Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Московский государственный университет
имени М.В. Ломоносова

Биологический факультет


На правах рукописи

Будилова
Елена Вениаминовна

Эволюция жизненного цикла человека:
анализ глобальных данных и моделирование

03.02.08 – Экология
Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук



Научный консультант доктор биологических наук, профессор А.Т. Терехин

Москва - 2015

2

Посвящается моим родителям,
детям и мужу с любовью.

3
Содержание

Введение ………………………………………………………………………..
5


1. Теория эволюции жизненного цикла …………………………………….
19


1.1.
Характеристики жизненного цикла …………………………………………… 23
1.2.

Основные положения и идеи теории эволюции жизненного цикла……… 25
1.3.
Моделирование эволюции жизненного цикла………………………………. 35
1.4. Сетевые модели в контексте эволюции жизненного цикла ……………… 45
1.5. Заключение к главе 1……………………………………………………………. 63

2.
Теория эволюции жизненного цикла человека ……………………….
66

2.1.

Исследование скелетных остатков…………………………………………….. 71
2.2.
Изучение приматов……………………………………………………………….. 72 2.3.
Пре-агрикультурные и традиционные общества…………………………….. 76 2.4.
Исторические демографические записи………………………………………. 78
2.5.

Современные социально-демографические данные………………………… 80
2.6.

Отличительные признаки и стадии жизненного цикла человека………… 82
2.7.

Заключение к главе 2 ……………………………………………………………. 89

3. Влияние факторов окружающей среды на эволюцию жизненного
цикла женщин ……………………………………………………………
90


3.1.

Эволюционная модель………………………………………………………….. 91
3.2. Материалы и методы исследования …………………………………………. 95
3.3. Результаты эволюционного моделирования ……………………………….. 96
3.4. Результаты анализа глобальных данных …………………………………… 103
3.5. Заключение к главе 3 ………………………………………………………….. 109

4.

Влияние окружающей среды на вес новорожденных ……………….
113
4.1. Эволюционная модель ……………………………………………….................. 115
4.2. Материалы и методы исследования …………………………………………. 121
4.3.

Результаты эволюционного моделирования ………………………………. 123

4
4.4.

Результаты анализа глобальных данных…………………………………… 126
4.5. Заключение к главе 4 ………………………………………………………….. 127

5. Глобальные тенденции изменения брачных отношений …………..
133

5.1. Постановка задачи ……………………………………………………………… 133
5.2. Материалы и методы …………………………………………………………… 138
5.3. Результаты статистического анализа ………………………………………… 139
5.4. Заключение к главе 5 …………………………………………………………… 146
6. Эволюционно-экологические аспекты проблемы сохранения
здоровья …………………………………………………………………..
150


6.1. Определение здоровья …………………………………………………………… 154
6.2. Эволюционно-оптимальное распределение ресурсов организма и здоровье. 157
6.3. Влияние окружающей среды на иммунитет…………………………………… 158
6.4. Исследование индивидуального здоровья ……………………………………… 159
6.5. Влияние окружающей среды на демографические показатели
популяционного здоровья населения России………………………………….. 164
6.6. Заключение к главе 6……………………………………………………………… 198

Общие выводы ………………………………………………………………..
202


Литература ……………………………………………………………………
205

Приложения ………………………………………………………………….
248

5
Введение

Теория эволюции жизненного цикла человека – новое направление эволюционной экологии, начавшее формироваться в середине 90-х годов 20 века.
Развиваясь как междисциплинарное направление, вобрав в себя методы исследования и достижения последних лет в антропологии, палеоантропологии, демографии, палеодемографии, этнографии, эволюционной и молекулярной биологии, эволюционной экологии, математики, оно стало неотъемлемой частью сравнительно молодого, успешно развивающегося направления – теории эволюции жизненного цикла. Накопленный за эти годы эмпирический и теоретический материал свидетельствует о том, что эволюция человека тесно связана с эволюционными процессами, применимыми к широкому классу млекопитающих, и особенно, приматов
[Рогинский, 1977; Северцов, 2005], а приобретенные человеческие признаки представляют собой вариации жизненных циклов млекопитающих [Hawkes, 2006].
Изучение жизненного цикла человека в эволюционном контексте позволяет глубже понять многие закономерности его развития и старения, связь здоровья и окружающей среды, особенности поведения. Однако отличительная черта изучения эволюции жизненного цикла человека состоит в том, что невозможно проводить прямые экспериментальные исследования, изучая влияние тех или иных факторов окружающей среды на изменение параметров жизненного цикла человека, как это делается для других организмов. В этой связи представляется актуальным развитие математических методов исследования эволюции жизненного цикла человека – построение теоретических моделей и анализ глобальных статистических данных. В соответствии с этим цель данной работы – применение методов математического моделирования и статистических методов обработки данных к решению ряда актуальных проблем эволюции жизненного цикла человека. Первые две главы посвящены анализу становления и развития теории эволюции жизненного цикла, а также используемым методам моделирования, а четыре последующие – решению конкретных задач теории эволюции жизненного цикла человека.
Первая глава посвящена анализу становления и развития теории эволюции жизненного цикла, описанию основных характеристик жизненного цикла, основным идеям и положениям этой теории, а также методам моделирования. Показано, что в

6 современном виде, как в отношении терминологии, так и формулировки проблемы, направление выкристаллизовалось к началу
70-х годов, когда начался экспоненциальный, с периодом удвоения около четырех лет, рост частоты встречаемости в научных работах словосочетания «life history evolution» («эволюция жизненного цикла»), которое до этого времени появлялось лишь в единичных биологических публикациях.
Под жизненным циклом организма понимается весь временной интервал его жизни от момента зачатия до смерти, содержащий набор событий, связанных с ростом, размножением и гибелью, и распределение этих событий во времени (тайминг). Этот интервал обычно состоит из нескольких стадий, возраста начала и конца которых и являются характеристиками жизненного цикла. С этими характеристиками тесно связаны характеристики размера и массы. Центральную роль в теории жизненного цикла играют характеристики смертности (выживания) и рождаемости, которые и влияют на тайминг жизненного цикла. В данной главе анализируются также основные идеи и понятия теории эволюции жизненного цикла – идея приспособленности, концепции репродуктивной стоимости и репродуктивного усилия, понятие трейдоффа, r- и К-отбор.
В теории эволюции жизненного цикла успешно применяются различные методы моделирования. В данной главе рассматриваются основные подходы к моделированию эволюции жизненного цикла - оптимизационный, адаптивно- динамический и эксплицитный - с акцентом на методологические достоинства и недостатки каждого из них. Оптимизационный подход основан на поиске стратегий жизненного цикла, обеспечивающих максимальное значение заданной меры эволюционной приспособленности – чаще всего, жизненного репродуктивного успеха или коэффициента Мальтуса. Благодаря возможности использования эффективных аналитических и численных методов математической теории оптимального управления, он позволяет находить эволюционно оптимальные стратегии для довольно сложных ситуаций, однако при его применении возникают существенные методологические трудности, связанные с обоснованием выбора критерия оптимизации. Адаптивно-динамический подход использует для исследования эволюционного изменения фенотипических характеристик, в частности, стратегий жизненного цикла, методы качественной теории дифференциальных уравнений.
Моделируется взаимодействие основной популяции
(резидента) и очень малочисленной популяции вселенца (инвайдера). Этот подход позволяет выявить ряд

7 тонких аспектов эволюционной динамики и математически сформулировать и проанализировать некоторые важные проблемы теории эволюции, например, проблему симпатрического видообразования, однако его применение также ограничено как в силу специфичности постановки задачи, так и сложности используемого математического аппарата. Эксплицитный подход основан на прямом моделировании совместного изменения численности популяций, образованных индивидами с разными стратегиями жизненного цикла, с учетом их взаимодействий между собой и со средой.
Он методологически прозрачен, но в сложных постановках задач требует значительных вычислительных ресурсов и, кроме того, в силу конкретности моделируемых ситуаций на его основе трудно получать выводы общего характера.
Исследование эволюции жизненного цикла может проводиться на четырех уровнях, которые соответствуют различным уровням описания биологических механизмов, порождающих взаимозависимости между параметрами жизненного цикла
[Терехин, 2001]: демографическом, уровне распределения ресурсов организмом, уровне изучения системы управления распределением ресурсов и уровне генной регуляции.
В контексте моделирования эволюции жизненного цикла рассмотрены сетевые модели (модели нейронных сетей), которые целесообразно использовать в качестве моделей управляющих систем организма. Важное свойство сетевых моделей - мультистабильная динамика с ее аттракторным и ассоциативным характером, способность к обучению и воспроизведению запомненных образов, а также способность к обобщению и творческому процессу. Показано, что эндокринная система, как и нервная, иммунная и генная, также может рассматриваться как сеть. А весь организм можно представить как единую нейрогеногуморальную сеть, которая обладает достаточной общностью и замкнутостью, чтобы рассматриваться в качестве интегральной модели когнитивной деятельности и физиологической регуляции организма.
Более подробно рассмотрена нейросетевая модель изменения когнитивных свойств мозга в течение его жизненного цикла, на примере которой показано, что период развития характеризуется когнитивной дифференциацией, выражающейся в увеличении числа аттракторов сети, а период инволюции – интеграцией, сопровождающейся сглаживанием рельефа функции энергии сети и уменьшением числа ее аттракторов. Этап дифференциации (от общего к частному) принципиально необходим для структуризации и эффективного усвоения мозгом непрерывно поступающего к нему интенсивного потока информации, а последующий этап

8 интеграции (от частного к общему) позволяет мозгу обрести новые когнитивные способности, которые можно квалифицировать как проявления мудрости.
Описаны сетевые модели управления распределением энергии в организме.
Сетевой подход к проблеме биологической регуляции позволяет предположить, что система распределения энергии в организме может быть представлена многослойной нейронной сетью, состоящей из влияющих друг на друга с разной степенью интенсивности элементов входного
(сенсорного) слоя, промежуточных
(ассоциативных) слоев и выходного (эффекторного) слоя. При этом сенсоры однозначно соответствуют внутренним и внешним переменным состояния, а эффекторы – управляющим переменным, что говорит о полной концептуальной согласованности оптимизационного и сетевого подходов при исследовании проблемы распределения энергии в организме [Терехин, Будилова, 2001(а)].
Одним из методологических достоинств видения проблемы эволюционно оптимального распределения энергии в течение жизненного цикла индивида, основанного на объединении оптимизационного и сетевого подходов, является понимание роли сенсоров в системе управления распределением энергии. Наиболее важным сенсором в этой системе должен быть датчик биологического возраста индивида [Терехин, Будилова, 2001(а)].
Во второй главе рассматривается развитие и становление теории эволюции жизненного цикла применительно к человеку. Показано, что заметный рост интереса к проблеме эволюции жизненного цикла человека начинается лишь в середине девяностых годов 20-го века. Это направление развивается как междисциплинарное, где лидирующие позиции принадлежат палеоантропологам, приматологам и эволюционным экологам, изучающим питание. Свой вклад в изучение этой проблемы вносят также демографы и палеодемографы, антропологи, изучающие рост и развитие человека, этнографы, эволюционные и молекулярные биологи, а также математики.
Источники информации для изучения эволюции жизненного цикла человека - скелетные останки популяций прошлого, исторические демографические записи, живущие приматы, как наиболее близкие родственные виды, пре-агрикультурные и традиционные сообщества, современные социально-демографические данные. Анализ работ по эволюции жизненного цикла человека позволил выделить круг решаемых в этой области задач - это реконструкция эволюции жизненных циклов гоминид и человека; выявление признаков, отличающих жизненный цикл человека от жизненного цикла млекопитающих, и особенно приматов; выявление стадий развития в

9 жизненном цикле человека; установление избирательных факторов, влияющих на его эволюцию.
К отличительными признаками жизненного цикла человека следует отнести: относительно долгую продолжительность жизни, относительно позднее созревание, сравнительно раннее отлучение ребенка от груди по сравнению с возрастом независимости пропитания, подростковый скачок роста длины и массы тела, относительно большое расхождение между кривыми падения рождаемости и роста риска смертности в старшем возрасте ("среднежизненная менопауза") [Bogin,
1990,1993,1996, 2009; Hill, Hurtado, 1991; Hawkes et al.,1998].
На протяжении всего периода эволюции человека претерпевала изменения продолжительность его стадии детства. Это освобождало мать от длительного вскармливания ребенка и способствовало уменьшению межродового интервала и увеличению репродуктивной приспособленности, а эволюция подростковой стадии обеспечивала возможность приобретения комплекса социальных навыков, необходимых для того, чтобы быть эффективными родителями в будущем.
Подчеркивается, что эволюция жизненного цикла человека происходила параллельно с эволюцией его мозга [Leigh, 2006; Robson, 2008]. Обсуждается предположение, что возраст менопаузы имеет очень древнее происхождение и практически не подвергался изменениям на длинном пути эволюции человека, в то время как длительность пострепродуктивного периода эволюционировала [Kaplan, 1997; Judge and Carey,
2000].
В третьей главе изучается влияние факторов окружающей среды
(обеспеченности питанием и пресса окружающей среды) на эволюцию характеристик жизненного цикла женщин. Изучение состоит из трех этапов.
На первом этапе строится эволюционно-оптимизационная модель, основанная на распределении ресурсов организма между его ростом, репродукцией и выживанием, и оцениваются совместные эффекты, вызванные изменением двух параметров модели, характеризующих обеспеченность питанием и смертность, связанную с прессом окружающей среды, трех характеристик жизненного цикла (возраста половой зрелости, возраста освобождения от родительской опеки, продолжительности жизни) и трех характеристик, связанных с жизненным циклом (размер тела в возрасте половой зрелости, размер тела возраста освобождения от родительской опеки и число детей).
На втором этапе анализируются глобальные социально-демографические данные, собранные для 131 страны. Используя метод множественного регрессионного

10 анализа, исследуется совместное влияние двух факторов окружающей среды
(доступность пищи и инфекционный пресс) на некоторые реальные характеристики жизненного цикла женщин (возраст менархе, возраст вступления в брак, продолжительность жизни) и характеристики, связанные с ним (размер тела взрослых женщин, вес новорожденных, плодовитость).
На третьем этапе сравниваются результаты оптимизационного моделирования с результатами, полученными при статистическом анализе. Это сравнение позволяет выяснить, в какой степени эмпирические зависимости характеристик жизненного цикла человека определяются условиями окружающей среды и могут ли они объяснить эволюционный процесс адаптации человека к окружающей среде, обеспечивается ли эта адаптация биологическими или культурными средствами.
Расчеты на основе модели показали, что такие характеристики жизненного цикла женщин, как возраст половой зрелости, продолжительность жизни и межродовой интервал растут с уменьшением пресса среды (средовой смертности) и слабо зависят от уровня питания. Характеристики, связанные с жизненным циклом, такие как масса тела возраста половой зрелости и масса тела ребенка в момент освобождения от родительской опеки растут при уменьшении средовой смертности и увеличении питания. Количество же детей уменьшается с уменьшением средовой смертности и слабо зависит от доступности пищи. Сравнивая тенденции роста количества детей с тенденциями уменьшения межродового интервала и массой тела ребенка, можно сказать, что уменьшение количества детей сопровождается увеличением длительности родительской заботы и увеличением массы тела потомка.
Множественный регрессионный анализ применительно к глобальным социально-демографическим данным для 131 страны показал, что возраст начала менархе растет с уменьшением доступности пищи, а возраст вступления в брак - с уменьшением пресса среды (инфекционной нагрузки). Продолжительность жизни растет с уменьшением инфекционной нагрузки и ростом доступности пищи. Две характеристики, связанные с жизненным циклом - рост женщин и вес при рождении - уменьшаются при уменьшении доступности пищи, однако только вес при рождении статистически значимо уменьшается также и с ростом инфекционной нагрузки.
Плодовитость же падает при увеличении доступности пищи и снижении инфекционного пресса. Сравнение результатов моделирования и статистического анализа социально-демографических данных показало, что модельному оптимальному возрасту наступления половой зрелости соответствует такая, скорее культурная, чем

11 биологическая, характеристика, как возраст вступления в брак, что подтверждает важность культурных аспектов в эволюции человека. Общие черты в расхождении результатов статистического анализа и оптимизационного моделирования заключаются в том, что эмпирически наблюдаемые зависимости характеристик жизненного цикла от средовой смертности моделью предсказываются лучше, чем зависимости от обеспеченности пищей.
В четвертой главе изучается влияние окружающей среды на вес новорожденных. Как и в предыдущей главе, исследование состоит из трех этапов. На первом этапе строится мультиагентная модель влияния факторов окружающей среды
(питания, паразитарного пресса, средового пресса) на вес новорожденных, основанная на распределении энергии индивида между его ростом и репродукцией. На втором этапе проводится статистический анализ глобальных социально-демографических данных для 133 стран. Наконец, на третьем этапе сравниваются результаты, полученные при моделировании, с результатами статистического анализа реальных данных. Моделирование позволяет сделать вывод о том, что оптимальный вес новорожденных зависит от того, какой тип риска снижения приспособленности преобладает в том или ином месте (соматические заболевания, паразитарные болезни или неблагоприятные условия окружающей среды).
Когда вариации приспособленности между индивидами связаны, главным образом, с соматическими заболеваниями (например, в индустриально развитых странах), или, наоборот, с паразитарными заболеваниями (например, в развивающихся странах), следует ожидать, что отбор будет благоприятствовать индивидам, производящим более крупных детей.
И, наоборот, когда относительно велики экологические риски, селективный отбор не будет благоприятствовать появлению новорожденных с большим весом.
Сравнительный статистический анализ подтверждает эти выводы.
Пятая глава посвящена анализу глобальных тенденций в изменении брачного статуса населения мира. Проведенный статистический анализ социально- демографических характеристик по 160 странам мира за период с 1950 по 2000 гг. показал: в среднем в мире уменьшается доля состоящих в браке и увеличивается доля разведенных и одиноких.
Эти изменения происходят одновременно с падением рождаемости и снижением детской и общей смертности. При этом доля замужних женщин остается выше, чем доля женатых мужчин, доля разведенных женщин – больше, чем доля разведенных мужчин и доля одиноких женщин – меньше, чем доля одиноких мужчин. Превышение

12 доли замужних женщин, характеризующее степень распространенности полигинии, наиболее сильно выражено (и мало изменяется во времени) в Африке, в меньшей степени в Азии и практически отсутствует в Европе и Америке. Характерная черта изменений структур брачных отношений в разных регионах земного шара - тенденция к их сближению, своего рода «глобализация» в этой сфере человеческой культуры.
Возможным исключением на этом фоне представляется сохраняющая стабильность структура брачных отношений в немусульманской Азии (изменения в азиатских мусульманских странах соответствуют глобальным тенденциям).
Шестая глава посвящена рассмотрению эволюционно – экологических аспектов проблемы сохранения здоровья, а также подходов, позволяющих связать результаты моделирования эволюционно оптимального распределения ресурсов организмом и показатели здоровья. Эти подходы были применены при исследовании влияния экологических и социально-экономических факторов на демографические показатели здоровья населения России.
Показано, что идеи и подходы, развиваемые теорией эволюции жизненного цикла, все более находят свое применение в науках о человеке. В частности, в последние полтора десятилетия сформировались новые научные направления
«эволюционная медицина» и «экологическая иммунология», которые позволяют глубже понять взаимосвязи между здоровьем человека и окружающей его средой. С другой стороны, последние двадцать лет все большее распространение получает идея экосистемного подхода к популяционному здоровью («Ecosystem approaches to health»)
[Forget et al., 2001].
Теория эволюции жизненного цикла позволяет рассматривать проблему здоровья в контексте эволюционно-оптимального распределения жизненных ресурсов организма между его основными потребностями (ростом, размножением, поддержанием жизнедеятельности и репарацией) в зависимости от условий окружающей среды. Основная тенденция эволюционно оптимальных стратегий состоит в том, что часть ресурсов, выделяемых организмом на репарацию, должна сократиться, если окружающая среда становится более агрессивной [Терехин, 2001].
На примере Мурманской области и Республики Карелия показано влияние климатических и социально-демографических факторов и промышленного загрязнения на неспецифический иммунитет жителей этих регионов.

13
На примере жителей Москвы при исследовании индивидуального здоровья (на основе данных анкетного опроса) показано влияние на здоровье социально- экономических факторов и образа жизни.
При исследовании популяционного здоровья в масштабе всей России использованы данные Федеральной службы государственной статистики России за
2000-2008 г.г. для 82 субъектов РФ. Собранные данные отражали различные характеристики регионов: географические, климатические, демографические, социально-экономические, экологические. В качестве показателей популяционного здоровья рассматривались общая и младенческая смертность, продолжительность жизни, рождаемость, кроме того, по методике, предложенной в [Thomas, Teriokhin et al., 2000] для всех регионов была вычислена смертность, связанная со средой (средовая смертность), как общая, так отдельно для мужчин и женщин. Показано, что средовая смертность уменьшается с увеличением степени освоенности региона проживания (что, в свою очередь, связано с климатом, размещением промышленности и развитостью инфраструктуры) и растет при увеличении сброса неочищенных сточных вод, числа больных алкоголизмом и ростом отравлений. Эти четыре фактора объясняют разброс средней средовой смертности на 53%.
Исследование системного влияния климатических, экологических, демографических и социально-экономических факторов на рождаемость населения
России показало: более низкой средней температуре января соответствует более высокая рождаемость, что говорит о еще сохраненной эволюционно обоснованной связи между окружающей средой и рождаемостью. Однако наблюдается и современная тенденция: с ростом численности городского населения и увеличением числа больных алкоголизмом рождаемость падает. Три этих фактора объясняют разброс рождаемости на 56%. Показано также, что рождаемость практически линейно зависит от отношения средовых смертностей мужчин и женщин: с увеличением этого отношения рождаемость уменьшается.
Общие выводы содержат основные выводы по работе. Список цитируемой литературы включает 662 источника, в том числе 503 на иностранных языках.
Приложения содержат пример вычислений эволюционно-оптимальных характеристик жизненного цикла; двухбуквенные коды для стран и автономных территорий; вопросы анкеты, использованные при анализе индивидуального здоровья жителей Москвы.

Каталог: res -> Dissertation
res -> Резолюция IV съезда токсикологов россии с международным участием
res -> Поиск «иван-чай» / 24. 10. 08 нашлось 2 млн страниц, 1200 картинок
res -> Средства физического воспитания
Dissertation -> Оксибутирата с полиэтиленгликолем для инженерии костной ткани
Dissertation -> Стимуляции системы врожденного иммунитета в условиях гипергликемии