικανότητα μεγιστοποιείται στις σωματικές διαδικασίες συντήρησης που βεβαιώνουν τη μακρο­ζωία – αλλά όχι περισσότερο από αυτό, δηλαδή μια απεριόριστη διάρκεια ζωής.   Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μιας χρήσης σώματος που είναι και το όνομα της θεωρίας.  Με τον καιρό η θεωρία αυτή έχει κατά κάποιο τρόπο αυτονομηθεί και από πολλούς θεω­ρεί­ται η τρίτη και ίσως η πιο έγκυρη εξελικτική θεωρία της γήρανσης.

Με βάση τα παραπάνω θα λέγαμε ότι ο ρόλος της γήρανσης παραμένει ακόμη ένα μυστήριο.   Όμως, μετά από μισό αιώνα προόδου, η λύση του αινίγματος αρχίζει να αποκαλύπτεται.  Η σημερινή άποψη είναι ότι οργανισμοί είναι προγραμματισμένοι για επιβίωση και όχι για θάνατο.  Οι εξελικτικές θεωρίες που έχουν προταθεί και ειδικότερα η θεωρία μιας χρήσεως του σώματος βασίζονται σε δύο αρχές: (α) ότι η δύναμη της φυσικής επιλογής μειώνεται με την ηλικία και (β) η μακροζωία απαιτεί επενδύσεις στη συντήρηση και επιδιόρθωση που πρέπει να ανταγωνιστούν τις επενδύσεις στην αύξηση, την αναπαραγωγή και τις δραστηριότητες που ενισχύσουν τις ικανότητες ενός οργα­νισμού.

Οι εξελικτικές θεωρίες της γήρανσης προβλέπουν ότι είναι απίθανο να μην υπάρχουν συγκεκριμένα γονίδια για τη γήρανση. Επίσης ότι τα γονίδια που είναι ιδιαίτερης σπουδαιότητας για τη γήρανση και τη μακροζωία είναι πιθανό να είναι εκείνα που είναι υπεύθυνα και για τη συντήρηση και επιδιόρθωση των σωματικών κυττάρων.

• Μηχανιστικές θεωρίες της γήρανσης
• Εξελικτικές θεωρίες της γήρανσης