Befolkningsdynamik ved aldring

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 25. november 2017; checks kræver 9 redigeringer .

Befolkningsdynamik af aldring  - retningen af ​​undersøgelsen af ​​aldring ved hjælp af metoderne til befolkningsdynamik , det vil sige undersøgelsen af ​​alderssammensætningen af ​​populationer af aldrende organismer og ændringer i denne afhængighed afhængigt af typen af ​​organisme og miljøforhold .

Af størst interesse er dynamikken i aldring af flere organismer , herunder mennesker , hvor aldring sker efter en lang periode efter at have nået puberteten og har en gradvis karakter. I modsætning til monocytiske former behøver multiparøse organismer ikke at bruge alle deres vitale kræfter før slutningen af ​​deres reproduktionsfase (avlsfase) for at reproduktionen skal lykkes, og den gennemsnitlige levetid i forhold til yngleperioden varierer ganske betydeligt mellem individer og afhængig af arten: Små gnavere og vilde fugle bruger i gennemsnit kun 10 til 20 procent af deres potentielle ynglesæson, mens hvaler , elefanter , aber og andre store pattedyr naturligt bruger mere end 50 procent af deres ynglesæson, og ofte selv overleve det.

Populationstilgangen tager højde for populationsstørrelsens afhængighed af organismers alder . Ændringer i populationsstørrelse med alderen kaldes dødelighed , hvilket i tilfælde af en steady state svarer til antallet af organismer, der dør pr. tidsenhed. Følgelig kaldes relative ændringer i befolkningsstørrelsen eller sandsynligheden for død pr. tidsenhed relativ dødelighed. Det omvendte mål for dødelighed, som også ofte bruges til at beskrive befolkningsdynamikken ved aldring, er sandsynligheden for overlevelse pr. tidsenhed.

Målet med befolkningstilgangen er at identificere mønstre i befolkningsstørrelse kontra tid, som bruges til at bestemme aldringshastigheden. Disse data kan igen bruges til at teste ældningsmønstre afledt enten af ​​fysiologiske og genetiske mekanismer eller fra generelle systemiske mekanismer.

Grafisk repræsentation af aldringsprocessen, Gompertz' lov

Den mængde, der måles direkte, er befolkningens aldersafhængighed, derfor er den ønskede værdi det mest almindelige mål for dødelighed og aldring. En mere synlig værdi er dog dødelighed eller overlevelse – indikatorer, der i højere grad karakteriserer selve aldringsprocessen. Der bruges ofte logaritmiske kurver, som bedre afspejler nogle af de karakteristiske træk ved de givne afhængigheder.

En af de første og mest almindelige i dag matematiske modeller til at beskrive aldring af multiparøse organismer er den såkaldte Gompertz-Makham [1] [2] (eller blot Gompertz) dødelighedslov, ifølge hvilken sandsynligheden for død stiger eksponentielt med alderen : , hvor x  er alder, og p  - relativ sandsynlighed for død i et vist tidsrum, a og b  - koefficienter. I mangel af et konstant led a falder befolkningsstørrelsen således med alderen med en dobbelt eksponent [3] .

Gompertz-loven er empirisk og gælder ikke for alle dyr og ikke for alle tidsperioder, men den er den enkleste til at sammenligne ældning af forskellige organismer, og derfor bruges dens koefficienter ofte som indikatorer for aldringshastigheden (hastigheden) .

Afhængighed af parametrene for Gompertz-kurven af ​​organismen

Gompertz-funktionens eksponentielle koefficient viser ældningshastigheden. Forskelle i levetid mellem arter er primært et resultat af forskelle i ældningshastigheden og er derfor udtrykt i forskelle i denne koefficient.

Sammenligning af dødelighedstabeller for forskellige stammer af mus af samme art viser, at forskelle mellem stammer primært kommer fra forskelle i Makeham-udtrykket (aldersuafhængigt udtryk) af Gompertz-funktionen. Hvis slægter kun adskiller sig i den aldersuafhængige sigt, har kortere linjer højere dødelighed, som er højere med en konstant mængde gennem hele livet, hvilket kommer til udtryk i den vertikale forskydning af Gompertz-funktionen. Det sker ofte, at den første generation (F1) hybrider af to naturlige linjer lever længere end begge forældre. Selvom undersøgelser af de biokemiske processer af sådanne hybrider ikke er blevet udført, indikerer livstabeller, at hybrider kun adskiller sig fra forældrelinjer i et aldersuafhængigt medlem, men ikke i en ændring i ældningshastigheden. Andre undersøgelser har også vist, at meget af variationen i levetid mellem musestammer skyldes forskelle i arvelig modtagelighed for visse sygdomme.

For befolkninger af mennesker i forskellige lande i midten af ​​det 20. århundrede, kom forskellen i forventet levetid (ikke medregnet spædbørnsdødelighed ) næsten udelukkende fra forskellen i Makehams penis. Siden midten af ​​det 20. århundrede har situationen ændret sig, hvilket har ført til en næsten parallel forskydning af dødelighedskurven til højre. Selvom årsagerne til denne ændring er ukendte, skyldes de formodentlig betydelige fremskridt inden for personlig og offentlig hygiejne , forbedret bolig og lægebehandling, ernæringsmæssig kvalitet og skabelsen af ​​effektive vacciner og antibiotika [5] .

Afvigelser fra Gompertz-loven: spædbørnsdødelighed

Det skal bemærkes, at Gompertz-Makham-loven kun er en tilnærmelse, gyldig i den gennemsnitlige aldersgruppe. På området for ung alder er der en markant højere dødelighed end fastsat i denne lov. For eksempel kan nordlig torsk lægge op til 6 millioner æg under gydning , men kun et lille antal af dem overlever til seksuel modenhed [6] . Denne dødelighed er overvejende resultatet af de unges manglende evne til at undgå rovdyr, bekæmpe sygdom og kan også være et resultat af fødselsdefekter og er ikke et resultat af aldring.

Afvigelser fra Gompertz' lov: bremse aldring senere i livet

På området for sen alder er der tværtimod et fald i dødeligheden i sammenligning med Gompertz-loven, mere præcist udgangen af ​​sandsynligheden for død pr. tidsenhed til et plateau [8] . Som i tilfældet med spædbørnsdødelighed er dette en generel lov, der overholdes selv i den livløse natur [7] . Og selvom en af ​​de mulige forklaringer på dette fænomen kunne være befolkningens heterogenitet, indikerer nuværende data tydeligt sammenhængen mellem plateauet af dødelighed og en opbremsning i aldringsprocessen [9] .

Modellering og teoretisk arbejde

En almindelig metode til at studere aldring er den matematiske modellering af befolkningsdynamik. Alle matematiske modeller for aldring kan groft opdeles i to hovedtyper: datamodeller og systemmodeller [10] . Datamodeller eller analytiske modeller  er modeller, der ikke bruger eller forsøger at forklare nogen hypoteser om de fysiske processer i de systemer, som disse data er indhentet for. Datamodeller omfatter især alle modeller for matematisk statistik. I modsætning hertil bygges system- eller mekanistiske modeller hovedsageligt på basis af fysiske love og hypoteser om systemets struktur, det vigtigste i dem er at verificere den foreslåede mekanisme.

Nedenfor er en liste over de vigtigste af de foreslåede matematiske modeller [11] :

Dødelighedsdatamodeller var de første af disse matematiske modeller, der dukkede op. Længe før forståelsen og endda forskningen af ​​de processer, der ligger til grund for aldring, var der en praktisk interesse i at forudsige fremtidig forventet levetid til brug i forsikring og demografi . Det var til beregningen af ​​forsikringspræmier tilbage i det 19. århundrede, at de første dødelighedstabeller blev udviklet og de velkendte modeller af Gompertz [12] og Gompertz-Makham [2] blev formuleret . Ved at introducere en simpel to-parameter dødelighedsmodel gjorde Gompertz forskerne i stand til ikke kun at beregne fremtidige chancer for lang levetid, men også udforske ændringer i to grundlæggende parametre: initial dødelighed og aldringshastigheden. Adskillelsen af ​​alderskomponenten fra dødelighedsdata gav anledning til matematisk gerontologi [11] .

I slutningen af ​​det 20. århundrede begyndte mange nye demografiske dødelighedsmønstre at dukke op. Indsamlingen af ​​en betydelig mængde nye data, ofte for heterogene populationer, har ført til nye metoder til at analysere livstabeller [26] [27] . Disse modeller, der ofte anvender stokastiske procesanalysemetoder, har muliggjort isolering af individuelle dødelighedskomponenter og beskrivelsen af ​​sygdommes og miljøfaktorers indflydelse på levetiden [28] .

På grund af det faktum, at det længe har været kendt om lineariteten af ​​faldet i kroppens funktionelle evner [29] , blev det nødvendigt at forbinde denne dynamik med en eksponentiel stigning med alderen i relativ dødelighed. En af de første forklaringer på dette fænomen var Strehler-Mildvan-modellen [13] . Denne model antager systemudsving, hvis sandsynlighed falder eksponentielt med størrelsen. For at overvinde dem skal kroppen bruge energi, men de maksimale omkostninger falder lineært med alderen. Som følge heraf stiger sandsynligheden for død, det vil sige manglende evne til at overvinde udsvinget, eksponentielt. En lignende model er Sechera-Trucco-modellen [30] , som foreslår en gaussisk fordeling af ydre påvirkninger, og med visse betingelser også fører til en eksponentiel afhængighed af dødeligheden af ​​alder. En alternativ tilgang til at forklare denne afhængighed er at bruge teorien om pålidelighed , som forklarer den eksponentielle afhængighed gennem den betydelige redundans af biologiske systemer [15] .

Det næste trin i matematisk modellering var forklaringen af ​​dødelighedens afvigelse fra den klassiske afhængighed, primært fremkomsten af ​​dødelighed på et plateau i en senere alder. Generelt er de foreslåede modeller modifikationer af den nævnte Strehler-Mildvan model ved hjælp af stokastiske data, den mest berømte er Muller og Rose modellen [31] . Ud over denne model er der foreslået flere modifikationer, for eksempel en modifikation baseret på teorien om pålidelighed [16] . Den underliggende stokastiske tilgang foreslår at reducere effekten af ​​biologisk systemredundans ved at fremhæve de travleste kanaler for systemskader [32] . En anden tilgang baseret på heterogeniteten af ​​befolkningen viste en manglende evne til at forklare de eksperimentelle data [9] . Den evolutionære tilgang til det relative dødelighedsoutputproblem er en modifikation af Hamilton-modellen [33] baseret på princippet om antagonistisk pleiotropi . Ideen er, at trykket fra naturlig selektion reduceres for mutationer, der er forbundet med ændringer, der først optræder i en senere alder, men ikke nødvendigvis når nul [9] , for eksempel på grund af effekter forbundet med at øge værdien af ​​erfarne gamle organismer sammenlignet med unge. , på trods af faldet i deres antal [34] .

Systemmodeller overvejer generelt mange individuelle faktorer, begivenheder og fænomener, der direkte påvirker organismers overlevelse og afkoms fødsel. Disse modeller, baseret på disposable soma-teorien , betragter generelt aldring som en balance og omfordeling af ressourcer i både fysiologiske (i løbet af en organismes liv) og evolutionære aspekter. Som regel, især i sidstnævnte tilfælde, taler vi om fordelingen af ​​ressourcer mellem de direkte omkostninger ved fødslen af ​​afkom og omkostningerne ved forældrenes overlevelse [10] . Mange af modellerne nævnt ovenfor er baseret på statistiske modelleringsteknikker. Spørgsmålet om tilstrækkeligheden af ​​livshistoriemodeller til resultaterne af dyreforsøg, primært befolkningsdata, overvejes ofte.

Noter

Artiklen er en oversættelse fra det ukrainske sprog af artiklen uk:Population dynamics of old

  1. ↑ itannica.com/eb/article-63929/aging Aging  (engelsk)  (link ikke tilgængeligt) . Encyclopedia Britannica . Hentet 5. oktober 2019. Arkiveret fra originalen 16. juli 2013.
  2. ↑ 1 2 3 Makeham WM Om loven om dødelighed og konstruktion af annuitetstabeller  //  JIA : journal. - 1860. - Bd. VIII .
  3. ↑ Gompertz- kurve  . wolfram mathworld . Hentet 30. oktober 2007. Arkiveret fra originalen 13. september 2007.
  4. ↑ Yashin AI, Begun A., Boiko SI, Ukraintseva SV, Oeppen J. Nye aldersmønstre for forbedring af overlevelse i Sverige: karakteriserer de ændringer i individuel aldring? (engelsk)  // Mechanisms of Aging and Development : tidsskrift. - 2002. - Bd. 123 . - s. 637-647 .
  5. ↑ Aldringsfaktoren i sundhed og sygdom. Workshoprapport  (engelsk) . — New York: International Longevity Center, Ltd, 1999.
  6. ↑ Northern Cod - Et spørgsmål om overlevelse  . Hentet 30. oktober 2007. Arkiveret fra originalen 28. januar 2012.
  7. ↑ 12 Angelos Economos . Et ikke-Gompertzian-paradigme for dødelighedskinetik for metazoaniske dyr og fejlkinetik for fremstillede produkter   // Alder . - 1989. - T. 2 . - S. 74-76 .
  8. ↑ Nedsættelse af dødeligheden i det sene liv, udjævning af dødeligheden,  dødelighedsplateauer . Optrævling af hemmeligheder bag menneskelig levetid . Hentet 30. oktober 2007. Arkiveret fra originalen 28. januar 2012.
  9. ↑ 1 2 3 Rose MR, Rauser CL, Mueller LD, Benford G. En revolution for aldringsforskning  (ubestemt)  // Biogerontology. - 2006. - Nr. 4 . - S. 269-277 . — PMID 16612665 .
  10. ↑ 1 2 Novoseltsev V.N., Novoseltseva Zh.A., Yashin A.I. Matematisk modellering i gerontologi - strategiske perspektiver  (russisk)  // Fremskridt i gerontologi. - 2003. - T. 12 . - S. 149-165 .
  11. ↑ 1 2 V.N. Anisimov. Molekylære og fysiologiske mekanismer for aldring . - Skt. Petersborg: Nauka, 2003.
  12. ↑ 1 2 Gompertz B. Om arten af ​​den funktion, der udtrykker loven om menneskelig dødelighed   // Phil . Trans. Royal Soc. (London): journal. — 1825.
  13. ↑ 1 2 Strehler BL, Mitdvon AS Generel teori om dødelighed og aldring   // Videnskab . - 1960. - T. 132 . - S. 14-21 .
  14. ↑ Brown KS, Forbes WF En matematisk model af  aldringsprocesser . - 1974. - S. 46-51 .
  15. ↑ 1 2 3 4 Gavrilov L. A., Gavrilova N. S. Levealderbiologi. Kvantitative aspekter . - 2. - Moskva: Nauka, 1991. - S. 280.
  16. ↑ 1 2 Gavrilov LA, Gavrilova NS Reliabilitetsteori om aldring og levetid  (uspecificeret)  // Sjette udgave / Academic Press. - 2006. - S. 3-42 . — ISBN 0-12-088387-2 .
  17. ↑ Penna TJP En bitstrengsmodel for biologisk aldring  //  Journal of Statistical Physics. - 1995. - T. 78 . - S. 1629-1633 .
  18. ↑ Pletcher SD, Neuhauser C. title=Biologisk aldring - Kriterier for modellering og en ny mekanistisk model. {{{title}}}  (engelsk)  // International Journal of Modern Physcis. - 2000. - T. 11 . - S. 525-546 .
  19. ↑ Reznick DN Omkostninger ved reproduktion: en vurdering af empirisk bevis  //  Oi-cos. - 1995. - T. 44 . - S. 257 .
  20. ↑ Agerhøne L., Barton NH Optimalitet, mutation og udviklingen af ​​aldring   // Nature . - 993. - T. 361 . - S. 305-311 .
  21. ↑ Dasgupta S. En computersimulering for biologisk aldring  (fr.)  // Journal de physique . - 1994. - T. 4 . - S. 1563-1570 .
  22. ↑ Stauffer D. Monte-Carlo simulering for biologisk aldring  (neopr.)  // Brasilien. J. Fysik .. - 1994. - T. 24 . - S. 900-906. .
  23. ↑ Orr WC, Sohal RS Forlængelse af levetid ved overekspression af superoxiddismutase og katalase i Drosophila melanogaster II   // Science . - 1994. - T. 263 . - S. 1128-1130 .
  24. ↑ Solovyov M. V. Om den mulige rolle af den kaotiske adfærd af genreguleringssystemet i kroppens aldring  (russisk)  // Fremskridt i gerontologi. - 2001. - T. 8 . - S. 27-33 .
  25. ↑ Koltover VK Pålidelighedskoncept som en trend i biofysik af aldring  //  Teoretisk biologi. - 1997. - T. 184 . - S. 157-163 .
  26. ↑ Rogers A., Rogers RG, Branch LG En multistatsanalyse af aktiv levetid   // Public Health Reports : journal. - 1989. - Bd. 104 . - S. 222-226 .
  27. ↑ Keyfitz N., Littman G. Mortality in a heterogenous population  (neopr.)  // Population Studies. - 1979. - T. 33 . - S. 333-342 .
  28. ↑ Yashin AI, Manton KG Effekter af uobserverede og delvist observerede covariate processer på systemfejl: En gennemgang af modeller og estimeringsstrategier  //  Statistical Sciences: journal. - 1997. - Bd. 12 . - S. 20-34 .
  29. ↑ Strehler B. Tid , celler, aldring  . - Moskva, 1966.
  30. ↑ G. A. Sacher og E. Trucco. Den stokastiske teori om dødelighed  (neopr.)  // Annals of the New York Academy of Sciencer.
  31. ↑ Mueller LD, Rose MR Evolutionsteori forudsiger dødelighedsplateauer i det sene liv  //  Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA: journal. - 1996. - Bd. 93 . - P. 15249-15253 .
  32. ↑ Golubev A. G. Gensidig kompatibilitet af ideer om aldring og forventet levetid, deres mekanismer og manifestationer på niveau med organismen og befolkningen og deres udvikling  // Advances in Gerontology: Journal. - 1997. - T. 1 . - S. 25-33 .
  33. ↑ Hamilton WD Formgivningen af ​​alderdom ved naturlig udvælgelse  //  Journal of Theoretical Biology : journal. - 1966. - Bd. 12 . - S. 12-45 .
  34. ↑ The Evolution of Aging  (engelsk)  (utilgængeligt link) . Hentet 30. oktober 2007. Arkiveret fra originalen 28. januar 2012.

Eksterne links