生命中不断重复的出生和死亡循环是自然界最基本的原则之一。有机体开始时是一个生长和分裂的单个细胞，发育成胚胎，成熟并到达成年期，但随后老化，恶化，最终屈服于死亡。

但为什么生命必须是循环的，为什么它必须以衰老和死亡结束?

毕竟，像珊瑚和海绵一样的动物可以活几千年，几乎可以无限再生和细胞修复。即使在更复杂的动物中，后代也不会继承父母的年龄：每一代新生代都是从处于原始状态的细胞开始，没有任何衰老迹象。如果在生殖细胞中以某种方式抑制衰老，为什么生物体组织的其余部分最终会恶化和死亡?

不朽的种系 - 一次性身体

19世纪末，德国生物学家August Weismann意识到复杂生物由两种细胞类型组成：“永生”种系 - 永生细胞，产生精子和卵子 - 以及“一次性”体细胞形成身体的其余部分。

种系细胞形成从受精卵开始到生殖新生殖细胞的谱系，保留遗传信息并将其转移到后代。另一方面，Soma没有贡献遗传物质，只是形成了一个在繁殖后被丢弃的保护壳。

Weismann设想了一种简单的生物模型，它具有种系和体细胞之间的严格分离 - 所谓的Weismann屏障 - 其中没有由体细胞获得的与年龄相关的恶化可以通过种系传递给下一代，其总是天生的。

最近，托马斯柯克伍德在他的“一次性躯体”衰老理论中对魏斯曼的想法进行了彻底改革。受到Medawar和Williams思想的启发，Kirkwood认为自然选择的力量随着年龄的增长而下降，因为自然环境中的大多数生物由于捕食者，寄生虫和饥饿等外部危害而死亡。

同时，生物体必须将资源投入生殖努力以及维持和修复其体细胞。但由于外部威胁幸存的可能性随着时间的推移而下降，因此最佳策略是随着时间的推移将越来越少的资源分配到体细胞维护中。在生命周期的后期缺乏细胞修复导致功能的逐渐丧失和逐渐衰老衰老。

至关重要的是，柯克伍德意识到他的“一次性体细胞”理论只有在种系和体细胞之间存在严格的区别时才有效。Weismann屏障受到侵害的生物 - 如果体细胞也用于繁殖，例如 - 不应该老化。

事实上，现实世界的画面比Weismann的模型预测的要复杂得多。

在哺乳动物，鸟类和昆虫等复杂动物中，Weismann对刚性种系 - 体细胞区分的假设是正确的：成年人中只有相对较小的一组细胞保留了生殖潜能，而其余细胞则不可逆转地分化为体细胞组织细胞 - 肝脏，皮肤，肌肉 - 不能产生新的有机体。

但是，在这个王国最古老的成员中，情况并非如此，例如水,,珊瑚和海绵。即使在它们的成体形式中，这些生物也维持着大量的通用干细胞，它们可以产生体细胞和生殖细胞，即种系和体细胞从未真正分离。缺乏种系隔离使珊瑚及其亲属具有再生和植物性植物繁殖的力量。

同样令人印象深刻的是动物寿命的变化和衰老的速度。

大约70多年的典型人类预期寿命远远长于家鼠的2年寿命特征，但人类与生活数千年而没有衰老迹象的珊瑚群落不相称。没有年龄的生物体存在于按时间顺序排列的老年人和年轻人基本相同的状态，通用干细胞群不断更新其体细胞和生殖组织。

Weismann屏障似乎是复杂生物的一种相对较新的创新，与体细胞老化和死亡一起发展，而不是对所有动物具有普遍性。驱动种系和体细胞分离的进化的原因尚不清楚，但答案也将阐明复杂动物死亡的起因。

衰老演变背后的细胞能量学

有迹象表明，种系和凡人体细胞的进化与细胞能量学有关。

动物细胞通过其线粒体中的呼吸产生能量 - 细菌来源的细胞器保留了它们自己的微小基因组，与细胞核内的染色体不同。每个细胞含有数十和数百个线粒体，每个线粒体都有几个DNA分子。这种微小的基因组调节线粒体功能;其完整性对细胞呼吸至关重要，因为有缺陷的线粒体基因常导致衰弱性疾病，神经肌肉退化和早逝。

线粒体基因缺陷的很大一部分来自不精确DNA复制中的随机复制错误。随着发育中生物细胞的分裂，它们的线粒体也会复制，每次都会引入新的DNA突变。

在我们最近的PLOS生物学文章中，我们发现在具有快速线粒体缺陷积累的生物体中，自然选择有利于分离具有较少数量的细胞复制周期的种系的分离，因为它最小化对可能产生能量的细胞器的损害。传递给下一代。然而，如果误差累积的速度很慢，那么严格的种系 - 体细胞屏障就不应该发展。

因此，我们的模型表明，导致衰老和死亡的“一次性”体细胞已经发展成为维持具有多种组织和高能量需求的复杂生物体中线粒体质量的策略，其中线粒体缺陷相对快速地积累。

DNA复制错误产生的频率(突变率)在动物群体中不同，但这种变化与新假设的预测非常一致。

高等动物如哺乳动物，爬行动物和鸟类的突变率非常高，是细胞核基因典型错误累积率的10-50倍。另一方面，极其缓慢的线粒体突变率是最古老的动物群和植物的特征，其能够克隆繁殖，再生和看似无限的寿命，并且严格地说，种系和体细胞之间没有严格的区别。

我们相信，最早进化的动物的发育和繁殖很像现代珊瑚和海绵一样：它们是固着的滤食动物，大量的未分化干细胞不断产生体细胞和生殖细胞，它们可以再生它们的身体部位和例如，通过将细胞群与其体细胞组织(例如植物和水蛭)分开来克隆繁殖。

由于线粒体突变率低，它们没有真正的体细胞，几乎是不朽的。

但是，大约5.5亿年前埃迪卡拉和寒武纪时期边界的大气氧含量上升，增加了一些原始动物谱系的代谢和体力活动，并诱导了从无柄滤食到高活力和捕食的转变。这必然增加了线粒体基因组中缺陷积累的风险，并推动了隐蔽和受保护的种系细胞的进化。

种系和体细胞的分离使得高等动物的复杂性变得复杂，但也标志着衰老和死亡的起源。

不再需要保持永生，体细胞获得了几乎不受限制的分化成高度特化的组织(如肠，脑或皮肤)的能力。

顺便提一下，埃迪卡拉末端大气氧含量的增加与化石记录中突然出现的各种复杂的动物身体计划相吻合 - 即所谓的寒武纪爆发，据信这引起了大多数现代复杂的动物类。

线粒体突变率增加的结果是，种系和体细胞的严格韦斯曼分离使得高等动物的复杂性变得复杂，但也标志着衰老和死亡的起源。

只有在复杂的动物中，我们才能看到具有高能量需求的一次性组织，这些组织会积累高水平的线粒体缺陷但不再更新或再生。例如，人类大脑中的神经细胞通常是第一个受线粒体疾病影响的细胞，但通常不会被替换，因为这会改变最终导致我们记忆，个性和智力的突触连接网络。

动物的复杂性，强烈的体细胞分化成许多类型的特殊组织和器官，甚至意识都是通过严格的种系 - 体细胞二分法实现的，因此与死亡率有着内在的联系。

长寿一直是人类的追求，尽管我们的预期寿命目前正在上升，但可能存在的限制 - 永生可能与具有高能量生活方式的动物的生物复杂性根本不相容。