1.4 生物衰老学家如何研究衰老：比较生物衰老学

尽管对实验室物种的研究已经并将继续提供对衰老基本生物学机制的重要洞察，但这些物种的寿命较短，使得它们作为研究人类异常长寿机制的模型的效率较低。一些生物衰老学家通过观察长寿的野生动物来研究长寿，这是生物衰老学的一个分支，称为比较生物衰老学。比较生物衰老学鉴定出具有抗衰老能力的野生物种，从而在缩短寿命的环境中延长寿命。这种长寿的物种可以在人工饲养中繁殖，在那里可以评估延长寿命的遗传和生化机制。通过鉴定导致抗早死能力进化从而延长寿命的机制，可以为人类寿命的进化提供线索。

我们简要介绍一下比较衰老生物学，讲述一些延长野生动物寿命的内容。我们还描述了一些长寿的特定动物，以及这些动物在野外长寿的进化适应。第三章、第四章和第五章详细介绍了延长寿命的进化、遗传和生化机制。

物种的体型与最大寿命相关

田鼠的最大寿命比兔子短得多；兔子的寿命比大象的要短得多。100多年前，科学文献首次注意到大型哺乳动物比小型哺乳动物寿命更长这一偶然发现，最近的研究也证实了这一点（图1.14）。当温血动物被分为不同的分类群时，与寿命之间的关系也成立，如灵长类、有蹄类、食肉类、啮齿动物等，这里的体型指的是整体尺寸，与体重不足或超重无关。有趣的是，人类并不符合这种模式，在所有哺乳动物中寿命最长，但人类显然不是最大的哺乳动物。非人灵长类动物的体型与寿命曲线也超出了其他哺乳动物的范围。灵长类动物，包括智人，在身体大小-寿命关系中的独特位置很可能反映了与智力有关的因素；第7章对此进行了更深入的讨论。 

图1.14 605种哺乳动物的寿命和体重之间的关系。请注意，在哺乳动物中，人类的寿命最长，尽管其体重比其他一些哺乳动物要小。（改编自Austad S.2006，《衰老比较生物学》（NS Wolf，ed.）。纽约：Springer Science）

人类巨大的大脑，再加上他们在哺乳动物中异常长寿，向许多科学家暗示，大脑大小可能是解释身体大小与寿命关系的因素：较大的动物往往有更大、更复杂的大脑。这样的假设似乎是合理的，因为更大的大脑倾向于提供更多的智力和更好的生理功能调节，有助于维持稳态（维持内环境稳定的能力）。智力将帮助动物逃离捕食者，提高它们觅食的成功率。优越的稳态控制将使动物能够在更大的温度范围内生存，并在许多不同类型的环境条件下生存。这些动物将有更大的觅食范围，从而增加它们的生存机会。

尽管大脑重量假说具有先天的吸引力，并且在一些研究中得到了支持，但绝大多数研究并未发现大脑重量对身体大小与寿命的关系有显著影响。事实上，在大多数哺乳动物中，肝脏、脾脏和心脏等器官的大小比大脑大小更能预测寿命。由于大多数内脏器官（除大脑以外）的大小在很大程度上取决于身体的整体大小，因此内脏器官的大小与身体大小一样可以更好地预测寿命也就不足为奇了。

恒温动物的生理复杂性使得生物衰老学家提出，除了简单的尺寸测量之外，一些因素可能更能反映寿命与体型之间的关系。例如，在二十世纪上半叶探索体型与寿命之间关系的科学家们指出，在单位体重内，以每日能量消耗来衡量，体型较小的哺乳动物比体型较大的哺乳动物新陈代谢速度要快得多。因此我们得到一个普遍的理论，即能量消耗率越高，寿命越短，科学上称之为“生存率理论”，更流行的说法是“运动越快，死得越早”。

尽管生存率理论在非科学文献中仍然很流行，但在更广泛、更严格的科学实验中，它作为身体大小与寿命关系的一般解释并没有得到支持。禽类动物的代谢率是体重相似的哺乳动物的两倍（图1.15）。然而，与哺乳动物相比，鸟类的寿命是其体型的两到三倍。有袋动物，即非胎盘哺乳动物（如袋鼠和负鼠），比同等大小的有胎盘哺乳动物，寿命更短，代谢速度较慢。 

图1.15 鸟类和哺乳动物的基础代谢率（BMR）和最大寿命潜能（MLSP）之间的关系。鸟类比体型相似的哺乳动物寿命更长，代谢率更高。（摘自Hulbert AJ et al.2006.Physical Rev 87:1175–1213.经美国心理学会许可。）

减少对外部危险的脆弱性可以延长寿命

尽管观察和统计分析表明，体型可能与野生动物的长寿有关，但在温血动物中发现了足够数量的例外情况，表明这种关系是偶然的，而不是因果关系。野生动物寿命延长的原因（或多个因素）虽然尚未完全描述，但很可能反映了物种适应环境的能力。大型动物之所以能够延长寿命，仅仅是因为它们的体型和力量使它们能够更好地抵御捕食者。大型动物的觅食面积也往往比小型动物大得多。这将降低它们的种群密度，减少食物竞争。在进化过程中，抵御捕食和降低饥饿风险的能力将提高生存率，并会出现延长寿命的进化。延长寿命进化的潜在机制与延迟繁殖有关，如第3章所详细讨论的。

逃过捕食和在更大范围内觅食的能力是野生长寿进化的机制，飞行的动物也可以说明这一点。非飞行鸟类或弱飞行鸟类（例如鸡）的寿命明显短于强飞行鸟类。飞行是逃避捕食者的一种极其有效的方式，也是一种比使用腿进行长途旅行更有效的机制，因此提供了更大的觅食区域。此外，蝙蝠是同等体型中寿命最长的哺乳动物。

非飞行哺乳动物和寿命延长的冷血动物都有保护自己免受捕食的能力。豪猪的刺很可能是同等体型的哺乳动物中被认为是继蝙蝠之后寿命第二长的原因。已知一些海龟的寿命超过150年。

高度有序的社会结构也延长了野生动物的寿命

数量安全是野生物种延长寿命进化的另一个方面。群居动物，如灵长类动物和群居动物，与非群居动物相比，比同等体型的其他动物寿命更长。赤道非洲的裸鼹鼠是社会因素对寿命影响的一个很好的例子（图1.16）。裸体的鼹鼠有老鼠那么大，完全在地下生活。也就是说，赤裸的鼹鼠从不暴露在地球的危险中，它们生活在大的群体中。因此，这些动物的寿命为20-30年，是其他类似体型哺乳动物的2-3倍。 

图1.16 裸鼹鼠（Heterochephalus glaber）。裸鼹鼠一生都在地下度过，减少了对恶劣环境的暴露。这可能是它们这种体型中相对长寿的一个因素。（摘自Buffenstein R.2005.J Gerontol A Biol Sci Med Sci 60:1369–1377.经牛津大学出版社许可。）

群居昆虫，如白蚁、蚂蚁、黄蜂和蜜蜂，是另一类长寿的动物。这些昆虫的地位不同主要是基于生殖功能的劳动分工，这是一种被称为优社会性（eusociality）的社会组织。生殖功能也决定了昆虫的寿命。例如，每个蜂巢只有一个繁殖活跃的蜂王，可以活5-7年。蜂王在基因上与数千名功能性不育的工蜂相同，工蜂照料幼虫和蛹，只活几个月。一些工蜂将转变为采蜜者，即收集花粉和制造蜂蜜的蜜蜂。这些雌性觅食者的寿命不到30天。最后，雄蜂的唯一任务是与蜂王交配，它们只经历一个季节性周期。因此，一个蜂群包含具有三种不同表型和寿命的群体：基因相同的蜂王和工蜂、与繁殖直接相关的雄性（图1.17）。此外，雌性被分配到的角色似乎在发育过程中受到营养状况的控制。营养最好的幼虫变成蜂王。社会性昆虫的这一独特特征为生物衰老学家提供了一种方法，可以轻松地控制寿命，并评估营养和寿命之间的相互作用。

图1.17 蜜蜂的形态。蜜蜂的形态和寿命似乎与幼虫期营养的差异有关。（A） 蜂王（中间的大蜜蜂）和工蜂（围绕蜂王的小蜜蜂）。（B） 雄蜂。（A，由angelshot/Shutterstock提供；B，由alle/Shutterstock提供。）

少数水生动物寿命极长

如本章前面所述，海绵、水母、海葵、蛤蜊和一些鱼类被认为具有极高的寿命，尽管很难做出精确的年龄估计，因为这些物种中的大多数都没有在实验室中保存。白鲟（Acipenser transmontanus）是一种发现于北美西海岸的淡水鱼，据估计可活200年以上。我们经常引用未发表的关于海葵在鱼缸中生活150多年的报道。直到最近，人们才证实了岛国蛤蜊（Arctica islandica）的极端长寿。贝壳的碳同位素测定表明，一只蛤蜊的年龄为400岁，而其他许多蛤蜊的年龄为100岁（图1.18）。

图1.18 水生动物的极端寿命。（A）白鲟（Acipenser transmontanus）的最大寿命尚不清楚，但估计接近200年。（B）这种蛤蜊（Arctica islandica）的碳年代为400年。（A，由Shutterstock提供；B，由Z.Ungvari提供，Ungvari Z et al.2011.J Gerontol A Biol Sci Med Sci 66:741–750.经牛津大学出版社许可。）

这些水生物种极端长寿的生化和遗传机制尚未确定。然而，这种极端的长寿似乎与持续生长有关。正如您在第3章中学到的那样，生长发育与许多提高生存率的生物学功能有关。长寿蛤显示出对细胞损伤的抵抗力增强，这是衰老的基本机制。在海绵和水母中，一种独特的机制已经发展，可以解释它们的长寿。海绵和水母细胞可以在体细胞（不参与有性生殖的细胞）和生殖细胞（由传递遗传信息的多细胞生物的性器官或组织产生的生殖细胞）之间转换。您在第4章中学到，生殖细胞在保护自己免受伤害方面非常有效，被认为具有无限的寿命。 

涡虫和水螅具有可忽略的衰老和极长的寿命，与组织再生的高能力相关

一些原始后生动物通过组织的再生实现了微不足道的衰老和极长的寿命。涡虫（扁虫）（图1.19A）可以从身体部位再生整个身体。涡虫的再生能力体现在大量成神经细胞（一种干细胞）中。新生细胞占所有涡虫细胞的约25%，并且在产生体细胞和生殖细胞时具有全能性和多能性干细胞的特征。涡虫的再生能力可能与其维持新生细胞端粒长度的能力有关。您在第4章中了解到，端粒的长度，即染色体末端高度重复的DNA序列，可以保护DNA免受损伤，从而延长细胞的寿命。因此，涡虫可以作为测试衰老过程中端粒和细胞增殖假说的良好模型。

图1.19 可忽略不计的衰老和极长寿命的例子。（A） Dugesia属的涡虫和（B） 水螅 vulgaris（H.vulgaris）。（A，在线科学教授[SPO；scienceprofonline.com]；B，Convana，Wikipedia Commons。）

与涡虫类似，淡水刺胞动物水螅（见图1.19B）通过极端的组织再生能力逃脱衰老。尽管水螅也可以从一小块组织中产生完整的身体，但它使用称为morphallaxis而不是干细胞增殖的机制。Morphallaxis通过重塑或重新排列现有组织起作用，产生两个较小但完整的生物体。然后每个新生物长到成年大小。未受损的成年水螅通过不断分裂它的体细胞来保持其青春并实现超长寿命。一些研究估计水螅每20天更新一次身体细胞。这使得许多研究人员认为水螅可能是不朽的，尽管有些物种会衰老和死亡。

组织再生可以提供一种延长人类健康和寿命的机制。涡虫和水螅是研究组织再生的遗传和生化机制的优秀模型。水螅非凡的长寿也可能为生物衰老学最基本的问题之一提供线索：“有性生殖开始与物种衰老和长寿密切相关的机制是什么？您在本章中学到，有性生殖的开始标志着包括人类在内的许多物种的发育结束和衰老的开始（见图1.5B）。许多无性繁殖物种没有表现出这种关系。根据环境条件，一种水螅oligactis（H.oligactis）可以无性繁殖和有性繁殖。由于其组织再生能力，H.oligactis的无性繁殖或出芽繁殖似乎使该物种永生。然而，当环境条件改变，迫使水螅减少无性繁殖时，H.oligactis将转向有性生殖并开始衰老过程。环境条件的变化导致生殖细胞产量增加，这与神经传导功能下降，摄食行为受损以及最重要的是死亡率增加相关。