תהליך ההזדקנות הוא דבר כמעט גוֹרף... אבל מדוע?

כמעט כל החיות מזדקנות. חשוב מכך, בהגיע רוב החיות ובני האדם לזִּקנה מופלגת, הם מתחילים להיחלש, ואם הם חיים מספיק זמן, חולשה זו אף הורגת אותם בסופו של דבר. הגוף האנושי פשוט לא בנוי לִחיות לָנֶצַח. אבל מדוע? אולי אנו בנויים כמו רהיטים. בחלוף הזמן, הספּה למשל סופגת נזקים ומתפרקת. עם זה בניגוד לרהיטים, לאורגניזמים חיים יש מנגנונים מובנים לתיקון. ישנם זני חיות שמזדקנים מהר מאוד ומתים בתוך פחות מיום, בעוד שנראה כי מינים אחרים, כמו זנים מסוימים של מדוזות וצדפות, לא מזדקנים לעולם. ישנהּ סבירוּת גבוהה מאוד שאדם בן 100 ימות לפני יום הולדתו ה-101, אך נער בן 15 יכול לְצַפּות ליום הולדתו ה-16. אם נשווה זאת לצדפות: הסבירות שצדפה ענקית בת 100 תמות, נמוכה בהרבה מהסבירות שצדפה בת 15 בגודל בינוני תמות. הן הצדפות והן בני האדם סובלים מנזקים הנגרמים לגוף כאשר הם מזדקנים. ההבדל הוא בכך שהצדפות מתקנות את הנזקים הגופניים הנגרמים להן, בעוד שבני אדם מְתקנים נזקים שמתחוללים לגופם רק באופן חלקי, כך שהנזקים הללו מצטברים. מדוע בני האדם אינם מְתקנים את כל הנזקים הנגרמים לגוף, כפי שעושות הצדפות, וממשיכים לחיות לנֶצח? האם יש סיבה כללית יותר לכך שרוב החיות מזדקנות, נחלשות ולבסוף מתות?

ביולוג חכם אמר פעם: ''אין שום דבר הגיוני בביולוגיה, אלא אם כן בוחנים אותה לאור האֶבוֹלוּצְיָה''. האבולוציה מסבירה מדוע החיות שנמצאות בחיים בתקופה זו שונות מאוד מאלו שחיו לפני מיליוני שנים. היא מסבירה כיצד חיות-ים הגיעו ליבשה, וכיצד הן הפכו לדינוזאורים, לציפורים ולקופים. הרעיון הוא פשוט. חִשבו על כל האריות שחיים באזור מסוים. חלקם גדולים יותר, אחרים קטנים יותר, חלקם חזקים יותר, וחלקם מהירים יותר. כל אחד מהם הוא שונה. חֵלֶק מהמאפיינים הללו יסייעו לאריה לשרוד. לדוגמה, לאריה מהיר קל יותר לתפוס טֶרֶף. לכן, יש יותר אריות מהירים ששורדים, מאשר אריות איטיים, דבר שמַקְנֶה לאריות המהירים זמן רב יותר להתרבּוֹת. כמו כן, אריות מהירים נוטים להמליט גורים מהירים, ולכן, לאורך זמן, אוכלוסיית האריות הכוללת תהיה מהירה יותר. תהליך בחירת המאפיינים אשר מקילים על ההישרדות נקרא הברירה הטבעית. כך פועלת האבולוציה.

אבל מה בדבר ההזדקנות? אם בתהליך הברירה הטבעית ישנהּ העדפה לְחיות שנשארות בחיים למשך זמן רב יותר ומייצרות יותר צאצאים, כיצד הדבר מסתדר עם הזדקנות והיחלשות? האם באבולוציה לא צריך להיעשות שימוש במנגנוני תיקון, כמו אלו של הצדפה, כדי שחיות יהפכו יותר ויותר חזקות, וכך יוכלו להתרבּוֹת עוד? אם חיות חזקות יותר שחיות זמן רב יותר טובות יותר ביצירת עוד צאצאים ובהעבַרת הגֶּנִים הלאה, מדוע רוב החיות נחלשות? מדוע ההזדקנות היא דבר כה נפוץ בקֶרֶב חיות, עד שהאבולוציה יצרה אותו?

פרטים לעומת קהילות

עוצמה ומהירוּת הן לרוב תכונות טובות לתחרות בין פרטים, אך 'טוב' יכול להתייחס גם לקהילה. כל האורגניזמים החיים במערכת אקולוגית מסוימת צריכים לתפקד יחד בצורה יציבה. חוסר יציבוּת עלול לגרום לאסון עבור כל אחד מהפרטים, ולהביא להכחדַת כלל המערכת האקולוגית.

נחשוב על אריות בהֶקְשֵׁר המערכת האקולוגית הרחבה שלהם. מדוע האריות כה חזקים ומהירים? הם צריכים להיות מהירים כדי שיוכלו לצוד את הטֶּרֶף שלהם – הַצְּבָאִים. הצבאים במערכת האקולוגית התפתחו כך שהם רצים מהר, כדי לחמוק מהאריות, והאריות התפתחו כך שהם רצים מהר כדי לתפוס את הצבאים. כאשר הצבאים מתפתחים כך שהם רצים מהר אף יותר, גם האריות צריכים להתפתח כך שירוצו מהר יותר, או שימותו ברעב. כאשר האריות רצים מהר יותר, הצבאים חייבים להגביר את מהירותם, או שייאכלו. הבה נניח שהאריות יכולים לרוץ קצת יותר מהר מהצבי המהיר ביותר. זה נהדר עבור האריות המסוימים הללו, כי יהיה להם מספיק טרף, והם ייצרו צאצאים מוכשרים בדור העוקב, אך אלו חדשות רעות עבור הצבאים. בדור העוקב, יהיו יותר אריות ופחות צבאים, ובאחד הימים, האריות המהירים והרעבים יתפסו את הצבי האחרון. הצבאים ייעלמו מהערבוֹת, וזמן קצר לאחר מכן, האריות יגוועו ברעב.

הבה נניח שהדבר ההפוך קורה: הן האריות הן הצבאים מתפתחים להיות מהירים לאורך הדורות, אך הצבאים מהירים מעט יותר מהאריות. האריות רודפים אחרי הצבאים, אך הם יכולים לתפוס רק את הצבאים החולים, או אלו שיש להם פגם כלשהו. במצב דברים זה, האריות והצבאים יוצרים קהילה יציבה. הצבאים החלשים ביותר הם אלו שנטרפים, כך שעֵדֶר הצבאים נשאר בריא. הדבר נכון גם עבור האריות – החולים והאיטיים מביניהם יגוועו ברעב. עבור המערכת המשותפת של האריות ושל הצבאים, נראה שזו התוצאה הָעֲדִיפָה.

עבור הקְּשרים שבין האריות לצבאים, ההזדקנות עוזרת להפוך את המערכת יציבה וחסונה. כל צבי מזדקן והופך איטי יותר, וכך האריות זוכים לטרף, ורוב הצבאים יכולים לגדול ולהתרבוֹת כל עוד הם צעירים ובריאים. נראה כי הדרך שבה האריות והצבאים התפתחו יחד טובה עבור שני המינים, בין השאר, כיוון שהצבאים הם חזקים ומהירים למשך זמן מה, ואז הופכים איטיים וחלשים יותר ככל שהם מזדקנים. ייתכן שהזדקנות היא אחד המַּפתחות למערכת אקולוגית בריאה! אך האם המדע תומך בתיאוריה הגורסת כי במקרה של הזדקנות, הברירה הטבעית מעדיפה את רווחַת המערכת האקולוגית כולה, ולא את רווחַת הפְּרט? הַמשיכו לקרוא וגלו את התשובה!

תיאוריות קודמות של אבולוציה והזדקנות

לאורך השנים, מדענים העוסקים באבולוציה הציעו שתי תיאוריות עיקריות המסבירות את הַקֶּשֶׁר שבּין הזדקנות לאבולוציה. בשנת 1957, הביולוג האמריקאי ג'ורג' וויליאמס הציע כי הזדקנות עשויה להיות תופעת-לוואי שלילית של גֶּנים המסייעים לנו בצורה כלשהי. לדוגמה, אולי אותם גנים שעוזרים לחיה צעירה להיות חזקה ופורייה מקְשים מדי על המערכת, עד שלבסוף הם גורמים לנזק. בניסויים שנערכו על זבובי-פירות ועל תולעי-מעבדה, מדענים מצאו כי חלק מהגֶּנים שעוזרים לְחיות להיות מהירוֹת ופוֹריות, אכן כרוכים בתופעות-לוואי מזיקות, כפי שהוצע בתיאוריה. עם זה ישנם גנים רבים אחרים שמגבירים את הכוח ואת החיוּת בשלבים המוקדמים של החיים, ובד בבד תורמים להארכַת חיי החיה! מכך משתמע שהחיות יכולות להשתמש בגנים האלו כדי להאריך את חייהן, ללא השלכות שליליות, כלומר, הרעיון שישנן השפעות מזיקות הוא מוטעה.

התיאוריה השנייה הייתה כי תיקון הנזק המוביל להזדקנות מצריך השקעַת אנרגיה. כיוון שאנרגיה מקורה במזון, ולפעמים קשה להשיגוֹ, על גופנו להשתמש בחוכמה במאגרי האנרגיה! השקעַת האנרגיה מייד ברבייה היא 'הימור בטוח' להעברַת הגנים, בעוד שצבירת אנרגיה במטרה לתקן את הגוף בעתיד מסוכנת יותר – אם חיה בוחרת 'לחסוך' אנרגיה לזמן מאוחר יותר במקום להתרבוֹת מייד, אולי לא תהיה לה הזדמנות להעביר הלאה את הגנים שלה. התיאוריה הזו נראתה הגיונית מאוד כשהביולוג האנגלי תומס קירקווד הציג אותה בשנת 1977, אך כמה שנים לאחר מכן, מדענים גילו שכאשר חיות אוכלות פחות, החיים שלהן למעשה ארוכים יותר! העובדות הללו סותרות את התיאוריה של קירקווד.

כיוון שלא נראה כי מי מהתיאוריות הללו מסבירה לגמרי כיצד הברירה הטבעית תומכת בתהליך ההזדקנות, החלטנו לחקור זאת בעצמנו. הצבנו לעצמנו מטרה, והיא – לבנות מוֹדל מתמטי שיחשוף כיצד בתהליך האבולוציה עשוי להיות תִּעדוף של חיים קצרים על פני חיים ארוכים. חשבנו כי אולי תהליך ההזדקנות, על אף שיש לו מחיר, יכול גם להוות יתרון בפני עצמו.

שינוי – המרכיב החסר!

המודל המתמטי שלנו [1] התבסס על רעיון מקורי של André [2], אחד מכותבי מאמר זה. André הוסיף מרכּיב חדש למודלים המתמטיים הקודמים שבהם השתמשו כדי להסביר את האבולוציה של ההזדקנות: שינוי. משמעות האבולוציה היא שינוי מדור לדור. חיות צריכות להשתנות, משום שהסביבה שלהן משתנה תמיד. מאפיינים 'טובים' הַמַּקְנִים יתרון להישרדות בזמן מסוים, אולי יכזיבו לאחר מכן, כאשר העולם שונה. תהליך ההזדקנות עוזר להחליף פרטים מבוגרים בפרטים חדשים, שעשויים להסתגל לנסיבות החדשות בצורה טובה יותר.

תכנתנו את המודל המתמטי שלנו כך שלכל פרט יש עֶמְדָּה על לוח משחק, כפי שניתן לראות ב1. איור על כל ריבוע יכול להיות רק פרט אחד, וצבע הריבוע מראֶה מי חי שם. ריבועים כחולים שיש עליהם פרצופים כחולים עצובים מייצגים חיות שמתות מזִקנה. ריבועים אדומים עם פרצופים אדומים שמחים, מייצגים חיות שגילן לא משפיע עליהן לרעה.

כאשר החיות התיאורטיות שלנו מתרבּוֹת, הצאצאים נולדים קרוב להורים. לכן, כשלפרצוף כחול עצוב יש צאצא, פרצוף כחול עצוב חדש מופיע בקרבת ההורה. המשמעות היא שאחרי זמן מה, כנראה שכל הפרטים באזור מסוים יהיו מקורבים. בטבע, משאבים כמו מזון הם מוגבלים. כדי לייצג זאת, רק פרט אחד יכול לשרוד על כל משבצת. כאשר שני פרטים או יותר נמצאים על אותה המשבצת, הם מתחרים ביניהם. לפרט הכשיר יותר שעבר תהליך הסתגלות טוב יותר לסביבתו, יש סיכוי גדול יותר לשרוד. זו התחרות היחידה במשחק; אף פרט אינו צריך להיות מודאג ממתחרים בצד האחר של לוח המשחק. בטווח הרחוק, ישנן משפחות אזוריות שנוטות להתפרס על שטח רב יותר מֵאֲחֵרוֹת. כך, באופן טבעי, נוצרו קבוצות של חיות בעלות קשרי משפחה, שגבולותיהן לא סדירים ומשתנים ללא הרף. תחרויות מתרחשות רוב הזמן בין חיות שיש ביניהן קרבה משפחתית. משמעות הדבר היא שהחיות שמזדקנות נוטות להתחרות עם חיות אחרות שגם מזדקנות, וההזדקנות הופכת את התחרות קשה אף יותר. היא מאלצת את החיות להסתגל מהר יותר – והסתגלות מהירה היא יתרון חשוב.

הצורך להסתגל לסביבה משתנָה היה גורם חשוב במודל שלנו. שינוי, משמעו שדברים שעבדו בעבר אולי לא יעבדו טוב מאוחר יותר. מסיבה זו, גרמנו לכל הפרטים להיחלש מעט עם הזמן, גם לאלו שהזדקנו, וגם לאלו שלא. באופן עקרוני, לכל חיה יש עוצמה המיוחסת לה, שאותה כינינו 'כְּשִׁירוּת '. הפרטים בעלי הכשירות הגדולה יותר הם חזקים יותר, ויש להם סיכוי טוב יותר לשרוד כאשר הם מתחרים. כמו בחיים האמיתיים, כאשר צאצאים נולדים, הם עשויים להיות מעט חזקים יותר מהוריהם, או מעט חלשים מהם. כלומר, הכשירות שלהם עשויה להיות גבוהה מעט יותר מהכשירות של הוריהם, או נמוכה מעט ממנה. בדרך זו, הקבוצות יכולות להשתנות ולשרוד. במשחק, המשמעות של תוחלת חיים ארוכה יותר היא שחיות מבוגרות יותר יחיו חיים ארוכים יותר. החיות נחלשות כיוון שבאותו הזמן, הסביבה במודל משתנה. כלומר, החיות המבוגרות יותר נוטות להיות החלשות מכולם. כיוון שקהילות החיות משתנות רק כאשר חיות חדשות (השונות מהוריהן) נולדות, המשמעות היא שכאשר חיי החיות ארוכים יותר, הקבוצה מתפתחת לאט יותר. קהילה בעלת תוחלת חיים קצרה יכולה להתפתח מהר יותר מאשר קהילה בעלת תוחלת חיים ארוכה יותר, וכך להסתגל מהר יותר לסביבה המשתנה. קהילות המתפתחות מהר מסתגלות בצורה טובה ומהירה יותר מאשר קהילות המתפתחות לאט.

באופן אקראי, הִקְצֵינוּ לחֵלֶק מהפרטים תוחלת חיים קצרה יותר, ולחֵלֶק ארוכה יותר. הקהילות עם תוחלת החיים הקצרה יותר התפתחו מהר יותר, ויצרו פרטים שהסתגלו בצורה טובה יותר.

מהי משמעות התוצאות שלנו?

המודל המתמטי שלנו מציע כי אולי אנו מזדקנים מפני שהעולם משתנה! אין ספק שההזדקנות עשויה להזיק לפרטים, בכך שהיא קוטעת את הסיכוי שלהם להתרבּוֹת. עם זה ההזדקנות מועילה לקהילה כמכלול, כיוון שהזדקנות ומוות מגבירים את קצב האבולוציה, וכך מסייעים לאוכלוסיות להסתגל לשינויים המתרחשים בסביבתן. ייתכן שזה חשוב יותר לבריאות הקהילה ככלל, מאשר הנזק הנגרם ממוות מוקדם. מסיבה זו, ייתכן שההזדקנות היא אכן תהליך חשוב, הנתמך על ידי האבולוציה. לפעמים, הברירה הטבעית עשויה להעדיף תוחלת חיים קצרה יותר על פני תוחלת חיים ארוכה יותר, עבור רווחַת הקהילה כולה!

מילון מונחים

אֶבוֹלוּצְיָה (Evolution): ↑ העובדה המוכיחה את עצמה, שלפיה יצורים החיים כיום שונים מאלו שחיו בעבר. אבולוציה הוא הַשֵּׁם שנתנו לשינוי הזה, המתרחש באיטיוּת על פני דורות רבים.

הברירה הטבעית (Natural Selection): ↑ הדרך שבה האבולוציה פועלת. בטבע, החיות אינן שוות. חלקן חזקות יותר, ואחרות בריאות יותר. החיות בעלות המאפיינים המסייעים להן לשרוד מסתגלות בצורה טובה יותר. כיוון שיש סיכוי טוב יותר שישרדו, הן מותירות אחריהן מספר גדול יותר של צאצאים. בטווח הרחוק, התחרות המתקיימת בטבע מכריעה מָהֵם המאפיינים שהופכים את הפרטים הללו טובים יותר.

קהילה (Community): ↑ בהֶקְשֵׁר המאמר הזה, קהילה היא קבוצה של חיות שיש ביניהן קשרי משפחה. הן יכולות להיות הורים וילדים, אחים, בני דודים וכד'.

מערכת אקולוגית (Ecosystem): ↑ מערכת הכוללת את כל החיים המתקיימים באזור מסוים, ואת כל הפרטים באותו המקום, בכלל זה צמחים, חיות, חיות מיקרוסקופיות ותוואי השטח.

מודל מתמטי (Mathematical Model): ↑ תיאור של מצב באמצעות כלים מתמטיים. בדרך כלל התיאור אינו שלם, אלא מקורב. המודל יכול לסייע לנו ללמוד מדוע ואיך דברים קורים.

הסתגלות (Adaptation): ↑ מאפיין של אורגניזם חי, המאפשר לו לשרוד בצורה טובה יותר. לדוגמה, כאשר אריה נהיה מהיר יותר, הוא יכול לתפוס טֶרֶף בקלות רבה יותר וסיכויי ההישרדות שלו עולים.

כשירות (Fitness): ↑ עֵרֶךְ מתמטי המייצג את מידת ההסתגלות של חיה מסוימת. הערך מנסה לקבץ את כל הפרטים המסובכים לכדי מספר אחד שאנו יכולים להבין. ככל שהכשירות גבוהה יותר, כך סביר יותר שהחיה תשרוד.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.