Die Einheit von Alterung und Evolution: Warum variiert die Lebenserwartung zwischen verschiedenen Arten so stark?

Wir können das Altern aus einer evolutionären Perspektive verstehen, um die folgende Frage zu beantworten: Wenn die Evolution das Überleben des Stärkeren bedeutet, woran genau passt sich dann der allmähliche Degenerationsprozess des Alterns an und welche Vorteile hat er? Warum gibt es beim Altern eine solche Vielfalt? Derzeit gibt es mehrere Theorien, die die Gründe erklären können, wie etwa die Mutationsakkumulationstheorie und die Theorie der antagonistischen Pleiotropie, aber in der realen Biologie gibt es keine universelle Hypothese. Das Altern ist eher ein evolutionäres Versehen, dem unterschiedliche Mechanismen zugrunde liegen.

Geschrieben von Drew Steele

Übersetzungen | Zhang Wentao und Wang Xi

Das Altern plagt uns seit Beginn der Menschheitsgeschichte. Altern begegnet uns (fast) überall. Von Säugetieren wie uns bis hin zu Insekten, Pflanzen und sogar einzelligen Organismen wie Hefe altern alle. Das Altern scheint ein universeller degenerativer Prozess in lebenden Organismen zu sein. Das ist nicht überraschend, denn auch außerhalb der Biologie kommt es mit der Zeit zu Verschleißerscheinungen bei Maschinen und zum Verfall von Gebäuden. Warum kann Leben dagegen immun sein?

Die Frage ist: Wie können wir das Altern mit der Evolution in Einklang bringen?

Wenn Evolution das Überleben des Stärkeren bedeutet, woran genau passt sich dann der allmähliche degenerative Alterungsprozess an und welche Vorteile bietet er? Eine weitere große Frage ist, warum es beim Altern eine solche Vielfalt gibt. Das am kürzesten lebende erwachsene Insekt ist die Eintagsfliege. Die Weibchen schlüpfen, paaren sich, legen Eier und sterben innerhalb von fünf Minuten. Das langlebigste Wirbeltier (Tiere mit einer Wirbelsäule wie wir) ist der Grönlandhai, wobei das älteste bekannte Weibchen auf 400 Jahre geschätzt wird. Warum leben Mäuse nur wenige Monate, Schimpansen hingegen Jahrzehnte und manche Wale Hunderte von Jahren? Wenn das Altern ein Prozess des Lebensverlusts ist, warum unterscheiden sich die Zeiträume des Alterns dann bei verschiedenen Tieren so stark?

Die „Evolution des Alterns“ klingt paradox, aber glücklicherweise können wir das Altern immer noch aus einer evolutionären Perspektive verstehen. Dies zu verstehen ist mehr als nur eine Übung im Evolutionskurs (obwohl das eine attraktive Idee ist) oder ein Versuch, zwei scheinbar divergierende Gesetze der Biologie in Einklang zu bringen (obwohl das sehr wichtig ist). Und was noch wichtiger ist: Es gibt uns Einblicke in das, was Altern ist, was es nicht ist und wie wir damit umgehen können.

Statistische Definition des Alterns

Wir müssen zunächst neu definieren, was wir unter Altern verstehen. Anstatt eine biologische Definition des Alterns vorzustellen, werden wir versuchen, das Altern statistisch zu definieren: Altern ist ein mit der Zeit zunehmendes Sterberisiko. Ob Tiere, Pflanzen oder andere Lebensformen, ihr Sterberisiko steigt mit zunehmendem Alter, ein Prozess, der als Altern bezeichnet wird. Einige besondere Lebewesen, wie etwa die Galapagos-Riesenschildkröte, altern jedoch nicht, da ihr Sterberisiko unverändert bleibt. Wir sehen deutlich, dass sich das Sterberisiko mit jedem achten Lebensjahr verdoppelt. Dies definiert statistisch, wie schnell wir altern. Wir können diese statistische Definition verwenden, um das Altern auf evolutionärer Ebene zu verstehen. Ob es sich nun um Falten im Gesicht oder ein erhöhtes Risiko für Herzerkrankungen handelt, es handelt sich immer um eine Manifestation oder Form dessen, was damit einhergeht.

Manche Menschen erklären das Altern lieber anhand der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse als anhand biologischer Prozesse. „Dies ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: Die Entropie hat immer die Tendenz, zuzunehmen.“ Mit anderen Worten: Alles auf dieser Welt wird chaotisch und bricht mit der Zeit zusammen. Dieses Argument ist jedoch fehlerhaft, da es eine zentrale Prämisse des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik außer Acht lässt: Er gilt nur für geschlossene Systeme. Wenn Sie von der Umwelt isoliert sind und kein Austausch von Materie und Energie stattfindet, können Sie Ihr eigenes Schicksal nur aufschieben, aber nicht ändern. Am Ende wird Staub wieder zu Staub. Wenn Sie jedoch nicht isoliert sind, können Sie Energie aus Ihrer Umgebung aufnehmen und diese Energie nutzen, um Ihrem Leben neue Kraftquellen zuzuführen. Das mag esoterisch klingen, ist aber eigentlich ganz einfach: Da Tiere Energie aus der Nahrung gewinnen und Pflanzen Sonnenlicht in Nahrung umwandeln können, steht ihnen die Nutzung dieser Energie für eine Vielzahl biologischer und biochemischer Prozesse frei, indem sie wichtige Bestandteile, die abgebaut werden, recyceln, entfernen oder ersetzen.

Tiere sind keineswegs an die stark vereinfachten Gesetze der Thermodynamik gebunden, sondern haben unglaubliche Fähigkeiten zur Selbstheilung entwickelt. Manche Tiere, wie beispielsweise Salamander, sind in der Lage, ein verlorenes Gliedmaß vollständig zu regenerieren. Es klingt wie ein Partytrick, aber auf mikroskopischer Ebene passiert es ständig in allen lebenden Organismen, auch in Ihnen, auch wenn es vielleicht nicht so beeindruckend erscheint. Wenn Zellen, ihre Organellen und die Moleküle, aus denen sie bestehen, beschädigt oder zerstört werden, baut unser Körper die beschädigten Strukturen rasch ab und erzeugt neue Komponenten, um sie zu ersetzen. Unzählige molekulare Maschinen arbeiten ununterbrochen, um die komplexen Strukturen auf allen Ebenen lebender Organismen aufrechtzuerhalten, beschädigte Zellen, die zu „Müll“ geworden sind, zu beseitigen und so die Integrität des Körpers aufrechtzuerhalten. Im menschlichen Körper läuft dieser Prozess jahrzehntelang Tag für Tag ohne Unterbrechung ab. Solange die Energiezufuhr gewährleistet ist, nimmt die Effizienz dieses Reparaturverhaltens im Laufe der Zeit theoretisch nicht ab.

Warum also kann die Evolution die Effizienz dieser Selbstreparatur nicht weiter verbessern, sodass der Körper immer perfekt bleibt?

Was treibt das Altern voran?

Alfred Russell Wallace war wahrscheinlich der erste, der eine Evolutionstheorie des Alterns vorschlug. Zwischen 1865 und 1870 schrieb er in seine Notizbücher, dass alte Tiere „Nährstoffe verbrauchen, die ihren Nachkommen schaden“, und dass in einer Umwelt mit begrenzter Nahrungsversorgung zu viele alte Tiere, die umherstreifen und begrenzte Ressourcen verbrauchen, das Überleben ihrer Nachkommen erschweren würden. „Deshalb“, so Wallaces Schlussfolgerung, „eliminiert die natürliche Selektion alte Tiere.“ Für Tiere ist es sinnvoller, eine Lebensgrenze festzulegen, um Platz für Wachstum und Fortpflanzung des Nachwuchses zu gewährleisten. Ein Biologe namens August Weismann stellte unabhängig davon eine ähnliche Theorie auf, nämlich dass die Lebensdauer eines Organismus durch die „Bedürfnisse der Art als Ganzes“ begrenzt sei.

Jede Theorie, die auf der Überlegenheit des Gruppenwohls gegenüber dem Wohl des Einzelnen beruht, hat einen fatalen Fehler, auch diese. Diese Theorie wird als „Gruppenselektion“ bezeichnet. Dabei verhalten sich Tiere im besten Interesse ihrer Gruppe (normalerweise der Art als Ganzes) und nicht in ihrem eigenen. Dieses Argument ist jedoch tatsächlich sehr problematisch, da die Gruppenselektion einen instabilen „Waffenstillstand“ erfordert. Wenn jedes Tier verstehen und zustimmen würde, dass das Altern im besten Interesse der gesamten Art ist, wäre dies eine Win-Win-Situation. Würde jedoch nur ein einziger Mensch mit Genen geboren, die ihm ein etwas längeres Leben ermöglichen würden, würde dieses empfindliche Gleichgewicht gestört. Das „egoistische“ Tier mit dem Gen für eine etwas längere Lebensdauer würde das altruistische Tier überflügeln: Wenn die meisten Tiere der Gruppe sterben und dadurch Ressourcen für das Überleben des Rests der Gruppe frei werden, würde das „egoistische“ Tier diese Ressourcen verbrauchen und länger leben – vielleicht lange genug, um noch einen weiteren Nachkommen zu gebären, bevor es stirbt. Dieser zusätzliche Nachwuchs wird dazu führen, dass sich das Langlebigkeitsgen in der Population verbreitet und schließlich werden die Tiere mit diesem „egoistischen“ Langlebigkeitsgen die Gruppe dominieren. Mit der Zeit wird diese Situation mehrere Generationen lang anhalten und es werden noch mehr „egoistische“ Individuen mit einer längeren Lebenserwartung und größerer Wettbewerbsfähigkeit auftauchen. An diesem Punkt ist das Altern kein evolutionärer Vorteil mehr. Obwohl eine längere Lebenserwartung einzelner Tiere sich nachteilig auf die Population als Ganzes auswirkt, werden in der Evolution aktiv Strategien ausgewählt, die dem Altern entgegenwirken.

Die Idee der Gruppenselektion ist in der modernen Evolutionsbiologie in Ungnade gefallen, da sie zwangsläufig auftritt, unabhängig davon, für welches Merkmal man sich entscheidet. Egoistische Gene führen fast immer zu egoistischen Lebewesen, die sich auf ihre egoistischen Gene verlassen, um ihre altruistischen Gegenstücke zu besiegen und schließlich eine dominante Stellung in der Gruppe einzunehmen.

Daher sind wir heute der Ansicht, dass das Altern keine edle Tat ist, die auf utilitaristischen Berechnungen zum Wohle der gesamten Spezies beruht. Dies ist nicht der Zweck der natürlichen Selektion, sondern das Ergebnis der Missachtung durch die natürliche Selektion. Diese Regulierung der Evolution wird durch das Sterberisiko erreicht, das durch äußere Faktoren wie Infektionskrankheiten, Raubtiere oder Stürze von Klippen verursacht wird (was man zusammenfassend als exogene Mortalität bezeichnen kann). Im Gegensatz dazu ist der endogene Tod die Folge einer Störung des Körpers des Tieres, beispielsweise einer Krebserkrankung. Evolutionsbiologen erkannten Mitte des 20. Jahrhunderts die Bedeutung des extrinsischen Todes und legten damit den Grundstein für unser heutiges Verständnis der Alterung.

Nehmen wir das Beispiel von Tieren, die auf einer Insel leben. Das Leben auf einer Insel ist riskant. Angenommen, Raubtiere und Infektionskrankheiten verursachen jedes Jahr eine exogene Mortalität von 10 %, d. h., jedes Jahr sterben 10 % der Tiere, dann haben 90 % dieser Tiere eine Chance, ihren ersten Geburtstag zu erleben, und 81 % eine Chance auf einen zweiten Geburtstag … aber nur 35 % werden 10 Jahre alt und weniger als 1 % 50 Jahre. Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass Sie ein älteres Tier finden, findet in diesem Fall dennoch kein echtes Altern statt. Dies liegt daran, dass unsere Definition des Alterns besagt, dass das Sterberisiko mit der Zeit zunimmt, während das Sterberisiko hier konstant bei 10 % liegt. Unabhängig vom Alter der Tiere liegt ihre endogene Sterblichkeitsrate bei Null.

Wir bezeichnen die Evolution immer als „Überleben des Stärkeren“, aber bei der Evolution geht es um viel mehr als nur das Überleben. Noch wichtiger ist die Reproduktion. Aus evolutionärer Sicht steht auf der Lebensliste eines Lebewesens nur eines: Kinder zu bekommen. Tiere mit Mutationen, die ihre Fortpflanzungsfähigkeit verbessern, bekommen mehr Kinder, und diese Nachkommen tragen ebenfalls die Mutation in sich, die ihre Fortpflanzungsfähigkeit verbessert. Über mehrere Generationen hinweg würden sie mehr Nachkommen haben als Tiere ohne die Mutation und allmählich die Population dominieren.

Kehren wir zu unserem Beispiel der gefährlichen Insel zurück und betrachten wir diesmal das Problem der Tierreproduktion. Obwohl diese Tiere ihr ganzes Leben lang zur Fortpflanzung fähig sind, findet die Fortpflanzung zum größten Teil in jungen Jahren statt, da die meisten Tiere sterben, bevor sie das wahre physiologische Alter erreichen. Da die Fortpflanzung meist in der Jugend der Tiere stattfindet, spielen Faktoren, die die Fortpflanzung im Alter beeinflussen, keine große Rolle. Eine Verdoppelung der Fortpflanzungsfähigkeit eines Tieres im Alter von 50 Jahren würde ihm keinen evolutionären Vorteil verschaffen, da es möglicherweise nicht lange genug lebt, um die Zahl seiner Nachkommen zu verdoppeln. Umgekehrt ist es wahrscheinlich, dass ein Tier, das im Alter von drei Jahren einen Fortpflanzungsvorteil erlangt, in den nächsten drei Jahren überlebt und sich in großer Zahl fortpflanzt. Dieser Vorteil bedeutet, dass es mehr Nachkommen haben wird, was einen enormen evolutionären Vorteil darstellt.

Eine gesteigerte Reproduktionsfähigkeit könnte viele verschiedene Formen annehmen, beispielsweise theoretisch mehr Junge pro Wurf, kürzere Abstände zwischen den Würfen, einen größeren Schnabel, um an mehr Nahrung zu kommen und mehr Nachwuchs aufzuziehen, oder eine stärkere Überlebensfähigkeit und die Möglichkeit, mehr Kinder zu bekommen. In jedem Fall hat es enorme Auswirkungen, wenn man jungen Tieren einen evolutionären Vorteil verschafft, denn sie werden wahrscheinlich überleben und diese vorteilhaften Gene an die nächste Generation weitergeben. Im Gegensatz dazu hat die Evolution größere Schwierigkeiten, ältere Tiere zu beeinflussen, da ihre erwartete Lebensspanne zu kurz ist und es unwahrscheinlich ist, dass sie Nachkommen haben, die ihre Gene weitergeben können. Dies ist die eigentliche Ursache des Alterns: Die Evolution kann die Widerstandsfähigkeit alter Tiere gegenüber ihrer Umwelt nicht erhalten, da sie dann weniger wahrscheinlich Kinder bekommen. Bedenken Sie bitte, dass all dies nichts mit dem Altern selbst zu tun hat, sondern lediglich darauf zurückzuführen ist, dass exogene Mortalitätsfaktoren die Zahl älterer Tiere verringern. Daher ist es ein wenig widersprüchlich, dass der Schlüsselfaktor für die Evolution des Alterns darin liegt, dass Tiere an anderen Risiken als dem Altern sterben, aber genau das passiert.

Mutationsakkumulationstheorie

Die nächste Frage ist, wie diese evolutionäre Negativregulierung erreicht wird. Als erstes ist ein Mechanismus zu erwähnen, der als „Mutationsakkumulationstheorie“ bezeichnet wird. Wir alle wissen, dass die DNA der genetische Code in lebenden Organismen ist und dass die Entstehung und Aufrechterhaltung von Lebensaktivitäten von den genetischen Informationen in der DNA abhängt. Eine Mutation ist eine Veränderung der DNA-Sequenz. Aus evolutionärer Sicht sind wir alle Mutanten. Obwohl die Hälfte unserer DNA von unserem Vater und die andere Hälfte von unserer Mutter stammt, trägt jeder von uns im Allgemeinen 50 bis 100 Mutationen in seiner DNA-Sequenz, die sich sowohl von der DNA unserer Mutter als auch von der DNA unseres Vaters unterscheidet. Die meisten dieser Mutationen haben keine Wirkung; Sie sind tief in unserer genomischen DNA verankert und haben keinen wirklichen Einfluss auf unsere Überlebenschancen. Es gibt auch nur sehr wenige Mutationen, die positive oder negative Auswirkungen auf lebende Organismen haben: Mutationen mit positiven Auswirkungen erhöhen die Überlebenswahrscheinlichkeit oder die Fortpflanzungsfähigkeit und somit die Chance, an die nächste Generation weitergegeben zu werden; Während Mutationen mit negativen Auswirkungen genau das Gegenteil bewirken und mit der Zeit durch die Evolution eliminiert werden.

Wenn eine zufällige Mutation dazu führt, dass ein Tier im Alter von 50 Jahren spontan stirbt, mag dies als sehr schwerwiegender Nachteil erscheinen, tatsächlich sind die Auswirkungen jedoch nicht so gravierend, da über 99 % der Tiere mit dieser Mutation an anderen Faktoren sterben, bevor die Mutation wirksam wird. Diese Art von Mutation bleibt dann wahrscheinlich in den Nachkommen der Population erhalten – nicht, weil es eine gute Mutation ist, sondern weil die Kräfte der natürlichen Selektion im fortgeschrittenen Alter nicht stark genug sind, um die Mutation zu eliminieren. Wenn umgekehrt eine Mutation dazu führt, dass ein Tier im Alter von zwei Jahren stirbt, also in einer Zeit mit hoher Überlebens- und Reproduktionsfähigkeit, wird die Evolution die Mutation sehr schnell beseitigen. Da die Kraft der natürlichen Selektion während der Fortpflanzungsphase und davor sehr stark ist, werden Tiere mit solchen Mutationen schnell von den „Glücklichen“ ohne Mutationen eliminiert.

Selbst wenn einige Mutationen negative Auswirkungen auf das Leben haben, können sie sich daher in der Population ansammeln, solange sie erst wirksam werden, wenn die Tiere alt genug sind und ihre Fortpflanzung abgeschlossen haben. Nach dieser Theorie ist das Altern keine Anpassung einer Tierpopulation an ihre Umwelt, sondern vielmehr das Ergebnis der Unfähigkeit der Evolution, auf solche Mutationen zu reagieren. Ein perfektes Beispiel für diese Theorie ist die Huntington-Krankheit, die den Mathematiker und Biologen JBS Haldane zu der Erklärung inspirierte, dass die „Kraft“ der natürlichen Selektion mit zunehmendem Alter des Menschen abnimmt.

Die Huntington-Krankheit ist eine neurologische Erkrankung, die durch eine einzelne Genmutation verursacht wird. Normalerweise entwickeln die Patienten zwischen dem 30. und 50. Lebensjahr Symptome und sterben etwa 15 bis 20 Jahre nach der Diagnose. Wie bereits erwähnt, betrug die Lebenserwartung des prähistorischen Menschen lediglich 30 bis 35 Jahre. Aus evolutionärer Sicht hatte die Huntington-Krankheit, die erst im Alter von 40 Jahren Symptome zeigt und nach dem 55. Lebensjahr zum Tod führt, zu dieser Zeit keinen großen Einfluss auf die Lebenserwartung des Menschen. In dieser Zeit, weit entfernt von der modernen Zivilisation, hatte ein Mensch im Alter zwischen 30 und 35 Jahren möglicherweise bereits mehrere Kinder und seine reproduktive Lebensspanne war nicht lang. Auch in der modernen Gesellschaft ist es wahrscheinlich, dass Menschen mit der Huntington-Krankheit eigene Kinder bekommen, bevor sie der Krankheit erliegen. Obwohl die Huntington-Krankheit eine tödliche neurologische Erkrankung ist, wird sie in der heutigen menschlichen Bevölkerung immer noch nur in sehr geringer Zahl vererbt.

Die Huntington-Krankheit ist ein Beispiel für eine einzelne Genmutation, die in den Jahren nach der Fortpflanzung bei einem Menschen sehr schwere negative Folgen haben kann. Sie ist ein gutes Beispiel dafür, wie sich Mutationen mit tödlichen Folgen unerwartet in einer menschlichen Population anhäufen können. Das Beispiel eines einzelnen Gens lässt sich zwar leichter veranschaulichen, doch was während des normalen Alterungsprozesses wahrscheinlicher ist, ist die kumulative Wirkung mehrerer verschiedener Gene, die allein oder in Kombination unsere Überlebenschancen nach der Fortpflanzung schwächen können. Einige tödliche Mutationen treten zufällig im Genpool auf und ermöglichen uns lediglich, uns zunächst fortzupflanzen, bevor wir eine lebensbeendende Rolle spielen, wodurch wir der natürlichen Selektion der Evolution entgehen. Zusammengenommen sind diese fehlerhaften Gene, die von der Evolution übersehen wurden, die wirklich entscheidenden Faktoren hinter einigen Prozessen, die uns altern lassen.

Allerdings ist das Altern kein zufälliges Ereignis. Abgesehen davon, dass uns Ihre Gesundheit nach Abschluss der Fortpflanzung gleichgültig bleibt, wird die Evolution etwas noch Grausameres tun: Sie wird Ihre zukünftige Gesundheit gegen eine bessere Fortpflanzungsfähigkeit eintauschen. Die Evolution kann Lauffähigkeit, Größe, Haarfarbe und alles andere gegen mehr Nachkommen eintauschen. Der Evolution ist es egal, ob Sie schneller oder langsamer, größer oder kleiner, grauer oder bunter sind oder länger oder kürzer leben. Solange es den allgemeinen Fortpflanzungserfolg steigert, wird die Evolution es akzeptieren.

Das Gleichgewicht zwischen Leben und Tod

Wie also schafft die Evolution einen Ausgleich zwischen der Abnahme der Überlebensfähigkeit oder gar dem Tod der Tiere und ihrer Fähigkeit zur Fortpflanzung? Die Antwort ist, dass Gene selbst oft mehrere Eigenschaften haben. Die moderne Genetik hat herausgefunden, dass Gene nicht in einer Art „splendid isolation“ existieren und nicht nur ein Merkmal eines lebenden Organismus kodieren. Sie erfüllen zu unterschiedlichen Entwicklungszeiten und in unterschiedlichen Körperteilen oft unterschiedliche Funktionen und interagieren miteinander, um komplexe Netzwerke zu bilden. Wenn Sie jemanden davon sprechen hören, dass ein einzelnes Gen mehrere komplexe Merkmale hervorbringt, sind Sie möglicherweise skeptisch. Sogar ein so einfaches Merkmal wie die Augenfarbe wird tatsächlich von vielen verschiedenen Genen gesteuert. Diese Gene haben auch viele andere Funktionen, sie beeinflussen beispielsweise die Haar- und Hautfarbe und spielen möglicherweise sogar bei anderen Lebensaktivitäten eine Rolle, derer wir uns nicht bewusst sind. In der Biologie wird die Multifunktionalität eines einzelnen Gens als „Pleiotropie“ bezeichnet.

Eine andere Theorie über Evolution und Alterung wird „antagonistische Pleiotropie“ genannt. Gene erfüllen mehrere Aufgaben: Sie unterstützen die Fortpflanzung im frühen Lebensstadium, können aber mit zunehmendem Alter des Tieres negative Auswirkungen haben. Nehmen wir an, dass ein auf einer Insel lebendes Tier eine Mutation entwickelt, die zwar das Risiko erhöht, mit 30 Jahren oder später zu sterben, das Tier aber ein Jahr früher die Fortpflanzungsreife erreicht, als es sonst der Fall wäre. Dann wird die Zahl der Träger dieser Mutation im Vergleich zu Tieren ohne diese Mutation schnell ansteigen. Im Vergleich zur höheren Reproduktionsfähigkeit ist das erhöhte Überlebensrisiko nach dem 30. Lebensjahr nicht der Rede wert. Dieser Fortpflanzungsvorteil würde sich auf die Jungtiere auswirken und den meisten von ihnen ein zusätzliches Jahr zur Fortpflanzung geben, solange sie noch am Leben sind. Zufällig auftretende Mutationen können im späteren Leben negative Auswirkungen haben und gemäß der Theorie der Mutationsakkumulation akkumulieren sie sich genetisch in einer Population, aber das ist noch nicht alles. Wenn diese Mutation die Reproduktion der gesamten Population fördern kann, wird sie von der Evolution aktiv selektiert. Wie viele Lebensjahre würden Sie im Alter gerne gegen die Vitalität der Jugend eintauschen? Die Evolution kümmert sich nicht um die Naivität der Jungen oder die Weisheit der Alten. Die Antwort besteht darin, die Erfolgsrate der Gruppenreproduktion über Generationen hinweg zu optimieren und zu maximieren.

Das Verhalten „antagonistisch pleiotroper“ Gene ist etwas abstrakt. Warum sollte ein Organismus früher sterben, wenn er schneller die Fortpflanzungsreife erreicht? Um dies in einen Kontext zu stellen, stellen wir unsere dritte und letzte evolutionär relevante Theorie des Alterns vor, die sogenannte „Theorie des Wegwerf-Soma“. Es beruht auf einem Prinzip, das in der Natur und im Alltag universell ist: Es gibt nichts umsonst auf der Welt. Erinnern Sie sich daran, wie wir die thermodynamische Erklärung des Alterns widerlegt haben: Tiere und Pflanzen können Energie aus der Umwelt gewinnen, um ihren Körper zu reparieren und zu erhalten. Aus rein physikalischer Sicht müssen wir überhaupt nicht altern, solange wir bereit sind, einen Teil der Energie, die wir gewinnen (beispielsweise durch lange Perioden des Jagens und Sammelns), zu opfern, um dem Verbrauch von Zeit und Entropie entgegenzuwirken.

Ob es sich um „Unsterblichkeit“ in der Biologie oder in der Mythologie handelt, es muss immer ein Preis bezahlt werden. In der Biologie erfordert Unsterblichkeit keine törichten Opfer an die Götter, sondern vielmehr die ständige Pflege des Körpers. Die Erhaltung Ihres Körpers erfordert Energie, aber das Gleiche gilt für den Muskelaufbau, um Raubtieren zu entkommen, den Aufbau Ihres Immunsystems zur Bekämpfung von Krankheiten oder das schnellere Erreichen der Geschlechtsreife, um sich vor dem Tod fortzupflanzen.

Die Idee hinter der „Einweg-Körperzellentheorie“ besteht darin, dass Energie begrenzt ist und auf verschiedene Aufgaben, einschließlich der Fortpflanzung und der Bekämpfung des Alterns, aufgeteilt werden muss. Somatische Zellen ist der allgemeine Begriff, den Biologen für Körperzellen verwenden, die keine Fortpflanzungszellen wie Eizellen und Spermien sind. Aus evolutionärer Sicht mag die Vorstellung, dass Ihr Körper lediglich ein Behälter für Fortpflanzungszellen oder Nachkommen wie etwa Spermien ist, frustrierend sein, doch das Thema ist folgendes: Fortpflanzungserfolg ist gleichbedeutend mit evolutionärem Erfolg. Ihre Körperzellen können verbraucht werden, denn Ihre Nachkommen sind das Wichtigste.

Dies bedeutet, dass die Pflege der Fortpflanzungszellen höchste Priorität hat und ihnen daher bei allen Lebewesen beim Energieverbrauch eine hohe Priorität eingeräumt wird. Es ist nicht klar, wie viel Energie für die Erhaltung der Körperzellen aufgewendet wird. Wie bei früheren Theorien geht es bei der Evolution wirklich darum, ob der Mensch lange genug überleben kann, um seine Gene an zukünftige Generationen weiterzugeben.

Wenn die Energie, die ein lebender Organismus verbrauchen kann, begrenzt ist, würde die Evolution diese Energie dann lieber für die Erhaltung der körperlichen Verfassung des Organismus oder für die schnelle Fortpflanzung der Nachkommen verwenden? Die Evolution wird das extrinsische Sterberisiko für die gesamte Bevölkerung berechnen. Wenn diese Zahl hoch genug ist, tendiert die Evolution dazu, Letzteres auszuwählen und stellt sicher, dass Ihre Kinder Sie überleben, während Ihr nutzloser Körper mit der Zeit verfällt (vorausgesetzt, Sie erleben diesen Tag noch). Eine Möglichkeit, wie antagonistische Pleiotropie funktioniert, besteht darin, dass die Hierarchie der Erhaltung somatischer Zellen durch Mutationen herabgestuft wird. Dadurch wachsen Sie in jungen Jahren schneller, doch mit zunehmendem Alter Ihres unvollkommenen Körpers treten nach und nach Probleme bei der Erhaltung somatischer Zellen auf.

Ein Vergleich der sehr unterschiedlichen Lebensspannen und Fortpflanzungsstrategien verschiedener Tiere kann uns helfen, die Funktionsweise dieser Theorien besser zu verstehen. Angesichts der engen Beziehung zwischen evolutionär relevanter Alterung und extrinsischem Mortalitätsrisiko könnte man erwarten, dass sich Tiere, die in gefährlicheren Umgebungen leben, schneller und effizienter vermehren und nach Abschluss der Fortpflanzung schneller altern.

Vergleiche zwischen Mäusen (die in freier Wildbahn nicht länger als zwei Jahre leben) und Walen (eines der langlebigsten Säugetiere) offenbaren auch eine der bekanntesten Erkenntnisse in der Biologie des Alterns: Je größer ein Tier ist, desto länger lebt es in der Regel. Warum leben die „Großen“ länger? Wir haben uns viele verschiedene Erklärungen ausgedacht (oder vielleicht haben wir Ursache und Wirkung vertauscht, da es länger dauert, groß zu werden), aber ein einfacher, aber wichtiger Faktor besteht darin, dass große Tiere schwerer zu töten oder zu essen sind.

Tatsächlich könnte die Untersuchung von Arten, bei denen diese Größen-Lebensdauer-Korrelation nicht besteht, dazu beitragen, die Beziehung zwischen Alterung und extrinsischem Mortalitätsrisiko zu klären. Um die Dinge möglichst fair zu halten, haben wir Säugetiere ähnlicher Größe ausgewählt: die Hausmaus, die etwa 20 Gramm wiegt, und das Mausohr, das als erwachsenes Tier fast 30 Gramm wiegt. Mäuse können in Gefangenschaft drei bis vier Jahre alt werden, die längste bekannte Lebenserwartung eines Mausohrs beträgt 37 Jahre. Was ist das Geheimnis hinter dem enormen Unterschied in der Lebenserwartung? Ein offensichtlicher Unterschied besteht darin, dass Fledermäuse fliegen können und Mäuse nicht. Es ist nicht die Freude am Fliegen, die Fledermäuse länger leben lässt, sondern die Tatsache, dass sie nicht auf dem Boden sind, schützt sie vor der Gefahr durch Raubtiere. In der Luft sind die Bedrohungen für die Lebensumwelt wesentlich geringer und das äußere Sterberisiko ist für Fledermäuse naturgemäß deutlich geringer als für Mäuse. Dies bedeutet, dass sich im Laufe des Evolutionsprozesses die Wahrscheinlichkeit einer Anhäufung von Mutationen verringert, antagonistische pleiotrope Gene durch die Kraft der natürlichen Selektion eliminiert werden und die Vorteile der Verschwendung entbehrlicher somatischer Zellen nach und nach verloren gehen.

Biologen können daher erleichtert aufatmen, dass die evolutionär relevante Alterung nicht so kompliziert ist. **Es klingt ironisch, dass Tiere, die unter gefährdeten Bedingungen leben, der natürlichen Selektion von Genen entgehen, die die zweite Lebenshälfte optimieren, und stattdessen eine Alterung entwickeln. **Es gibt nur ein kleines Problem, das ungelöst bleibt: Allein das Verständnis der oben genannten Theorien vermittelt uns das Gefühl, dass alle Arten altern sollten. Wie also erklären wir Tiere wie die Galapagos-Riesenschildkröte, die scheinbar unempfindlich gegenüber dem Altern sind? Wir haben endlich eine geschlossene Schlussfolgerung gezogen: Evolution und Altern sind vereinbar. Wie kann es also Tiere geben, die nicht altern?

Warum altern manche Arten kaum?

Unterschiedliche Evolutionsstrategien zwischen Arten können zu unerwarteten Alterungsverläufen führen. Weibliche Fische werden mit zunehmendem Alter größer, stärker und fortpflanzungsfähiger. Große Fische entkommen Fressfeinden eher als kleinere Fische, was bedeutet, dass das externe Sterberisiko für Fische nicht konstant ist, sondern mit dem Alter abnimmt. Gleichzeitig können ältere Fische mehr und bessere Eier produzieren. In einigen extremen Fällen kann die Anzahl der von älteren Fischen produzierten Eier Dutzende Male höher sein als die von jungen Fischen. Diese weiblichen Unterwasserfische werden BOFFFF genannt: große, alte, fette und fruchtbare weibliche Fische. BOFFFF sind für viele Fischpopulationen von entscheidender Bedeutung, da die Fortpflanzung einer Population oft nicht durch die wenigen Eier aufrechterhalten wird, die ein junger Fisch legt, sondern dadurch, dass eine kleine Anzahl BOFFFF schnell eine große Anzahl Eier legt.

Diese Fortpflanzungsstrategie widerlegt die Prämisse unseres Gedankenexperiments, dass die Evolution durch natürliche Selektion zum Altern führt. Gleichzeitig werden die Überlebensrate und Fruchtbarkeit älterer Fische verbessert, was diesem BOFFFF-Typ einen großen Vorteil bei der Weitergabe seiner Gene verschafft. Ihr Überleben wäre dann von evolutionärer Bedeutung, da der Einfluss der natürlichen Selektion dadurch länger anhält und bis zu den erwachsenen Fischen reicht. Vielleicht hat die Evolution in aller Ruhe kalkuliert, dass die Erhaltung der Körperzellen des Fisches ein gutes Geschäft ist und dass die Schädigung von BOFFFF durch die Anhäufung von Mutationen oder „antagonistischer Pleiotropie“ nicht so leicht zu akzeptieren ist. Daher ist es möglich, dass sich Fische so entwickelt haben, dass ihr allgemeines Sterberisiko mit dem Alter nicht zunimmt – mit anderen Worten, die Seneszenz ist vernachlässigbar. Es deutet aber auch darauf hin, dass Überfischung dem BOFFFF besonders schadet und eine schwerwiegende unnatürliche Selektion verursacht. Ein Rückgang der Zahl älterer, brutfähiger Weibchen in einer Population würde eine frühere Fortpflanzung junger Fische fördern, was wiederum zu genetischen Mutationen führen könnte, die eine Überalterung der Art zur Folge hätten.

Schildkröten und Fische können dem Altern auf ähnliche Weise widerstehen: Ältere weibliche Schildkröten sind (dank ihrer harten Panzer) vor vielen äußeren Bedrohungen geschützt und sehr fruchtbar. Die natürliche Selektion hat gute Gründe, sie am Leben zu erhalten, und daher scheinen sie nicht zu altern.

Tatsächlich ist das Altern eher ein evolutionäres Versehen, dem andere Mechanismen zugrunde liegen: Die Anhäufung von Mutationen, die der natürlichen Selektion entgehen, führt dazu, dass sich die Gesundheit der Organismen mit zunehmendem Alter verschlechtert; antagonistische pleiotrope Gene kümmern sich nur um die Maximierung der reproduktiven Erfolgsrate in der Jugend und kümmern sich nicht um mögliche Unglücke nach der Reproduktion; Für unseren Körper hat die Fortpflanzung mehr Priorität als die Erhaltung der Gesundheit der Körperzellen. Daher können wir nicht davon ausgehen, dass es für das Altern nur eine einzige Ursache geben muss. Tatsächlich sollten wir das Altern als eine komplexe Reihe von Prozessen betrachten, die synchron auftreten, aber nur teilweise miteinander verbunden sind.

Über den Autor/Übersetzer

Über den Autor:

Andrew Steele ist Computerbiologe, promovierter Physiker und Forscher am Francis Crick Institute in London. Er wechselte vom Physikstudium zum Biologiestudium, weil er erkannte, dass das größte Leiden des Menschen auf das Alter zurückzuführen ist, und er wollte das ändern.

Über den Übersetzer:

Zhang Wentao, PhD in Mikrobiologie, ist leitender Ingenieur am Computer Network Information Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er ist leitender Angestellter der offiziellen Mikroplattform zur Verbreitung der Wissenschaft „Science Academy“ der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und leitender Redakteur der Cloud-Plattform zur Verbreitung der Wissenschaft „China Science Expo“ der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er beschäftigt sich seit langem mit der Planung und Erstellung populärwissenschaftlicher Inhalte und dem Betrieb von Plattformen zur Popularisierung der Wissenschaft.

Wang Xi, PhD in Biochemie und Molekularbiologie, ist assoziierter Forscher am Institut für Biophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er ist Mitglied der Youth Innovation Promotion Association der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er forscht auf dem Gebiet der Proteinhomöostase und der menschlichen Gesundheit. Er gewann die Silbermedaille beim Outstanding Science Works Award der sechsten China Science Writers Association (Kategorie „Kurzgeschichten von Jugendlichen“).

Dieser Artikel darf mit einigen vom Herausgeber vorgenommenen Streichungen und hinzugefügten Unterüberschriften aus Kapitel 2 „The Origin of Aging Problems“ von „The Science of Ageing“ (CITIC Press·Nautilus, April 2023) ausgewählt werden.

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