1.2 生物衰老的定义

生物衰老是如何定义的？事实证明，这很困难，因为直到最近，衰老的原因还是未知的，或者至少是有争议的。因此，多年来提出了数百种定义。我们现在知道了衰老的原因，可以对生物衰老做出更精确的定义。尽管如此，生物衰老学是一个多元化的领域，包括来自许多不同学科的研究人员。本文中使用的、针对生物学家的定义可能与生物衰老学广泛领域内的其他部门无关（尽管衰老过程是相同的）。这对于专门处理人类老化问题的领域来说可能尤其如此。

本节开始时，我们追溯了衰老定义的历史和发展，并考虑了为什么这些定义仍然与生物衰老学一般范围内的特定领域相关。本节以衰老的定义结束，该定义将作为贯穿本文的指南。

生物衰老的最初定义是基于死亡率

许多科学家将生物衰老定义为死亡率或死亡风险的增加。例如，“生物衰老以死亡率增加为特征”，是“随着年龄的增长或生命周期的结束，死亡的易感性增加，或活力的丧失增加。”基于死亡率的定义在老年人口学研究领域特别有用，这是一门研究人口规模和死亡率特征的统计科学。当我们探索生物人口学时，第7章详细讨论了死亡率作为老龄化描述符的有用性。生物人口学是人口学的一个分支，它结合了经典人口学和进化理论来研究人口老龄化模式。

基于死亡率的生物衰老定义对于将生物事件与个体而非人群的衰老结果相关联的研究人员来说用处不大。例如，在人类身上，80岁老人的皮肤和灰色头发可能是这些组织的生物化学变化的结果，使其功能不如10岁同龄人。这些都是生物衰老的明显迹象。然而，老年人皮肤和头发的变化不太可能显著增加死亡风险。也就是说，这些器官的衰老并不等于死亡。同样，苹果树的果实发育、成熟和死亡不会显著影响整棵树的死亡风险。用死亡风险来衡量衰老也无法区分寿命和衰老。正如你在第三章中所发现的，长寿只指观察者建立的量表上的一个时间点，而衰老反映了一段时间内发生的变化。

对于某些物种，死亡和衰老是相同的，基于死亡率的定义是合适的。在前面描述的蜉蝣中，在成年发育完成后死亡发生得如此之快，以至于很难测量衰老的速度。太平洋红大马哈鱼（Oncorhynchus nerka）是死亡等于衰老的另一个很好的例子。这种鲑鱼99%的寿命是在公海中度过的，在此期间没有明显的衰老迹象。然而，当鱼返回淡水产卵时，它会立即退化并出现明显的衰老迹象（图1.4）。死亡几乎在产卵阶段完成后立即发生。然而，对于其他形式的生命，死亡并不等同于生物衰老。

图1.4 太平洋红大马哈鱼生命周期和衰老的关系。这种鱼出生在河水溪流中并成长到青少年，然后迁移到海洋。到了海洋之后，红大马哈鱼达到成年但不生殖。在孵出2-5年之后，它们洄游到出生地的河水中并开始产卵。此时身体迅速变化，产卵两周之内迅速死亡。(从顶部顺时针看)

基于功能的定义有助于描述特定时间段内的生物衰老

将特定的生物事件与衰老速度联系起来的科学家们发现，基于功能的衰老定义与基于死亡率的定义相比，某些事物的工作情况如何更为有用。这一类型的两个广为接受的定义包括：（1）“[衰老是]在成熟期后随着时间的推移而恶化的变化，这是机体越来越容易受到挑战的基础，从而降低了机体的生存能力”（Masoro，1995）；（2）“衰老主要用于描述生物体内与年龄相关的变化，这些变化会对其活力和功能产生不利影响，但最重要的是，随着时间的推移，死亡率会增加。衰老（Senility）代表衰老的结束阶段，此时死亡风险接近100%”（Finch，1990）。

这些定义的优势在于，它们确定了与高龄相关的过程，“对挑战的脆弱性增加”和“对……活力和功能产生不利影响的变化”，这些过程可以随时间测量和遵循。例如，通过测量特定肌肉群可以移动或抬起的质量，可以轻松评估肌肉功能。事实上，大量研究表明，肌肉力量以及许多其他生理功能在成熟后会下降。这些定义还规定了“寻找”衰老的特定时间段：成熟后期，即生物体达到完全生长后的时期。

然而，这两种定义都有局限性。两者都是以生物体为基础的；也就是说，它们解决了整个有机体的衰老问题，而不是在较低层次的组织（如细胞功能）上的衰老问题。此外，两者都没有涉及在发育和成长过程中可能发生的事件，这些事件可能会对成熟后产生直接影响。此外，基于功能的定义使得很难确定何时开始“衰老”。可能有些生理功能开始衰退，而另一些功能仍在发展中。例如，人类胸腺在14岁左右开始萎缩，此时骨骼生长速度可能达到最大值。

衰老生物学对衰老的定义

在探索衰老的定义时有几个因素，这些因素将贯穿本教科书。其中最主要的是我们现在知道了细胞衰老的原因。细胞衰老反映了生物体与环境相互作用产生的受损蛋白质的随机和随机积累（具有概率分布或模式的过程，可以进行统计分析，但不能精确预测）。这意味着我们的细胞积累的蛋白质要么在其最佳水平上无法发挥作用，要么根本无法发挥作用。衰老的随机性也意味着衰老没有进化，因此，没有调节衰老的基因。第3章、第4章和第5章详细讨论了随机和随机累积损伤的机制以及衰老不可能进化的原因。

另外三个因素在发展衰老的定义中也很重要，所有这些因素在本文中都有详细的解释：（1）生物衰老发生在生物组织的许多层面，可能不直接适用于整个生物体。（2） 影响导致衰老的生化和生理衰退的因素可能在生物发育的早期就开始了。（3） 长寿和衰老是相关但不同的过程。基于这些考虑，我们将生物衰老定义如下：

衰老是分子、细胞和有机体的结构和功能的随机变化，这是由时间的推移和与环境的相互作用引起的。衰老增加了死亡的可能性。
分子结构和功能相互作用的随机变化是这一定义的基础。正如您在本文中所了解的，随机出现的分子结构和功能的改变是环境条件的结果，对衰老过程有重大影响。
我们的定义不包括衰老开始的特定时间点；它只表明衰老是随着时间的推移而发生的。之所以采用这种方法，是因为大量证据已经开始积累，表明一个人的衰老速度轨迹可能受到环境因素的影响，而环境因素早在胎儿发育阶段就起作用。

发育、成熟和衰老是用来描述衰老的事件相关阶段

我们对衰老的定义没有规定最有可能发生衰老的时间段。这一定义意味着生物衰老是一个从出生到死亡的连续统一体。虽然这一描述具有理论价值，但在实践中，这个定义使得我们在整个生命周期内很难发现重大变化。因此，我们需要在整个生命周期内建立特定的事件相关点，描述不同的生物衰老时期。本文从发育、成熟和衰老的角度讨论了生物衰老。

发育是指生命周期中功能向着积极的方向变化的阶段。这一阶段包括从幼虫到蛹的转变、性特征的表达以及蛋白质合成（从信使RNA转录到最终结构形成）的过程。当生物体达到最大生长时，发育期结束，在此期间，许多生物体都经历了最佳的繁殖适应期。就生物活性分子、细胞和器官而言，当达到最佳功能时，发育就结束了。成熟期是指功能保持在最佳水平或缓慢下降的时期。当生物体或分子抵抗熵力（宇宙中物质和能量退化到惰性分散的最终状态）的能力开始减弱时，成熟期结束。第4章详细讨论了抵抗衰老过程中熵力的能力。衰老，或生殖后衰老的过程，通常表现为活力和功能的下降。死亡是衰老的最后阶段。

如图1.5所示，在不同的生命形式中，每个阶段的持续时间和总寿命的百分比都有很大差异。例如，人类的生命阶段曲线（见图1.5A）说明了生物体的曲线，其中发育和成熟占据了生命周期的大部分。一般来说，符合这种衰老模式的植物和动物生长到一个固定的大小，是一种能在一生中繁殖不止一次的生物。这些生物体的另一个特点是，它们在繁殖结束后还有很长的生命期。这些生物体的衰老往往是渐进的。

如图1.5，这些阶段（指的是发育，成熟和衰老）和总寿命的百分比在不同生物中差距很大。例如，人类的生命期曲线(图1.4左上方)表明了发育和成熟期在人类生命期中占大部分。一般来说，适应这种衰老模式的动物和植物会长到固定大小，并且是反复生殖的，这种生物一生不止繁殖一次。这些生物的另一个特征是，它们在繁殖后还有一段明显的生命周期（也就是说，不是生完就挂）。所以，衰老在这些生物在是逐渐进行的。 

图1.5B所示的蝉（Magicicada septendecim）是发育期延长的生物体的一个例子。（这些蝉作为若虫生活在地下16.5年。）发育期之后是一个非常短的成熟期，在此期间，动物的所有精力都集中在繁殖上。成熟结束之后马上出现一个快速衰老的阶。具有这种生命阶段曲线的动物和植物在成熟后没有生殖后寿命，通常在一个季节内产生后代。

人体红细胞的生命阶段曲线形状（见图1.5C）展现了有机分子的衰老。短而快速的发育期即分子、蛋白质或细胞的合成，可以在几秒钟或几天内测量。在这种情况下，成熟代表蛋白质的全部功能，也就是细胞中血红蛋白的携氧和携二氧化碳能力。衰老以分解代谢（降解代谢，将复杂物质分解为简单化合物）来表示。

最后，图1.5D显示了白鲟（Acipenser transmontanus）的生命阶段曲线，并说明了似乎没有衰老或衰老可以忽略不计的生物体的一般模式。这种生命阶段模式可能是四种模式中最难描述的，部分原因是这些生物体的准确寿命数据有限。尽管如此，似乎已经避免衰老的生物体之间有几个共同点，包括持续生长、延迟到发育后期的繁殖，以及重生。

生物衰老不同于老年疾病

你可能已经注意到，对生物衰老的描述中没有提到任何老年疾病。这是因为，在我们看来，使用老年疾病作为生物衰老潜在机制的模型，对理解生物衰老机制没有帮助，正如检查水痘研究结果不会增加我们对发育生物学的理解一样。疾病是动物或植物体内损害正常功能的过程。相反，正如你在第4章中发现的，生物衰老的功能变化和物理恶化是由于生物体与其环境的长期相互作用导致的对熵的抵抗力的丧失。

很明显，在人的一生中，患某种特定疾病的风险会增加。我们认识到疾病在老年人中的重要性，并用整整一章，第9章，来探讨晚年常见疾病的病因。尽管如此，目前的研究已经开始表明，即使是最常见的与老年有关的疾病，也可能更多地与生活方式有关，而不是与生物衰老的固有部分有关。生活方式对疾病的影响可以通过检查心脏病、癌症和慢性阻塞性肺疾病（COPD）的死因来显示，如表1.1所示：（1）80%的心脏病与吸烟、肥胖和饮食等可改变因素有关；（2） 75%的癌症似乎与生活方式或接触有害环境因素有关；（3）90%的COPD是由吸烟引起的。也就是说，时间的流逝（衰老）可能对这些疾病的影响很小，支持疾病和衰老之间的分离。

虽然与年龄相关的疾病对衰老个体的重要性不言而喻，但我们需要认识到衰老和疾病之间的差异。Leonard Hayflick，一位生衰老学的先驱，很好地总结了这些区别：衰老不是一种疾病，因为与任何疾病发生的变化不同，与年龄相关的变化如下：

• 发生在成年期达到一定体型的每一种动物身上
• 跨越几乎所有物种的障碍
• 仅在性成熟后发生
• 发生在远离野外并受到人类保护的动物身上，即使数千年或数百万年来，该物种尚未被了解会经历衰老（that animal species has not been known to experience aging）

• 衰老时，100%的发生死亡
• 发生在有生命和无生命的对象中

通过本文，您将了解更多有关这些年龄相关变化的细节