I denna fjärde del ges en mer stringent beskrivning av en diskussion som tidigare förts på bloggen i och med följande relatera inlägg: Art, avkomma, och biologiska skalnings-lagar och min filosofiska intuition tillåts härja fritt.
***
”Jag kräver, Gud, att du är god, ty eljes tror jag inte på dig!”Evolutionen kan vi inte kräva motsvarande tjänst av. Evolutionen tror vi på i dess egen rätt, till skillnad från någon hittills tillbedd gudom. Evolutionen behöver således inte vara god för att vinna vårt gillande.
Mänsklighetens ok är många och tunga. Ett av de tyngsta har vi dock ännu inte berört. Det är vetskapen om att vi ska dö. Och ännu värre än vetskapen är, att vi ska dö!
Så varför? Varför ska vi dö?
Det finns två huvudsakliga spår som jag betraktar som viktiga att redogöra för: Mutations-/selektionsbalans, och allometrisk skalning.
Mutations-selektionsbalans
Jag har tidigare nämnt hjortsvinet, vars betar vid hög ålder väger tillbaka i en båge och dödar svinet. Hjortsvinets dödsdom kan ses utifrån en teori som mutations-/selektionsbalans.
Evolutionen fortskrider som bekant enligt det naturliga urvalet, där de mest lämpade överlever och fortplantar sig och därmed bidrar med arvsmassan till nästkommande generation. Emellertid uppstår det också mutationer i arvsmassan. Eftersom mutationer ur evolutionens perspektiv mer eller mindre är slumpmässiga, har de flesta ett negativt överlevnadsnetto. De selekteras då bort. Exempel: Mutationen som gör dig infertil tenderar att inte föras vidare till någon avkomma. Det säger sig självt.
Vissa mutationer är emellertid av godo. Ger de fördelar i termer av överlevnad och/eller reproduktion, så kommer de att föras vidare och spridas i nästkommande generationer. Ett exempel är elefante, Elephantidae, och dess tumörsupressorgener. Människor har en kopia av supressorgenen p53. Vissa har det inte, eller har en inaktiverad gen, vilket ger en extrem ökning av cancerrisk. Elefanter har 20 kopior av genen, samt även andra supressorgener. För den moderna människan är det lätt att förstå varför en motståndskraft mot cancer kan vara en evolutionär fördel.
Godartade mutationer är lätt att se värdet av. Men varför finns det då elakartade?
Vissa negativa mutationer ger upphov till skadliga effekter först sent i livet. Beakta skelleftesjukan, även känd som familjär amyloidos med polyneuropati eller FAP. FAP är en ärftlig sjukdom som innebär inlagring av olösliga proteinkomplex i kroppens vävnader samt nedsatt funktion i perifera nerver (de nerver som inte hör till hjärnan och ryggmärgen). Orsaken till sjukdomen är en förändring (mutation) i genen TTR. Symptomen uppkommer i vuxen ålder – vid 60 års ålder har ca 20 procent av de som bär på mutationen insjuknat.
Det är uppenbart att skelleftesjukan innebär negativa konsekvenser. Men, det är likaledes uppenbart att de negativa konsekvenserna framförallt uppträder sent i livet. Vi förstår genast att selektionstrycken för att rensa bort mutationen är lågt. Du kan med god marginal hinna växa upp, fortplanta dig, och ta hand om dina barn, innan sjukdomen ger sig till känna.
Skelleftesjukan är ett extremt exempel. Den är ovanlig och brutal. Beakta dock åldrandet som sådant: Varför verkar våra människokroppar bestämma sig för att mer eller mindre falla i bitar i och med att åren går? Vad är den evolutionära fördelen med detta?
Frågan är snarare av typen ”dubbel negation”: Vad är inte den evolutionära nackdelen? Mutations-/selektions-balans innebär att selektionstrycket mot mutationer med negativa effekter avtar ju senare de negativa effekterna ger sig till känna. I varje individs liv föreligger varje dag en viss risk att vara död. Död, på grund av att man har ätits, eller förolyckats, eller dött av sjukdom. Ju fler dagar som går i individens liv, desto större är sannolikheten att vara död. När sannolikheten att vara död – som ju bestäms av livsmiljö relativt egenskaper – är väldigt stor, är selektionstrycket mot dåliga mutationer väldigt litet.
Således tenderar mutationer med negativa effekter sent i livet att ackumuleras i genomet. Från individens perspektiv uppstår illusionen av ett programmerat åldrande. Egentligen är det bara summan av din utvecklingshistorias mutationer som hinner ifatt dig. För oss människor blir effekten extra tydlig, eftersom vi medelst civilisation och teknologi drastiskt har minskat risken för att vara död. Därför måste många av oss handskas med privilegiet att leva i den höga ålder då mutationer med sena negativa effekter, som inte sållats bort av det naturliga urvalet, i ökande utsträckning ger sig tillkänna.
Poängen är att slumpen har en begränsad roll i att beskriva en arts egenskaper. Inom de ramar som är relevanta för det naturliga urvalet, sker en selektion för ändamålsenlighet; endast utanför dessa ramar tillåts slumpen verka. Lite mer filosofiskt uttryckt: Evolutionen går motströms mot termodynamikens andra huvudsats. Evolutionen gynnar lågentropiska konfigurationer, såsom våra kroppar. Utanför det fitness-relevanta selektionsfönstret ökar entropin som vanligt. Så även med avseende på mutationer i arvsmassan. Donald Hoffman citerar Tooby, Cosmides och Barrett:
Elefanten är en smula intressant här. Vi har redan konstaterat att dess cancersupressor-gener utgör en uppenbar fitness-fördel, särskilt för en höggradigt K-selekterad art som har ett långt liv, omfattande intragenerationell kunskapsöverföring, en hög PI, och som på grund av en stor kroppsvolym har ett stort antal potentiella cancerceller. Det vi däremot inte har nämnt ännu, är att elefanten har ett begränsat antal tänder.
Elefanten har 26 tänder. Eftersom de ofta äter träd och annat växtmaterial med påtagligt tuggmotstånd, så slits framförallt kindtänderna så småningom ner. Förnuftigt nog växer då en ny tand fram.
Bytet sker dock bara fem gånger, vilket ger totalt sex uppsättningar kindtänder. När dessa uppsättningar är förbrukade dör elefanten av svält. Vilket tydligen är en ofta förekommande dödsorsak för elefanter. Svältdöden till följd av tandbrist inträder vanligen i 60-årsåldern.
Frågan är snarare av typen ”dubbel negation”: Vad är inte den evolutionära nackdelen? Mutations-/selektions-balans innebär att selektionstrycket mot mutationer med negativa effekter avtar ju senare de negativa effekterna ger sig till känna. I varje individs liv föreligger varje dag en viss risk att vara död. Död, på grund av att man har ätits, eller förolyckats, eller dött av sjukdom. Ju fler dagar som går i individens liv, desto större är sannolikheten att vara död. När sannolikheten att vara död – som ju bestäms av livsmiljö relativt egenskaper – är väldigt stor, är selektionstrycket mot dåliga mutationer väldigt litet.
Således tenderar mutationer med negativa effekter sent i livet att ackumuleras i genomet. Från individens perspektiv uppstår illusionen av ett programmerat åldrande. Egentligen är det bara summan av din utvecklingshistorias mutationer som hinner ifatt dig. För oss människor blir effekten extra tydlig, eftersom vi medelst civilisation och teknologi drastiskt har minskat risken för att vara död. Därför måste många av oss handskas med privilegiet att leva i den höga ålder då mutationer med sena negativa effekter, som inte sållats bort av det naturliga urvalet, i ökande utsträckning ger sig tillkänna.
Poängen är att slumpen har en begränsad roll i att beskriva en arts egenskaper. Inom de ramar som är relevanta för det naturliga urvalet, sker en selektion för ändamålsenlighet; endast utanför dessa ramar tillåts slumpen verka. Lite mer filosofiskt uttryckt: Evolutionen går motströms mot termodynamikens andra huvudsats. Evolutionen gynnar lågentropiska konfigurationer, såsom våra kroppar. Utanför det fitness-relevanta selektionsfönstret ökar entropin som vanligt. Så även med avseende på mutationer i arvsmassan. Donald Hoffman citerar Tooby, Cosmides och Barrett:
”Natural selection is the only known natural process that pushes populations of organisms thermodynamically uphill into higher degrees of functional order, or even offsets the inevitable increase in disorder that would otherwise take place.”(Om det verkar förvirrande: Vi ska återkomma till termodynamikens andra huvudsats om en liten stund.)
Elefanten är en smula intressant här. Vi har redan konstaterat att dess cancersupressor-gener utgör en uppenbar fitness-fördel, särskilt för en höggradigt K-selekterad art som har ett långt liv, omfattande intragenerationell kunskapsöverföring, en hög PI, och som på grund av en stor kroppsvolym har ett stort antal potentiella cancerceller. Det vi däremot inte har nämnt ännu, är att elefanten har ett begränsat antal tänder.
Elefanten har 26 tänder. Eftersom de ofta äter träd och annat växtmaterial med påtagligt tuggmotstånd, så slits framförallt kindtänderna så småningom ner. Förnuftigt nog växer då en ny tand fram.
Bytet sker dock bara fem gånger, vilket ger totalt sex uppsättningar kindtänder. När dessa uppsättningar är förbrukade dör elefanten av svält. Vilket tydligen är en ofta förekommande dödsorsak för elefanter. Svältdöden till följd av tandbrist inträder vanligen i 60-årsåldern.
Dåliga egenskaper behöver inte vara bara dåliga. Att elefanten faktiskt får byta tänder fem gånger är givetvis bra för den. En annan bra-dålig dental däggdjurshistoria rör weddellsälen, Leptonychotes weddelli. Under vintrarna gör sälarna andningshål i isen med hjälp av tänderna. Detta möjliggör en livsföring utom räckhåll för späckhuggaren och leopardsälen, Hydrurga leptonyx, som inte når weddellsälen under den massiva isen. Det konstanta gnagandet sliter emellertid på tenderna, vilket liksom för elefanten tillslut leder till svältdöd vid hög ålder. Ännu en medalj med en baksida.
Vid en viss ålder finns det ingenting att leva för längre, sett från evolutionens perspektiv. Eller snarare: Det föreligger inga fitness-fördelar med att överleva in absurdum, så automatiska dödsorsaker som inträffar sent i livet – och således inte påverkar reproduktion eller omsorg om avkomma – selekteras inte bort.
Vid en ålder när sannolikheten för att vara död är väldigt stor, föreligger inget relativt selektionstryck – att dö av utslitna tänder är ingen nackdel, eftersom det bara är precis lika dåligt som att ändå vara död av någon annan anledning.
Vid en viss ålder finns det ingenting att leva för längre, sett från evolutionens perspektiv. Eller snarare: Det föreligger inga fitness-fördelar med att överleva in absurdum, så automatiska dödsorsaker som inträffar sent i livet – och således inte påverkar reproduktion eller omsorg om avkomma – selekteras inte bort.
Vid en ålder när sannolikheten för att vara död är väldigt stor, föreligger inget relativt selektionstryck – att dö av utslitna tänder är ingen nackdel, eftersom det bara är precis lika dåligt som att ändå vara död av någon annan anledning.
Allometrisk skalning
Påstående: Alla däggdjurs hjärtan slår i snitt 1,5 miljarder slag per däggdjursliv. Är detta sant?
Ett näbbmushjärta slår ca 600 slag per minut i vila. 1,5 miljarder delat på 600 är 2,5 miljoner. Det går 525 948,77 minuter på ett år. 2,5 miljoner minuter motsvarar därför ungefär 4,75 år.
Hur länge lever en näbbmus (Soricidae)? Facit: Omkring 3 år. Vilket är rimligt, eftersom vår ettriga näbbmus knappast har vilopuls i hela sitt liv.
En elefantens vilopuls är något lägre; ca 25 hjärtslag per minut. 1,5 miljarder delat på 25 är 60 000 000. Vi förväntar oss såldes en livslängd om ca 114 år, men som vi sett svälter elefanter ihjäl i 60-årsåldern när deras sista tänder slits ut. Drar vi bort 37 procent av livslängden för att kompensera för att elefanten inte ständigt har vilopuls – jämför alltså med näbbmusexemplet ovan – så landar vi på knappt 72 år – inte markant högre än den 60-gräns som tandförslitningen orsakar.
Allometri handlar om skalenligheten i hur biologiska processer förhåller sig till varandra. En allometrisk skalning hos däggdjur rör hjärnans storlek som tenderar att vara proportionerlig mot kroppens. Ett annat exempel är den så kallade Kleibers lag, som Max Kleiber formulerade under 1930-talet när man observerade en genomgående proportionalitet mellan metabolisk hastighet och kroppsstorlek hos de flesta djur.
Det är en fråga om metabolism. Ett djur vinner i energiförbrukning när det skalas upp. Om djur B är dubbelt så stort som djur A, så drar djur B bara 75 procent av kaloriförbrukningen som djur A gör, per cell. Och antalet celler skalar linjärt upp med storleksökningen. Det är således mer energieffektivt att vara en stor elefant än en liten mus. Elefanten lever längre på grund av en långsammare metabolism, och långsammare hjärtslag - den pump som driver det nätverk som förser kroppens celler med näring och syre.
Sambandet mellan storlek och livslängd gäller framförallt däggdjur. Även på vår gren av livets träd har vi emellertid att göra med ett ganska svagt samband. Människor blir ovanligt gamla för sin storlek, men allra mest otypiskt gamla blir de små fladdermössen (Chiroptera). Fladdermössens höga ålder verkar delvis ha att göra med nämnda mutations-/selektions-balans. De lever förhållandevis trygga liv, till viss del förskonade från predation tack vare nattligt och luftburet leverne, samtidigt som de stora kolonierna minskar risken för enskilda individer att bli byten. Många fladdermöss kan också reglera sin kroppstemperatur och sänka sin hjärtslagsfrekvens, vilket alltså är ett sätt att reglera metabolismen.
(När dessa rader skrivs har forskare för första gången lyckats ta pulsen på en blåval. Pulsmätaren satt på valen i nio timmar, och lägsta noteringen var två slag i minuten i samband med att valen dök efter mat. När djuret kom upp till ytan steg pulsen till 37 slag i minuten.)
Mindre djur är mindre energieffektiva. ”Ett ton möss omsätter således mer energi, förbrukar mer syrgas och producerar mer värme en elefant på ett ton” som biologen Anders Lundquist skriver. Detta leder till högre oxidation, vilket allmänt anses vara en skadlig process.
Det som kallas cellandning pågår i cellernas mitokondrier, där energin som når cellen i form av sockermolekyler bryts ner till vatten och koldioxid varvid energi frigörs. Som för all förbränning behövs även syre, varpå socker+syre à energi+koldioxid+vatten. Syret kommer givetvis från lungorna, varifrån det fraktas i blodet av de röda blodkropparna. (I alla fall hos däggdjur. Bläckfiskar har blått istället för rött blod, eftersom syret transporteras av det kopparrika proteinet hemocyanin istället för av hemoglobin-röda blodkroppar.) Likt en tändsticka kräver energiomsättningen i cellen också fosfor för att fungera.
Tanken kring de biologiska skalningslagarna är att alla djur har ungefär samma antal hjärtslag, men att mindre djurs relativt sett högre ämnesomsättning leder till snabbare hjärtslag och således kortare liv. Ur ett evolutionärt perspektiv kan vi resonera om huruvida oxidationen är en begränsande faktor som så att säga har ett statistiskt genomslag sett till däggdjur av en viss storlek. Det finns emellertid så pass många avsteg från dessa ”lagar” att det är svårt att säga något mer definitivt än så.
Inom Canis lupus domesticus, det vill säga tama hundar, har aveln av allt att döma satt sambanden mellan storlek, ämnesomsättning och livslängd ur spel; små hundar tenderar att leva längre än stora. Domesticerade djur utvecklas emellertid per definition under ett artificiellt selektionstryck, som inte liknar sin naturliga motsvarighet. Men även i det vilda finns det undantag från skalningslagarna, såsom nämnda fladdermöss, eller det lilla australiska myrpiggsvinet Tachyglossus aculeatus som blir närmare 50 år gammalt trots en ringa kroppsvikt på mellan två och sju kilo. Vår primatkollega laren, Hylobates lar, blir också oväntat gammal med sina 60 år.
Termodynamikens andra huvudsats säger att entropin alltid ökar. Det betyder att det är svårare att göra ett ägg av en omelett än tvärt om, och att det är lättare att skräpa ner än att städa. Det begränsade antalet hjärtslag per organism beror på slitage. När blodet trycks runt i hundratusentals kilometer av blodomlopp så verkar - i vanlig ordning - termodynamikens andra huvudsats. Entropin ökar - kroppens kanaler slits. Vi kan bromsa entropiökningen i våra kroppar på två sätt - genom lägre metabolism, eller genom reparation. Experiment visar att möss som äter mindre, lever längre, och den långlivade H. glaber kan reglera sin metabolism och försätta sig i ett inaktivt tillstånd när födan tryter.
Världen går alltid mot ett mer högentropiskt tillstånd, om vi inte omsätter energi för att minska entropin lokalt. Termodynamikens andra huvudsats är i någon mening en fråga om vad som är sannolik; ett högentropiskt tillstånd är mer osannolikt än ett lågentropiskt. Anledningen till att ett smutsigt rum har högre entropi än ett städat, är att de allra flesta tillstånd rummet kan befinna sig i om vi slumpmässigt sprider ut alla saker, är vad vi skulle kalla ostädat. För att uppnå det ovanliga, städade tillståndet, måste vi omsätta energi för att pumpa undan entropi från rummet. När vi gör detta avger vi värme, som är högentropiskt.
Evolutionen är en fråga om statistik; om geners frekvens. Men evolutionen går motströms mot termodynamikens andra huvudsats. Evolutionen gynnar lågentropiska konfigurationer, såsom organismer som faktiskt fungerar och är livsdugliga. Med naturligt urval och självreplikerande molekyler vänder vi plötsligt på sannolikhetsfunktionen; det är mer sannolikt att en gen med hög fitness existerar, än att en med låg fitness existerar, och således är det mer sannolikt att en organism med hög ändamålsenlighet existerar, än att en med låg gör det.
Våra kroppar är lågentropiska. Skulle vi allokera våra organ helt slumpmässigt, skulle vi med all sannolikhet inte leva. Det önskvärda, funktionella tillståndet har så att säga en låg sannolikhet. För att upprätthålla detta tillstånd omsätter vi energi. Vi äter kalorier, och vi omvandlar socker+syre till energi+koldioxid+vatten i våra celler. Vi avger högentropisk värme.
Vår verksamhet som levande varelser sliter på våra strukturer; våra kärl och vävnader. Så länge det är relevant ur ett evolutionärt perspektiv kan vi omsätta energi för att motverka förfallet av våra kroppar. Vi har selekterats för detta. Det är fitness.
Men någonstans tar selektionstrycket slut. Någonstans är det inte längre relevant för genomet att fortsätta bevara och reparera den befintliga farkosten. När organismen som är genens farkost har gjort sitt för att skicka den vidare till nästa generation, så avtar selektionstrycket som gynnar mekanismer som upprätthåller funktionalitet och liv. Om inget annat dödar den först, så dör organismen av att den helt enkelt slits ut. Det finns inte längre någon evolutionär anledning att motverka den ofrånkomliga entropiökningen. För däggdjur skalar detta på ett visst sett, eftersom endotermiska processer kräver en viss metabolism i förhållande till kroppsstorlek, vilket ger ett visst konstant slitage.
Världen går alltid mot ett mer högentropiskt tillstånd, om vi inte omsätter energi för att minska entropin lokalt. Termodynamikens andra huvudsats är i någon mening en fråga om vad som är sannolik; ett högentropiskt tillstånd är mer osannolikt än ett lågentropiskt. Anledningen till att ett smutsigt rum har högre entropi än ett städat, är att de allra flesta tillstånd rummet kan befinna sig i om vi slumpmässigt sprider ut alla saker, är vad vi skulle kalla ostädat. För att uppnå det ovanliga, städade tillståndet, måste vi omsätta energi för att pumpa undan entropi från rummet. När vi gör detta avger vi värme, som är högentropiskt.
Evolutionen är en fråga om statistik; om geners frekvens. Men evolutionen går motströms mot termodynamikens andra huvudsats. Evolutionen gynnar lågentropiska konfigurationer, såsom organismer som faktiskt fungerar och är livsdugliga. Med naturligt urval och självreplikerande molekyler vänder vi plötsligt på sannolikhetsfunktionen; det är mer sannolikt att en gen med hög fitness existerar, än att en med låg fitness existerar, och således är det mer sannolikt att en organism med hög ändamålsenlighet existerar, än att en med låg gör det.
Våra kroppar är lågentropiska. Skulle vi allokera våra organ helt slumpmässigt, skulle vi med all sannolikhet inte leva. Det önskvärda, funktionella tillståndet har så att säga en låg sannolikhet. För att upprätthålla detta tillstånd omsätter vi energi. Vi äter kalorier, och vi omvandlar socker+syre till energi+koldioxid+vatten i våra celler. Vi avger högentropisk värme.
Vår verksamhet som levande varelser sliter på våra strukturer; våra kärl och vävnader. Så länge det är relevant ur ett evolutionärt perspektiv kan vi omsätta energi för att motverka förfallet av våra kroppar. Vi har selekterats för detta. Det är fitness.
Men någonstans tar selektionstrycket slut. Någonstans är det inte längre relevant för genomet att fortsätta bevara och reparera den befintliga farkosten. När organismen som är genens farkost har gjort sitt för att skicka den vidare till nästa generation, så avtar selektionstrycket som gynnar mekanismer som upprätthåller funktionalitet och liv. Om inget annat dödar den först, så dör organismen av att den helt enkelt slits ut. Det finns inte längre någon evolutionär anledning att motverka den ofrånkomliga entropiökningen. För däggdjur skalar detta på ett visst sett, eftersom endotermiska processer kräver en viss metabolism i förhållande till kroppsstorlek, vilket ger ett visst konstant slitage.
Utanför det fitness-relevanta selektionsfönstret ökar entropin som vanligt.
Däggdjur är endoterma, och kan således reglerar sin kroppstemperatur med invärtes processer. Detta innebär att de kan upprätthålla en konstant kroppsvärme oavsett omgivningens temperatur. Endotermiska processer kostar energiomsättning – det går inte ann att vänta i månader mellan skrovmålen, som exempelvis ormar kan göra, om man ständigt ska hålla en jämn kroppstemperatur. Vissa däggdjur kan variera sin energiomsättning och kroppstemperatur, såsom nämnda fladdermöss, eller exempelvis björnar som går i dvala i sitt vinteride. En björns vilopuls i dvala är cirka 10 slag i minuten, jämfört med 40 i normaltillståndet. Björnens kroppstemperatur sjunker då med ca 5 grader. Djur som fladdermöss och björnar kallas heteroterma, till skillnad från homeoterma, eftersom de kan hålla olika temperatur i olika kroppsdelar eller vid olika tidpunkter.
Wilkinson & Adams, 2019. “Recurrent evolution of extreme longevity in bats”, i Biology Letters.
Goldbogen et al, 2019. ”Extreme bradycardia and tachycardia in the world’s largest animal” i PNAS.
***
Addendum:
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar