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Senescence and the evolution of life history and evolvability
Emese Tóth
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Joint-Masterstudium Evolutionary Genomics and Systems Biology
Betreuer*in
Philipp Mitteröcker
DOI
10.25365/thesis.81467
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19918.62311.276259-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Seneszenz von Organismen erscheint paradox, da sie die Fitness des Individuums mindert. Dennoch ist Seneszenz im Tierreich weit verbreitet, denn damit Evolution stattfinden kann, müssen Individuen sterben, um der nächsten Generation Platz zu machen. Arten können jedoch sehr unterschiedlich schnell altern. Es bleibt die Frage, warum Seneszenz so verschieden abläuft und wie sich unterschiedliche Lebensdauern entwickelt haben. Theorien zur Evolution von Seneszenz reichen von Mutationsakkumulation, antagonistischer Pleiotropie und der "Disposable Soma" Theorie bis hin zur Theorie, dass Seneszenz die Evolutionsfähigkeit steigert und sich durch Gruppenselektion entwickelt hat. Wir schlagen vor, dass sich Seneszenz als Folge der Evolution eines schnelleren Lebenszyklus entwickelt hat, wenn es Kompromisse zwischen Lebenszyklusmerkmalen gibt. Um die Plausibilität dieser Idee zu überprüfen, habe ich individuenbasierte Simulationen in Wolfram Mathematica durchgeführt. Ich habe fünf verschiedene Lebenszyklusstrategien modelliert, in denen Kompromisse als Einschränkungen der Fortpflanzungsleistung implementiert wurden. Zwei Szenarien wiesen starke Kompromisse auf, was bedeutete, dass die Nachkommenzahl für alle gleich war. Zwei weitere Szenarien wiesen mittlere Kompromisse auf, während das fünfte Szenario schwache Kompromisse aufwies. In diesen Fällen führte eine Verkürzung der Lebensdauer zu einer verringerrung der Nachkommenzahl, während eine Verlängerung sie erhöhte. Diese Änderungen waren jedoch stärker bei dem Szenario mit starken Kompromissen. Die Simulationen ergaben je nach Szenario unterschiedliche Ergebnisse für das Sterbealter. Während bei den Szenarien mit starken Kompromissen sowohl das Sterbealter als auch das Alter bei Erreichen der Fortpflanzungsphase stets abnahmen, sank beim Szenario mit schwachen Kompromissen nur der Beginn der Fortpflanzungsphase, während das Sterbealter anstieg. Die mittleren Szenarien zeigten je nach Wahl der Parameter entweder eine Abnahme oder eine Zunahme des Sterbealters. Je mehr Nachkommen die Individuen potenziell zeugen konnten, desto stärker sank jedoch das Sterbealter. Der Grund für die Abnahme des Sterbealters und des Beginns der Fortpflanzungsphase war ein direkter Beitrag zur Fitness sowie eine Zunahme der Evolutionsfähigkeit, wodurch die Evolution des Merkmals x schneller ablaufen konnte. Die Simulationen zeigen, dass sich ein schnellerer Lebenszyklus entwickelt und dabei die Evolutionsfähigkeit einer Population erhöht. Liegen Kompromisse zwischen verschiedenen Merkmalen des Lebenszyklus wie Lebensdauer und Nachkommenzahl vor, so geht ein schnellerer Lebenszyklus auch mit einer Verkürzung der Lebensdauer einher. Viele Beispiele für solche Kompromisse im Lebenszyklus sind bekannt. Die Vielfalt der Alterungsraten und Lebensdauern in der Natur könnte somit eine Folge unterschiedlicher Lebenszyklusstrategien zwischen verschiedenen Arten sein.
Abstract
(Englisch)
Organismal senescence appears paradoxical, as to the individual, it is a detrimental process, reducing its fitness. Nonetheless, it is widespread across the tree of life. One way to resolve this is by saying that individuals must die to give way to newer generations in order for evolution to occur. Senescence would thus be the mechanism by which this is achieved, making it inevitable. However, there are species that senesce at very different rates, some even appearing to be immortal. The question remains why species senesce at different rates and how different lifespans evolved. Many theories exist on the evolution of senescence, ranging from mutation accumulation, antagonistic pleiotropy, and the disposable soma theory to the theory that senescence is beneficial by increasing evolvability and that it evolved through group selection. We propose that senescence evolved as a consequence of the evolution of a faster life history when there are trade-offs between life history traits. To test this as a proof of principle, I used individual-based simulations in Wolfram Mathematica. I modelled five different life history scenarios where trade-offs were implemented as constraints on the reproductive output. Two scenarios had strong trade-offs, which meant that an increase in lifespan could not achieve more offspring. Two scenarios had intermediate trade-offs, where decreasing the lifespan also decreased the offspring number while increasing lifespan lead to more offspring. The fifth scenario had weak trade-offs. Increasing the lifespan also increased the offspring number, more so than for the two intermediate scenarios. The simulations resulted in different outcomes for the age at death, depending on the scenario. While for the first two scenarios with strong trade-offs the age at death as well as reproductive onset always decreased, for the scenario with weak trade-offs, only age at reproductive onset decreased while age at death increased, thereby maximizing offspring number. The intermediate scenarios either showed a decrease in age at death or an increase, depending on the choice of parameters. However, the more offspring the individuals could potentially produce, the more age at death decreased. The reason for the decrease in age at death and reproductive onset was a direct contribution to fitness as well as an increase in evolvability, which allowed the selected trait x to evolve faster. The simulations show that a faster life history evolves and increases evolvability of a population. When trade-offs between life history traits exist, such as between lifespan and offspring number, a faster life history also comes with a shortening of the lifespan. Indeed, many examples of such life history trade-offs are known. Therefore, it is possible that the various rates of senescence and the diversity of lifespans are a consequence of different life history strategies in distinct species.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Evolution von Seneszenz Evolutionsfähigkeit Lebenszyklusstrategie Individuenbasierte Simulationen
Schlagwörter
(Englisch)
Evolution of senescence Evolvability Life history Individual-based simulations
Autor*innen
Emese Tóth 
Haupttitel (Englisch)
Senescence and the evolution of life history and evolvability
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
iii, 37 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Philipp Mitteröcker
AC Nummer
AC17918405
Utheses ID
81220
Studienkennzahl
UA | 066 | 220 | |